劉 學(xué)

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車技術(shù)學(xué)院，吉林吉林132013）

1 引言

動(dòng)力性能良好的高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架是高速列車得以發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。中國中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用鋼是S355J2W 耐候鋼，與S355J2 等系列鋼一樣，都是歐盟標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼，具有合金含量低、力學(xué)性能高等特點(diǎn)，因此對(duì)母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能都有著近乎苛刻的要求[1-2]。由于這些鋼全部依賴進(jìn)口，從技術(shù)和成本角度考慮，亟需找到可以替代其產(chǎn)品性能且適應(yīng)更高速度以及輕量化發(fā)展方向的產(chǎn)品。

09CuPCrNi-A 鋼作為上海寶鋼集團(tuán)公司生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼，其力學(xué)性能與歐盟進(jìn)口的S355J2W耐候鋼接近[3-4]。為了早日實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架國產(chǎn)化，本文將對(duì)09CuPCrNi-A 鋼焊后接頭的微觀組織及成分對(duì)其性能分析進(jìn)行試驗(yàn)，以期對(duì)相關(guān)研究提供理論參考。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料成分及性能

本試驗(yàn)所用母材為我國上海寶鋼集團(tuán)公司生產(chǎn)的09CuPCrNi-A 鋼，該材料厚度為10±0.1 mm；焊絲選用半徑0.6 mm 的H08MnSiCuCrNiⅡ?qū)嵭竞附z。母材和焊絲的具體化學(xué)成分如表1 所示[5]。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆募昂附z化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用焊接設(shè)備是MOTOMAN 自動(dòng)電弧焊接機(jī)器人，主要由焊接變位機(jī)、焊接控制器和焊接電源等部分組成。觀察焊接接頭內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)時(shí)，所用設(shè)備是金相顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方案及焊接工藝參數(shù)

本試驗(yàn)采用MAG 焊接方法，其保護(hù)氣體為Ar∶CO2=4∶1 的混合氣體；焊接母材試板尺寸為350 mm×150 mm×10 mm±0.1 mm，并對(duì)其開V 形坡口做預(yù)變形處理，預(yù)變形角度約為單側(cè)3.5°角、V 形坡口開90°角；焊接方法為單面焊接雙面成形，焊接間隙1 mm、鈍邊1mm，電弧焊焊接工藝參數(shù)如表2 所示[6]。

表2 電弧焊焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 母材顯微組織

母材在經(jīng)過研磨、拋光與硝酸酒精溶液浸蝕并放大100 倍后，在金相顯微鏡下觀察到的顯微組織如圖1 所示（見封三）。母材為鐵素體和少量珠光體的混合組織，不僅混合比例均勻，而且鑲嵌完好，這得益于母材經(jīng)過正火的熱處理。

2.2 不完全結(jié)晶區(qū)顯微組織

焊接過程在本質(zhì)上就是金屬材料的熱處理過程。金屬在短暫時(shí)間內(nèi)經(jīng)過高溫加熱而后又經(jīng)歷溫度驟降的過程中，當(dāng)焊接溫度在Ac1～Ac3之間時(shí)，由于母材中部分組織發(fā)生相變，珠光體和鐵素體則開始向奧氏體轉(zhuǎn)變，此過程形成了細(xì)小的奧氏體，也就是奧氏體化的過程。

圖2 為不完全重結(jié)晶區(qū)組織放大250 倍的顯微組織（見封三），隨著熱源前移，由于母材經(jīng)歷Ac1～Ac3 之間的溫度驟降，其中未奧氏體化的部分組織就以粗大的鐵素體和珠光體形態(tài)保留下來。

2.3 細(xì)晶區(qū)顯微組織

正火作為—種改善鋼材韌性的熱處理方式，是將母材加熱到Ac3 溫度以上30～50℃后，保溫一段時(shí)間后，出爐經(jīng)過空冷室溫的過程。

圖3 為母材細(xì)晶區(qū)放大100 倍的顯微組織（見封三），經(jīng)過正火處理的母材組織由均勻分布的粒狀鐵素體和珠光體組成。由于此溫度區(qū)間的晶粒并未長大，晶粒細(xì)小且均勻，這正是是相變重結(jié)晶區(qū)具有良好塑性和韌性的原因。

2.4 過熱區(qū)顯微組織

過熱區(qū)是指金屬材料加熱溫度范圍在固相線與1 100℃之間，由于該區(qū)域加熱溫度偏高，導(dǎo)致金屬處于過熱狀態(tài)，鐵素體與珠光體在奧氏體化過程中會(huì)存在晶粒急劇長大的過程，故此區(qū)域也稱為粗晶區(qū)。

圖4 為過熱區(qū)放大250 倍的顯微組織（見封三），晶粒粗大使得組織致密性與緊湊性差，組織多為粗大的塊狀和條狀先共析鐵素體，力學(xué)性能較差、易發(fā)生脆化，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋并發(fā)生脆斷現(xiàn)象，因此該區(qū)域是焊接接頭的一個(gè)薄弱區(qū)域，在拉伸試驗(yàn)過程中易出現(xiàn)拉伸變形和斷裂。

2.5 熔合區(qū)顯微組織

熔合區(qū)是介于焊縫與熱影響區(qū)之間相當(dāng)窄小的過渡區(qū)，由部分熔化母材和部分未熔化母材組成，其微觀組織、化學(xué)成分和力學(xué)性能非常不均勻，因此導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度與塑韌性下降，增大了脆斷傾向。

圖5 為熔合區(qū)放大100 倍的顯微組織（見封三），上方與下方區(qū)域分別為焊接接頭的焊縫區(qū)和過熱區(qū)。其中，熔合區(qū)域是界限并不清晰的窄小區(qū)域，形成了因母材與焊縫交替生長而參差不齊結(jié)合面。由于該區(qū)域溫度高，造成先共析鐵素體晶粒粗大且過熱，S、P 等雜質(zhì)元素極易聚集，故該區(qū)域較為危險(xiǎn)，常為熱裂紋、冷裂紋和脆性相的發(fā)源地，也是焊接接頭的薄弱區(qū)域之一。

2.6 焊縫區(qū)顯微組織

本試驗(yàn)采用了多層填充焊接的方式，后一層焊接過程的實(shí)質(zhì)是對(duì)前一層焊道的熱處理，而前一層焊接過程又對(duì)后一層焊接起到了預(yù)熱作用，因此多層焊接過程的熱循環(huán)較為復(fù)雜。

焊縫凝固組織的特征之一是形成柱狀晶，其生長具有明顯的方向性，一般垂直于熔合線而向散熱方向生長。由于后一層焊接的熱循環(huán)使得已結(jié)晶的柱狀晶發(fā)生相變而變成細(xì)小的等軸晶，部分雜質(zhì)元素導(dǎo)致的粗大晶粒則會(huì)被細(xì)小晶粒夾在其中而交替生長，因此焊縫組織主要由柱狀晶區(qū)、粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)組成。

圖6 為焊縫區(qū)放大100 倍的顯微組織（見封三），其主要成分為沿柱狀晶晶界分布的帶狀和塊狀鐵素體、沿著晶界向散熱方向生長的針狀鐵素體，以及晶內(nèi)的珠光體和少量粒狀貝氏體。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)，并對(duì)焊接組織進(jìn)行觀察與分析，得到如下結(jié)論：

（1）本試驗(yàn)中焊絲含有的Mn、Si、Cr、Ni 等合金元素有助于生成針狀鐵素體，因此焊縫中針狀鐵素體組織較多。

（2）在多層焊接過程中，后一層焊接相當(dāng)于對(duì)前一層焊接進(jìn)行了熱處理過程，減緩其冷卻速度，在一定程度上促進(jìn)了珠光體和少量粒狀貝氏體的生成。

（3）采用打底多層焊道焊接，填充層對(duì)上一層重新進(jìn)行回火處理；焊縫組織晶粒細(xì)小且分布均勻，是由部分柱狀晶晶粒破碎形成的帶狀和塊狀鐵素體、針狀鐵素體與少量珠光體。