機車車體Q345E鋼Ar+CO2+O2三元混合保護氣體MAG焊接頭的組織和性能

劉 靜，隋國欣，王明山，時晨旭，吳萬哲，李方正

（1.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連116022；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063000）

機車車體Q345E鋼Ar+CO2+O2三元混合保護氣體MAG焊接頭的組織和性能

劉 靜1，隋國欣1，王明山1，時晨旭1，吳萬哲2，李方正2

（1.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連116022；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063000）

選用富氬低氧化性的Ar+CO2+O2三元混合焊接氣體（即Rich-argon Lower-oxidizability Ar+CO2+O2三元混合氣體，簡稱RALO三元混合氣體），通過與傳統φ（Ar）80%+φ（CO）220%二元混合焊接氣體（簡稱二元混合氣體）相對比，研究機車車體Q345E鋼MAG焊接頭的組織和性能。試驗結果表明，RALO三元混合氣體的焊縫成形較為平滑、美觀；三元混合氣體的焊縫低溫沖擊韌性略高于二元混合氣體，沖擊吸收功Ak（v-40℃）值高出約13%；選用三元混合氣體或二元混合氣體進行焊接，MAG焊接頭的組織特征上差別不大，即組織類型相同、形貌特征相似、晶粒尺寸相近，且焊接接頭塑性良好，靜載拉伸試驗試樣均斷裂于遠離焊縫的母材處。

Q345E鋼；RALO三元混合氣體；MAG焊接頭；顯微組織；力學性能

0 前言

機車車體用低合金高強鋼Q345E鋼選用合適比例（Ar＋CO2＋O2）的RALO三元混合保護氣體進行MAG焊，與目前行業常用的φ（Ar）80%＋φ（CO2）20%的二元混合氣體MAG焊相比，少量O2的加入不僅降低了液體金屬的粘度，減少了表面張力，增加熔池液態金屬的潤濕性，還穩定陰極斑點，提高了電弧的穩定性，減少焊接過程中液態金屬的飛濺。RALO三元混合保護氣體既改善了焊縫成形，又降低了焊接未熔合等缺陷的敏感性，大大縮減焊后打磨清理和返修的工作量，提高了焊接生產效率，提升了鋼結構焊接制造的經濟性，對實際生產意義重大[1]。在此研究Q345E鋼RALO三元混合氣體MAG焊接頭的組織和性能，為軌道機車、車輛焊接制造新工藝提供試驗依據。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

母材為12 mm厚Q345E鋼板，化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1 Q345E鋼化學成分%

表2 Q345E鋼力學性能

母材的金相組織如圖1所示。組織特征是鐵素體＋珠光體，珠光體為黑色條帶狀沿軋制方向分布。

圖1 Q345E鋼母材組織

選用φ1.2 mm的ER50-6焊絲作為填充材料，焊接保護氣體分別為二元混合氣和RALO三元混合氣體，熔敷金屬化學成分如表3所示。

表3 熔敷金屬ER50-6化學成分 %

1.2 試驗方法

利用BX-50金相顯微鏡觀察二元混合氣和RALO三元混合氣MAG焊接頭的組織形貌，分析其組織特征，金相腐蝕劑采用4%的硝酸酒精溶液。

根據ISO 4136-2011“鋼熔化焊接頭拉伸試驗”標準規定[2]，加工拉伸試樣，在WE-30液壓式萬能試驗機上測定二元混合氣及RALO三元混合氣MAG焊接頭的抗拉強度。

參照ISO5173-2009“焊接接頭彎曲試驗”標準規定[3]，在WE-30液壓式萬能試驗機上進行彎曲試驗，評定焊縫的塑性，彎曲試樣包括2個正彎試樣和2個背彎試樣。

采用JXB-300型沖擊試驗機，依據ISO 9016-2008“焊接接頭沖擊試驗方法”標準的規定[4]，測定接頭-40℃沖擊功，分析焊接接頭沖擊韌性的影響因素。沖擊試樣取焊縫、熱影響區和母材3個部位。

2 試驗結果和分析

2.1 金相組織

2.1.1 宏觀形貌

二元混合氣和RALO三元混合氣MAG焊接頭的宏觀形貌分別如圖2、圖3所示。無論選用哪種混合氣體，焊接接頭均層次清晰、邊界分明、成形優良，外觀達到ISO5817標準的B級（最高級別）焊縫要求[5]，接頭熔合良好，無氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。

與二元混合氣相比，RALO三元混合氣MAG焊焊縫成形較好，尤其是在開始焊接段（接頭前段），焊接咬邊問題明顯改善。

2.1.2 焊接接頭微觀組織

二元氣體MAG焊接頭組織如圖4所示。焊縫金屬組織呈明顯的柱狀晶形態，主要由數量較多的先共析鐵素體/GBF、一定數量的針狀鐵素體/AF和粒狀貝氏體/BG組成；焊接熔合區結合良好，未發現焊接缺陷。粗晶區晶粒較粗大，其組織為較多的GBF、側板條鐵素體/FSP、珠光體/P和一定數量的BG，這是由于該區在焊接過程中加熱溫度很高，金屬處于過熱狀態，一些難溶的碳化物和氮化物質點也都溶入奧氏體，因此奧氏體晶粒發生嚴重長大，冷卻后主要得到粗大的鐵素體和珠光體，在大熱輸入或高溫停留時間長時甚至出現魏氏組織[6]。細晶區主要由細晶鐵素體和珠光體組成。

圖2 焊接接頭宏觀形貌（二元氣體）

圖3 焊接接頭宏觀形貌（三元氣體）

圖4 焊接接頭組織（二元氣體）

RALO三元氣體MAG焊接頭組織如圖5所示。觀察圖4、圖5可知，兩種混合氣體的MAG焊接頭的組織特征上差別不大，即組織類型相同、形貌特征相似、晶粒尺寸相近。

圖5 焊接接頭組織（RALO三元混合氣體）

2.2 拉伸試驗

拉伸試樣斷裂前有較為明顯的塑性變形，與拉伸軸呈45°，為典型的切斷型斷裂，斷口宏觀形貌有明顯的纖維區、放射區和剪切唇，剪切唇表面光滑。

拉伸試驗結果如表4所示，無論選用哪種氣體，拉伸試樣的斷裂位置均為遠離焊縫的母材。所以在靜載條件下，焊接接頭不是薄弱環節。

表4 拉伸試驗結果

2.3 彎曲及沖擊試驗

焊接接頭試樣彎曲試驗結果表明，兩種MAG焊接頭面彎和背彎試樣的彎曲角度達到180°時，彎曲受拉面無裂紋，焊縫塑性良好。

焊接接頭沖擊試驗結果如表5所示。選用二元混合氣體和RALO三元混合氣體進行焊接，焊接接頭-40℃沖擊功均大于Q345E鋼母材規定的容許值47 J，RALO三元混合氣體焊縫的-40℃沖擊功比二元混合氣體焊縫的約高13%。這是因為RALO三元混合氣體的氧化性低于二元混合氣體的，焊縫金屬的氧化性夾雜含量低于二混合元氣體焊縫金屬的，提高了RALO三元氣體焊縫的沖擊功。這需要對熔敷金屬的成分及夾雜物的特征（數量、形態和分布）做進一步研究。

表5 -40℃焊接接頭沖擊吸收功AKVJ

3 結論

（1）選用富氬的二元氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）和RALO三元氣體Ar+CO2+O2進行Q345E鋼MAG焊，焊縫與母材均熔合良好，無焊接缺陷；相比二元混合氣，RALO三元混合氣體MAG焊縫表面成形較為平滑、美觀。

（2）在多層焊工藝條件下，焊接接頭的組織不均勻，面層的組織呈較粗大的柱狀晶形態，為大量鐵素體（先共析鐵素體、針狀鐵素體、側板條鐵素體）和少量粒狀貝氏體組織，底層焊縫為較細小、均勻的塊狀鐵素體和珠光體組織；熔合區和過熱區組織主要為先共析鐵素體、較多的珠光體和一定量的粒狀貝氏體。

（3）無論使用二元混合氣體還是RALO三元混合氣體，焊接接頭的靜載拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫的母材處，呈典型的切斷特性，為塑性斷裂；焊接接頭塑性良好，正彎和背彎角度均達到180°，未出現任何裂紋。

（4）二元混合氣和RALO三元混合氣MAG焊接頭-40℃下的沖擊試驗結果表明，焊接熱影響區的沖擊功值明顯高于焊縫金屬，焊接接頭中HAZ的韌性較好；RALO三元氣的焊縫金屬低溫沖擊韌性略高于二元混合氣的，沖擊吸收功AKV值約高13%。

[1]楊友民.熔化極三元氣體保護焊接16Mn鋼的研究[J].沈陽工業大學，1994（12）：51-56.

[2]EN ISO 4136，鋼熔化焊接頭拉伸試驗[S]，2011.

[3]EN ISO5173，焊接接頭彎曲試驗[S]，2009.

[4]EN ISO 9016，焊接接頭沖擊試驗方法[S]，2008.

[5]ENISO5817，Welding-Fusion-welded joints in steel，nickel，titaniumandtheir alloys（beamweldingexcluded）-Quality levels for imperfections[S]，2014.

[6]呂德林.焊接金相分析[M].北京:機械工業出版社，1987: 35-40.

Microstructure and mechanical properties of welded joints of MAG welding withAr+CO2+O2ternary mixed shielding gas of steel Q345E for locomotive and rolling stock body

LIU Jing1，SUI Guoxin1，WANGMingshan1，SHIChenxu1，WUWanzhe2，LIFangzheng2
（1.CNR Dalian Locomotive&Rolling Stock Co.，Ltd.，Dalian 116022，China；2.NR Tangshan Locomotive& Rolling Stock Co.，Ltd.，Tangshan 063000，China）

In this paper，the microstructure and mechanical properties of welded joints of MAG welding with RALO(rich-argon loweroxidizability)Ar+CO2+O2ternary mixed shielding gas(RALO gas)of steel Q345E are studied.The results show that comparing with traditional φ（Ar）80%+φ（CO2）20%binary mixed shielding gas(binary gas)，using RALO gas makes welds smoother and better；the low temperature impact toughness of welds of RALO gas is a little more than that of binary gas;the value of impact absorbing energy Akv(-40℃) of RALO gas is about 13%higher than that of binary gas；when using these two kinds of gas for MAG welding respectively，the microstructure characteristics of welded joints have little difference，namely same type of microstructure，similar appearance characteristic and close grain size.Moreover，both the plasticity of welded joints is good and the static tensile test specimens all fracture in the base metal far away from the welds.

steel Q345E；RALO gas；MAG welded joint；microstructure；mechanical properties

TG457.11

A

1001－2303（2017）05－0104-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.22

2017-01-19

劉 靜（1978—），女，高級工程師，碩士，主要從事機車焊接工藝的研究工作。E-mail：evachch@163.com。

本文參考文獻引用格式：劉靜，隋國欣，王明山，等.機車車體Q345E鋼Ar+CO2+O2三元混合保護氣體MAG焊接頭的組織與性能[J].電焊機，2017，47（05）：104-108.