S355J2W+N鋼焊接接頭返修焊金相組織分析

宮 平，常 力

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

S355J2W+N改良型耐候結構鋼是CRH380BL動車組和城鐵A型車轉向架結構常用鋼板材料。CRH380BL動車組是以CRH3動車組為樣車進行改進設計的，構架由2根箱型側梁和2根無縫鋼管橫梁組成H型結構[1-3]。城鐵A型車是借鑒動車組構架結構和既有B型車構架結構優點，自主研發設計的新型轉向架。在動車組和城鐵車轉向架焊接制造過程中，時常產生不允許的或超出標準要求的焊接缺欠，必須通過返修焊予以清除，而返修焊可能對焊接接頭的金相組織產生影響，進而影響接頭的機械性能[4]。本研究對S355J2W+N鋼返修焊的接頭金相組織進行試驗，分析返修焊對焊接接頭焊縫區和熱影響區組織的影響，為生產制造中返修焊工藝方案制定提供理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為改良型耐候結構鋼S355J2W+N，材料化學成分如表1所示。試驗用焊絲為BOEHLER NiCu1-IG【EN 440 G 42 4 M（C）G0】，直徑 φ1.2 mm，化學成分如表2所示。

表1 S355J2W+N鋼板化學成分[5]%

表2BOEHLER NiCu1-IG焊絲化學成分%

1.2 試驗方法

焊接試驗采用MAG焊，保護氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，V 型坡口平板對接接頭，單面焊雙面成形，單層單道焊接，焊接工藝參數如表3所示。焊接制備 4 個試件，編號分別為 A0、A2、A4、A6，其中A0試件不進行返修焊，A2、A4和A6試件分別進行2次、4次、6次“模擬缺陷”的返修焊，返修焊采用表3中焊道3的工藝參數。“模擬缺陷”的清除按照圖1進行，采用角向砂輪或圓柱磨頭，保證重新制備的坡口底部與側壁過渡圓滑，不得留有尖角。焊接及返修焊后經去應力退火處理及無損檢測合格后，4個試件依次分4組進行金相組織分析。

表3 焊接工藝參數

圖1 “模擬缺陷”清除示意

2 試驗結果與分析

2.1 接頭宏觀組織

接頭宏觀照片如圖2所示，將接頭焊縫區域分為表層、層間和底層，HAZ區域分為1區、2區和3區。由圖2可知，隨著返修次數的增加，接頭熱影響區的寬度無明顯變化，這與返修過程中要求清除的“模擬缺陷”尺寸有關。

2.2 焊縫區金相組織

2.2.1 焊縫表層組織

不同返修次數焊接接頭的焊縫表層組織形貌基本相同，為柱狀晶組織，其中塊狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，少量魏氏組織由晶界向晶內生長，晶內為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，如圖3所示。

圖2 接頭宏觀照片

圖3 焊縫表層組織照片

2.2.2 焊縫底層組織

不同返修次數焊接接頭的焊縫底層組織主要為塊狀先共析鐵素體和珠光體（黑色區域）。隨著返修次數的增加，珠光體組織形態有所變化，逐漸變細，鐵素體晶粒有所長大，其中A6焊縫底層組織中一些區域的珠光體細小到光鏡照片無法識別，而表現出鐵素體組織連在一起形成不規則形態，如圖4所示。

2.2.3 焊縫層間組織

A0接頭焊縫層間正火區組織主要為先共析塊狀鐵素體和珠光體，同時還能看到前道焊縫柱狀晶的痕跡，即珠光體沿柱狀晶晶界分布；部分正火區除塊狀鐵素體外，還有一部分針狀鐵素體，如圖5所示。

A2接頭焊縫層間組織類型與A0接頭相同，為鐵素體和珠光體如圖6所示。其中圖6a中正火區晶粒較細小，但有柱狀晶痕跡；圖6b所示區域位于圖6a所示區域下方，由于受到多次加熱作用，晶粒有所長大；圖6c為層與層交界，上層有柱狀晶痕跡。

圖4 各接頭焊縫底層組織照片

A4、A6接頭層間組織照片如圖7所示。A4接頭和A6接頭層間組織較A2接頭無變化，主要為鐵素體和珠光體。返修6次接頭層間由于受多次附加熱處理作用，具有不同晶粒尺寸。

2.3 熱影響區金相組織

圖5 A0接頭焊縫層間組織照片

圖6 A2接頭焊縫層間組織照片

圖7 A4、A6接頭層間組織照片

A0接頭HAZ組織照片如圖8所示。由粗晶區（未受正火作用）、正火區（細晶區）和不完全正火區組成，此處增加熔合區和母材區進行討論。熔合區是熔化區和非熔化區的交界，圖8a為未受正火焊縫表層與受正火粗晶區交界，在熔化區一側基本保持焊縫表層的組織形貌特征，未熔化一側則保持受正火粗晶區的組織特征。粗晶區組織主要為沿原奧氏體晶界分布的塊狀先共析鐵素體、珠光體（黑色區域）、少量魏氏組織和較多的粒狀貝氏體（見圖8b）。正火區組織是細小均勻的塊狀鐵素體和珠光體（見圖8c）。不完全正火區晶粒大小不均，組織保留了母材的軋制態特征，主要為塊狀鐵素體、細小的鐵素體與珠光體的混合區（見圖8d）。母材為具有明顯軋制特征的鐵素體與珠光體相間分布的層狀組織結構（見圖8e）。

經過返修的焊接接頭HAZ正火區組織主要為細小均勻的鐵素體和珠光體，與A0的HAZ正火區組織基本無差別，如圖9所示。

圖8 A0接頭HAZ組織照片

圖9 返修焊后接頭HAZ正火區組織

返修過程對HAZ的1區組織無太大影響，組織形貌基本相同。返修過程對HAZ的2區和3區的HAZ粗晶區有一定影響，返修后的HAZ粗晶區為鐵素體和珠光體。返修次數一定時，在接頭厚度方向由上到下（2區到3區），HAZ粗晶區中針狀鐵素體逐漸轉變為塊狀。隨著返修次數的增加，接頭HAZ粗晶區中針狀鐵素體有減少趨勢。返修后接頭HAZ（2區和3區）粗晶區組織照片如圖10所示。

3 結論

（1）未返修與返修焊縫表層均為塊狀先共析鐵素體、少量魏氏組織鐵素體和貝氏體組織；焊縫層間和底層主要為塊狀鐵素體和珠光體組織，隨著返修次數的增加，珠光體組織逐漸變細，鐵素體晶粒有所長大。

（2）接頭HAZ的粗晶區組織沿接頭厚度方向分布有所不同：上部為塊狀先共析鐵素體、珠光體組織、少量魏氏組織和較多數量的粒狀貝氏體；中部和下部均為鐵素體和珠光體。返修次數一定時，在接頭厚度方向由上到下，HAZ粗晶區中針狀鐵素體有減少趨勢，逐漸轉變為塊狀。

（3）返修次數對HAZ正火區組織無太大影響，正火區組織是細小均勻的塊狀鐵素體和珠光體。靠近母材的不完全正火區晶粒大小不均，組織保留了母材的軋制態特征。

圖10 返修后接頭HAZ（2區和3區）粗晶區組織照片

參考文獻：

[1]孔繁冰，李明，韓璐，等.CRH380BL高速動車組氣動外形優化設計[J].鐵道機車車輛，2012（06）：9-12.

[2]黃鼎.CRH380BL高速動車組轉向架結構強度跟蹤試驗研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[3]劉剛，梁樹林，陸海英，等.高速動車組的動車轉向架構架[P].中國專利：CN201189871，2009-02-04.

[4]常力，宮平，于傳穎，等.多次返修焊對S355J2W+N鋼焊接接頭中值疲勞壽命的影響[J].機車車輛工藝，2014（03）：32-33+45.

[5]EN10025-5：2004改良的耐候結構鋼交貨技術條件[S].