三元保護氣體MAG焊對S355J2W+N鋼組織與性能的影響

安 博 ，陳麗園 ，郝曉衛 ，胡文浩 ，崔 巖 ，賈占君 ，賀宇翔 ，龔寶強

（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035；2.空氣化工產品（中國）投資有限公司，上海 201203）

0 前言

鐵路客車轉向架構架主要采用焊接結構，工藝方法為熔化極活性氣體保護焊，保護氣體基本采用 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%和 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保護氣體。相對于純CO2氣體保護，二元保護氣體焊接飛濺顯著減少，但是仍然不能滿足軌道行業高標準的要求，焊后去除飛濺量很大，增加了工時成本，并影響生產效率。在普通二元保護氣體的基礎上，添加適量O2可以減少表面張力，改善熔池流動性，細化熔滴，提高電弧穩定性，減少焊接飛濺，同時改善焊縫成形，大大減少焊后打磨工作量。但是目前軌道車輛行業對三元混合保護氣體應用較少，而各主機廠研究的三元氣體組分也不盡相同。

因此，選用一種目前國內動車組列車轉向架常用的 S355J2W+N 鋼板，分別采用 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保護氣體[1-3]和一種在Ar+CO2組分添加了少量O2的三元保護氣體進行焊接試驗，對比分析微觀組織、拉伸性能、彎曲性能、抗沖擊性能、顯微硬度，為鐵路列車轉向架構架采用三元保護氣體MAG焊提供試驗依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為S355J2W+N鋼板，接頭形式為平對接接頭，60°V 型坡口，間隙 2～3 mm，鈍邊 1 mm。焊材選用規格為1.0mm的ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲，S355J2W+N鋼板母材及焊材化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。焊接設備選用松下YD-350GLW型焊機。

表1 S355J2W+N鋼和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲化學成分%

表2 S355J2W+N鋼和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲力學性能

1.2 焊接工藝試驗

對接接頭試板采用數控加工方式進行坡口制備，焊前清理試板坡口及兩側20 mm范圍內鐵銹油污，焊縫形式為12 V，單面焊雙面成形，三層三道進行焊接，層間溫度小于250℃，無焊接墊板。焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數

1.3 試驗方法

對比觀察兩種接頭形式的焊后試板，查看焊縫外觀成形以及表面飛濺，然后按照ISO15614-1標準要求對對接焊縫進行無損探傷和破壞性試驗，首先進行表面滲透探傷和射線探傷，檢驗合格后進行金相、彎曲、拉伸、硬度、沖擊等試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 無損檢測

外觀檢測依據ISO 5817-2014《焊接—鋼、鎳、鈦與其合金的熔焊接頭（束焊除外）—缺陷的質量等級》B級標準進行檢測。焊縫外觀良好，表面無裂紋、余高超高和咬邊等缺陷。滲透檢測按照ISO23277-2009《焊縫的無損檢測—焊縫的滲透檢驗—驗收等級》標準評定。試板均未發現超標的線性顯示和非線性顯示。射線檢測參照ISO5817-B級內部缺陷標準評定，內部未顯示裂紋、氣孔、未熔合、夾雜等焊接缺陷，焊接試板合格。兩種保護氣體對接接頭的焊縫外觀情況分別如圖1和圖2所示?？梢钥闯?，在相同的焊接條件下，相對于二元保護氣體焊接的試板表面，采用三元保護氣體的焊接飛濺數量明顯減少，飛濺顆粒更加細小，表面幾乎沒有大顆粒飛濺，焊縫表面成形更加平滑，焊縫余高較小，且焊縫表面氧化物較少。這是由于在氬氣中添加了CO2和O2，結合兩者優點，可減少表面張力，使焊縫更平整，并產生較小的熔滴，電弧穩定性更好，飛濺物更少、更小。

圖1 二元保護氣體對接接頭焊縫外觀

圖2 三元保護氣體對接接頭焊縫外觀

2.2 微觀組織分析

對采用兩種不同保護氣體焊接的對接接頭進行微觀組織分析，如圖3所示。可以看出，采用三元保護氣體的焊接接頭微觀組織與二元保護氣體的相比較，組織特征上差別不大，各區域組織構成相同，形貌特征相似。圖3a、3b為焊縫金屬組織，由于三元氣體的熱輸入小，故焊縫晶粒較細小，粗大的條狀+塊狀先共析鐵素體分布于柱狀晶界上，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，針狀+條狀鐵素體向晶內生長，可見少量珠光體組織；圖3c、3d為熱影響區的粗晶區，組織為塊狀分布的鐵素體+珠光體，晶粒粗大，這是由于該區加熱溫度高，奧氏體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的塊狀過熱組織，導致韌性降低，易產生裂紋，是焊接接頭的薄弱環節；圖3e、3f為熱影響區的細晶區，組織主要由均勻細小的鐵素體+少量珠光體組成，沿軋制方向呈帶狀分布[4-5]。

2.3 拉伸試驗結果

兩種保護氣體焊接接頭各取兩個拉伸試樣，拉伸試驗環境溫度（23±5）℃，拉伸試驗結果如表4所示。無論是二元還是三元保護氣體，抗拉強度均高于母材標準規定值，三元保護氣體的抗拉強度略高，均具有良好的抗拉強度。

表4 兩種保護氣體室溫拉伸試驗結果

2.4 彎曲試驗結果

S355J2W+N鋼采用兩種保護氣體的彎曲試驗結果如表5所示。兩種保護氣體下S355J2W+N鋼彎曲試件彎曲角均達到180°，試件表面光滑，無斷裂或裂紋現象產生，彎曲性能良好。

表5 兩種保護氣體彎曲試驗結果

2.5 沖擊試驗結果

依據EN10025-5標準，S355J2W+N鋼低溫沖擊溫度為-20℃，為驗證高寒情況下鋼板沖擊性能要求，沖擊試驗溫度設定為-40℃，沖擊位置選定為焊縫和熱影響區，每個區域進行3組試驗，兩種保護氣體S355J2W+N鋼沖擊試驗結果如表6所示。可以看出，無論采用二元還是三元保護氣體焊接，構架材料S355J2W+N鋼在-40℃下沖擊功均高于標準要求（大于等于27 J），具有良好的低溫韌性[6-7]。與二元保護氣體相比，采用三元保護氣體的焊縫區和熱影響區沖擊功較低。這與采用三元氣體焊接時氣體的氧化性強有關，母材及焊材合金元素的燒損較為嚴重，一般合金元素減少，強度及韌性均會降低。

表6 兩種保護氣體沖擊試驗結果

2.6 顯微硬度分布

圖3 焊接接頭微觀組織

焊接接頭硬度分布如圖4所示。接頭各特征區的硬度分布較均勻，都滿足標準要求。與二元氣體相比，無論是焊縫還是熱影響區，三元氣體的硬度略高。但三元氣體的熱影響區距熔合線約3.5 mm處硬度值下降，而二元氣體的熱影響區距熔合線約4.5 mm處硬度值才下降，說明三元氣體的熱影響區寬度比二元氣體的窄約1 mm。這與兩種氣體焊接時的熱輸入有關，三元氣體的熱輸入小，故熱影響區較窄。

3 結論

圖4 兩種氣體焊接接頭硬度分布

（1）相對于二元保護氣體（Ar+CO2），采用三元保護氣體（Ar+CO2+O2）焊接時，焊縫表面成形更加平滑，焊接性能優良，且焊接飛濺顯著減少，減少了打磨工作量，降低焊接綜合成本。

（2）相對于二元保護氣體（Ar+CO2），采用三元保護氣體（Ar+CO2+O2）焊接時，焊縫晶粒較細小，組織為粗大的條狀和塊狀先共析鐵素體分布于柱狀晶界上，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，針狀+條狀鐵素體向晶內生長，可見少量珠光體組織；熱影響區由晶粒大小不一的鐵素體和珠光體組成，并沿軋制方向呈帶狀分布。

（3）相對于二元保護氣體（Ar+CO2），采用三元保護氣體（Ar+CO2+O2）焊接，S355J2W+N 鋼焊接接頭的抗拉強度更好，焊接接頭彎曲180°均合格，具有良好的塑性和韌性。接頭各個特征區的硬度分布均勻，三元保護氣體的硬度略高，熱影響區寬度比二元保護氣體的窄約1 mm。無論是焊縫還是熱影響區，兩種保護氣體焊接接頭的沖擊功均高于標準規定值，具有良好的低溫沖擊韌性。