悉尼雙客轉向架制動吊座 對接全熔透焊縫工藝性分析

于傳穎 梁姝博 董明

摘要：針對悉尼雙客項目轉向架制動吊座鑄鋼G20Mn5與側梁S355J2W耐候鋼兩種材質的X型對接全熔透焊縫工藝進行工藝性分析，對焊縫接頭進行拉伸、彎曲、沖擊和硬度機械性能檢測和宏觀金相結果分析。通過合理制定焊接工藝，對比分析對稱焊接與非對稱焊接的焊接工藝性在生產構架上的試驗結果，總結出一套滿足質量要求、輔助時間短且可操作性強的提質增效的焊接工藝方法，實現了鑄鋼與耐候鋼異種材質的對接全熔透焊接，為轉向架生產提供了理論依據與經驗。

關鍵詞：轉向架;鑄鋼;對接;焊接工藝

中圖分類號：TG444+.2? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0094-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.15

0? ? 前言

轉向架制動吊座作為車輛制動系統的基礎組成部分，在車輛運行中承受高強載荷。悉尼雙客項目制動吊座區別于一般城鐵車之處是：（1）材質不同。普通城鐵或高鐵車輛制動吊座與構架同屬低碳鋼材質，而悉尼雙客項目屬不同材質。悉尼雙客項目中構架為鋼板件，制動吊座為鑄鋼件，其連接焊縫屬異種材料焊接;（2）坡口形式不同。區別于以上兩種車型的單面HV或HY型坡口（見圖1a），悉尼雙客項目制動吊座焊縫屬X型坡口對接全熔透焊縫（見圖1b）;（3）熱輸入不同。為降低鑄鋼G20Mn5焊接接頭裂紋傾向[1-3]，焊接時熱輸入要小于一般碳鋼。難點在于較小熱輸入使鑄鋼G20Mn5母材難以熔化，因此與填充金屬熔合困難。在焊縫打底焊的磁粉檢測中，鑄鋼G20Mn5與焊縫金屬發生側壁未熔合缺陷較多，焊縫返修率極高。

為此，本研究針對悉尼雙客項目制動吊座G20Mn5與S355J2W異種材質X型坡口對接全熔透焊縫進行工藝分析，總結出一套提質增效、完整可行的工藝方法，為轉向架生產提供理論依據與經驗。

1? 試驗材料和方法

1.1? 試驗材料

G20Mn5屬于中碳鋼，焊接接頭熔敷金屬中碳含量較大，焊縫在結晶過程中更易形成淬硬組織，產生冷裂紋。選取符合EN 10213：2007的試驗片，G20Mn5可能允許的最大碳當量（CEV）為0.45%，碳當量公式為：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

經計算可得，G20Mn5試驗片的碳當量為0.34%～

0.66%，焊接工藝性較差，接頭淬硬傾向大，冷裂紋敏感性高，其化學成分如表1所示。

S355J2W耐候鋼屬低合金鋼，具有優良的強韌、塑性、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等性能，被廣泛用于轉向架構架結構中[5]。試驗選用母材符合EN 10025-5：2004，化學成分如表2所示。

1.2 試驗方法

接頭選取板厚14 mm，坡口角度60°，間隙0～

0.5 mm，鈍邊1±0.5 mm的X型坡口對接全熔透焊縫，如圖2所示。

采用ER70S-6實心焊絲[4-6]，保護氣體為18～

20 L/min的φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣。鑄鋼G20Mn5焊前預熱，預熱溫度125 ℃。焊道層間溫度小于250 ℃，焊縫層間修磨、背部清根，打底焊熱輸入值偏小，以減小裂紋傾向[7-8]，焊接參數見表3。

2 試驗結果和分析

2.1 拉伸性能

根據ISO15613：2004 及ISO15614-1：2017（E），對非對稱焊接接頭進行機械性能試驗及分析。焊接接頭室溫下拉伸試驗結果見表4。焊后，鑄鋼G20Mn5熱影響區位置淬硬性增大，塑性變形能力減弱。接頭抗拉強度高于母材G20Mn5和S355J2W，滿足要求。

2.2 彎曲性能

試驗片焊接接頭室溫下彎曲試驗結果如表5所示。彎曲后，接頭處未發現裂紋。

2.3 沖擊性能

試驗片焊接接頭-20 ℃沖擊試驗結果表明，焊縫金屬區、母材G20Mn5熱影響區、母材G20Mn5、母材S355J2W熱影響區、母材S355J2W沖擊吸收功分別為130 J、97 J、101 J、113 J、134 J，均高于構架沖擊功標準值。

2.4 硬度試驗

檢測位置選取距試驗片焊縫橫截面上下表面各3 mm的水平位置處。硬度試驗結果如表6所示，可以看出焊縫熱影響區處硬度最高，G20Mn5母材位置硬度次之，S355J2W母材位置硬度最小，硬度最大值小于ISO15614-1：2004標準允許的硬度最大值，符合標準要求，具體實驗結果如表6所示。

2.5 宏觀金相

對磁粉檢測、超聲波檢測合格的焊接接頭進行宏觀金相檢測，如圖3所示，焊角飽滿、未見內部缺陷。

3 焊接工藝性

在試驗構架焊接中，制動吊座X型對接焊縫采用對稱與非對稱焊接兩種焊接工藝。對比分析兩種焊接方式的工藝可操作性，為后續轉向架生產提供參考。

3.1 對稱焊接

首先將制動吊座立筋與側梁立板點固焊接，約束制動吊座焊接變形并保證制動吊座與側梁連接穩固，非對稱焊接亦然。在對稱焊接工藝中，焊接順序與點固如圖4所示，數字標注順序即為焊接順序。即在X型坡口單側進行打底焊1后，翻轉構架，背面清根兼磁粉檢測。檢測無缺陷后進行打底2、填充3。待焊件冷卻后二次翻轉試件完成填充4、蓋面5。最后三次翻轉構架完成蓋面6，并對完整焊縫進行超聲波探傷檢測。

試驗表明，采用此方式焊接時需正反翻轉構架3次，輔助時間長，生產效率低。經過對試驗構架4個制動吊座上下8條對接焊縫打底焊1的磁粉檢測結果進行統計，有3條焊縫存在不同長度的連貫的側壁未熔合，未熔合均在鑄鋼G20Mn5母材一側，缺陷率為37.5%。在對缺陷進行打磨清除的過程中，打磨深度或接近于打底焊熔深，易造成打底焊開裂或磨穿焊縫，可操作性差，不建議采用。

3.2 非對稱焊接

非對稱焊接相比對稱焊接調整了焊道順序，探傷工序不變。如圖5所示，數字標注順序即為焊接順序。單側坡口打底1、填充2、蓋面3，翻轉構架，進行焊縫清根1，清根后磁粉檢測，檢測合格完成焊縫焊接4、5、6。整體焊接完成后，進行100%超聲波探傷檢測，若檢測焊縫中存在內部缺陷，則對焊縫進行修補，重新探傷檢測直至合格。

對整體焊縫進行100%超聲波檢測中發現，缺陷多出現在距焊縫表面8～10 mm的X型坡口中間層位置，即打底焊1位置。使用砂輪片將缺陷位置剖開后觀察，缺陷顯示為鑄鋼G20Mn5間斷性側壁未熔合。為消除缺陷，背面焊縫清根時改變原有“ V ”型坡口打磨至“ U ”型，打磨深度1～3 mm，打磨后坡口深度8～10 mm。增加的“ U ”型坡口清根方式打磨范圍更大、深度更深、更能清除徹底潛在缺陷，減少焊縫內部缺陷，減小焊縫返修，優化焊縫質量。

經過對試驗構架4個制動吊座上下8條對接焊縫的磁粉檢測結果進行統計，磁粉檢測合格率為87.5%，較對稱焊接提升50%，具有應用推廣價值。而后對磁粉檢測合格的7條焊縫進行100%超聲波探傷檢測，合格率100%。且選用非對稱焊接方式翻轉構架一次，輔助時間小于對稱焊接。綜合對比分析，非對稱焊接工藝方法焊縫質量好，生產效率高，工藝性更好。

4 結論

（1）焊接參數滿足工藝評定要求。接頭具有良好的機械性能，磁粉探傷檢測合格，宏觀金相無缺陷。

（2）非對稱焊接焊縫背部清根時將坡口打磨至“ U ”型能夠減少焊縫內部缺陷，磁粉檢測合格率為87.5%，較對稱焊接提升50%，磁粉檢測合格的焊縫超聲波探傷檢測合格率100%。

參考文獻：

王艷.抗磨鑄鋼件的焊接修復[J].熱加工工藝，2006，35（3）：39-40.

施偉，李成，徐大州，等.高強度G20Mn5QT與Q390C鋼板焊接技術[J].施工技術，2017（46）：363-365.

Han Qinghua，Guo Qi，Yin Yue，et al. Effects of Strain Ratio on Fatigue Behavior of G20Mn5QT Cast Steel[J].Transactions of Tianjin University，2016（22）：303-307.

AWS A5.18/A5.18M-2005 Specification for Carbon Steel Electrodes and Rods for Gas Shielded Arc Welding[S].

宮平，常力. S355J2W+N鋼焊接接頭返修焊金相組織分析[J].電焊機，2018，48（3）：134-138.

王世達，賈曉燕，王旭.高強鑄鋼與船用高強鋼的焊接工藝[J].焊接技術，2014，43（11）：82-83.

楊紅偉，董洪達，倪寶成.轉向架構架鑄鋼大部件焊接工藝研究[J].金屬加工，2015（16）：58-60.

王俊松，施偉，王旭，等.鑄鋼件G20Mn5QT與Q345GJB焊接技術[J].焊接技術，2014，43（9）：76-79.

夏杰.鑄鋼件非對稱環焊縫殘余應力分析與斷裂性能研究[D].江蘇：東南大學，2018.