大功率內燃機車車底架焊接裂紋控制

何東英，張忠

中車戚墅堰機車有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

目前，我公司生產的大功率內燃機車車底架多采用前后端部及中間油箱組成的三段拼焊結構。其中，車底架兩側的箱形主梁采用低合金高強度結構鋼Q460E厚板。作為重要的承重部件，在機車運行過程中主梁還承受來自車身振動的交變載荷。因此，主梁上下蓋板（翼板）的對接焊縫無疑成為關鍵的承力焊縫，其焊接質量的優劣直接關系到機車運行安全以及人身財產安全。

對于主梁上下蓋板的對接焊縫，以往的焊接工藝是打底、填充及蓋面均采用藥芯焊絲T W E-811Ni2，組裝時采用剛性拘束，預留6～10mm間隙，加陶瓷襯墊，并設置20mm長、與母材等厚，且坡口形式相同的引弧板、引出板。結果打底焊道中心的縱向結晶裂紋頻發，嚴重影響了焊接質量與生產進度。因此，如何選用合適的焊接材料、合理的焊接工藝，防止主梁上下蓋板對接焊縫裂紋的產生，便成為亟需解決的難題。

2 母材性能分析

2.1 母材焊接性

本試驗母材材質為Q460E，交貨條件為熱軋狀態，供貨公司提供的質保書給出了其化學成分與力學性能，分別見表1、表2。

表1 母材Q460E的化學成分（質量分數） （%）

表2 母材Q460E的力學性能

對母材的焊接性分析采用碳當量法，碳當量的計算選擇國際焊接學會推薦的公式，即

由式（1）可知，母材Q460E的碳當量計算值為0.38%。對于板厚＜20mm的鋼材，當碳當量＜0.4%時，淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需預熱[1]。本試驗采用厚度為20mm+20mm板對接和32mm+25mm板對接，且碳當量較低，因此當環境溫度不低于5℃時，其淬硬傾向不大，焊前不需預熱。

2.2 母材熱裂紋敏感性

研究表明，當熱裂紋敏感系數HCS≤4時，一般不會產生熱裂紋。隨著HCS值增大，材料的熱裂紋敏感性增加[1]。因此，根據HCS值大小可以判斷母材Q460E的熱裂紋敏感性。

HCS的計算公式為

通過式（2）計算得出Q460E鋼的熱裂紋敏感指數為0.40。由此可見，母材Q460E的熱裂紋敏感性較低，只要采用合適的焊接材料及焊接工藝，就可以避免焊接熱裂紋的產生。

2.3 接頭應力狀態

主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布如圖1所示，接頭的受力狀態示意如圖2所示。

圖1 主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布（車底架底面朝上）

圖2 接頭受力狀態示意

車底架焊接完成后，在裝配柴油機前要求車底架上撓度為35～40mm，其形狀和受外力情況如圖2a所示（不考慮自重）。當裝配柴油機后，車底架受到柴油機約25t的重力作用，使其發生變形，此變形正好抵消車底架的上撓變形，而使其處于水平狀態，如圖2b所示。顯然，裝配柴油機后，主梁蓋板對接焊縫根部受到拉應力，而表面部分受到壓應力。另外，在機車運行時，該焊縫還受到來自柴油機活塞往復運動引起車身振動的交變載荷。

由圖1、圖2可知，主梁蓋板對接焊縫的應力級別較高，而且應力狀態復雜，因此必須對其焊接質量進行嚴格的控制。

3 焊接結晶裂紋的防止措施

制定合適的結晶裂紋防止措施，需要從影響結晶裂紋的冶金因素和力學因素兩方面著手。冶金因素主要考慮合金元素和一次結晶組織形態對結晶裂紋的影響，也就是要考慮焊接材料的選擇與焊接參數的控制問題；力學因素主要考慮接頭剛度、拘束度和焊接應力問題，即如何降低接頭的剛性拘束、合理安排焊接順序及布置焊道，以及控制焊接熱輸入從而減小焊接熱應力和組織應力等[2]。本試驗結合實際情況，主要從以下幾方面控制和防止結晶裂紋的產生。

3.1 焊接材料的選擇

本試驗采用的藥芯焊絲為TWE-811Ni2，實芯焊絲為ER50-6，兩者熔敷金屬的化學成分及力學性能分別見表3、表4。

對比表1和表3的化學成分可知，母材和藥芯焊絲TWE-811Ni2化學成分差別最大的是Ni，藥芯焊絲Ni含量是母材的近57倍。Ni是強烈的γ相穩定元素[3]，它使焊縫的一次結晶組織由δ相轉變為γ相，而S、P在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，這將促進S、P在晶界偏析，增大結晶裂紋傾向。此外，S、P還能形成NiS（熔點920℃）、FeS（熔點1188℃[4]）、Fe3P（熔點1166℃[4]）等低熔點化合物及NiS-Ni（熔點645℃）、FeS-Fe（熔點988℃）、Fe3P-Fe（熔點1050℃）等低熔點共晶組織，它們極易在焊縫結晶過程中，在固相線附近形成殘余液相，并在應力的作用下發生沿晶開裂，形成結晶裂紋。另外，藥芯焊絲TWE-811Ni2中w(S+P)=0.026%，相當于母材Q460E中S、P含量之和的兩倍，這便成倍地增加了焊縫金屬結晶裂紋的敏感性。

對比表2、表3的力學性能數據可知，藥芯焊絲熔敷金屬抗拉強度高于母材金屬，二者形成超強匹配，焊縫強度有余，但韌性嚴重不足，焊縫抗裂能力降低。因此，為了保證焊接接頭具有良好的綜合力學性能，既保證足夠的強度，又具有較高的韌性儲備，因此應以采用母材與焊接材料的低強匹配為宜。

表3 藥芯焊絲TWE 811Ni2熔敷金屬的化學成分及力學性能

此外，采用藥芯焊絲打底焊時，電弧柔軟、挺度小，難以伸至坡口根部死角，造成根部熔合不良；焊道較薄，熔深淺，承載能力不足，這也是焊縫開裂的主要原因之一。

由表4可見，實芯焊絲ER50-6的Ni、S、P等元素含量均較低，C、Mn含量略低于母材，有利于降低熱裂紋的敏感性；其熔敷金屬抗拉強度略低于母材，可實現低強匹配，保證接頭具有良好的綜合力學性能，有助于防止裂紋產生；其電弧較硬、挺度大，可伸至根部死角，熔合良好；焊道厚，熔深大，能增加焊道對拘束應力及焊后殘余應力的承受能力。因此，采用實芯焊絲打底焊時，能夠增加打底焊道的承載能力，降低其開裂傾向。

表4 實芯焊絲ER50-6熔敷金屬的化學成分及力學性能

采用藥芯焊絲填充蓋面，可實現后續焊道的氣渣聯合保護，降低產生氣孔的傾向，保證接頭強度，還可減少飛濺及后續清理工作，降低勞動量。綜上可知，采用實芯焊絲E R50-6打底+藥芯焊絲TWE-811Ni2填充蓋面復合工藝是比較理想的防止結晶裂紋產生的措施之一。

3.2 控制焊接熱輸入

焊接熱輸入對焊縫一次結晶組織的形態影響較大。過大的焊接熱輸入會造成一次結晶組織的晶粒度增大，晶界面積減小，結晶的方向性增強，加劇S、P等雜質元素的晶界偏析，結晶裂紋傾向增大。因此，必須嚴格控制焊接熱輸入，控制接頭的晶粒度與接頭組織，防止過多粗大的柱狀晶產生。必要時可以邊焊接邊敲擊焊縫周邊，打亂焊縫凝固結晶方向，起到細化晶粒的作用，防止粗大、方向性強的柱狀晶產生。

試驗采用的焊接參數見表5。

表5 試驗采用的焊接參數

3.3 減小坡口間隙

坡口間隙較大時，打底焊道相對較薄，不但抗拉能力低，抗裂性能差，而且還會加快焊道的冷卻速度，產生較大的焊接熱應力，這更加不利于防止裂紋產生。因此，本試驗將坡口間隙由原來的6～10mm減小至4～6mm，可適當增加打底焊道的厚度，減緩焊后冷卻速度，從而能有效防止裂紋的產生。

3.4 預制反變形

以往焊接前，為了保證組裝的精度，均采用重物壓緊的剛性拘束法，會使焊縫產生相當大的拘束應力，這也是打底焊道容易開裂的重要原因之一。本試驗對車底架主梁預制適量的反變形，從而去除剛性拘束，既消除了焊接接頭的拘束應力，降低了焊縫開裂傾向，又保證了主梁的裝配精度。

4 實施效果

上述一系列措施實施后，打底焊道中心縱向結晶裂紋發生的概率顯著降低，由以前的38%降低到5%。這不僅避免了大量的焊縫返修工作，還使母材免除了因缺陷切割、補焊帶來的再次受熱，進而降低了接頭組織晶粒粗化的概率，有效保障了機車車底架的質量安全。

此外，采用實芯焊絲進行打底焊，獲得了足夠的熔深，根部死角的焊透性好，有效避免了根部及坡口未熔合等缺陷，進一步保障了焊接質量。

5 結束語

1）采用藥芯焊絲TWE-8112Ni焊接Q460E鋼板對接打底焊道時，產生結晶裂紋的主要原因是：TWE-811Ni2中含有大量Ni，造成焊縫一次結晶組織中γ相大幅增加，使S、P等雜質溶解度降低，晶間偏析程度顯著增大；在焊縫凝固時，Ni與S、P等元素在固相線附近形成液態的低熔點化合物或低熔點共晶組織，在應力作用下形成結晶裂紋。

2）通過采用實芯焊絲打底、藥芯焊絲填充蓋面的復合焊接工藝，同時采取控制焊接熱輸入、減小坡口間隙、預制反變形及去除剛性拘束等措施，有效地阻止了打底焊道中心縱向結晶裂紋的產生，裂紋發生率由之前的38%降低到5%。