城市軌道交通客車異種鋼焊接工藝性能研究

周 勇 胡立國 馮朝明 韓曉茹 張 野 郭 猛 裴 起 郭 帥

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

隨著國內外城市軌道交通客車市場的快速發展，不銹鋼客車得到廣泛使用。不銹鋼客車主要為不銹鋼結構，但其中某些部分為不銹鋼+碳鋼的異種鋼焊接結構。由于不同金屬之間的化學成分、熔點、導熱率、比熱容、線膨脹系數及焊接收縮率等的差異，使得焊接后焊縫應力得不到釋放，容易產生殘余應力，引起裂紋失效等問題，對焊接接頭質量影響很大[1]。因此，異種鋼間的焊接工藝性能及焊接接頭的綜合力學性能研究是目前國內外研究的熱點之一[2]。

中車長春軌道客車股份有限公司承接的某國外項目，其底架端部組成中枕梁組成為550W碳鋼材質，縱梁組成為301LN不銹鋼材質。兩種金屬之間的焊接工藝無參考資料，亦無相關生產經驗。為確定焊接工藝，保證焊接質量，本文對異種鋼相關焊接工藝性能進行了試驗。通過對試樣進行探傷檢測、力學性能測試、低倍焊縫組織觀察及硬度檢測，綜合試驗結果，結合相關標準，對異種鋼制定了最終的焊接工藝方案。

1 550W碳鋼和301LN不銹鋼焊接性能分析

301LN是一種低碳奧氏體不銹鋼，廣泛應用于城市軌道交通客車行業。由于其含有較高的鎳、鉻、鉬等合金元素，能夠使金屬表面形成一層不溶解于某些介質的堅固的氧化薄膜(鈍化膜)，使金屬與外界介質隔離而不發生化學作用，故301LN不銹鋼具有很好的耐腐蝕、抗氧化性能，并具有較好的塑性、韌性、加工性能與焊接性能。

550W為瑞典SSAB公司生產的一種高強度耐候鋼。該高強鋼具有較好的耐腐蝕、易焊接等性能，主要用于壓力容器、軌道交通客車等行業。目前，國內外對此無相應的標準可參考。

由于兩種金屬所含合金元素種類及含量不同，兩種金屬之間的焊接屬于典型的異種鋼焊接。為獲得理想的焊接接頭，需注意以下問題。

1.1 熔點差異

由于兩種金屬含碳量不同，導致其熔點存在差別，故其焊接過程中存在一側母材金屬為固態、一側母材金屬為液體的情況，造成焊接過熱區合金元素大量燒損、流失或蒸發，出現局部區域焊縫性能降低，難以獲得滿意的焊接接頭[3]。

1.2 熱導率和比熱容差異

金屬的熱導率和比熱容與被焊材料的熔化、熔池的形成、焊接區溫度場和焊縫凝固結晶有關。不銹鋼熱導率大約是碳鋼的1/3，使得被焊材料熔化不同步，熔池形成與金屬結合不良，最終因焊縫結晶條件變壞而導致焊縫性能和成形不良。

1.3 線膨脹系數差異

碳鋼和不銹鋼的線膨脹系數不同，其焊接冷卻過程中，導致焊縫及兩側母材的收縮量不同，易造成焊縫或熱影響區產生裂紋，降低焊縫性能，甚至出現焊縫與母材金屬剝離的情況。

1.4 電磁性差異

不銹鋼和碳鋼焊接時，由于焊縫兩側母材電磁性存在著較大的差異，容易出現熔池電弧偏弧、電弧燃燒不穩定的情況，造成焊縫成形不良，甚至出現局部未熔合的情況。

1.5 脆性化合物

由于不同金屬所含合金元素的種類及含量不同，其焊接過程中，易發生冶金反應，且在焊縫及熔合區形成新的物質，成為金屬間化合物。由于靠近不同母材側所含化合物的種類及含量存在差異，且某些物質的物理屬性較脆，就可能對接頭處力學性能產生較大影響，甚至會降低焊縫處的塑性和韌性。

某些金屬焊接后，接頭處性能良好，但易生成其他物質。例如，在熱影響區的晶界上形成一種貧鉻層，這種物質含有碳化物，一旦產生，就會導致在其使用過程中設備之間產生晶間腐蝕效果，影響設備的使用壽命，存在焊縫開裂的風險。

2 550W碳鋼與301LN不銹鋼焊接工藝試驗

550W碳鋼與301LN不銹鋼在化學成分、物理性能等方面存在較大差異。為獲得理想狀態的焊接接頭，需要從焊接性能分析著手，正確選擇焊接方法、焊接材料和焊接工藝。

2.1 焊接材料及焊接方法

焊接處金屬的化學成分由填充金屬決定。從抑制熔合區中碳擴散、提高焊縫金屬抗裂紋能力、調整焊縫和熔合區的組織和性能、改變焊接接頭應力分布等方面考慮，焊接材料應選用含Cr、Ni等合金元素高于不銹鋼母材的焊接材料，并使焊接接頭滿足較低級別母材的力學性能，同時應具備良好的工藝性能，以滿足實際生產中所有的焊接位置。

采用手工焊時可以選擇含Cr的質量分數為19.0%、含Ni的質量分數為11.3%的A022不銹鋼焊條；采用非熔化極鎢極氬弧焊時，填充焊絲可以選擇綜合性能較好的 ER309L氬弧焊絲；采用氣體保護熔化極點焊時，可以選擇E309LTi藥芯焊絲或ER309LSi實心焊絲。

考慮到現場施焊條件及實際生產需要，選擇公司常用的氣體保護熔化極電弧焊(GMAW)。

結合AWS A5.9/A5.9M—2006《不銹鋼焊條及焊棒規范》，焊接材料選擇抗拉強度≥510 MPa的ER309LSi實心焊絲。該焊接材料相當于ISO 14343: 2017 Welding consumables — Wire electrodes, strip electrodes, wires and rods for arc welding of stainless and heat resisting steels —Classification中的G2312LSi，焊絲直徑為1 mm。保護氣體選擇97%Ar + 3%O2。

根據Swedish Steel AB公司提供的相關資料及ASTM A666: 2015 Standard Specification for Annealed or Cold-Worked Austenitic Stainless Steel Sheet, Strip, Plate, and Flat Bar和ISO 14343: 2017，兩種金屬及焊接材料的化學成分見表1。

2.2 焊接接頭

對于異種鋼焊接工藝性能試驗，需要結合設計結構的接頭形式，同時按照AWS D1.6/D1.6M: 2007《結構焊接標準 不銹鋼》中的規定進行設計，并開展焊接工藝性能試驗，確保該試驗可以覆蓋實際生產中的接頭類型和焊接位置。

根據AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章“非管材連接的CJP坡口焊縫”，選擇厚度均為6 mm的550W碳鋼和301LN-1/4H不銹鋼；301LN-1/4H不銹鋼單側開45°坡口，鈍邊厚0.5 mm，具體坡口形式見圖1；焊接位置為橫焊(2G)。焊接前對坡口兩側及邊緣20 mm范圍區域進行打磨，去除氧化皮、雜質、油污、油漆等，保證焊接時無雜質元素侵入，確保試驗的準確性。

表1 試驗用母材及焊接材料所含化學成分的質量分數 Tab.1 Mass fraction of chemical components in test base metal and welding materials 單位：%

單位：mm圖1 坡口形式Fig.1 Groove type

2.3 焊接工藝參數

結合公司以往項目經驗，本試驗采用2層2道焊接，焊接時采用直流反接；焊接過程中利用紅外測溫儀測量道間溫度，保證道間溫度不低于20 ℃，不高于200 ℃；焊接時進行層間清理，保證焊接質量，要求每層焊縫一次完成。本試驗選取的焊接工藝參數見表2。

表2 焊接工藝參數Tab.2 Welding parameter

2.4 焊接試驗方法

試樣制作完成后，根據AWS D1.6/D1.6M: 2007中的規定對試驗焊縫進行無損檢測、力學性能檢測、低倍觀察及硬度檢測。

3 試驗結果分析

3.1 無損檢測

根據AWS D1.6/D1.6M: 2007中第6章的規定，對焊接完成的焊接試樣進行無損檢測。無損檢測包括目視檢測及X射線探傷檢測。

目視檢測焊縫外觀，無咬邊、焊瘤、氣孔、未熔合、裂紋、夾渣、根部凹槽等缺陷，焊縫余高符合標準要求。

目視檢測合格后，對試樣進行X射線探傷檢測。檢測表明，試樣焊縫區域無明顯縱向裂紋、橫向裂紋及弧坑裂紋，內部無條狀、塊狀、簇狀等氣孔，不存在內部夾渣等缺陷，焊縫成形良好，X射線照射檢測評定結果合格。

3.2 焊接試樣力學性能檢測

對探傷合格的試樣，按照AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章的規定加工樣塊，并進行拉伸試驗和彎曲試驗。

試驗用母材及試樣的力學性能見表3。由表3可見，試樣的抗拉強度分別為650 MPa和660 MPa，試樣斷裂于焊縫處，表明異種鋼連接位置的強度能夠滿足設計結構對其強度的要求。

表3 試驗用母材及試樣拉伸性能Tab.3 Tensile properties of test base metal and samples

分析認為，ER309LSi焊絲中的碳元素含量比550W碳鋼中的碳元素含量要低，與301LN-1/4H不銹鋼中碳元素含量近似。較低的碳元素含量對合金的拉伸性能是有利的，同時ER309LSi焊絲中的鎳元素也起到了減弱熔合區碳原子的遷移作用[4]，避免接頭焊縫中裂紋的產生。碳鋼中錳元素與鐵發生固溶強化[5]，提高了異種鋼焊接接頭的抗拉強度。

根據AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章的規定，當試樣板厚小于等于10 mm時，彎曲試驗包括2個根部彎曲(背彎)試驗和2個正面彎曲(正彎)試驗。焊縫區焊接接頭彎曲試驗結果見表4。由表4可見，彎曲試驗中正彎和背彎彎曲180°后，試樣的拉伸面均未出現裂紋、焊縫斷裂等不合格問題，說明焊接接頭的塑性性能即變形能力符合標準要求，彎曲性能優良，焊接接頭彎曲試驗評定為合格。

表4 焊縫區焊接接頭彎曲試驗結果Tab.4 Bending test of welded joints in weld zone

3.3 低倍觀察

低倍焊縫組織觀察主要為檢驗焊接試樣中焊縫金屬與母材的熔合情況、焊縫熔深及焊縫余高等。觀察本試驗中的低倍焊縫組織(見圖2)可以發現，焊縫金屬與母材熔合良好，根部熔合良好，焊縫熔深6 mm，無夾渣、咬邊、側壁未熔合、未焊透等缺陷。由于焊接位置為2G橫焊，焊縫余高相較于1G平焊略高，但焊縫余高小于AWS D1.6/D1.6M—2007中第5章規定的最大值3 mm，屬于理想狀態的焊縫余高。由此可判定，焊接接頭低倍焊縫組織觀察結果合格。

3.4 硬度檢測

選取1個焊接接頭低倍焊縫組織觀察合格的試樣，使用維氏硬度計對其進行硬度檢測。檢測載荷取10 kg，加載時間取15 s。分別在試樣母材區、熔合區及焊縫區各選取3個測點，總共30個測點。試樣硬度測點見圖3。

圖2 焊接接頭低倍焊縫組織觀察Fig.2 Microstructure observation of low magnification weld on the welded joints

注：測量線f距試樣上表面0.5 mm；測量線r距試樣根部0.5 mm；測量區域1為550W碳鋼側熔合區；測量區域2為301LN不銹鋼側熔合區。圖3 試樣硬度測點簡圖Fig.3 Diagram of sample hardness measuring points

表5為焊縫區焊接接頭硬度。由表5可見，焊縫區焊接接頭硬度最小。這是因為母材和熱影響區的奧氏體組織含量變化不大，但焊縫中的奧氏體數量明顯多于母材和熱影響區。

焊縫根部硬度比上部略高，主要是因為：焊接過程中根部焊接速度較快，焊接停留時間較短，液體金屬流動性較差，熔化的母材金屬和填充金屬混合不充分，使得在此側焊縫金屬中碳鋼占比增大，從而形成一個成分梯度很大的過渡層，而在過渡層中存在一層硬度很高的馬氏體組織。

表5 試樣焊縫區焊接接頭硬度Tab.5 Hardness of welded joints in sample weld zone

4 結論

1) 綜合目視檢測、X射線照射結果及焊接接頭低倍焊縫組織結果，可以發現焊縫區域組織無氣孔、夾渣、未熔合、微裂紋等缺陷，焊縫橫斷面內部質量滿足標準要求。

2) 綜合拉伸試驗、彎曲試驗及硬度試驗結果，確認使用焊接材料ER309LSi可以保證焊接接頭具備良好的機械性能，滿足相關設計及標準要求。

3) 綜合無損檢測、力學性能檢測、低倍組織觀察及硬度檢測結果，可以確認該焊接工藝性能試驗符合AWS D1.6/D1.6M： 2007中第4章規定的CJP焊縫工藝評定要求。根據AWS D1.6/D1.6M： 2007，該次焊接性能試驗的相關參數可應用于以下情況的焊接：焊接母材板厚2～12 mm，焊接位置為平焊(F)或橫焊(H)，焊接接頭類型為坡口焊縫(CJP /PJP)或角焊縫，坡口角度不小于45°。