一种进口与国产焊丝在地铁转向架S355J2W耐候钢板焊接中的应用

■ 尤君，白丽杰，胡苏磊，杨红伟

扫码了解更多

1. 概述

S355J2W耐候钢与转向架构架常用的P355NL1结构钢强度相当，但前者在耐大气腐蚀性能上具有明显的优势。转向架构架作为现代轨道车辆的核心部件，同时也是承受动载荷的焊接结构，因其特殊的服役环境不仅要求结构、强度可靠，而且还兼具耐候性，这使得S355J2W耐候钢越来越多的被用在地铁转向架构架的焊接中。进口焊丝性能优异，但是价格高昂，采购周期不可控，因此有必要选用一种可以替代的国产焊丝。

本试验遵循等成分等强度的原则，分别选用一种进口焊丝与一种国产焊丝对地铁转向架用S355J2W耐候钢进行焊接试验，通过对比分析各自焊接接头的性能差异，为实现公司地铁转向架焊接材料的国产化提供技术储备和依据。

2. 试验用材料与要求

（1）母材 试验材料选取两组共计6块转向架构架车间焊接工艺评定用S355J2W耐候钢标准试板，产品成分及规定极限值的允许偏差执行EN10025-5标准，钢板化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

（2）焊材 结合车间生产实际并遵循等成分等强度的原则，国产焊丝选用上海大西洋焊接材料有限责任公司生产的CHW—55CNH型铁道车辆用高强度耐大气腐蚀钢用镀铜气体保护焊丝；进口焊丝选用ESAB品牌的ISO14341-A：G 42 4 M21 Z ϕ1.2mm焊丝，两种焊丝的化学成分及力学性能如表3和表4所示。

（3）接头形式及焊接参数 焊接试板尺寸为350mm×150mm×12mm，对接焊缝采用MAG焊接，保护气体为80%Ar+20%CO2，在焊接之前用钢丝刷将焊缝及其周围两侧各20mm范围内彻底清理干净，不应有任何油脂、污渍、油漆标记、氧化皮和其他杂质。焊接完成后进行清渣处理，焊接接头形式及焊接参数如表5所示。

表1 S355J2W钢板的化学成分（质量分数） （%）

表2 S355J2W钢板的拉伸、弯曲性能指标

两组试板焊接完成后按照ISO5817标准进行外观检查，然后制取金相试样进行宏观及微观金相检验，研究焊接接头区域组织的变化；采用数码金相显微镜进行金相分析（按ISO17639标准执行）；采用电子万能拉伸试验机进行拉伸试验（按ENISO4136标准检测）；在JB-300B300/150型冲击试验机上进行冲击试验（按ENISO9016标准检测）；采用HVS—30维氏硬度计进行维氏硬度检测（按ISO9015-1标准检测），加载10kg，加载时间15s，每间隔1mm打一个点。

图1 试件宏观金相

3. 试验结果及讨论

（1）试样宏观金相 焊接试样的宏观金相组织如图1所示，从图中可以看出接头焊缝熔合良好，焊缝表面无咬边、气孔、未熔合等缺陷，外观质量满足ISO5817 B级标准要求。

图2 接头不同区域金相显微组织

表3 两种焊丝的化学成分

表4 两种焊丝的力学性能

表5 试板焊接参数

（2）试样微观金相 焊接接头各区域金相显微组织分别如图2所示。图2a焊缝区显微组织均为白色先共析条状铁素体，少量无碳贝氏体，晶内则是针状铁素体和珠光体，细小点状粒状贝氏体，1#试样组织最优异；图2b熔合区是接头中最薄弱区，熔合线区晶粒大小不均匀，靠近过热区一侧晶粒粗大，靠近焊缝一侧晶粒较小；图2c过热区为珠光体和沿奥氏体晶界析出的块状先共析铁素体，晶粒内部为少量细小粒状贝氏体；图2d正火区为比母材区更为细小均匀的铁素体和珠光体组织。

（3）拉伸试验结果 图3为两组平板试样在拉伸后的宏观形貌，各个试样抗拉强度值、伸长率、断裂位置如表6所示。

从测试结果可以看出，平板拉伸试样经历了塑性变形、颈缩、出现微裂纹、微裂纹扩展直至瞬间剪断断裂的过程，所有试样最后断裂都在母材金属处，说明这种焊接接头的薄弱部位为母材，同时也证明该焊接接头具有良好的拉伸性能。此外，两组试样的拉伸强度、断面伸长率基本相等，测试值远远高于S355J2W母材要求的最低极限值，两种接头的抗拉性能均满足使用及相关标准要求。

（4）冲击试验结果 表7为两组试样的冲击试验结果。从表中数据可以看出，在-40℃时两种焊接接头的焊缝、热影响区的冲击吸收能量平均值均在190J以上，可见焊接接头具有良好的冲击性能。测试值均远远高于S355J2W母材要求的最低极限值，冲击性能均满足使用要求。

（5）硬度试验结果 按图4对两组试样进行维氏硬度测试，测试结果如图5所示。

从图5中可以看出，两种接头的硬度由母材到焊缝均是呈先增加后降低的趋势，母材至正火区至过热区硬度依次升高，至焊缝硬度降低，硬度峰值在过热区，焊缝硬度均高于母材。

图3 两组试样拉伸测试宏观形貌

表7 冲击试验结果

图4 维氏硬度测试位置

图5 硬度测试结果

4. 结语

（1）在实际生产中，对于碳钢及低合金高强钢应该遵循等化学成分、等强度匹配的原则下进行焊丝选配。

（2）地铁转向架构架用S355J2W耐候钢板能与成分、强度相同的进口焊丝ISO14341-A：G 42 4 M21 Z φ1.2mm及国产焊丝CHW—55CNH形成良好的焊接接头，且二者力学性能相当，均能够满足焊接构架的使用性能要求。

[1] 王君杰．转向架构架焊接接头组织与性能研究[D]．大连：大连交通大学，2007．

[2] 张晓波，等. 980MPa级低碳贝氏体高强钢MAG焊接接头不同试样的拉伸断裂机理[J].焊接学报，2012，36(2)：19-23.

[3] 李亚江．焊接组织性能与质量控制[M]．北京：化学工业出版社，2005．1．