許冰，許鴻吉，陳增有，馬清波，謝明

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 齊齊哈爾車(chē)輛(集團(tuán))有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)*

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路的發(fā)展，鐵路起重機(jī)作為一種處理鐵路行車(chē)事故的主要救援設(shè)備，在鐵路行車(chē)事故中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1］.而吊臂是鐵路起重機(jī)的重要受力構(gòu)件，其制造質(zhì)量的好壞直接影響鐵路起重機(jī)整機(jī)的性能.WELDOX960E高強(qiáng)鋼已應(yīng)用于鐵路起重機(jī)吊臂的生產(chǎn)，但由于其開(kāi)發(fā)時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)其焊接性及接頭組織與性能的研究還存在不足，本文通過(guò)拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相分析等，對(duì)用手工電弧焊焊接WELDOX960E高強(qiáng)鋼接頭顯微組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究，為目前鐵路起重機(jī)吊臂所面臨的困境提供合理的解決方案.

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為WELDOX960E高強(qiáng)鋼，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨;焊接材料為φ4.0 mm的Phoenix SH Ni2 K130焊條(焊前經(jīng)350℃ ×2 h烘干)，采用手工電弧焊;接頭形式為對(duì)接，試樣板厚為10 mm，焊縫形式為60°V形坡口;試驗(yàn)材料和焊接材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3.

表1 WELDOX960E高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分(%)與力學(xué)性能

表2 Phoenix SH Ni2 K130焊條的化學(xué)成分(%)與力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行.拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為978 MPa，其斷裂位置為焊縫，同時(shí)，熱影響區(qū)有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口中心由細(xì)小的韌窩群組成(見(jiàn)圖1).因此，其焊接接頭具有良好的拉伸性能.

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷口形貌

2.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按GB2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》和GB/T232-2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行.彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，不論面彎還是背彎，均有裂紋，但裂紋小，彎曲角度可達(dá)到180°，合格.說(shuō)明用 Phoenix SH Ni2 K130焊條焊接WELDOX960E高強(qiáng)鋼也可獲得彎曲性能良好的焊接接頭.

表5 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)按GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行.沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，室溫時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊功平均值為54、27和63J;-40℃時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊功平均值為38、8和59J;-60℃時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)、母材的沖擊功平均值為25、5和30J.熱影響區(qū)沖擊功值較低，是因?yàn)榇志^(qū)產(chǎn)生M-A組元，使熱影響區(qū)韌性下降［2］.試件斷口形貌為淺韌窩，說(shuō)明其焊接接頭具有良好的沖擊性能.

2.4 金相分析試驗(yàn)

WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭經(jīng)加工、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在BX51M型光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織形態(tài)(如圖2所示).可見(jiàn)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫組織(圖2(a))為少量針狀鐵素體與粒狀貝氏體的混合分布;熔合區(qū)組織(圖2(b))為板條馬氏體和少量白色M-A塊區(qū)，且晶粒粗大，這是焊接熱輸入過(guò)大造成的;正火區(qū)顯微組織(圖3(c))為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;母材顯微組織(圖2(d))為回火索氏體.

表6 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

圖2 焊接接頭顯微組織

2.5 硬度試驗(yàn)

WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭硬度試驗(yàn)按GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行.焊接接頭硬度分布曲線如圖3所示.焊接接頭各區(qū)域的硬度值是由焊接熱輸入與母材組織成分共同決定的.焊縫顯微硬度為270～300 HV，粗晶區(qū)顯微硬度最高.熱影響區(qū)存在輕微的軟化，軟化發(fā)生在不完全相變區(qū)，造成WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭軟化的原因主要是由于焊后焊接接頭熱影響區(qū)的局部區(qū)域出現(xiàn)了沿晶界呈顆粒狀或塊狀分布的組織(主要是鐵的碳化物)，這些組織在晶界的聚集使得原本均勻細(xì)小的回火索氏體組織不再均勻一致，從而使得該區(qū)域的組織發(fā)生軟化［3-4］.

圖3 焊接接頭硬度分布曲線

3 結(jié)論

(1)采用Phoenix SH Ni2 K130焊條、手工電弧焊焊接WELDOX960E高強(qiáng)鋼時(shí)，可以獲得拉伸、彎曲和沖擊性能均良好的焊接接頭;

(2)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫組織為少量針狀鐵素體與粒狀貝氏體的混合分布;熔合區(qū)及粗晶區(qū)組織晶粒粗大，為板條馬氏體和少量白色M-A塊區(qū);正火區(qū)組織為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;母材組織為回火索氏體;

(3)焊縫顯微硬度為270～300HV，粗晶區(qū)硬度最高.由于焊接熱輸入較大，熱影響區(qū)寬度增加，且距離熔合線30 mm處出現(xiàn)軟化區(qū).

［1］劉冰.NS100G型100t伸縮臂式鐵路起重機(jī)設(shè)計(jì)研究［D］.大連:大連交通大學(xué)，2007.

［2］付榮柏.起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造工藝［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991.

［3］李亞江，鄒增大，陳祝年.HQ130高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織及韌性［J］.焊接學(xué)報(bào)，1997，18(1):27-32.

［4］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［5］馬清波，陳增有，許鴻吉，等.BS600MCJ4低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭組織與力學(xué)性能研究［J］.熱加工工藝，2012，41(9):169-171.