張林儒，李業(yè)雄，李志強(qiáng)，宋佳瞳

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架是高速動(dòng)車組的主要構(gòu)件[1]，作為轉(zhuǎn)向架主要承載傳遞裝置，它直接影響到高速動(dòng)車組的安全行駛。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提高，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架所承受的動(dòng)載荷明顯增加，特別是在高速運(yùn)行狀態(tài)下，強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊載荷均作用在構(gòu)架上，構(gòu)架中的薄弱環(huán)節(jié)——焊接接頭的疲勞性能和可靠性對(duì)于高速動(dòng)車組的運(yùn)行尤為重要。因此，優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量對(duì)高速動(dòng)車組的安全運(yùn)行有著重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

焊接構(gòu)架的破損主要是焊縫應(yīng)力集中造成的，而焊縫的應(yīng)力集中又與其幾何形狀密切相關(guān)。采用TIG電弧重熔焊縫，可有效減少焊縫與母材過渡處因幾何形狀突變而造成的應(yīng)力集中，同時(shí)還能消除咬邊、刻槽等缺陷[2]，提高構(gòu)架的抗疲勞性能、安全性能及使用壽命。本研究旨在研究TIG焊電弧重熔[3]工藝在高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為S355J2W+N熱軋鋼板，焊接填充材料為ER80S-G（NiCu1-IG）焊絲。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件焊接

采用 MAG 焊，保護(hù)氣體為 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體，母材切割成尺寸600 mm×150 mm×16 mm的試板，開V型坡口，鈍邊尺寸1±0.5 mm，坡口角度60°。采用多層焊工藝，焊接工藝參數(shù)為：電流 245～265A，電壓 29～31A，焊接速度22～24cm/min。

焊趾TIG電弧重熔工藝參數(shù)主要為：噴嘴直徑φ12mm，鎢極直徑φ3.2mm，氬氣流量14～16L/min，電流165～185A，電壓17～18V，重熔速度12～14cm/min。

1.2.2 焊縫形狀和尺寸測量

測量TIG電弧重熔前后母材與焊縫之間的過渡角及焊縫余高，分析TIG電弧重熔對(duì)焊縫的影響。采用焊槍在距離焊趾-0.5～0 mm、0～0.5 mm、0.5～1.5 mm處分別進(jìn)行TIG重熔，并測量和分析重熔部位的焊縫熔合形狀。電弧重熔位置如圖1所示。

圖1 TIG電弧重熔位置

1.2.3 顯微分析

打磨、拋光接頭橫截面，采用5%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，然后進(jìn)行顯微分析[4]。

1.2.4 金相組織檢驗(yàn)

檢驗(yàn)TIG電弧重熔前后焊縫金相組織，研究焊縫接頭區(qū)域金相組織的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫形狀和尺寸

焊縫左側(cè)M處焊趾未重熔，焊縫右側(cè)N處焊趾重熔，如圖2所示，N處電弧重熔后過渡角θ和余高h(yuǎn)明顯減小。應(yīng)力集中點(diǎn)在母材與焊縫過渡處，即焊趾處[5]。焊趾處應(yīng)力集中大小取決于焊縫與母材的過渡角θ和焊縫余高h(yuǎn)，過渡角θ越小，余高h(yuǎn)越小，應(yīng)力集中越小。

圖2 電弧重熔前后焊縫形狀對(duì)比

2.2 重熔操作技巧

試驗(yàn)表明，為保證重熔質(zhì)量，焊槍一般位于焊趾部位0.5～1.5 mm處（見圖1c），并保持重熔部位清潔。在高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)中，TIG電弧重熔工序一般安排在構(gòu)架一次打砂后，既保證了TIG電弧重熔前重熔部位的潔凈，又可更清晰地查出焊趾部位的焊接缺欠。

焊縫重熔區(qū)域如圖3所示，其中B區(qū)為正確區(qū)域，A區(qū)為不正確區(qū)域。

圖3 TIG電弧重熔區(qū)域

在重熔過程中發(fā)生熄弧時(shí)，推薦在焊道弧坑前6～8 mm處重新起弧重熔。在TIG電弧重熔時(shí)，TIG焊炬擺動(dòng)幅度不宜過大，微小的擺動(dòng)有利于獲得優(yōu)良的重熔區(qū)域幾何尺寸，使得重熔區(qū)域呈微凹型[6]。如圖3中的B處，增大焊趾過渡圓弧半徑能有效降低焊趾處應(yīng)力集中，提高焊接接頭的疲勞性能。

2.3 組織分析

S355J2W+N鋼焊接接頭可分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材3個(gè)區(qū)域，如圖4所示。

TIG電弧重熔后，重熔區(qū)域經(jīng)過加熱再熔化、再次形成熔池、冷卻再結(jié)晶過程，相當(dāng)于又進(jìn)行了一次焊接[7]。

圖4 接頭橫截面照片

焊縫表層組織照片如圖5所示。表層為柱狀晶組織，其中塊狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，少量鐵素體魏氏組織的鐵素體由晶界向晶內(nèi)生長，晶內(nèi)為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體（見圖5a）。由于TIG電弧重熔線能量小于正常MAG焊線能量，所以形成的熔池較小，冷卻速度較大，電弧重熔區(qū)域的金相組織也發(fā)生了變化[8]，經(jīng)過TIG電弧重熔后表層組織晶粒較未重熔前細(xì)化（見圖5b）。

3 結(jié)論

（1）采用TIG焊在接頭焊趾部位（過渡區(qū)）進(jìn)行重熔，可使焊縫與母材之間形成平滑過渡，降低應(yīng)力集中，同時(shí)減少該部位的微小非金屬夾渣物，焊縫表面波紋細(xì)密，能有效改善焊趾部位的應(yīng)力集中。

（2）由金相觀察可知，經(jīng)TIG電弧重熔的區(qū)域的組織晶粒較主焊縫中的晶粒有明顯細(xì)化，這有利于提高構(gòu)架焊縫的抗疲勞性。

（3）TIG焊重熔技術(shù)具有成本低、勞動(dòng)強(qiáng)度小以及大幅度提高焊接接頭性能的特點(diǎn)。

圖5 焊縫表層組織光鏡照片

參考文獻(xiàn)：

[1]TB/T 3316-2013，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架[S].

[2]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3]趙靜彬，曲金光，盧靜.TIG重熔工藝對(duì)焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的影響[J].焊接技術(shù)，2003，32（6）：10-11.

[4]魯二敬.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料及焊接接頭組織與性能研究[D].遼寧：大連交通大學(xué)，2013.

[5]沈彩瑜.鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2014.

[6]樊丁，黃琳，黃健康，等.定點(diǎn)TIG焊熔池自由表面演化行為[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（5）：14-18.

[7]石玗，杜文玉，黃健康，等.TIG電弧的全耦合數(shù)值分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（1）：19-23.

[8]禹業(yè)曉，李玉龍，徐健寧，等.Q235鋼板表面TIG法熔覆銅接頭的組織和力學(xué)性能[J].航空材料學(xué)報(bào)，2014，34（1）：62-68.