高速列车转向架SMA 490BW耐候钢焊接热影响区模拟试验

张志毅，吴向阳，李 文，张卫华，聂 媛

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

高速列车转向架SMA 490BW耐候钢焊接热影响区模拟试验

张志毅1，吴向阳1，李 文1，张卫华2，聂 媛2

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

实验分析高速列车转向架构架用钢焊接接头热影响区的组织性能。采用Gleeble-3500热模拟试验机对SMA490BW耐候结构钢进行焊接时温度循环的模拟，研究了三种焊接线能量状态下两个不同特征热影响区的组织和性能，为焊接工艺的优化提供理论依据。SMA490BW耐候钢的过热温度区间热影响区组织多为贝氏体，并且组织性能根据采用线能量的不同会产生明显差异。随着焊接热输入的增加，其组织晶粒增大，强韧性下降。推荐热输入线能量E＝5 kJ／cm。

焊接热循环；SMA490BW耐候钢；热模拟；焊接热影响区

0 前言

在高速铁路飞速发展的今天，SMA 490BW因其抗拉强度高，塑性好，成为CRH2型列车转向架的优选材料。在车辆运行过程中，转向架承受着安装部件的工作载荷、制动、牵引和惯性力[1]。随着车辆运行速度的不断提高，对转向架焊接构架的材质和接头性能提出了更高的要求。因此，研究焊接接头的性能与组织对于优化焊接工艺和改善接头质量有着非常重要的应用价值和现实意义。

焊接热循环是焊接接头经受热作用的过程，其研究对于了解接头组织和力学性能十分重要，是提高焊接质量的重要途径[2]。本研究针对焊接接头最薄弱的环节单次热循环临界温度区间热影响区(ICHAZ)和过热温度区间热影响区(CGHAZ)，采用热模拟的方法，分析不同热循环工艺对其组织和性能的影响，以此来模拟实际焊接线能量15 kJ／cm、10 kJ／cm和5kJ／cm焊接工艺的HAZ的组织和性能，从而为结构安全设计提供理论依据。

1 试验材料和方法

试验材料为转向架构架用钢SMA 490BW耐候结构钢，化学成分如表1所示。试样尺寸10.5 mm× 10.5 mm×80 mm，每组四个，三个用于低温冲击，一个用于组织硬度观察试验。热模拟试验时要将热电偶点焊在清洁后的试样中心，用于温度的检测。

表1 SMA 490BW钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of SMA490BW steel%

采用Gleeble3500热模拟试验机获取在不同线能量下的CGHAZ(峰值温度1 350℃)和ICHAZ(峰值温度780℃)的结构组织，加热速度100℃／s，热循环曲线如图1所示，不同线能量下的热循环参数如表2所示。

图1 热循环曲线Fig.1 Curve of thermal cycle

表2 实验热模拟参数Tab.2 Parameters of weld thermal cycle

按照表2参数在Gleeble-3500试验机上进行热模拟试验后，将每组三个试样加工为10 mm×10 mm× 55 mm的标准试样进行夏比低温冲击试验，并保证V型缺口位于热模拟试验时的热电偶点焊处，试验在JBN-300摆锤氏冲击试验机上进行。每组一个从中心切开，作为光学金相试样，经机械抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀并在金相显微镜下观察。

2 试验结果和分析

2.1 低温冲击试验结果

-40℃低温韧性冲击试验结果如表3所示。由表3可知，冲击值都很低，特别是在过热区线能量E＝10kJ／cm时，冲击值小于标准的27 J，无法满足使用要求。在焊接热循环过程中，除化学成分受影响之外，金属的组织和性能主要与加热的最高温度Tm和冷却速度有关[3]。过热区的高温使得晶粒严重长大，根据晶粒长大的“热惯性”[4]可知奥氏体晶粒在加热和冷却过程中均在长大，因此随着冷却速度的降低、t8／5增加，晶粒也将逐渐长大，而晶粒的粗化会降低材料强韧性。CGHAZ区域的冲击值随热输入的不同而改变，在线能量为5kJ／cm和10kJ／cm时，冲击吸收功分别为最大和最小，而在ICHAZ区域，热输入对冲击吸收功没有显著影响。

表3 冲击试验结果Tab.3 Results of impact test

2.2 显微组织和硬度试验结果

用上海GX40金相显微镜拍摄材料显微组织，使用HV-10B维式硬度计测试硬度。不同线能量下材料的热影响区组织如图2所示。在过热温度区间，热影响区组织为多处粒状贝氏体块区，片状先共析铁素体沿柱状晶界析出，无碳贝氏体向晶内平行生长，不同位向的板条使原奥氏体晶界非常明显。随着热输入的减小，组织晶粒也随之减小(见图2a)。研究表明，这类组织易使焊接HAZ出现组织脆化现象[5]。

在临界温度区间，热影响区的组织为多面块状铁素体和细密的珠光体呈带状分布，带状组织会使钢的力学性能出现各向异性，强度和韧性不佳，硬度值为HV180～190。

热影响区的硬度值与热输入的关系变化如图3所示。由图3可知，热循环峰值温度越高，硬度值也越高，即CGHAZ区域的硬度值高于ICHAZ热影响区，这是由于两区域不同的组织决定的。在CGHAZ区，随着线能量的不同，t8／5冷却时间与硬度值的变化趋势相反，当冷却时间最短时，材料硬度最高；在冷却时间最长时，硬度反而最低。而在ICHAZ区域，线能量的改变对于硬度值没有明显影响。

图2 不同线能量下材料的热影响区组织Fig.2 Different line-energy the material organization of HAZ

图3 热影响区硬度值与热输入关系Fig.3 Diagram of hardness and heat input in HAZ

3 结论

(1)SMA 490BW耐候结构钢焊接热影响区的CGHAZ组织多为贝氏体，晶粒长大倾向随着焊接热输入的增加而增加。晶粒越大，韧性越低，晶粒越小，韧性随之提高。ICHAZ组织为珠光体和铁素体，组织性能对于热输入的变化不敏感。

(2)两种热循环参数下的焊接热影响区试样的低温冲击值都较低，均为脆性断裂。该钢焊后的热影响区性能不佳，易产生晶粒粗化和组织脆化的现象。

(3)CGHAZ组织硬度明显高于ICHAZ，但CGHAZ峰值温度很高，会造成严重的晶粒长大，并且相比较于ICHAZ，其受热循环参数的影响相对显著。

(4)SMA490BW钢焊接线能量E＝5 kJ／cm为最佳焊接工艺参数，对超过该线能量焊接的结构，建议通过热处理工艺改善其组织性能。

[1]许鸿吉，王君杰.转向架构架焊接接头组织与性能研究[J].理化检验(物理分册)，2007，43(12)：599-601.

[2]付瑞东，逯允海，杨永强，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐热钢焊接热影响区热模拟试验研究[J].材料热处理学报，2007，28(1)：66-74.

[3]陈 楚，张月嫦.焊接热模拟技术[M].北京：机械工业出版社，1985：4-20.

[4]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2007：176-190.

[5]崔忠圻，覃耀春.金属学及热处理[M].北京：机械工业出版社，2008：230-264.

Thermal simulation experiments of welding heat affected zone of SMA490BW corrosion resistance steel

ZHANG Zhi-yi1，WU Xiang-yang1，LI Wen1，ZHANG Wei-hua2，NIE Yuan2
(1.CSR Sifang Locomotive Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In this paper analyzed the microstructures and mechanical properties of welding heat affected zone in bogie frame of the high speed railway.The experiment of welding thermal cycle was carried out for corrosion resistant steel for welded structure SMA 490BW by means of Gleeble-3500 thermal simulator.Studied the microstructures and mechanical properties of two different HAZ in the 3 kinds of heat input conditions.For providing a theoretical basis to the optimization of the welding process.The microstructure of overheating temperature range heat affected zone is bainites mostly；the mechanical properties of the steel would change clearly along with the different heat inputs.With the increase of heat input，the grain increased，strength and toughness decreased.Heat input E＝5 kJ／cm as recommended.

welding thermal cycle；SMA 490BW corrosion resistance steel；thermal simulation；welding heat affected zone

TG457.11

B

1001-2303(2011)11-0062-03

2011-07-10

“十一·五”国家科技支撑计划高速转向架技术课题资助项目(2009BAG12A02)

张志毅(1980—)，男，浙江浦江人，工程师，硕士，主要从事高速列车转向架制造工艺工作。