环境温度对Q345C钢MAG焊接头力学性能的影响

武永寿，刘拥军，马 寅

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学焊接研究所，四川成都610031）

环境温度对Q345C钢MAG焊接头力学性能的影响

武永寿1，刘拥军2，马 寅1

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学焊接研究所，四川成都610031）

对轨道车辆材料Q345C低合金结构钢MAG焊接头进行了常温、低温（0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃）力学性能试验，包括拉伸试验、弯曲试验、冲击试验，得到力学性能随温度的变化规律，同时测量了接头硬度分布，分析了接头硬度分布规律，观察了接头金相组织。研究结果表明，随环境温度下降，其抗拉强度和屈服强度均有所提高，但伸长率和断面收缩率变化不大，冲击吸收功明显降低；Q345C焊接接头有较大的低温冷脆倾向；对在低温环境条件下服役的Q345C低合金结构钢，需重点考虑其低温冷脆倾向。

转向架；Q345C钢；焊接接头；低温性能；环境温度

0 前言

Q345系列低合金结构钢是轨道车辆转向架制造的主要材料[1]，转向架的质量直接关系轨道车辆的安全、稳定运行。目前服役的CRH型动车组运行的环境温度设计要求为-25℃～40℃，而东北地区铁路沿线近30年来气象记录最低温度已达-37.3℃，这已超出了CRH型动车组运行的最低设计温度[2]，因此要求转向架焊接构架必须在低温环境条件下具有良好的力学性能。在现有熔化焊工艺条件下，焊接接头作为转向架构架中最为薄弱的环节，其质量直接关系整个构架安全。由于低温环境下焊接接头的组织和性能明显变化，深入研究焊接接头在低温下的组织和性能[3]，特别是焊接接头的低温韧性[4]就显得尤为重要。本研究主要研究环境温度对Q345C低合金钢MAG焊接头低温力学性能的影响，为转向架构架设计提供必要依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用轨道车辆转向架用Q345C低合金结构钢板，尺寸规格为350 mm×150 mm×12 mm，供货状态为热轧状态，试件开单边30°V型坡口，采用对接接头形式，焊接位置为平焊位。焊接材料选用CHW-50C6焊丝，直径φ1.2 mm；保护气体选用二元混合保护气体φ（Ar）80％+φ（CO2）20％。试验材料的化学成分见表1，经检测，Q345C母材室温（25℃）平均抗拉强度为524 MPa。

表1 试验材料的化学成分Tab.1Chemical composition of the experimental materials ％

1.2 试验方法

试验所选焊接工艺为MAG多层多道焊，保护气体采用φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，接头形式为对接，坡口主要尺寸及焊接顺序如图1所示。

图1 坡口主要尺寸及和焊接顺序Fig.1Weld size and weld sequence

焊接完成后进行磁粉、超声等无损检测，判定试样是否存在焊接缺陷，检验合格后进行去应力退火处理，然后进行力学性能试样的加工和试验。其中，拉伸、弯曲、冲击试验则分别在室温、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃条件下完成，金相、硬度试验在常温条件下完成。

2 焊接接头组织及力学性能结果分析

2.1 焊接接头拉伸试验

参照标准GB/T 2651-2008，拉伸试样加工如图2所示。拉伸试验时，在每个温度条件下试验两件，并取其平均值作为该温度条件下的测试值。

图2 低温拉伸试样Fig.2Low temperature tensile sample

低温拉伸试验在低温环境试验箱中进行，采用液氮作为冷却介质，配以酒精调节试验温度，试验温度采用智能温度控制仪进行监控，试验设备如图3所示。所有试验试样需在低温环境箱内保温10 min以上才能进行试验，并且在试验过程中保证环境温度偏差在±2℃内。拉伸试样以5 mm/min恒定速率进行试验。

图3 拉伸试验设备Fig.3Equipment for tensile test

通过拉伸试验，得到室温、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃等6种温度条件下，Q345C钢MAG焊接头的抗拉强度Rm、屈服强度ReL、伸长率A、断面收缩率Z。抗拉强度、屈服强度随温度的变化如图4所示。

由图4a可知，Q345C钢MAG焊接头抗拉强度随着试验温度的降低呈上升趋势；当温度从25℃降至-10℃时，抗拉强度均值提高幅度最大，提高了10.4％，表明-10℃时对接头性能产生了较明显的影响；当温度从-10℃降至-40℃时，抗拉强度均值呈

现出上下波动趋势。但在整个试验温度范围内，仍呈上升趋势；从25℃降至-40℃，抗拉强度提高了8.3％；抗拉强度最低值为室温的496.59 MPa，满足设计要求值470～630 MPa。

图4 Q345C钢接头强度-温度变化曲线Fig.4Curve of the relationship between strength and temperature

由图4b可知，接头的屈服强度均值随试验温度的下降而呈升高趋势；当温度从25℃降至0℃时，屈服强度均值提高幅度最大；当温度从0℃下降至-40℃过程中，屈服强度值变化不大，但整体呈上升趋势；从25℃降至-40℃，屈服强度提高了7.4％，表明温度降低对屈服强度的影响程度不如抗拉强度；屈服强度最小值为室温的377.06 MPa，也达到了设计要求值（≥345 MPa）。

由图4可知，环境温度的降低对提高焊接接头强度有利。文献[5]认为：其原因是该种材料均属于体心立方金属。而体心立方金属的派-纳力对温度很敏感，随着温度降至室温之下，派-纳力会急剧的升高。此外，材料在低温条件下发生位错运动阻力增加，从而使材料抵抗变形的能力增强。两者综合作用，使接头强度随温度降低而提高。

此外，试验结果还发现，随着温度从25℃降低至-40℃，焊接接头的伸长率和断面收缩率变化不明显，表明环境温度对材料的塑性影响不大；伸长率和断面收缩率是材料的塑性指标，伸长率约26％，断面收缩率约61％，塑性指标满足设计要求。

2.2 焊接接头弯曲性能检验

参照标准GB/T2653-2008，弯曲试验在WDW-200电子拉力试验机进行，两个面弯、两个背弯。试验结果表明，在不同试验温度下，所有试样经过180°冷弯后没有出现开裂，说明焊接接头在各试验温度条件下都具有良好的抗变形能力。

2.3 焊接接头冲击试验

冲击试验参照标准GB/T2650-2008在JBN-300型冲击试验机进行。冲击试样大小为10 mm×10 mm× 55 mm，开V形缺口，缺口位置分别在母材、焊缝中心、热影响区。经试验得到每个试样冲击吸收功，然后取平均值，并绘制成曲线如图5所示。

由图5可知：①试验温度在24℃～-40℃时，Q345C钢母材、焊缝及热影响区的冲击吸收功随温度的降低而减小，且趋势很明显；②试验温度从24℃降至-40℃时，母材、热影响区冲击吸收功减小幅度分别为35％、31％。而焊缝中心冲击吸收功减小幅度达48％，表明Q345C钢MAG焊接头已经表现出较大的低温冷脆倾向；③三者在0℃时冲击吸收功都远远超过设计所要求的34 J，表明接头具有良好的低温冲击韧性，分析认为其原因是焊缝熔敷金属中含有可以提高钢低温韧性的合金元素Mn、Ni，且母材金属中含有细化晶粒元素Nb、V，在一定的含量范围内，能改善焊缝金属的冲击韧性，使接头具有良好的综合力学性能。由此可见，在焊丝中加入了一些微量元素，可以细化晶粒，提高焊缝金属的力学性能，特别是低温的冲击韧性。因此，Q345C低合金结构钢在-40℃已经表现出相当的低温冷脆倾向，在实际生产中要尽可能选用合金含量足够的焊丝，关注环境温度对Q345C低合金结构钢性能的影响

2.4 焊接接头硬度测试

参照标准GB/T 2654-2008，采用HVS-30型数显维氏硬度计对焊接接头进行硬度测量，得到接头盖面层不同区域硬度分布如图6所示。

由图6可知，接头硬度值分布规律为热影响区

最大，焊缝次之，母材最小，其中热影响区硬度为170～230 HV，焊缝硬度为170～190 HV，母材硬度为150～160 HV。热影响区硬度最高是由于热影响区的组织晶粒变大；焊缝区域硬度高于母材硬度是因为采用高匹配焊丝的缘故。最高硬度出现在热影响区靠近熔合线附近，最高硬度值为228HV，这是由于该区域晶粒粗大的缘故，同时也表明该区域在低温环境下最可能产生脆性破坏。

图5 冲击功-温度变化曲线Fig.5Curve of the relationship between impact power and temperature

图6 对接接头硬度分布Fig.6Microhardness distribution of welded joint

2.5 焊接接头金相组织

参照标准GB/T2650-2008对母材、接头分别取样，并对所取试样进行磨光、抛光，然后使用4％硝酸酒精溶液侵蚀、清洗并吹干，置于卡尔蔡司A1m显微镜上进行金相组织观察。其金相组织如图7所示。

如图7a所示，焊缝组织为柱状进组织，晶界处为先共析铁素体、少量无碳贝氏体，晶内存在大量针状铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体；如图7b所示，右上部分为焊缝组织，左下部分为过热区组织，有少量的块状铁素体沿晶界析出，晶内为条状铁素体和珠光体；如图7c所示，细晶区组织为铁素体和珠光体；如图7d所示，热轧状态的母材组织是呈带状分布的珠光体和晶粒细小的铁素体。

组织形态和种类决定了材料的性能。随着形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态。一般来说，针状铁素体在非金属夹杂物处非均匀形核，然后从形核点向许多不同的方向辐射生长[6]，大多存在于原奥氏体晶粒内部，晶粒位向以大角度分布，故其强度高，塑韧性较好，在各类铁素体中性能最好。由图7a可知，盖面焊焊缝组织中存在大量的针状铁素体，少量粒状贝氏体，且由于在热源作用下铁素体较为粗大。对比图7c，可以发现图7a中铁素体要明显粗大，图7c中的铁素体则更细密，这就说明了在低温环境条件下，焊缝区的冲击韧性不如热影响区的冲击韧性的原因。

3 结论

（1）随着环境温度的降低，Q345C钢MAG焊接头的抗拉强度和屈服强度均有所提高，其提高率依次为8.3％、7.4％，伸长率和断面收缩率没有明显变化。

（2）在本研究的环境温度范围内，接头冲击韧性随环境温度的降低而下降，试验温度从室温下降至-40℃，母材、热影响区、焊缝中心的冲击功分别下降了35％、31％和48％，表明材料韧性的温度敏感

性很高。

图7 焊接接头不同区域微观组织Fig.7Microstructures of the welded joints in different zones

（3）接头最高硬度出现在热影响区靠近熔合线附近，该区域在低温环境下最可能产生脆性破坏。

（4）Q345C低合金结构钢焊接接头低温力学性能良好，能够很好地满足低温环境条件下服役要求。

[1]吕任远，张连敏，陶传琦，等.转向架构架Q345-E钢板焊接接头力学性能[J].机车车辆工艺，2006（4）：12-14.

[2]魏书波，刘建，刘拥军.轨道车辆车体5083铝合金焊接接头低温服役性能研究[J].电焊机，2014，12（44）：121-124.

[3]王淑花.1Cr18Ni9Ti钢的低温拉伸变形行为[J].材料科学与工艺，2004，12（6）：579-582.

[4]朱健，郭魁文，王秉新.焊接方法对C-Mn超细晶粒钢接头低温韧性的影响[J].焊接技术，2009，38（10）：47-49.

[5]束德林.金属力学性能[M].北京：机械工业出版社，1987：31-78.

[6]刘占国，苗张木，马涛，等.钻井平台焊接接头低温CTOD韧度试验[J].焊接技术，2010，39（5）：17-20.

Effect of environment temperature on mechanical properties of Q345C steel MAG welded joints

WU Yongshou1，LIU Yongjun2，MA Yin1
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The normal and lowtemperature（0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃）tensile test，bendingtest and impact test were carried out on MAG welded joints of Q345C lowalloy structural steel for rail transit bogie in China，the change lawof mechanical properties with temperature is obtained.Meanwhile，the hardness of the welded joints are measured and the microstructure of the joints are observed.The results showthat the tensile strength and yield strength of the steel are improved with the decrease of temperature，but the elongation and the change of the section shrinkage is little.The impact absorption power decreases rapidly，which indicates that the Q345C welded joints have a relativelylarge lowtemperature cold brittle tendency.Q345Clowalloystructural steel，which is served at lowtemperature，should be considered the lowtemperature cold brittle.

bogie；Q345Csteel；welded joint；lowtemperature properties；environment temperature

TG407

A

1001-2303（2016）10-0040-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.08

献

武永寿，刘拥军，马寅.环境温度对Q345C钢MAG焊接头力学性能的影响[J].电焊机，2016，46（10）：40-44.

2016-03-15；

2016-05-16

武永寿（1982—），男，甘肃靖远人，工程师，学士，主要从事转向架焊接工艺的研究工作。