S355J2W钢焊接接头的组织和力学性能

赵忠成，李晓娜

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062；2.成都纺织高等专科学校机械工程与自动化学院，四川成都610031）

S355J2W钢焊接接头的组织和力学性能

赵忠成1，李晓娜2

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062；2.成都纺织高等专科学校机械工程与自动化学院，四川成都610031）

S355J2W低合金钢是高速列车转向架构架所用材料之一。针对国产S355J2W低合金钢焊接接头，通过拉伸、弯曲、冲击、硬度、金相和扫描电镜等试验方法研究其力学性能和显微组织。结果表明：采用JM55-Ⅱ焊丝对S355J2W钢进行焊接，焊接接头具有良好的力学性能，其制定的焊接工艺切实可行。

转向架；S355J2W钢；JM55-Ⅱ焊丝；MAG焊接头；低温性能

0 前言

随着轨道车辆运行速度的不断提高，转向架所承受的载荷更加复杂，对转向架焊接构架及其焊接接头的力学性能（尤其是冲击韧性）提出了更高的要求[1-2]。我国高速列车转向架关键材料主要依赖进口，为推进转向架构架用新材料的研发进展，对国产S355J2W钢板焊接接头展开研究，以期为推进国产化材料在高速列车转向架中的应用奠定基础。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料选用国产S355J2W钢板，规格12mm× 300 mm×350 mm，焊接材料选用锦泰公司的JM55-II，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。

1.2 试验方法

采用MAG多层焊工艺，保护气体为富氩混合气φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，焊接位置为平焊，工艺参数如表3所示。对焊接接头进行无损探伤，合格后进行退火处理。

试样的加工符合GB2649（焊接接头机械性能试验取样方法），加工完试样后分别按照相应的标准，采用卡尔蔡司A1m显微镜观察金相组织；采用TSL-1000液压式万能试验机进行拉伸、弯曲性能试验；采用数显维氏硬度计进行硬度测试；采用JBN-300型冲击试验机开展冲击性能测试；采用S-3400N型扫描电镜观察冲击试样的断口。

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

表2 S355J2W的力学性能Table 2 Mechanical properties of S355J2W

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding parameters of specimens

2 试验结果和分析

2.1 微观金相组织

S355J2W钢对接接头微观金相组织如图1所示。图1a为S355J2W钢母材的显微组织，为条状分布的铁素体和珠光体，呈典型的热轧形态。图1b为焊缝显微组织，其典型特征为：（1）此区域主要为块状及片状的先共析铁素体。部分先共析铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，最后呈现为多边形块状；部分先共析铁素体自奥氏体晶粒内部沿一定位向析出，呈现为宽窄长短不一的片条状。（2）片条状铁素体周围析出珠光体，即紧靠着先共析铁素体有少量的珠光体组织。（3）少部分铁素体具有位向关系，形成类似魏氏组织。（4）晶内为针状铁素体组织和少量的珠光体，并含有脆性的羽毛状贝氏体组织。焊接接头组织比较粗大，且晶粒尺寸不太均匀。图1c为熔合区显微组织，其是母材金属与焊缝金属的过渡区，在焊接过程中该区域温度处于液相线和固相线温度之间，其在焊接时局部熔化。图1d为粗晶区组织，该区组织为块状分布的铁素体，同时存在一定的珠光体和贝氏体组织，晶粒粗大，这是由于该区加热温度为1 100℃～1 350℃，奥氏体晶粒显著长大，冷却后得到粗大的过热组织，使韧性降低。该区域晶粒粗大，且大小不均，化学成分也极不均匀，组织和成分都处于极不平衡状态，而这种成分不同、组织粗细不均的混合区是易产生失效的最薄弱环节[3-4]。

图1 焊接接头不同区域显微组织Fig.1 Microstructures of welded joints in different zones

2.2 拉伸试验

S355J2W钢对接接头常温拉伸试验结果如表4所示。

表4 S355J2W钢对接接头室温拉伸试验结果Table 4 Tensile results of butt joint of S355J2W steel at room temperature

接头屈服强度在445 MPa以上，抗拉强度大于538 MPa，延伸率最小37.5％，达到母材S355J2W力学性能的最低要求，拉伸试验合格。从断裂位置来看，接头断裂位置在焊接热影响区和焊缝粗晶区，这与前述微观金相分析一致。

2.3 弯曲试验

S355J2W钢对接接头所有弯曲试样在试验时均未发现明显开裂，弯曲试验合格。表明接头具有良好的变形能力。

2.4 硬度试验

S355J2W钢对接接头维氏硬度检测结果如图2所示。从硬度测试结果来看，焊缝处硬度较母材高，但硬度最高点位于焊缝与热影响区之间的熔合区附近，最高硬度值为214 HV10，且远远低于标准规定的退火状态下最高硬度值320 HV10。总的来说，从熔合线到热影响区再到母材区域，随着热输入量的减少，其组织晶粒也逐渐变小，塑性和韧性提高，硬度下降；过热区晶粒组织严重长大，塑性和韧性较差，硬度达到最大。

图2 对接接头硬度分布Fig.2 Hardness distribution of butt joints

2.5 冲击试验结果及分析

S355J2W钢焊接接头在-40℃时冲击试验结果如表5所示。由表5可知，焊接热影响区、焊缝和母材的冲击功在-40℃条件下都远远高于标准规定的27 J，表明焊接接头的冲击韧性良好；热影响区的冲击功平均值最高，母材其次，焊缝最低。

表5 S355J2W钢接头-40℃冲击功AkvTable 5 Impact results of butt joint at-40℃/J

焊接接头在-40℃时冲击断口微观形貌如图3所示。断口形貌为解理[5]，河流状花样，表明接头在-40℃时已经表现出脆性趋势。

图3 焊接接头冲击断口形貌Fig.3 Morphology of impact fracture

3 结论

（1）制定的焊接工艺合理，S355J2W接头的力学性能均达到要求。（2）S355J2W焊接接头平均屈服强度454 MPa，平均抗拉强度547 MPa，平均延伸率为40％。（3）接头硬度分布最高点在焊接热影响区，且最高硬度远远低于标准规定的退火状态下最高硬度值320 HV10。（4）S355J2W焊接接头-40℃冲击功最低值达70J，远超过母材冲击性能最低要求，接头具有良好的冲击韧性。

[1]史绍贤，陈丽园，谢明，等.16MnR低合金钢焊接接头的组织与力学性能研究[J]．热加工工艺，2011，40（15）：130-134.

[2]张志毅，韩永彬，王心红，等.转向架构架补焊残余应力数值模拟[J].电焊机，2012，42（4）：82-86．

[3]薛彬，付宏才.不同焊接方法对B610CF钢焊接接头性能的影响[J].热加工工艺，2012，41（21）：174-176，181.

[4]斯重遥，周振丰，张延生，等.16MnR焊接金相图谱[M]．北京：机械工业出版社，1987：38-43.

[5]李太仁，包晔峰.16MnDR焊接接头的低温力学性能[J]．电焊机，2007，37（9）：69-72．

Microstructure and mechanical properties of S355J2W steel welded joint

ZHAO Zhongcheng1，LI Xiaona2
（1.CRRC Changchun Raiway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China；2.Mechanical Engineering&Automation Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China）

S355J2W low alloy steel is one of the materials used in the railway vehicle bogie frame.In the paper，the mechanical properties of S355J2W low alloy steel MAG butt joints of a high speed train bogie are tested by tensile，bending and impact test，and the hardness of the welded joints are also measured.The microstructure and fracture morphology of the joints are observed.The test results show that the JM55-Ⅱwelding wire for S355J2W steel welding，welding joint has good mechanical properties，its welding process is feasible.

bogie；S355J2W steel；JM55-Ⅱwelding wire；MAG welded joints；low temperature properties

TG407

B

1001－2303（2016）12－0093-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.20

献

赵忠成，李晓娜.S355J2W钢焊接接头的组织和力学性能[J].电焊机，2016，46（12）：93-95.

2016-04-02；

2016-11-02

赵忠成（1978—），男，吉林长春人，高级工程师，主要从事轨道车辆设备、工艺研发及生产工作。