补焊次数对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳性能和组织的影响

傅利斌，许鸿吉，董强，杨鑫华

(大连交通大学 材料科学与工程学院, 辽宁 大连 116028)*

补焊次数对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳性能和组织的影响

傅利斌，许鸿吉，董强，杨鑫华

(大连交通大学 材料科学与工程学院, 辽宁 大连 116028)*

针对铁路客车焊接转向架的T型焊接接头，通过对未补焊接头、以及补焊一次、两次、三次、四次的焊接接头进行试验，总结出补焊次数对焊接转向架T型接头疲劳性能和显微组织的影响，为铁路客车转向架的工艺制定和可靠性提供了技术理论与实践数据支持.试验结果表明：一次、二次补焊对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳强度影响不大，而三次及以上补焊次数会稍微降低S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳强度，不同补焊次数对显微组织无明显影响.

S355J2W+N低合金钢；补焊次数；疲劳性能

0 引言

S355J2W+N低合金钢作为铁路机车转向架的常用材料，其焊接接头的力学性能直接决定着铁路运营的安全和运输效率，所以，在焊接生产制造过程中的质量控制具有十分重要的意义的.

铁路客车转向架构架大多采用焊接结构，由于焊接过程中的各种原因导致接头部位会产生不同程度、不同类型的焊接缺陷(如成形不良、气孔、夹渣、未焊透、裂纹等)，当在焊缝中出现焊缝局部缺陷时，为减少损失，通常采用局部去除焊接缺陷再补焊进行修复[2- 3].补焊是一种低成本制造技术，在一些标准和技术规范中,同一部位的返修次数不宜超过2次，但在实际的生产过程中经常会遇到需要对接头进行多次补焊的情况，由于接头在补焊过程中会受到多次焊接热循环的影响，可能造成热影响区的组织硬化和晶粒粗大，增加接头的冷裂倾向，降低接头的性能，所以多次补焊接头疲劳性能是否满足设计使用要求，关系到我国铁路机车、尤其高铁、城轨的发展，是实际生产中急需解决的问题[4- 5].

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验材料为板厚12.0 mm的S355J2W+N低合金钢，热轧状态供货；采用MAG焊对试板进行施焊，焊接材料选用直径为φ1.2 mm的ER50- 6实芯焊丝，选用80%Ar+20%CO2作为保护气体，试验材料的化学成分和力学性能分别见表1和表2.

表1 试验材料化学成分 %

材料名称CMnSiPSNiCrS355J2W+N0.091.190.3270.0190.0030.0220.424ER50-60.0831.500.870.0100.0150.0050.021

表2 试验材料力学性能

1.2 试验方法

对S355J2W+N低合金钢进行双面焊T型接头焊接，分别进行不补焊、一次补焊、二次补焊、三次补焊和四次补焊的角接工艺试验，补焊时采用机械加工的方法将距熔合线留1 mm的余量的原有的焊缝去除掉， T型角接焊接工艺参数见表3，角接工艺试验试件焊接后均进行了外观检测和渗透检测.

表3 焊接工艺参数

焊后参照GB/T13816-92《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》分别对未补焊、以及一次、两次、三次、四次补焊的S355J2W+N低合金钢T型接头进行疲劳试验研究.疲劳试件尺寸如图1所示.金相组织分析采用BM- 41数码金相显微镜观察焊接接头的母材区、焊缝区及熔合区的显微组织，金相腐蚀液为4%硝酸酒精溶液.

图1 疲劳试样形状和尺寸

2 试验结果及分析

2.1 疲劳试验结果接分析

疲劳断裂试件上产生疲劳裂纹的位置及宏观形貌如图2所示，可看出通过升降法来确定在指定寿命为 5×106次循环下的未补焊、以及一次、两次、三次、四次补焊的S355J2W+N低合金钢T型接头的中值疲劳极限，所有疲劳断裂试件断裂位置均处于焊趾处.

图2 疲劳试件的宏观照片

未补焊的疲劳试验共有4级应力水平，有效试件数12个；一次补焊的疲劳试验共有5级应力水平，有效试件数15个；二次补焊的疲劳试验共有5级应力水平，有效试件数13个；三次补焊的疲劳试验共有4级应力水平，有效试件数14个，四次补焊的疲劳试验共有5级应力水平，有效试件数13个详见图3.

(a) 未补焊

(c) 二次补焊

(d) 三次补焊

(e) 四次补焊

根据疲劳极限升降图并依照公式：

分别计算出未补焊、以及一次、两次、三次、四次补焊的S355J2W+N低合金钢T型接头的中值疲劳极限分别为：

未补焊：

一次补焊：

两次补焊：

σ0.1=(2×157.5+3×152.5)/5=154.5 MPa

三次补焊：

四次补焊：

通过上面的计算结果可以看出：未补焊疲劳强度为157.5 MPa，一次补焊的疲劳强度为153.9 MPa，二次补焊的疲劳强度为154.5 MPa，三次补焊的疲劳强度为141.7 MPa，四次补焊的疲劳强度为140.0 MPa.这说明补焊次数的增加对T型接头疲劳强度有影响.

对不同补焊次数下的S355J2W+N低合金钢T型接头脉动拉伸疲劳断口进行SEM试验，断口启裂区扫描图像如图4所示.由图可看出：试件的疲劳裂纹是从试件边缘处启，向试件内部扩展，试件启裂区无可视的夹杂、夹渣等影响试件疲劳强度的焊接缺陷；疲劳试件断于焊趾处是由于T型接头焊趾处应力集中(启裂区基本处于整个焊接接头应力相对集中的地方)，当不断承受疲劳载荷时，该处极易发生疲劳断裂，而随着补焊次数的增加，导致接头熔合区过热，组织粗大，所以疲劳性能降低.

(a) 未补焊 (b) 一次补焊

(c) 二次补焊 (d) 三次补焊

(e) 四次补焊

2.2 金相试验结果接分析

S355J2W+N低合金钢母材显微组织如图5(a)所示，为轧制铁素体和珠光体带状组织.S355J2W+N低合金钢焊缝显微组织如图5(b)所示.由于补焊时填充材料均为ER50- 6实芯焊丝，焊接工艺参数相同，故焊缝的组织形态并未发生改变.可以看出：焊缝组织为先共析铁素体分布于柱状晶界上，少量无碳贝氏体从晶界伸向晶内，晶内为针状铁素体与珠光体.

(a) 母材 (b) 焊缝

图5 S355J2W+N低合金钢显微组织

由于未补焊、补焊一次、二次、三次和四次的S355J2W+N低合金钢焊接接头热影响区组织形态差别不大，所以只以未补焊与四次补焊热影响区金相组织为例，分别如图6、图7所示.可以看出：过热区处于过热状态，组织晶粒粗大，且大小不一，主要为沿奥氏体晶界析出的块状先共析铁素体及针状铁素体、珠光体和少量的粒状贝氏体；热影响区的正火区在加热的过程中全部经历了由铁素体和珠光体到奥氏体的相变重结晶而冷却过程又经历了由奥氏体到铁素体和珠光体的相变重结晶过程，组织为晶粒细小的铁素体和珠光体；不同补焊次数之间并无显著差异.

(a) 熔合区 (b) 过热区

(c) 正火区 (d) 不完全重结晶区

图6 未补焊时热影响区显微组织

(a) 熔合区 (b) 过热区

(c) 正火区(d) 不完全重结晶区

图7 补焊四次时热影响区显微组织

3 结论

(1)S355J2W+N低合金钢T型接头未补焊疲劳强度为为157.5 MPa，一次补焊的疲劳强度为153.9 MPa，二次补焊的疲劳强度为154.5 MPa，三次补焊的疲劳强度为141.7 MPa，四次补焊的疲劳强度为140.0 MPa；

(2)一次、二次补焊对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳强度影响不大，而三次及以上补焊次数则疲劳强度会稍微降低；

(3)焊接接头显微组织：焊缝组织为先共析铁素体分布于柱状晶界上，少量无碳贝氏体从晶界伸向晶内，晶内为针状铁素体与珠光体.不同补焊次数的S355J2W+N低合金钢焊接接头热影响区组织形态差别不大，过热区组织为沿奥氏体晶界析出的块状先共析铁素体及针状铁素体、珠光体和少量的粒状贝氏体；正火区组织为晶粒细小的铁素体和珠光体.

[1]宫平，常力．多次返修对S355J2W+N钢焊接接头性能的影响[M]．焊接技术，2011，40(2):29- 31.

[2]陈大庆，陈增有，马清波，等．焊后处理工艺对Q345E 低合金钢焊接接头疲劳性能的影响[J]．大连交通大学学报,2012，33(2):73- 76.

[3]于岩，马清波，陈增有, 等．热矫正对Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能的影响[J]．热加工工艺，2015,44(3):38- 44．

[4] 万里鹏,肖熙,江鹏，等．多次补焊对30CrMnSiA高强钢焊接接头组织和疲劳性能的影响[J]．热加工工艺，2015，44(21):210- 212．

[5]田志骞，陈东方，马国龙．多次补焊对A6N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响[J]．电焊机，2015，45(11):102- 106.

Effect of Repair Welding Times on Fatigue Properties and Microstructure of S355J2W+N Low Alloy Steel T Welding Joints

FU Libin,XU Hongji,DONG Qiang,YANG Xinhua

(School of Materials Science and Engineering,Daling Jiaotong University,Dalian 116028,China)

For railway passenger train welded bogie T welding joint,the test of without repairing welding and times of repairing welding summed up the impact of the repairing welding times on the welding bogie T joint fatigue performance and microstructure,and provides theory and technology and practice data support for railway passenger train welded bogie.The results show that the once and twice repair welding have little effect on the fatigue strength of the S355J2W+N low alloy steel T welding joints,and the fatigue strength of S355J2W+N low alloy steel T joint is reduced a little when the times is more than three,and the number of repair times had no significant effect on the microstructure.

S355J2W+N low alloy steel；repairing welding times；fatigue performance

1673- 9590(2017)05- 0075- 04

A

2017- 01- 01

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2016J007-l)

傅利斌(1970-)，男，副教授，博士，主要从事材料加工工艺与优化、可靠性方向的研究 E-mail:flb@djtu.edu.cn.