客车用高强度钢与普通钢的焊接工艺研究

刘庚林

(中车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412007)

为减少CO排放量和降低能耗，采用高强度钢实现客车的轻量化已成为重要方向之一。高强度钢是在碳素钢的基础上添加少量合金元素(总量一般不大于3%)制成的。因碳素钢中添加了合金元素，其焊接性能也发生了变化，此外，钢焊接还与焊接结构的复杂程度、刚性、焊接方法、焊接材料和焊接工艺密切相关。特别是异种高强度钢之间焊接时，此问题尤为突出。本文对高强度钢QStE700TM和普通钢Q345B进行异种钢焊接工艺研究，对于高强度钢在客车骨架上兼顾轻量化和低成本目标的广泛应用具有重要指导意义。

1 两种钢材的可焊性分析

钢材的焊接性能通常用碳当量()和裂纹敏感系数()两个指标表征：若≤0.45%，则钢材的淬硬倾向不明显，可焊接性良好；若≤0.3%,则钢材的焊接裂纹缺陷风险低，不需要预热。两者计算的经验公式如下：

=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)15

(1)

=C+(Mn+Cr+Cu)/20+V/10+Mo/15+Si/30+Ni/60+5B

(2)

由QStE700TM和Q345B的化学成分可计算得QStE700TM的≈0.4%，Q345B的≈0.42%，两者均小于0.45%；QStE700TM的≈0.17%，Q345B的≈0.26%，两者均小于0.3%。两种钢材可焊性均为良好，焊缝出现裂纹的几率较小，故不需预热，可直接进行焊接。

2 焊接工艺试验设计

2.1 焊接接头工艺设计与要求

根据钢材厂商推荐的焊接方法，高强度钢QStE700TM和普通钢Q345B焊接采用135熔化极气体保护焊，保护气体为CO+Ar,混合比例为20%+80%。根据“低强度匹配”原则，焊丝选择某公司生产的HTW-50，国标规格型号为ER50-6,焊丝直径为1.0 mm，执行标准为GB/T 8110—2008，其化学成分及力学性能见表1。

表1 焊丝化学成分及力学性能

客车骨架一般采用矩形管钢材，常见的焊接接头主要有管对接和管角接两种。本次焊接试验母材采用QStE700TM和Q345B两种矩形管钢材，母材的机械力学性能见表2，试验接头形式如图1所示。

表2 QStE700TM和Q345B的力学性能指标

(a) 管对接接头

试验焊接设备采用YD-200KR焊机，由持有国际焊工证的技师进行焊接操作。焊接前需打磨样件表面的锈迹，清洁油污和水渍等，直至露出金属光泽。正式焊接前，需在矩形管接头四面居中位置进行定位焊，每段定位焊长度控制在10 mm以内，确保焊接牢靠，并将定位焊两端修磨平整，不影响正式焊接。所有试件接头均采用单层焊道，管对接接头为单面焊接双面成型，管角接接头为单面角焊缝。

2.2 焊接参数的制定

焊接的热输入直接影响焊缝及热影响区的机械性能，热输入量大，热影响区域扩大，热影响区组织软化，过热区的晶粒长大，同时熔池过大，不利于焊缝组织的综合性能；热输入量过小，易出现未熔合、焊透等缺陷，造成冷却速度增大，会出现淬硬倾向，发生裂纹。焊接的热输入一般按照式(3)计算：

=(××)(×1 000)

(3)

式中：为焊接热输入；为焊接电压；为焊接电流；为焊接速度；为焊接方法热效率，熔化极气保焊值一般为0.8。

本次焊接试验工艺参数设定：=90～120 A，=18～22 V，=3～5 mm/s。由式(3)可得为0.32～0.7 kJ/mm，满足QStE700TM和Q345B钢材厂商推荐的焊接热输入范围(0.3～0.7 kJ/mm)要求。另外，保护气体流量设置为15～20 L/min。

3 焊接结果评定分析

通过对试件焊缝进行外观、渗透、射线检测以及破坏性试验，评定焊接是否满足设计要求。

3.1 焊缝的无损检测

试件焊缝无损检测按照EN ISO 5817:2007-B级进行外观和宏观金相检验；焊缝的渗透按照ISO 23277-2X级检验，试件的射线检测按照ISO 10675-1/-2的1级进行检验。检验结果为焊缝饱满，熔合良好，无气孔，无夹渣，满足标准要求。

3.2 焊缝的破坏试验

由于试件厚度较薄，不适合进行冲击试验；依据GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，对管对接焊缝进行拉伸和弯曲破坏试验，管角接不适合拉伸和弯曲破坏试验。

采用线切割设备，将矩形管对焊接头试件从4个圆角部位切开，将切下来的4块钢片，用铣床分别加工制作拉伸和弯曲测试样品，形状如图2所示。应用WAW-1000C电液伺服万能试验机进行拉伸和弯曲试验。

图2 测试样品切取示意图

试验结果如下：QStE700TM和Q345B的对接焊缝接头的抗拉强度≥500 MPa，拉伸断裂发生在Q345B母材侧位置，焊缝未出现缺陷，且热影响区未发现裂纹及晶粒长大、淬硬组织等；弯曲试验也未发现任何缺陷。试验结果说明，在焊接过程中接头焊缝具有很好的强度和韧性，制定的焊接工艺是合理的。

4 结 论

本文研究结果表明，高强度钢QStE700TM和普通钢Q345B两种异种钢焊接不需预热及焊后热处理，可焊性好。QStE700TM和Q345B异种钢焊接工艺已在多款客车骨架中应用，通过强化路面试验及四年多的质量跟踪，焊接接头未出现裂纹失效等质量问题，焊缝质量可靠，在实现骨架轻量化的同时降低了材料成本。