分享：焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢T型接头组织和性能的影响

张政军1,2,丁阳喜2,刘德佳2,朱 亮1 (1.中车四方车辆有限公司,青岛 266111;2.华东交通大学交通运输与物流学院,南昌 330013)

 摘 要:采用二氧化碳气体保护焊进行对接焊得到SMA490BW/Q345E异种钢 T 型接头,并进 行590 ℃×3h退火,对比研究了退火前后的组织、硬度和耐腐蚀性能。结果表明:退火前后接头 均存在明显的熔合线,焊缝组织均由先共析条状铁素体、珠光体和粒状贝氏体组成;退火前,从表面 向内部,焊缝组织由粗大柱状晶转变为交替出现的柱状晶和等轴晶,硬度差异较大;退火后,不同焊 层的组织无明显差异,硬度分布变得均匀;退火后焊缝的腐蚀倾向减小,耐腐蚀性能提高;在 NaCl 溶液中周期浸润腐蚀时,退火前后焊缝表面均发生点蚀,在腐蚀后期(100h)出现锈层龟裂现象,退 火后的锈层更加致密。 

关键词:焊后退火;异种钢焊接;T 型接头;显微组织;硬度;耐腐蚀性能 中图分类号:TG444 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)01-0059-07

0 引 言

 高速列车转向架的主要作用是保证列车在较高 运行速度下的安全性和平稳性。在转向架构架上一 般焊接有各种安装座以悬挂设备并安装传感器。安 装座材料通常为低合金高强钢(主要为 Q345E钢), 构 架 材 料 通 常 为 耐 候 钢 (主 要 为 S355J2W、 SMA490BW 钢)[1-2],二者大多采用 T 型接头方式 连接。中车四方车辆有限公司(简称中车四方公司) 采用退火工艺来消除转向架构架中的焊接残余应 力;庞巴迪公司则通过严格控制焊接工艺来减少同 59 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 速度级耐候钢转向架构架焊接接头中残余应力的产 生,后续不再进行退火处理。据此,中车四方公司在 实际生产中提出了取消退火工艺、降低生产成本的 技术方案。但是在实施该技术方案之前,需要研究 透退火工艺对接头力学性能和耐腐蚀性能的影响; 而目前,有关退火对异种钢焊接接头性能影响的数 据不够充分[3-4]。因此,作者对SMA490BW/Q345E 异种钢 T 型焊接接头进行了焊后退火处理,研究了 退火处理对接头显微组织、力学性能和耐腐蚀性能 的影响,拟为实际生产技术方案的确定提供参考。 

1 试样制备与试验方法

 1.1 试样制备 

试验母材为 SMA490BW 钢和 Q345E 钢,均由 中车四方车辆有限公司提供,化学成分分别见表1 和表2。焊 接 材 料 为 CHW-55CNH 焊 丝,直 径 为 1.2mm,化学成分见表 3,由天津大西洋焊接材料 有限责任公司提供。 表1 SMA490BW 钢的化学成分 质量分数 Table1 ChemicalcompositionofSMA490BWsteel massfraction % C Si Mn P S Cu Cr Ni 其他 ≤0.18 0.15~0.65 ≤1.40 ≤0.035 ≤0.035 0.30~0.50 0.45~0.75 0.05~0.30 ≤0.15 表2 Q345E钢的化学成分 质量分数 Table2 ChemicalcompositionofQ345Esteel massfraction % C Si Mn P S Nb V Ti Cr Ni Cu N Mo Al ≤0.18 ≤0.50 ≤1.70 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.07 ≤0.15 ≤0.20 ≤0.30 ≤0.50 ≤0.30 ≤0.012 ≤0.10 ≤0.015 表3 CHW-55CNH 焊丝的化学成分 质量分数 Table3 ChemicalcompositionofCHW-55CNHweldingwire massfraction % C Mn Si S P Ni Cr Ni Cu ≤0.10 1.20~1.60 ≤0.60 ≤0.020 ≤0.025 0.20~0.60 0.30~0.90 0.20~0.60 0.20~0.50 图1 焊接接头尺寸及熔敷顺序 Fig.1 Sizeandbuildupsequenceofweldedjoint 在 SMA490BW 钢和 Q345E 钢上分别截取尺 寸为 350 mm×350 mm×12 mm 和 350 mm× 150mm×45mm 的试样,采用 KempArcPulse450 型肯倍弧焊脉冲设备进行直流正接二氧化碳气体保 护焊(MAG),采用 T 型接头形式,开 K 形(带钝边) 坡口,接头尺寸及熔敷顺序见图1,根部间隙在0~ 1mm,焊接工艺参数见表4。将图1中由5,6焊道 形成的焊层称为焊层1,由3,4焊道形成的焊层称 为焊层2,由2焊道形成的焊层称为焊层3,由1焊 道形成的焊层称为焊层4。焊前将坡口及坡口边缘 20~30mm 范围内打磨光亮,去除油污、水、铁锈等 杂质。焊接完成后,将接头置于 RT3-280-9型加热 炉中进行退火处理,升温速率为(150±25)℃·h -1, 退火温度控制在(590±20)℃,保温时间3h,随炉 冷却1h后取出,空冷至室温。 表4 焊接工艺参数 Table4 Processparametersinwelding 焊接 道次 电流/ A 电压/ V 焊接速度/ (cm·min -1) 送丝速率/ (cm·min -1) 热输入/ (kJ·cm -1) 1 210 23 36 8 8.05 2~6 240 26 45 10 8.32

 1.2 试验方法 

在焊接接头上截取包含完整焊缝的小尺寸接头 试样,垂直于焊接方向剖开,打磨、抛光后观察接头 剖面宏观形貌。在接头不同位置处取样,用 P-2T 型金相试 样 抛 光 机 进 行 磨 抛 处 理,用 体 积 分 数 为 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 腐 蚀 约 15 s 后,在 蔡 司 AxioVert.A1型光学显微镜下观察显微组织。采 用 HV-1000IS型维氏硬度计进行硬度测试,载荷为 1.961N,保载时间为8s,测试位置如图2所示,母 材取点间隔为1.0mm,焊缝及热影响区取点间隔为 0.5mm。参考文献[5],采用 CS150H 型电化学工 作站测试焊接接头的耐腐蚀性能,采用三电极体系, 对 电 极 为 铂 电 极,参 比 电 极 为 饱 和 甘 汞 电 极 (SCE),工作电极为焊缝试样(用绝缘胶密封试样, 60 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 图4 退火前后2种母材的显微组织 Fig 4 Microstructuresoftwobasemetalsbefore a c andafter b d annealing a-b Q345Esteeland c-d SMA490BWsteel 保留尺寸为6 mm×6 mm),试验介质为质量分数 3.5%的 NaCl溶液。参考文献[6]中的方法绘制极 化曲线,利用直线外推法确定自腐蚀电流。垂直于 焊接方向截取接头试样,按照 TB/T2375-1993进 行周期浸润腐蚀试验,试样先在空气中暴露50min, 再在质量分数3.5%的 NaCl溶液中浸泡10min,如 此循环;分别在腐蚀1,10,25,60,100h后将试样取 出,使用70 ℃的柠檬酸铵溶液(柠檬酸铵150g加 蒸馏水至1000mL)清除表面腐蚀产物[7],称取质 量,计算腐蚀质量损失和浸泡腐蚀速率。采用 Nova NanoSEM450型场发射扫描电子显微镜(SEM)观 察试样在 腐 蚀 前 期 (12h)和 后 期 (100h)的 表 面 形貌。 图2 硬度测试位置示意 Fig.2 Diagramofhardnesstestlocation 2 试验结果与讨论 2.1 宏观形貌

 由图3可以看出:接头焊缝宏观成形良好,呈 V 形,没有出现咬边、裂纹、气孔、夹渣等明显缺陷;退 图3 退火前后接头剖面宏观形貌 Fig 3 Sectionmacromorphologyofjointbefore a and after b annealing 火前后焊缝宏观形貌没有明显差异。

 2.2 显微组织 

由图4可以看出:退火前后2种母材的组织均 由铁素体(白色)和珠光体(黑色)组成,铁素体组织 呈带状;退火后2种母材的晶粒均发生一定程度的 细化,晶粒尺寸比退火前的均匀。 由图5可以看出:退火前后接头均存在明显的 熔合线,表明熔合情况良好;退火前熔合区组织主要 为粒状贝氏体,同时还存在少量呈小块状分布的贝 氏体和呈带状分布的铁素体;退火后,近熔合线焊缝 区的晶粒更加细小,尺寸分布更加均匀,近熔合线母 材区的柱状晶组织消失,形成了分布均匀、晶粒细小 的块状铁素体和珠光体等轴晶。 61 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 图5 退火前后接头熔合线处的显微组织 Fig 5 Microstructuresatweldinterfaceofjointbefore a b andafter c d annealing a c Q345Esteelsideand b d SMA490BWsteelside 图6 退火前后接头不同焊层的显微组织 Fig 6 Microstructuresofdifferentlayersofjointbefore a-d andafter e-h annealing a e layer1 b f layer2 c g layer3and d h layer4 由图6可以看出,退火前后不同焊层(远离熔合 线)的显微组织基本相同:原奥氏体晶界处分布着白 色先共析条状铁素体,晶内为珠光体和粒状贝氏体。 由于采用了多层多道焊,每焊一道相当于对先焊焊 62 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 道进行一次热处理,因此焊接过程中焊缝组织不断 发生变化。退火前,焊层1的组织主要呈柱状,晶粒 较粗大,而焊层2、焊层3和焊层4中,柱状晶和等 轴晶交替出现,并且焊层3和焊层4中的先共析铁 素体含量增加;退火后各焊层组织均匀。

 2.3 硬 度

 图7中 HAZ 为热影响区,WZ 为焊缝区。由 图7可以看出:退火前后焊缝区的硬度均高于母材 的;退火前后焊缝区的硬度分别在200~250HV 和 180~230HV,可见退火处理会在一定程度上降低 焊缝的硬度。结合图6分析还可知:退火前焊缝区 不同焊层的组织差异较大,因此近表面、中部、近根 部焊缝区的硬度差异较大;退火后焊缝区组织均匀, 不同部位的硬度也变得均匀。 图7 退火前后接头不同位置的硬度分布 Fig 7 Hardnessdistributionindifferentlocationsofjointbefore a c e andafter b d f annealing a b nearsurface c d inmiddleand e f nearroot 

2.4 耐腐蚀性能 

2.4.1 耐电化学腐蚀性能

 由图8和表5可以看出:退火后焊缝的自腐蚀 电位高于退火前的,自腐蚀电流小于退火前的,说明 退火后的腐蚀倾向降低,腐蚀速率减小,耐电化学腐 蚀性能提高。焊后退火处理可以降低焊缝的残余应 力,从而提高耐腐蚀性能[8]。 图8 退火前后接头焊缝的极化曲线 Fig.8 Polarizationcurvesofweldseaminjointbeforeand afterannealing 表5 退火前后接头焊缝的电化学测试结果 Table5 Electrochemicaltestresultsofweldseamin jointbeforeandafterannealing 条件 自腐蚀电流/A 自腐蚀电位/V 退火前 5.38×10 -6 -0.51 退火后 4.81×10 -6 -0.49 2.4.2 耐周期浸润腐蚀性能 由图9可以看出:周期浸润腐蚀1h后,退火前 后接头试样的表面均出现少量点状锈蚀;周期浸润 腐蚀12h后,退火前接头试样表面出现了一层明显 的浅色锈蚀,退火后的浅色锈蚀较退火前的少;周期 浸润腐蚀90h后,退火前接头试样表面的浅色锈蚀 层颜色变深,退火后的仍为不明显的浅色。 从图10可以看出:周期浸润腐蚀12h后,退火 前后焊缝试样都发生了点蚀,退火后的腐蚀产物相 比退火前的明显减少;周期浸润腐蚀100h后,退火 前后焊缝试样的表面均出现了点蚀及锈层龟裂现 象,与退火前的相比,退火后的锈层表面更致密。焊 63 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 图9 周期浸润腐蚀不同时间后退火前后接头试样的截面宏观形貌 Fig.9 Sectionmacromorphologyofnon-annealedandannealed jointsamplesafterwet/drycyclicexposurefordifferenttimes 图10 周期浸润腐蚀12,100h后退火前后焊缝试样的微观形貌 Fig 10 Micromorphologyofnon-annealed a c andannealed b d weldsamplesafterwet drycyclicexposurefor12 100h 后退火处理可以降低残余应力[8],从而增强耐腐蚀 性能;同时退火后试样表面致密锈层(主要成分有 Fe3O4、α-FeOOH、β-FeOOH 等[9])的形成可在腐蚀 后期阻止腐蚀性介质与基材发生化学反应,从而减 缓腐蚀速率,提高耐腐蚀性能。 由图11可以看出:退火前后接头试样的腐蚀质 量损失和腐蚀速率的整体变化趋势相同,并且退火 后试样的腐蚀质量损失和腐蚀速率总体上均小于退 火前的,说明在相同腐蚀环境下退火后接头的耐腐 蚀性能更好。 图11 退火前后接头试样的腐蚀质量损失和腐蚀速率随周期 浸润腐蚀时间的变化曲线 Fig 11 Curvesofcorrosionmassloss a andcorrosionrate b vs wet dry cyclicexposuretime of non-annealed and annealedjointsamples 

3 结 论 

(1)退火前后,SMA490BW/Q345E 异种钢 T 型接头均存 在 明 显 的 熔 合 线,焊 缝 区 组 织 均 由 先 共析条状铁素体、珠光体和粒状贝氏体组成;退火 前焊缝区从表面向内部由粗大柱状组织变为交替 出现的柱状 晶 和 等 轴 晶 组 组 织,不 同 焊 层 的 组 织 差异较大;退火后,焊缝区不同焊层组织无明显差 异,近熔合线焊缝区的晶粒更加细小,尺寸分布更 加均匀。 (2)退火前焊缝区不同部位硬度差异较大,退 火后焊缝区硬度略微降低,硬度分布变得均匀。 64 张政军,等:焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢 T型接头组织和性能的影响 (3)与未退火接头焊缝相比,退火后焊缝试样 的自腐蚀电位正移,腐蚀倾向减小;在 NaCl溶液中 周期浸润腐蚀时,退火前后焊缝表面均发生点蚀,在 腐蚀后期(100h)焊缝表面出现锈层龟裂现象,退火 后的锈层更加致密;退火前后焊缝的腐蚀速率变化 趋势相同,退火后焊缝的腐蚀速率小于未退火焊缝 的,腐蚀性能较优。

来源：材料与测试网