三元保护气体MAG焊对S355J2W+N钢组织与性能的影响

安 博 ，陈丽园 ，郝晓卫 ，胡文浩 ，崔 岩 ，贾占君 ，贺宇翔 ，龚宝强

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035；2.空气化工产品（中国）投资有限公司，上海 201203）

0 前言

铁路客车转向架构架主要采用焊接结构，工艺方法为熔化极活性气体保护焊，保护气体基本采用 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%和 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保护气体。相对于纯CO2气体保护，二元保护气体焊接飞溅显著减少，但是仍然不能满足轨道行业高标准的要求，焊后去除飞溅量很大，增加了工时成本，并影响生产效率。在普通二元保护气体的基础上，添加适量O2可以减少表面张力，改善熔池流动性，细化熔滴，提高电弧稳定性，减少焊接飞溅，同时改善焊缝成形，大大减少焊后打磨工作量。但是目前轨道车辆行业对三元混合保护气体应用较少，而各主机厂研究的三元气体组分也不尽相同。

因此，选用一种目前国内动车组列车转向架常用的 S355J2W+N 钢板，分别采用 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保护气体[1-3]和一种在Ar+CO2组分添加了少量O2的三元保护气体进行焊接试验，对比分析微观组织、拉伸性能、弯曲性能、抗冲击性能、显微硬度，为铁路列车转向架构架采用三元保护气体MAG焊提供试验依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为S355J2W+N钢板，接头形式为平对接接头，60°V 型坡口，间隙 2～3 mm，钝边 1 mm。焊材选用规格为1.0mm的ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊丝，S355J2W+N钢板母材及焊材化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。焊接设备选用松下YD-350GLW型焊机。

表1 S355J2W+N钢和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊丝化学成分%

表2 S355J2W+N钢和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊丝力学性能

1.2 焊接工艺试验

对接接头试板采用数控加工方式进行坡口制备，焊前清理试板坡口及两侧20 mm范围内铁锈油污，焊缝形式为12 V，单面焊双面成形，三层三道进行焊接，层间温度小于250℃，无焊接垫板。焊接工艺参数如表3所示。

表3 焊接工艺参数

1.3 试验方法

对比观察两种接头形式的焊后试板，查看焊缝外观成形以及表面飞溅，然后按照ISO15614-1标准要求对对接焊缝进行无损探伤和破坏性试验，首先进行表面渗透探伤和射线探伤，检验合格后进行金相、弯曲、拉伸、硬度、冲击等试验。

2 试验结果与分析

2.1 无损检测

外观检测依据ISO 5817-2014《焊接—钢、镍、钛与其合金的熔焊接头（束焊除外）—缺陷的质量等级》B级标准进行检测。焊缝外观良好，表面无裂纹、余高超高和咬边等缺陷。渗透检测按照ISO23277-2009《焊缝的无损检测—焊缝的渗透检验—验收等级》标准评定。试板均未发现超标的线性显示和非线性显示。射线检测参照ISO5817-B级内部缺陷标准评定，内部未显示裂纹、气孔、未熔合、夹杂等焊接缺陷，焊接试板合格。两种保护气体对接接头的焊缝外观情况分别如图1和图2所示。可以看出，在相同的焊接条件下，相对于二元保护气体焊接的试板表面，采用三元保护气体的焊接飞溅数量明显减少，飞溅颗粒更加细小，表面几乎没有大颗粒飞溅，焊缝表面成形更加平滑，焊缝余高较小，且焊缝表面氧化物较少。这是由于在氩气中添加了CO2和O2，结合两者优点，可减少表面张力，使焊缝更平整，并产生较小的熔滴，电弧稳定性更好，飞溅物更少、更小。

图1 二元保护气体对接接头焊缝外观

图2 三元保护气体对接接头焊缝外观

2.2 微观组织分析

对采用两种不同保护气体焊接的对接接头进行微观组织分析，如图3所示。可以看出，采用三元保护气体的焊接接头微观组织与二元保护气体的相比较，组织特征上差别不大，各区域组织构成相同，形貌特征相似。图3a、3b为焊缝金属组织，由于三元气体的热输入小，故焊缝晶粒较细小，粗大的条状+块状先共析铁素体分布于柱状晶界上，先共析铁素体沿奥氏体晶界析出，针状+条状铁素体向晶内生长，可见少量珠光体组织；图3c、3d为热影响区的粗晶区，组织为块状分布的铁素体+珠光体，晶粒粗大，这是由于该区加热温度高，奥氏体晶粒显著长大，冷却后得到粗大的块状过热组织，导致韧性降低，易产生裂纹，是焊接接头的薄弱环节；图3e、3f为热影响区的细晶区，组织主要由均匀细小的铁素体+少量珠光体组成，沿轧制方向呈带状分布[4-5]。

2.3 拉伸试验结果

两种保护气体焊接接头各取两个拉伸试样，拉伸试验环境温度（23±5）℃，拉伸试验结果如表4所示。无论是二元还是三元保护气体，抗拉强度均高于母材标准规定值，三元保护气体的抗拉强度略高，均具有良好的抗拉强度。

表4 两种保护气体室温拉伸试验结果

2.4 弯曲试验结果

S355J2W+N钢采用两种保护气体的弯曲试验结果如表5所示。两种保护气体下S355J2W+N钢弯曲试件弯曲角均达到180°，试件表面光滑，无断裂或裂纹现象产生，弯曲性能良好。

表5 两种保护气体弯曲试验结果

2.5 冲击试验结果

依据EN10025-5标准，S355J2W+N钢低温冲击温度为-20℃，为验证高寒情况下钢板冲击性能要求，冲击试验温度设定为-40℃，冲击位置选定为焊缝和热影响区，每个区域进行3组试验，两种保护气体S355J2W+N钢冲击试验结果如表6所示。可以看出，无论采用二元还是三元保护气体焊接，构架材料S355J2W+N钢在-40℃下冲击功均高于标准要求（大于等于27 J），具有良好的低温韧性[6-7]。与二元保护气体相比，采用三元保护气体的焊缝区和热影响区冲击功较低。这与采用三元气体焊接时气体的氧化性强有关，母材及焊材合金元素的烧损较为严重，一般合金元素减少，强度及韧性均会降低。

表6 两种保护气体冲击试验结果

2.6 显微硬度分布

图3 焊接接头微观组织

焊接接头硬度分布如图4所示。接头各特征区的硬度分布较均匀，都满足标准要求。与二元气体相比，无论是焊缝还是热影响区，三元气体的硬度略高。但三元气体的热影响区距熔合线约3.5 mm处硬度值下降，而二元气体的热影响区距熔合线约4.5 mm处硬度值才下降，说明三元气体的热影响区宽度比二元气体的窄约1 mm。这与两种气体焊接时的热输入有关，三元气体的热输入小，故热影响区较窄。

3 结论

图4 两种气体焊接接头硬度分布

（1）相对于二元保护气体（Ar+CO2），采用三元保护气体（Ar+CO2+O2）焊接时，焊缝表面成形更加平滑，焊接性能优良，且焊接飞溅显著减少，减少了打磨工作量，降低焊接综合成本。

（2）相对于二元保护气体（Ar+CO2），采用三元保护气体（Ar+CO2+O2）焊接时，焊缝晶粒较细小，组织为粗大的条状和块状先共析铁素体分布于柱状晶界上，先共析铁素体沿奥氏体晶界析出，针状+条状铁素体向晶内生长，可见少量珠光体组织；热影响区由晶粒大小不一的铁素体和珠光体组成，并沿轧制方向呈带状分布。

（3）相对于二元保护气体（Ar+CO2），采用三元保护气体（Ar+CO2+O2）焊接，S355J2W+N 钢焊接接头的抗拉强度更好，焊接接头弯曲180°均合格，具有良好的塑性和韧性。接头各个特征区的硬度分布均匀，三元保护气体的硬度略高，热影响区宽度比二元保护气体的窄约1 mm。无论是焊缝还是热影响区，两种保护气体焊接接头的冲击功均高于标准规定值，具有良好的低温冲击韧性。