（材料加工工程专业论文）20cr钢与zg25mnni钢焊接接头组织与性能研究.pdf

摘要 摘要 转向架是铁道车辆钢结构的关键部件，在车辆运行中，承受各种静、动载荷。而轴 箱体是转向架的重要部件，轴箱体与定位销焊接质量的好坏对整个转向架的质量有着重 要影响。 本文采用不同焊接方法及焊接材料对厚度为1 2 m m 的淬火+ 中温回火及淬火+ 高温 回火定位销材料2 0 c r 钢与轴箱体材料z g 2 5 m n n i 钢进行了冷、热裂纹敏感性焊接工艺 试验，并对焊接接头进行了4 0 低温冲击、室温拉伸、硬度等常规力学性能试验和金 相显微组织分析。 实验结果表明，采用j 5 0 6 、j 5 0 2 、a 3 0 2 焊条及e r 5 0 6 焊丝焊接淬火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢及淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢，焊接接头均具有良好的 抗裂纹能力，冷、热裂纹试验裂纹率为0 ；4 0 冲击功与断口形貌综合表明焊接接头 及2 0 c r 钢、z g 2 5 m n n i 钢侧热影响区冲击韧性均优于母材；焊接接头抗拉强度和屈服 强度较z g 2 5 m n n i 钢母材的抗拉强度和屈服强度高。 采用j 5 0 2 焊条焊接淬火+ 中温回火及淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i ，两种接 头焊缝金属显微组织基本都为白色先共析铁素体，针状铁素体及少量珠光体。此外，淬 火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢焊接接头在z g 2 5 m n n i 钢侧热影响区出现了魏氏 组织，严重降低了接头低温冲击韧性。采用e r 5 0 6 焊丝焊接淬火+ 中温回火及淬火+ 高 温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢，两种接头焊缝金属显微组织基本都为细小针状铁素体 和珠光体，并有少量无碳贝氏体存在。此外，淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢焊 接接头在z g 2 5 m n n i 钢侧热影响区出现了魏氏组织，使焊接接头的低温冲击韧性下降。 关键词：异种钢焊接；组织；力学性能 大连交通大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t b o g i ei st h ek e yp a r to fs t e e lc o n s t r u c t i o no fr a i l w a yv e h i c l e s i ta b s o r b sb o t l lm o v i n ga n d s t a t i cl o a dw h i l er a i l w a yv e h i c l e sr t m n i n g a n da x l eb o xb o d yi st h ek e yp a r to fb o g i e s o w e l d i n gq u a l i t yo fa x l eb o xb o d ya n dl o c a t i n gs t u dh a sm u c h e f f e c to nw h o l eb o g i e q u a l i t y i nt h ep a p e r ，12 m mq u e n c h e dp l u sa v e r a g et e m p e r i n ga n dh i 曲t e m p e r i n g2 0 c rs t e e la s l o c a t i n gs t u dm a t e r i a lw e r er e s p e c t i v e l yj o i n t e dw i t ha x l eb o xb o d ym a t e r i a lz g 2 5 m n n is t e e l b yd i f f e r e n tw e l d i n gm e t h o d s a n dm a t e r i a l c o l dc r a c ks e n s i t i v i t yt e s ta n dh o tc r a c k s e n s i t i v i t y t e s tw e r ec o n d u c t e dt ot h e s ew e l d i n gj o i n t s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d m i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n gj o i n t sw e r ei n v e s t i g a t e db y 一4 0 l o w - t e m p e r a t u r ei m p a c tt e s t 、 r o o m t e m p e r a t u r et e n s i l et e s t 、h a r d n e s st e s ta n dm i c r o s c o p i ct e s t t h er e s u l t ss h o wt h a ta d o p t e dj 5 0 6 、a 3 0 2 、j 5 0 2e l e c t r o d ea n de r 5 0 6s o l d e r i n gw i r et o w e l dq u e n c h e dp l u sa v e r a g et e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m n n is t e e lo rq u e n c h e dp l u s l l i g ht e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m n n is t e e lc a no b t a i ng o o dc o l dc r a c k i n gr e s i s t a n c e a b i l i t ya n dh o tc r a c k i n gr e s i s t a n c ea b i l i t y t h ec o l dc r a c kr a t i oa n dh o tc r a c kr a t i oa r ez e r o 一4 0 i m p a c te n e r g ya n df r a c t u r em o r p h o l o g yi n d i c a t ei m p a c tt o u g h n e s so fw e l d i n gj o i n t s 、 h a zo n2 0 c rs t e e ls i d ea n dh a zo nz g 2 5 m n n is t e e ls i d ea r eh i g h e rt h a nt h a to fb a s e m e t a l t h et e n s i o ns t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho fw e l d i n gj o i n t sa r ea l s oh i g h e rt h a nt h a to f b a s e m e t a l a d o p t e dj 5 0 2e l e c t r o d et ow e l dw h e t h e rq u e n c h e dp l u sa v e r a g et e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n d z g 2 5 m n n is t e e lo rq u e n c h e dp l u sh i g ht e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m 1 1 n is t e e l ，t h e r n i c r o s t r u c t u r eo fw e l dm e t a li sb a s i c a l l yw h i t ep r o e u t e c t o i df e r r i t e 、n e e d l e l i k ef e r r i t ea n da l i t t l ep e a r l i t e i na d d i t i o n , w i d m a n s t a t t e nt h a ta p p e a r si nh a za tz g 2 5 m n n is t e e ls i d eo f q u e n c h e dp l u sa v e r a g et e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m n n is t e e lw e l d i n gj o i n t ，s e r i o u s l y r e d u c e sl o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s so fj o i n t u s i n ge r 5 0 - 6s o l d e r i n gw i r et ow e l dw h e t h e r q u e n c h e dp l u sa v e r a g et e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m n n is t e e lo rq u e n c h e dp l u sh i g h t e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n dz g 2 5 m n n is t e e l ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l dm e t a li sb a s i c a l l yf i n e n e e d l e l i k ef e r r i t e 、p e a r l i t ea n daf e wc a r b o n f r e eb a i n i t e f u r t h e r m o r e ，w i d m a n s t a t t e na l s o a p p e a r si nh a za t2 0 c rs t e e ls i d eo fq u e n c h e dp l u sh i g ht e m p e r i n g2 0 c rs t e e la n d z g 2 5 m n n is t e e lw e l d i n gj o i n t ，w h i c hd e c r e a s e sl o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s so f j o i n t k e yw o r d s ：d i s s i m f l a rs t e e l sw e l d i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：剃q 气 日期：沙脾月p 日 导师签名：辑锡艺 日期：歹t 纪罗年6 月r 刀日 学位论文作者毕业后去向：多抖身 工作单位：糸弓汰业确单么司 电话：配中一2 妊f d 多仍 通讯地址：拗晒秣侈哟詹宿侈7 参 邮编：i o v f 电子信箱：枞厶伊2 反厂叭 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整褒通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使黑过的材料。与我一圊工作的圊态对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，毒本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：椭 日期：纱孑年f 月备丑 绪论 绪论 l 本课题研究的目的和意义 转向架是列车行走部分，它具有导向功能，支承车辆施加的垂直荷载的功能以及制 动功能m 。 轴箱作为转向架组成的一部分，不但要承受列车一系弹簧的静载，动载，亦是连接 轮毂轴的固定部件口1 。因此，轴箱与固定轴箱的定位销的材料以及焊接工艺对于转向架 尤其重要。我国自主研制的c w _ 型转向架，轴箱体是由z g 2 5 m n n i 钢铸造而成，轴 箱体定位销由2 0 c r 钢制成。定位销和轴箱体通过焊接连接。原工艺为淬火+ 高温回火 2 0 c r 钢定位销与z g 2 5 m n n i 钢轴箱体焊接，但由于淬火+ 高温回火2 0 c r 钢定位销螺纹 根部强度不够，在使用中出现裂纹，现在为提高定位销螺纹根部强度，拟采用淬火+ 中 温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的焊接工艺，但由于淬火+ 中温回火的2 0 c r 钢其硬度较 高，具有较大的淬硬倾向，其焊接性较淬火+ 高温回火2 0 c r 钢差。因此，研究淬火+ 中 温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的焊接性，选择合适的焊接材料，优化焊接工艺，对于 提高c 州型转向架轴箱体与定位销的焊接质量，提高c w _ 2 型转向架的性能具有十 分重要的现实意义。 2 国内外的研究动态 2 1z g 2 5 m n n i 钢及其焊接性 z g 2 5 m n n i 钢，通常被称作b 级钢，由戚墅堰机车车辆工艺研究所根据美国 a a r m 2 0 1 9 2 标准研制，它是由z g 2 5 铸造碳素钢发展而来的口1 。 z g 2 5 m n n i 钢相对于原z g 2 5 材料的性能有了较大的提高，有资料显示，通过对 z g 2 5 m n n i 钢与原z g 2 5 材料性能比较，它的屈服极限提高了1 4 ，强度极限提高了7 。 热处理研究表明，z g 2 5 m n n i 钢未经热处理时，组织中晶粒较大，存在魏氏组织，区域 偏析及内应力，其力学性能较差，尤其是低温冲击性特别低。当z g 2 5 m 州i 钢经a c 3 + ( 1 0 l o o ) c 正火处理后，原铸态组织全部重新结晶形成细晶粒铁素体和珠光体组织。其 中，当热处理温度仅略高于a c 3 ，或保温时间不足时，出现遗传影响组织，其性能与正常正火 组织相差无几；当热处理温度高于a t 3 + ( 5 0 l o o ) c ，并且保温适当时间后空冷，就可获得 优良的正火组织，其力学性能优良，为z g 2 5 m n n i 钢正火热处理的最佳组织。 我国在对轴箱体的材料选择上，普遍采用的是z g 2 5 m 【1 n i 钢。对于z g 2 5 m n n i 钢， 通过碳当量公式判断这种材料是否有淬硬倾向。而当c e 郢4 时，钢材在焊接时基本无 淬硬倾向，焊接性良好。焊接时，除钢板厚度很大和环境温度很低等情况外，一般不需 预热和严格控制线能量。c e = 0 4 0 6 时钢的淬硬性逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。 大连交通大学工学硕士学位论文 z g 2 5 m n n i 钢的含碳量低，锰，硅含量比较少，所以，通常情况下不会因焊接而引起严 重硬化组织或淬火组织。这种钢材的塑性和冲击性优良，焊接接头塑性和冲击韧性也很 好，焊接时，一般不需预热、层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，可以 说，整个焊接过程中无须特殊的工艺措施，其焊接性优良h 3 。 z g 2 5 m n n i 钢的低温冲击韧性与其化学成分的关系哺1 z g 2 5 m n n i 钢是一种低合金高强度铸钢，其中合金元素对z g 2 5 m n n i 钢的塑性的影 响十分明显，特别是对低温韧性的影响更为突出。虽然，在一定热处理条件下，z g 2 5 m n n i 钢均能达到美国a a r 标准，但从大量的统计回归分析数据中发现，不同的合金成分配 比表现出的机械性能和低温韧性不同，并且呈现出一定的规律性。同时发现，z g 2 5 m n n i 钢的硬度( h b ) 和塑性( 6 ) 也具有某种规律性。 z g 2 5 m n n i 钢的合金元素主要是c 、m n 、n i 。z g 2 5 m n n i 钢的低温冲击韧性为7 时冲击功c v _ 2 0 7 ( k g f c m 2 ) - 单- 个合金元素对其低温冲击韧性的影响为： c 和7 冲击功c v 的关系。从试验数据和统计的角度不难发现，他们之间存在着 线性关系。利用一元线性回归法对其进行统计，得出其回归方程式为：7 c 时冲击功 c v = 6 6 5 1 0 6 5 c ( k g f c m 2 ) ，其相关系数t r = o 6 。因此从关系式中可知，在低碳的情况下， z g 2 5 m 1 ：1 n i 钢表现出良好的低温冲击韧性。 m n 和7 冲击功c v 的关系。按一元线性回归法进行统计分析，得出其线性回归 方程为：- 7 冲击功c v = o 6 2 + 3 9 3 m n ( k g f c m 2 ) ，相关系数o = 0 6 3 。从关系中不难发 现，在高锰时，z g 2 5 m n n i 钢表现出良好的低温冲击韧性。 n i 和7 冲击功c v 的关系。通过统计分析发现，n i 对7 冲击功c v 的影响没 有规律。如果用线性回归进行分析，其相关性很差。因此，在成分范围内，n i 对z g 2 5 m n n i 钢的影响是很稳定的。 合金钢材料的机械性能，往往取决于合金元素的综合作用，考虑到n i 对7 冲击 功c v 的影响很稳定，故只分析c 和m n 对7 冲击功c v 的综合影响，其关系式为： 7 c 冲击功c v = 5 3 4 1 7 6 7 c + 3 8 7 m n ( k g f c m 2 ) 。 z g 2 5 m n n i 钢硬度和塑性的关系式。z g 2 5 m n n i 钢的硬度( h b ) 和塑性( 6 ) 具有 某种关系。由数据可知，他们存在线性关系。进行一元线性回归分析，得出关系式为： i s = = 5 6 2 0 1 6 h b ，其相关系数为o = 0 8 9 。很显然，随着硬度的降低，z g 2 5 m n n i 钢的塑 性将提高。 与b 钢同期生产的还有c 级钢。通过碳当量公式c e = c + m n 6 + ( c u + n i ) 1 5 + ( c r + m o ) 5 对c 级钢的碳当量进行计算得知c 级钢的碳当量为c e = 0 6 4 0 6 8 ， 根据碳当量的一般规则，我们可知c 级钢的可焊性较差，其焊缝有一定的淬硬倾向，如 2 绪论 果焊接时不采取适当的措施，焊缝有可能产生开裂现象。我国1 9 9 9 年底开始批量生产 的x l k 型集装箱快运平车，在使用不到半年的时间，由于种种原因需返厂处理。从返厂 的x l k 型集装箱快运平车中，发现部分锁座( 材料为c 级钢) 与车体焊接焊缝产生裂纹， 绝大多数焊缝出现在c 级钢锁座一侧熔合线上，多数裂纹与车体长度垂直。对焊缝进行 处理后，发现裂纹表现为冷裂纹特征。通过分析，锁座采用了b 级钢来代替c 级钢， 在焊接过程中，b 级钢锁座焊缝未产生裂纹。采用了b 级钢来代替c 级钢可以有效的解 决锁座焊缝开裂问题，同时还可以简化工艺，有利于降低成本，保证产品质量哺1 。 2 22 0 c r 钢及其焊接性 2 0 c r 钢为低合金钢，所含有的合金元素小于5 。与b 级钢相比较，p 、s 含量控 制比较严格，使合金力学性能更佳优异口1 。 2 0 c r 钢比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都明显地高，油淬到半马氏体硬度的 淬透性为0 2 0 3 0 m m 。这种钢淬火中温回火后有良好的综合机械性能，低温冲击韧性良 好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性， 不宜降温淬火。当正火后硬度为h b l 7 0 - - - 2 1 7 时，相对切削加工性约为6 5 ，焊接性中 等，焊前应预热到1 0 0 - - 1 5 0 ，冷变形时塑性中等隅1 。 2 0 c r 钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下( 除环境温度很低或钢板 厚度很大时) 冷裂倾向不大。随着合金元素的增加，淬硬倾向有所增加。因此，需要采 取控制焊接线能量、降低含氢量、预热和及时焊后热处理等措施，以防止冷裂纹产生。 2 0 c r 钢焊接热裂纹倾向较小，但有时也会在焊缝中出现热裂纹，这与c 、s 、p 等元素 含量有关。减小母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝形状系数( 即焊缝宽度与厚度之比) ， 有利于防止焊缝金属的热裂纹1 们。 有学者为2 0 c r 钢在其他机器零件上的使用改善热处理工艺。如采用9 0 0 9 3 0 加 热淬火2 0 0 。c 左右回火，可得到板条马氏体，具有较高的强度和硬度。滚子链滚子原采用 1 0 号低碳钢表面渗碳淬火后中温回火，表面硬度4 3 5 h r c ，o b - - 9 5 8 6 m p a k = 3 4 2 j c m 2 ，使 用过程中常发生滚子早期破碎。现采用2 0 c r 钢低碳马氏体强化工艺，即9 0 0 e 淬火+ 1 9 0 回火，硬度4 5 h r c ，o b = 1 2 8 2m p 如a k = 6 0 5j c m s 。由于板条马氏体具有较高的抗冲抗力，低 的缺口敏感性及过载敏感性，从而使滚子具有较高的抗冲击能力，可防止早期破碎，提高其 使用寿命。冲击器气缸采用2 0 c r 钢渗碳淬火，因韧性不足常易出现早期脆断而发挥不出 渗碳后的高耐磨潜力。现改用9 0 0 直接盐水淬火+ 2 0 0 回火，硬度为3 8 - - 一4 5 h r c ，由于 强韧性提高，避免了早期脆断，提高了使用寿命。冲击器同心阀承受较大的冲击力，原采用 4 0 c r 钢调质处理，由于强韧性低，其损坏形式常是底部被击碎或打裂。现用2 0 c r 钢直接进 大连交通大学工学硕士学位论文 行低碳马氏体强化，硬度4 0 一- 4 5h r c ，充分发挥了板条马氏体具有高强度与高韧性的特 性，使用寿命大幅度提高n 。 2 0 c r 钢有较好的焊接性。但要成功地焊接这类钢，必须掌握这类钢的焊接性特点， 拟定正确的焊接工艺，并且严格实施。这类钢焊接性的主要特点是n 2 1 引：在焊接热影响 区，特别是焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向；在焊接热影响区受 热时未完全奥氏体化的区域，及受热时最高温度低于a c l ，而高于钢调质处理时的回火 温度的那个区域有软化或脆化的倾向。虽然2 0 c r 钢的脆硬倾向较大，但在焊接热影响 区的粗晶区形成的是马氏体，又因这类钢m 。点较高，所形成的马氏体可发生自回火， 这样使得这种钢的冷裂倾向小得多。但为了可靠地防止冷裂纹的产生，还必须严格控制 焊接时的氢源及选择合适的焊接方法及焊接工艺参数。一般2 0 c r 钢的热裂倾向较小， 因钢中的碳、硫含量都比较低，而含锰量及m n s 又较高。如果钢中的碳、硫含量较高 或m n s 低时，则热裂倾向增大。 2 3 异种钢的焊接性 从组织成分上对钢种分类，2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢都是低合金钢。对于化学成分、 强度级别不同的异种低合金钢的焊接，焊接结构不但经济合理，还能够提高整体焊接结 构的使用性能因此被广泛应用于焊接结构中n 引。 2 3 1 焊接方法的选择 焊接金相组织相同的异种钢，选择焊接方法和焊接工艺时，由于钢的热物理性能差 异不大，焊缝金属的性质多半与熔敷金属的性质相接近，可不考虑因组织差异所带来的 附加条件。焊接金相组织不同的钢时，情况则大不相同，在选择焊接方法和工艺时，应 考虑一些附加条件，譬如，需要把基体金属熔化量降低到最小限度，即要求熔合比尽量 小，以避免焊缝的过热区出现脆性的淬火组织和裂纹等缺陷。 目前我国焊接异种钢最常用的方法仍然是手工电弧焊。手工电弧焊的主要优点是工 艺较灵活和熔合比较小。埋弧焊和堆焊是大有前途的方法，用这两种方法可以保证焊缝 金属得到最小的熔合比。焊接不同合金化的珠光体钢以及珠光体钢与高铬马氏体钢构件 时，采用二氧化碳气体保护焊有广泛的实用性。高合金钢的组合件一般用惰性气体保护 焊。也有采用电子束焊接珠光体钢与奥氏体钢的各种真空设备薄壁构件的报道。 用普通熔焊方法焊接时，异种钢焊接接头的质量在很大程度上取决于所选用的焊接 材料。材料选用不当，熔敷金属中渗入合金元素，易使焊缝过渡区产生脆性相或裂纹， 以及在熔化区产生集中的结晶层和扩散层。因此，焊接材料的选择要根据被焊钢材的性 能，构件的制造工艺和使用条件综合考虑。 4 绪论 对于异种钢构件，只要焊缝金属的强度不低于构件中强度较低的一种钢材强度就可 以了。一般要求焊缝的机械性能和耐热性能接近基体金属，或者超过同类成分的基体金 属。因此选用成分接近强度较低钢材的焊接材料( 通常是异种钢中含合金元素较少的钢 材) 就可以满足对接头提出的强度要求。利用这一原则选择焊接材料焊接珠光体钢和高 铬钢是合适的。但是焊接珠光体钢和奥氏体钢时，由于靠近奥氏体一侧的焊缝段上会出 现淬火组织和裂纹，所以这时必需采用高合金钢的焊接材料。 焊接异种钢时恰当的选择预热温度和预热规范是十分重要的。焊接很近成分相同的 钢材时，预热规范一般根据基体金属产生淬火裂纹的倾向进行选择。焊接金相组织类型 相同，但合金成分不同的钢材时，这一原则也可适用。焊接同类金相组织的钢材，预热 温度是根据钢材的要求选取的；焊接金相组织不同的钢材时，预热温度在很大程度上取 决于焊缝金属的合金化程度。 2 3 2 焊接材料的选择 1 选择焊接材料的一般规则 焊接异种钢时，通常总是根据下述主要条件来选择焊接材料 ( 1 ) 保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属与基体金属具有良好的机械性能 和综合性能。 ( 2 ) 保证焊缝金属具有一定的致密性( 没有气孔、夹杂，或有单个小气孔与夹杂， 但数量在单位长度内不超过额定值) ( 3 ) 焊接接头应该具有良好的工艺性能，即在接头区内不出现热裂纹和冷裂纹。 ( 4 ) 保证焊缝金属具有所要求的综合特性( 热强性、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性 等) ( 5 ) 保证焊条有良好的工艺性，即焊条能够适应各种空间位置的焊接，且能适应 交直流焊接电源，并有一定的生产效率、熔敷系数和熔合比等。 焊接材料的上述各种指标，一般都需要从试验中取得，但在有关的手册中和焊接材 料的出厂证书中，往往也可以查到。异种钢焊接材料的选择取决于构件的形式、使用条 件和寿命等因素。此外，到为焊接构件选用钢材和焊接材料时，就必须注意到焊接接头 中可能出现严重的金相组织、化学成分和机械性能的不均匀以及出现过大的焊接残余应 力。这种过大的残余应力主要是膨胀系数不同引起的，因此，不能用热处理的方法消除。 上述这些因素都会使异种钢构件的使用性能和可靠性大大降低。严格地说，完全均质的 焊接接头实际上是不存在的，因为在焊缝金属和基体金属之间总会有某种不均匀( 化学 的、金相组织的和机械性能的) 存在。 2 根据机械强度选取焊条 大连交通大学1 ：学硕七学位论文 我国国标“低碳钢及低合金高强度钢焊条( g b 9 8 1 7 6 ) 中规定了每一种电焊条熔 敷金属机械性能的级别。因此可以根据被焊钢材的机械系能来选用相应的焊条，以保证 焊缝金属的机械性能。在焊接低碳钢时，熔敷金属和基体金属的成分以及金相组织都十 分接近，一觉容易获得与基体金属等强度的接头。但在焊接含碳量较高的碳钢或者合金 钢时，为了保证焊缝金属与基体金属等强度，通常要使熔敷金属的成分和金相组织不同 于基体金属的成分和金相组织。因此，选用焊条时需谨慎考虑，以免出现不良的后果。 为保证低碳钢和低合金钢焊条接近的焊缝具有足够的强度，焊条中的含碳量不应超 过0 1 5 否则，焊缝金属的塑性和冲击韧性会明显的下降。如焊缝中需要加入合金元 素时，应考虑既要能够提高接头的强度，又不至于降低它是塑性和冲击韧性。 焊缝金属实际上是熔敷金属与熔化的基体金属混合在一起的合金。基体金属在焊缝 中所占的比例( 熔合比) 取决于多种因素。手工电弧焊和堆焊时，基体金属在焊缝中所 占的比例，根据坡口角度越大，熔合比就越小；反之，坡口角度越小，熔合比越大。 实践证明，为了保证焊接接头在使用中的可靠和安全，选择焊接材料时不仅要保证 焊缝金属与基体金属等强度，而且还应保证具有高的塑性，在焊接高强钢和高合金钢时， 往往很难兼顾强度和塑性。因此，在选择焊接材料时，常常不得不选用强度稍低但塑性 较好的熔敷金属。这时焊缝成为焊接接头中的一层“软的 中间夹层，根据焊缝的“接 触强化”理论，仍能获得使用性能良好的等强度接头。 2 3 3 异种钢材焊接的困难 不同低合金钢的焊接，除了部分低碳钢外，大部分具有较大的淬火倾向，焊接时有 明显的裂纹倾向。焊接这类钢首先要采取措施防止近缝区裂纹，其次要注意防止或减轻 它们由于化学成分不同，特别是碳及碳化物形成元素含量的不同所引起界面组织和力学 性能的不稳定和劣化陟矧。对于异种钢的焊接常常出现的问题是： 化学成分不均匀性问题口钔 异种金属焊接接头的化学成分不均匀性及由此导致的组织和力学性能的不均匀性 是异种金属焊接中极为突出的问题。异种金属焊接接头中，不仅焊缝与母材往往成分不 同，就连焊缝本身成分也是不均匀的；此外，焊缝与母材交界的过渡区成分也往往既区 别于焊缝又不同于母材。这种成分的不均匀，对异种金属焊接接头的整体性能有重要影 响，在选择填充材料、制定焊接工艺时应充分估计到其影响的后果。采用熔焊时，更要 注意对稀释率的控制。 合金元素对焊缝性能的影响：随着碳含量的增加，原奥氏体晶粒宽度减小，柱状晶 边界处先共析铁素体量减少，针状铁素体量增加。但另一方面，碳使焊缝金属的固溶度 6 绪论 及硬度增加，对韧性有不利影响。因此，碳含量应保持在合理范围内。m n 是有效的细 化晶粒的元素。在c m n 系焊缝中，m n 含量的增加使针状铁素体量持续增加，先共析 铁素体及中间层状组织减少，m n 使焊缝的晶粒细化，屈服强度、抗拉强度增加，冲击 韧性提高。s 在 o 0 5 的范围内对强度的影响较小，但对低温冲击韧性极为不利，s 使 焊缝中层状带有m a c 的铁素体体积增加，在层状界面形成m n s ，先共析铁素体量减 少，随着s 含量的增加，焊缝的冲击韧性大大降低。因此，为了避免焊缝的力学性能下 降，应严格控制s 的含量。p 在0 0 3 以下使焊缝强度略有增加，但对韧性影响较小， 随着s 含量的增加，先共析铁素体量稍有增加。对于实际焊缝将p 控制在0 0 2 以下就 可以确保韧性2 沏1 。 界面组织的不稳定性啪3 u 异种金属的焊接接头，在焊缝与母材之间没有一条截然的界线，而存在着熔合区。 虽然关于熔合区的含义在不同场合所指还不完全一致，但都认为它是从母材金属向焊缝 过渡的过渡区，该区最大的特征是具有明显的宏观化学不均匀性。这是这种化学不均匀 性引起组织的不均匀性，以至给异种金属焊接接头的物理化学性能、力学性能等带来很 大影响。例如采用奥氏体不锈钢填充金属焊接低合金钢与奥氏体不锈钢的异种金属焊接 接头常发生的“碳迁移，会导致其界面焊缝一侧形成增碳层，引起接头力学性能下降， 甚至开裂。虽然过渡区在尺寸上只占整个接头的极小部分，其影响却不可忽视。所以， 在焊接异种金属时，不仅要考虑焊缝金属本身的成分和性能，而且还要考虑过渡区可能 形成的成分和性能。当被焊异种金属化学成分相差越大，熔合比或稀释率越高时，过渡 区也越明显。反之，或者熔合区金属液态存在的时间越长，或者液态金属的流动性越好， 则过渡区会有所减小。 用奥氏体焊条焊接珠光体钢碳迁移的问题口纠朝 研究者们把碳迁移主要归结为以下几点： 1 碳在铁素体和奥氏体中具有不同的活度，在异种金属交界面存在着碳的活度梯 度，所以有时碳是上坡扩散。奥氏体焊缝中镍含量的增加能提高碳在焊缝中的活度，使 碳化物稳定性降低。用高镍合金作焊缝金属时，碳迁移倾向要小些。当铁素体母材中存 在碳化物形成元素时，可以使碳在母材中形成稳定的碳化物而降低碳的活度。 2 在相同温度下，碳在铁素体中的扩散比在奥氏体中快5 1 0 倍，并且碳在奥氏体 中的溶解度也大于铁素体。 3 热影响区的温度梯度有利于碳向焊缝扩散。一些学者还认为，熔合界面产生的热 应力有助于碳迁移。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 4 在异种钢接头中，奥氏体焊缝金属中的c r 等合金元素会“吸引”热影响区中的碳 向焊缝中扩散，即使碳的活度增大。因此，除了碳的浓度扩散外，还存在活度扩散，这 使得碳扩散行为变得更为复杂。 研究结果表明，在这种异种钢接头中，碳迁移的敏感温度区间是在铁素体母材相变 点氏l 以下的高温区，在一般焊接规范下，碳迁移在焊态是不明显的。 氢在焊接接头中的敏感性问题一1 氢在焊接接头中是十分有害的。氢在不同钢种及不同温度扩散系数是不同的。用奥 氏体型填充材料焊接珠光体钢时，应考虑在熔化焊过程不同阶段的扩散和聚集特点。 通常，被焊母材中的含氢量很低，而所有的焊接方法都使熔敷金属增氢。熔化焊时， 焊条药皮、焊剂中的吸附水和结晶水，保护气体中的水分，焊接区的油污、铁锈及空气 中的水分等，在焊接电弧热的高温作用下，分解为原子态和离子态的氢，溶解进入熔池 中。熔池中溶解的氢高于其周围母材中溶解的氢，形成了氢扩散的浓度梯度。氢在浓度 梯度和温度梯度的作用下，沿“不完全熔化区熔化了晶界及与熔池相连的未熔化的母 材晶粒的晶格间隙向母材中扩散。氢在固溶体中的扩散速率比任何金属原子的扩散速率 大1 0 0 0 倍以上，氢在液态中的扩散速率要比这个数字高几个数量级。所以，氢沿“不 完全熔化区 熔化了的晶界扩散，能使氢更多更快的扩散到母材侧更深的部位。 熔化焊时，在熔池底部总存在一个晶界局部熔化而晶内未完全熔化的“不完全熔化 区”。因此，不管填充材料及被焊材料为何种材料，在熔池阶段，氢必然沿熔化了的晶 界及与熔池相连的未熔化的母材晶粒的晶格间隙向母材侧扩散。也就是说，熔池阶段氢 的这一扩散过程在任何熔化焊接头中都是相同的。如果熔池中溶解了较多的氢，在熔池 阶段也将有较多的氢沿着熔化了的晶界及与熔池相连的未熔化的母材晶粒的晶格间隙 扩散进入“不完全熔化区 ，并沿晶界向热影响区中更深的部位扩散。 大量的生产实践和理论研究证明，氢致裂纹的产生与接头的组织、拘束应力、扩散 氢含量及分布有关。通过上面的分析，“不均匀混合区 和“不完全熔化区”为接头中 的富氢带。从组织上看，焊缝“均匀混合区为奥氏体或奥氏体十铁素体；“不均匀混 合区或以奥氏体为主( 形成了“富奥氏体带”) 或以马氏体为主( 形成马氏体带) ； “不完全熔化区 为马氏体+ 奥氏体；“热影响区”为马氏体等。从应力分布来看，焊 态下，异种钢接头熔合线附近的残余应力特征为：焊缝侧受拉应力，珠光体母材侧受压 应力，最大拉应力位于熔合线焊缝侧。因此，异种钢接头熔合区尤其是焊缝侧“不均匀 混合区 ，具备产生氢致延迟裂纹的条件，是氢致裂纹最敏感的区域。 8 绪论 通过对以上的焊接性问题分析来看，可以发现，在焊接接头的焊缝区域，通常都会 产生导致淬硬倾向的组织，例如马氏体，使焊接接头的冷裂纹敏感性增大。随着含碳量 的增加，及焊接板厚的增加，焊前预热和焊后热处理变的必不可少。 3 本课题所用材料和预期达到的结果 本课题选择淬火+ 中温回火2 0 c r 钢作为转向架轴箱体定位销材质，对厚度为1 2 m m 的淬火+ 中温回火及淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢，选择不同的焊接材料，不 同的焊接方法，进行焊接工艺试验，并对各种工艺条件下焊接接头的冷、热裂纹敏感性 倾向的研究以及对其冲击、拉伸等常规力学性能进行研究，同时对焊接接头进行组织、 硬度的分析，对断口进行扫描分析，以确定合理的焊接材料，焊接工艺方法，为转向架 在实际的生产提供理论依据。 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 第一章试验材料和方法 1 1 试验材料 2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的成分和性能见表1 1 和表1 2 。焊接材料分别为j 5 0 6 、j 5 0 2 、 a 3 0 2 焊条和e r 5 0 6 焊丝。焊接材料的化学成分和力学性能见表1 3 和表1 4 。焊接方 法分别为手工电弧焊和熔化极气体保护焊，保护气体为8 0 a r + 2 0 c 0 2 。 表1 12 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的化学成分( 质量分数，) t a b l e 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f2 0 c ra n dz g 2 5 m n n i ( w t ，) 表1 22 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的力学性能 t a b l e 1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f2 0 c ra n dz g 2 5 m n n i 表1 3 焊条( 丝) 熔敷金属化学成分( 质量分数，) t a b l e 1 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fd e p o s i t e dm e t a l ( 、吒) 1 0 第一章试验材料和方法 表1 4 焊条( 丝) 熔敷金属力学性能 t a b l e 1 4c h e m i c a lp r o p e r t i e so fd e p o s i t e dm e t a l 1 2 试验方法 1 2 1 斜y 型坡口裂纹试验 斜y 型坡口焊接裂纹试验是常用的冷裂纹敏感性试验方法。试验按 g b t 4 6 7 5 1 1 9 8 4 焊接性试验斜y 型坡口焊接裂纹试验方法进行。图1 1 为斜y 型坡口焊接裂纹试验用试件形状及尺寸。图1 1 中试件厚度为1 2 m m 。试验焊缝的焊接 方式见图1 2 。分别进行了采用j 5 0 6 、j 5 0 2 、a 3 0 2 、焊条和e r 5 0 6 焊丝焊接淬火+ 中温 回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢以及淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢的斜y 型坡1 2 1 焊接裂纹试验，斜y 型坡1 2 1 焊接裂纹试验的焊接工艺参数如表1 5 所示。试件焊接后放 置4 8 小时，按图1 3 所示的裂纹长度计算方式分别测量并计算各试件表面裂纹率和断面 裂纹率。 一 8 l- 试验焊缝 拘柬焊缝 拍柬焊缝 l ) ) ) ) ) ) ) )( p ( ( ( ( ( f 8 0 6 0 图1 1 斜y 形坡口焊接裂纹试验用试件形状及尺寸 f i g 1 1f o r ma n ds i z eo fs a m p l ef o ry - g r o o v er e s t r a i n tc r a c k i n gt e s t 大连交通大学工学硕士学位论文 图1 2 试验焊缝的焊接方式 f i g 1 2w e l d i n gm o d eo ft e s tw e l d i n g 裂纹率的计算 表面裂纹率： c ，：兰1 0 0 式中：c 厂表面裂纹率( ) ； i 厂表面裂纹长度之和( m m ) ； 州验焊缝长度( u 1 1 ) 。 断面裂纹率：在试验焊缝上切下4 块试片，检查5 个断面的裂纹深度。 c 。：娶1 0 0 k 一了百x 式中：c 。一断面裂纹率( ) ； 日，5 个断面上裂纹深度之和( n h n ) ； 日5 个断面焊缝最小厚度之和( i l u n ) 。 1 2 第一章试验材料和方法 a ) b ) 图1 3 试样上裂纹长度计算 a ) 表面裂纹b ) 断面裂纹 f i 9 1 3f l a wl e n g t hc a l c u l a t i o na b o u t t e s ts a m p l e a ) s u r f a c ec r a c kb ) s e c t i o nc r a c k 表1 52 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢斜y 型坡口焊接裂纹试验焊接工艺参数 t a b l e 1 5w e l d i n gp a r a m e t e ro f2 0 c ra n dz g 2 5 m n n if o ry g r o o v er e s t r a i n tc r a c k i n gt e s t 母材焊接材料 焊接材料 烘干规范萼星， 焊接规范 烘干温f 烘干时 度 cl 问m 焊接电流l 焊接电压f 焊接速孳l 气体流量 i ，al 1 i ，n l - - i m mm i n m i f f 淬火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 n i 钢 淬火+ 中温回火2 0 0 r 钢与z g 2 5 m n n i 钢 淬火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢 淬火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢 淬火+ 中温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢 淬火+ 高温回火2 0 c r 钢与z g 2 5 m n n i 钢