多次补焊对SMA490BW钢焊接过热区冲击性能的影响

嘉勋

SMA490BW钢具有较高的强度、塑性和韧性等综合力学性能，同时也有良好的耐大气腐蚀性能，专门用于制造高速动车组转向架焊接构架。焊接转向架构架结构复杂，焊缝数量多且分布密集，在施焊过程中因受焊接操作空间限制等因素的影响，不可避免地会在焊缝局部区域产生气孔等焊接缺陷。当有不允许的缺陷时，需在缺陷清除干净后采用补焊的方法进行修复，同时也会经常出现多次返修的情况。对于焊缝多次返修问题，目前主要参照TB1983-1987《电力机车转向架焊接技术条件》中4.9条“构架重要配件、构架总组焊，在缺陷处进行焊修不得超过两次”和GB150-1998《钢制压力容器》中10.3.4.2条“焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次”的要求对焊接返修次数进行管理。显然，即便当焊接构架中出现一条经两次补焊后仍未满足要求的焊缝，该部件甚至整个焊接构架就得报废，结果造成很大的经济损失。有关多次补焊对焊接接头组织、性能以及补焊残余应力分布等的影响，目前已有较多的研究报导，但对于高速转向架专用钢材SMS490BW多次补焊后的组织与性能尚缺乏必要的试验数据，而一般认为焊接热影响过热区是焊接接头的最薄弱环节。为此，本文通过焊接热模拟等试验方法研究多次热循环对接头热影响区组织和韧性的影响，为焊接构架可实施多次补焊提供初步的试验数据。

实验用钢为制造转向架焊接构架用的12mm厚度的SMA490BW低合金结构钢板，其组织为晶粒细小的铁素体和少量珠光体，化学成分为（质量百分数，%）：≤0.18C，0.15~0.65Si，≤1.40Mn，0.30~0.50Cu，0.45~0.75Cr，0.05~0.30Ni，其它Mo+Nb+Ti+V+Zr≤0.15。力学性能见表1。

表1 SMA490BW 钢力学性能

ReL /MPa	Rm /MPa	A（%）	弯曲180° (d=2a)	-30℃AKV /J
≥365	490～610	≥15	合格	≥27

采用MAG焊工艺，焊丝选用Φ1.2mm的CHW-55CNH实芯焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO2。焊接热模拟试验在Gleeble-1500型热模拟试验机上进行，试样尺寸为90mm×11mm×11mm，每组热循环取6个试样，分别进行1次、3次和4次热循环，相当于模拟焊接1次、补焊2次和补焊3次。焊接热循环其加热速度为200℃/s，最高加热温度1320℃，t8/5为15s，层间温度200℃。所谓多次热循环是指相同热循环过程的多次重复，由此便于分析焊接热影响区过热区(CGHAZ)经历多次热循环后的组织和性能。SMS490BW钢板现场焊接和补焊的试板尺寸为350mm×300mm×12mm，采用60°V型坡口，坡口间隙1.5mm。第1至第3焊道为正常焊接，第4至第6焊道为补焊。为了避免过热区在补焊过程中重复经历焊接峰值热循环作用，本实验将补焊位置和挖补尺寸局限在焊缝金属内部。第一次挖补宽度6mm，深度4mm；第二次挖补宽度8mm，深度6mm；第三次挖补宽度10mm，深度8mm。焊后和多次补焊后的接头再进行(590±15)℃×2h退火处理。
SMA490BW钢经历3次及以上峰值温度为1320℃的焊接热循环后，因金属过热而形成粗大的魏氏组织，导致冲击性能显著降低，特别是低温(-40℃)下的冲击功均低于标准规定的下限值27J，但常温下的冲击性能仍满足技术标准的要求。实际焊接接头返修时，基于缺陷位置及尺寸，若能将挖补区域限制在焊缝内部，且尽量离开熔合线，则接头经多次补焊后再进行(590±15)℃×2h退火处理，其过热区仍保持足够高的韧性储备，在数值上甚至高于焊态下过热区的冲击功。多次补焊热循环相当于对原始过热区进行正火处理，消除过热组织，使晶粒细化，从而改善过热区的冲击性能，这是接头多次补焊后其过热区冲击能要好于焊态下的主要原因。此外，补焊后退火处理进一步改善了韧性。