16MnR低合金钢焊接钢管接头的组织与力学性能研究
随着车辆运行速度的不断提高,转向架焊接构所承受的载荷更加复杂,这对转向架焊接构架的材质及焊接接头的力学性能提出了更高要求。因此,选择合适构架材质,进一步提高焊接质量对提速列车的安全运行有着极其重要的应用价值和现实意义。本文通过对16MnR低合金钢转向架构架进行试验、研究和对比,16MnR直缝钢管为实际生产中转向架构架的选材和焊接工艺参数的优化提供理论依据。
实验材料为16MnR低合金高强钢板,正火态供货。采用MAG焊,保护气体为80%Ar+20%CO2混合气体。焊丝采用Φ1.2mm的JM-56实芯焊丝。实验材料的化学成分及力学性能见表1。试件焊接时均采用多层多道焊方法,焊接工艺参数见表2。焊接接头拉伸试验按GB/T15747-1995《正面角焊缝接头拉伸试验方法》在WE-30液压式万能材料试验机上进行。拉伸试验试件分为开45°坡口无间隙十字接头和不开坡口无间隙十字接头两种。冲击试验按GB2650-89《焊接接头冲击试验法》在JB30B冲击试验机上进行,按照GB2649-89《焊接接头机械性能试验取样方法》取样,采用V型缺口分别开在焊缝、热影响区(距熔合线1.5mm处)和母材上,试验温度为-20℃和-40℃。硬度试验按照GB/T4340-1999《金属维氏硬度试验方法》在HVA-10A小维氏硬度试验机上进行,加载10kg,加载时间15s。
表1 实验材料的化学成分及力学性能
材料名称 | 化学成分(质量分数，%) | ReL /MPa | Rm /MPa | δ5 (%) | 冲击功 |
C | Si | Mn | P | S | Al | Ni | Cr | 试验温度/℃ | AKV/ J |
16MnR | 0.15 | 0.32 | 1.38 | 0.016 | 0.014 | - | - | - | 420 | 540 | 27 | 0 | 61.7 |
JM-56 | 0.07 | 0.910 | 1.49 | 0.010 | 0.015 | 0.100 | 0.01 | 0.017 | 445 | 550 | 28 | -29 | 85 |
表2 焊接工艺参数
焊缝层数 | 电弧电压 /V | 焊接电流 /A | 焊接速度 /(mm·min-1) | 气体流量 /(L·min-1) |
1 | 18～20 | 90～110 | 120 | 22 |
2 | 20～22 | 140～160 | 300 | 22 |
3 | 24～26 | 240～260 | 300 | 22 |
不开坡口不留间隙的试件拉伸时均在焊根处断裂，开45°坡口、无间隙且钝边较大的试件拉伸时均断在母材,但是焊根开裂。用JM-56焊丝焊接16MnR低合金钢时焊接接头具有较好的低温冲击性能。焊缝的硬度在180～210HV之间,16MnR低合金钢母材硬度在140～160HV之间,焊缝硬度高于母材,HAZ的最高硬度为260HV。焊缝组织为沿着柱状晶晶界析出块状先共析铁素体,晶内为细小密集的针状铁素体,也有极少量珠光体；熔合区、过热区为沿晶界析出块状先共析铁素体和向晶内生长的条状铁素体以及少量的珠光体和贝氏体；母材组织为铁素体和珠光体,晶粒也比较细小。
