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转向架是高速列车的核心部件,近年来铁路六次提速,列车高速化的发展对转向架提出了轻量化要求,高速列车转向架必须采用焊接结构。为了保证转向架焊接构架的安全可靠性,首先要重视其焊接性能,因此研究与分析转向架构架焊接接头的组织和力学性能,选择与转向架构架材料匹配的焊接材料,优化焊接工艺,达到提高构架焊接接头质量的目的具有重要的现实意义。高速列车转向架材料为一种控轧控冷微合金钢,目前对控轧控冷微合金钢的研究主要集中在不同变形及冷却条件下,微合金元素对钢材组织及性能的影响,但是对于不同焊后热处理条件下,微合金元素在焊缝金属中的存在形式及其对焊接接头组织和性能的影响还缺乏深入系统的研究。本文针对CRH5(时速200～250km/h)高速列车转向架,系统分析了现场焊接工艺条件下合金元素的烧损规律,研究了焊接材料中主元素和微量合金元素对焊接接头组织和性能的影响,在此基础上研究了不同热处理条件下含Nb焊缝金属组织演变过程及其对接头性能的作用,研制的焊接材料及焊接接头各项性能均达到CRH5转向架指标要求,提出了CRH5转向架焊接材料成分控制范围及相应焊后热处理规范。
设计了六种不同成分的焊接材料,并采用富氩基气体保护焊工艺,对S355J2G3钢板进行焊接工艺试验,研究了合金元素在焊接过程中的烧损规律,发现Mn、Si元素在MAG焊过程中发生较大烧损,而C元素的烧损规律与焊丝中原始C含量有关。焊缝金属组织和性能的实验结果表明,随着C含量的增加,焊缝金属组织得到细化,强度增加。随着Mn、Si含量的增加,焊缝金属的强度增加,延伸率和冲击性能降低。在此基础上,确定了适用于高速列车转向架材料S355J2G3钢的焊接材料中C、Mn、Si主元素的成分控制范围。
研究了微量合金元素Nb在焊态和焊后退火态下对焊缝金属组织和焊接接头性能的影响。结果表明:Nb的加入细化了焊缝组织,提高了焊态焊缝金属的强度和延伸率,但对冲击性能无明显影响,经焊后退火处理,含Nb焊缝金属强度升高,延伸率和冲击功降低。对于不含Nb焊缝金属,焊后退火工艺消除了焊缝金属内的残余应力,同时引起位错回复,导致强度降低,延伸率和冲击功均升高。透射电镜观察结果表明:焊态下含Nb焊缝金属柱晶区中Nb以固溶状态存在,而层间金属区在后续焊道热循环作用下析出NbC相。经焊后退火处理,焊缝金属柱晶区和层间金属区中均析出了细小的NbC颗粒,导致含Nb焊缝金属的强度升高,延伸率和冲击功均降低。
开展了焊后正火工艺对焊接接头组织和性能的影响研究。随着正火温度的升高,含Nb焊缝金属中的魏氏组织铁素体数量明显增多,导致其强度显著增加,延伸率和冲击功明显降低。含Nb焊缝金属中NbC析出相的数量随正火温度的升高逐渐减少,这促进了焊缝金属中魏氏组织的形成。不含Nb焊缝金属的微观组织、强度、延伸率和冲击功随正火温度升高变化不明显。对于含Nb焊缝金属,随着正火次数的增加,焊缝金属中NbC析出相的尺寸明显增大,其强度、延伸率及冲击功均先增加而后又降低,经3～4次正火处理后,焊缝金属组织达到最细化,其强度及韧塑性达到最佳值。当正火次数达到6次时,焊缝组织出现明显的混晶现象而恶化焊缝性能。
采用TEM分析了含Nb焊缝金属中NbC析出相的长大模式及分布情况表明:焊缝金属由于未经过变形过程,其内部位错数量较少,因此除少数NbC析出相在位错处形核外,大量NbC的析出仍然是在基体内均匀形核,NbC析出相以聚集长大模式生长,随着NbC析出相尺寸的增大,其形状依次为球形、方形以及不规则形状。
微合金钢焊缝金属中微量合金元素控制必须与焊接接头焊后热处理工艺相结合,在焊态下,微合金元素的加入对焊缝金属的强度和塑性有利,在焊后退火情况下,微合金元素的加入显著提高焊缝金属强度,但明显降低其塑性和韧性,在合理的焊后正火条件下,微合金元素的加入能同时改善焊缝金属的强度、塑性和韧性。