大功率內(nèi)燃機(jī)車車底架焊接裂紋解決方案

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序言

目前，我公司生產(chǎn)的大功率內(nèi)燃機(jī)車車底架多采用前后端部及中間油箱組成的三段拼焊結(jié)構(gòu)。其中，車底架兩側(cè)的箱形主梁采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q460E厚板。作為重要的承重部件，在機(jī)車運(yùn)行過程中主梁還承受來自車身振動的交變載荷。因此，主梁上下蓋板（翼板）的對接焊縫無疑成為關(guān)鍵的承力焊縫，其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)車運(yùn)行安全以及人身財產(chǎn)安全。

對于主梁上下蓋板的對接焊縫，以往的焊接工藝是打底、填充及蓋面均采用藥芯焊絲TWE-811Ni2，組裝時采用剛性拘束，預(yù)留6～10mm間隙，加陶瓷襯墊，并設(shè)置20mm長、與母材等厚，且坡口形式相同的引弧板、引出板。結(jié)果打底焊道中心的縱向結(jié)晶裂紋頻發(fā)，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量與生產(chǎn)進(jìn)度。因此，如何選用合適的焊接材料、合理的焊接工藝，防止主梁上下蓋板對接焊縫裂紋的產(chǎn)生，便成為亟需解決的難題。

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母材性能分析

2.1母材焊接性

本試驗?zāi)覆牟馁|(zhì)為Q460E，交貨條件為熱軋狀態(tài)，供貨公司提供的質(zhì)保書給出了其化學(xué)成分與力學(xué)性能，分別見表1、表2。

表1母材Q460E的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2母材Q460E的力學(xué)性能

對母材的焊接性分析采用碳當(dāng)量法，碳當(dāng)量的計算選擇國際焊接學(xué)會推薦的公式，即

由式（1）可知，母材Q460E的碳當(dāng)量計算值為0.38%。對于板厚＜20mm的鋼材，當(dāng)碳當(dāng)量＜0.4%時，淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需預(yù)熱[1]。本試驗采用厚度為20mm+20mm板對接和32mm+25mm板對接，且碳當(dāng)量較低，因此當(dāng)環(huán)境溫度不低于5℃時，其淬硬傾向不大，焊前不需預(yù)熱。

2.2母材熱裂紋敏感性

研究表明，當(dāng)熱裂紋敏感系數(shù)HCS≤4時，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。隨著HCS值增大，材料的熱裂紋敏感性增加[1]。因此，根據(jù)HCS值大小可以判斷母材Q460E的熱裂紋敏感性。

HCS的計算公式為

通過式（2）計算得出Q460E鋼的熱裂紋敏感指數(shù)為0.40。由此可見，母材Q460E的熱裂紋敏感性較低，只要采用合適的焊接材料及焊接工藝，就可以避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。

2.3接頭應(yīng)力狀態(tài)

主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布如圖1所示，接頭的受力狀態(tài)示意如圖2所示。

a）接頭在車底架中的位置

b）主梁上下蓋板對接接頭結(jié)構(gòu)圖1主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布（車底架底面朝上）

a）裝配柴油機(jī)前b）裝配柴油機(jī)后圖2接頭受力狀態(tài)示意車底架焊接完成后，在裝配柴油機(jī)前要求車底架上撓度為35～40mm，其形狀和受外力情況如圖2a所示（不考慮自重）。當(dāng)裝配柴油機(jī)后，車底架受到柴油機(jī)約25t的重力作用，使其發(fā)生變形，此變形正好抵消車底架的上撓變形，而使其處于水平狀態(tài)，如圖2b所示。顯然，裝配柴油機(jī)后，主梁蓋板對接焊縫根部受到拉應(yīng)力，而表面部分受到壓應(yīng)力。另外，在機(jī)車運(yùn)行時，該焊縫還受到來自柴油機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動引起車身振動的交變載荷。

由圖1、圖2可知，主梁蓋板對接焊縫的應(yīng)力級別較高，而且應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，因此必須對其焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

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焊接結(jié)晶裂紋的防止措施

制定合適的結(jié)晶裂紋防止措施，需要從影響結(jié)晶裂紋的冶金因素和力學(xué)因素兩方面著手。冶金因素主要考慮合金元素和一次結(jié)晶組織形態(tài)對結(jié)晶裂紋的影響，也就是要考慮焊接材料的選擇與焊接參數(shù)的控制問題；力學(xué)因素主要考慮接頭剛度、拘束度和焊接應(yīng)力問題，即如何降低接頭的剛性拘束、合理安排焊接順序及布置焊道，以及控制焊接熱輸入從而減小焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等[2]。本試驗結(jié)合實(shí)際情況，主要從以下幾方面控制和防止結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。

3.1焊接材料的選擇

本試驗采用的藥芯焊絲為TWE-811Ni2，實(shí)芯焊絲為ER50-6，兩者熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表3、表4。

表3藥芯焊絲TWE811Ni2熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表4實(shí)心焊絲ER50-6熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能

對比表1和表3的化學(xué)成分可知，母材和藥芯焊絲TWE-811Ni2化學(xué)成分差別最大的是Ni，藥芯焊絲Ni含量是母材的近57倍。Ni是強(qiáng)烈的γ相穩(wěn)定元素，它使焊縫的一次結(jié)晶組織由δ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟?，而S、P在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，這將促進(jìn)S、P在晶界偏析，增大結(jié)晶裂紋傾向。此外，S、P還能形成NiS（熔點(diǎn)920℃）、FeS（熔點(diǎn)1188℃[4]）、Fe3P（熔點(diǎn)1166℃[4]）等低熔點(diǎn)化合物及NiS-Ni（熔點(diǎn)645℃）、FeS-Fe（熔點(diǎn)988℃）、Fe3P-Fe（熔點(diǎn)1050℃）等低熔點(diǎn)共晶組織，它們極易在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近形成殘余液相，并在應(yīng)力的作用下發(fā)生沿晶開裂，形成結(jié)晶裂紋。另外，藥芯焊絲TWE-811Ni2中w

(S+P)

=0.026%，相當(dāng)于母材Q460E中S、P含量之和的兩倍，這便成倍地增加了焊縫金屬結(jié)晶裂紋的敏感性。

對比表2、表3的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，藥芯焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度高于母材金屬，二者形成超強(qiáng)匹配，焊縫強(qiáng)度有余，但韌性嚴(yán)重不足，焊縫抗裂能力降低。因此，為了保證焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能，既保證足夠的強(qiáng)度，又具有較高的韌性儲備，因此應(yīng)以采用母材與焊接材料的低強(qiáng)匹配為宜。此外，采用藥芯焊絲打底焊時，電弧柔軟、挺度小，難以伸至坡口根部死角，造成根部熔合不良；焊道較薄，熔深淺，承載能力不足，這也是焊縫開裂的主要原因之一。

由表4可見，實(shí)芯焊絲ER50-6的Ni、S、P等元素含量均較低，C、Mn含量略低于母材，有利于降低熱裂紋的敏感性；其熔敷金屬抗拉強(qiáng)度略低于母材，可實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)匹配，保證接頭具有良好的綜合力學(xué)性能，有助于防止裂紋產(chǎn)生；其電弧較硬、挺度大，可伸至根部死角，熔合良好；焊道厚，熔深大，能增加焊道對拘束應(yīng)力及焊后殘余應(yīng)力的承受能力。因此，采用實(shí)芯焊絲打底焊時，能夠增加打底焊道的承載能力，降低其開裂傾向。

采用藥芯焊絲填充蓋面，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)焊道的氣渣聯(lián)合保護(hù)，降低產(chǎn)生氣孔的傾向，保證接頭強(qiáng)度，還可減少飛濺及后續(xù)清理工作，降低勞動量。綜上可知，采用實(shí)芯焊絲ER50-6打底+藥芯焊絲TWE-811Ni2填充蓋面復(fù)合工藝是比較理想的防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施之一。

3.2控制焊接熱輸入

焊接熱輸入對焊縫一次結(jié)晶組織的形態(tài)影響較大。過大的焊接熱輸入會造成一次結(jié)晶組織的晶粒度增大，晶界面積減小，結(jié)晶的方向性增強(qiáng)，加劇S、P等雜質(zhì)元素的晶界偏析，結(jié)晶裂紋傾向增大。因此，必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入，控制接頭的晶粒度與接頭組織，防止過多粗大的柱狀晶產(chǎn)生。必要時可以邊焊接邊敲擊焊縫周邊，打亂焊縫凝固結(jié)晶方向，起到細(xì)化晶粒的作用，防止粗大、方向性強(qiáng)的柱狀晶產(chǎn)生。

試驗采用的焊接參數(shù)見表5。

表5試驗采用的焊接參數(shù)

3.3減小坡口間隙坡口間隙較大時，打底焊道相對較薄，不但抗拉能力低，抗裂性能差，而且還會加快焊道的冷卻速度，產(chǎn)生較大的焊接熱應(yīng)力，這更加不利于防止裂紋產(chǎn)生。因此，本試驗將坡口間隙由原來的6～10mm減小至4～6mm，可適當(dāng)增加打底焊道的厚度，減緩焊后冷卻速度，從而能有效防止裂紋的產(chǎn)生。

3.4預(yù)制反變形以往焊接前，為了保證組裝的精度，均采用重物壓緊的剛性拘束法，會使焊縫產(chǎn)生相當(dāng)大的拘束應(yīng)力，這也是打底焊道容易開裂的重要原因之一。本試驗對車底架主梁預(yù)制適量的反變形，從而去除剛性拘束，既消除了焊接接頭的拘束應(yīng)力，降低了焊縫開裂傾向，又保證了主梁的裝配精度。

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實(shí)施效果

上述一系列措施實(shí)施后，打底焊道中心縱向結(jié)晶裂紋發(fā)生的概率顯著降低，由以前的38%降低到5%。這不僅避免了大量的焊縫返修工作，還使母材免除了因缺陷切割、補(bǔ)焊帶來的再次受熱，進(jìn)而降低了接頭組織晶粒粗化的概率，有效保障了機(jī)車車底架的質(zhì)量安全。此外，采用實(shí)芯焊絲進(jìn)行打底焊，獲得了足夠的熔深，根部死角的焊透性好，有效避免了根部及坡口未熔合等缺陷，進(jìn)一步保障了焊接質(zhì)量。

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結(jié)束語

1）采用藥芯焊絲TWE-8112Ni焊接Q460E鋼板對接打底焊道時，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要原因是：TWE-811Ni2中含有大量Ni，造成焊縫一次結(jié)晶組織中γ相大幅增加，使S、P等雜質(zhì)溶解度