不锈钢轨道车辆焊接技术应用研究

不锈钢轨道车辆焊接技术应用研究

王孟起

佛光发电设备有限公司 河南省郑州市 450100

摘要：不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中取得了广泛的应用，其中汽车工业是当前发展最快的不锈钢应用领域。钨极氩弧焊由于具有良好的电弧稳定性和良好的保护性能，在不锈钢的焊接中得到广泛应用，特别适用不开坡口、不加填充金属的薄板和全位置焊接。

关键词:轨道车辆;轻量化;焊接结构;疲劳强度

引言

双相不锈钢焊接技术是一种重要的工业焊接技术，在工业生产中的应用较为广泛，其中的双相不锈钢指的是铁素体以及和奥氏体，其不仅具有良好的抗氯化物应力腐蚀性能，同时还体现出极高的屈服强度，再加上奥氏体相的特征，使得双相不锈钢还具有较好的耐腐蚀性以及韧性，这样的钢材强度与韧性都更好，同时也更加容易被焊接使用。随着我国工业化的不断推进，我国双相不锈钢材料的应用越来越广泛，其中应用最为频繁的就是石油、化工以及海洋工程等领域中，甚至已经逐渐取代了传统奥氏体不锈钢的应用地位。

1轨道车辆车体焊接工艺发展进程

焊接技术在轨道车辆领域已得到广泛应用，如机车、客车、货车，焊接结构无处不在。可以说，没有焊接技术，就不可能有今天的轨道交通装备工业。焊接技术应对新材料的不断出现而不断完善、创新。轨道车辆焊接技术也在车辆轻量化发展趋势引领下不断突破创新，从而保证车辆轻量化在实际生产中实现。降低能耗提高车辆的有效载荷，提高铁路的使用效率是轨道车辆工程设计人员的目标，也是轻量化发展趋势的动力。1934年，美国首次将轻质不锈钢应用到轨道车辆车体设计制造中。1950年，日本的轨道车辆车体设计也大量采用不锈钢材料。我国于1987年开始在普通客车上使用不锈钢材料，又因当时不锈钢自动化焊接技术还不成熟，只能应用于车体外墙板及易腐蚀的梁柱等部位。2000年以后，国内外不锈钢激光焊接机器人技术飞速发展，不锈钢车体焊接技术取得突破性进展。

2双相不锈钢焊接性能与特征分析

经过技术人员的观察与实验能够发现，室温下的双相不锈钢固溶体中同时具备奥氏体与铁素体，材料的结构赋予了双相不锈钢材料两相的结构特征，经过上文分析总结能够知道，双相不锈钢材料即具备铁素体的导热系数大、耐点蚀等特征，同时也体现出奥氏体良好的强度与韧性优势，能够适应不同的环境温度，同时还具备优秀的力学性能。经过实验数据的对比探究能够知道，双相不锈钢的屈服强度高于原奥氏体不锈钢，因此在同等压力等级下，使用双相不锈钢材料能够有效节约材料资源。与传统的材料相比，双相不锈钢的焊接性更好，经过焊接之后不会出现严重的冷裂纹与热裂纹现象。技术人员使用双相不锈钢材料进行焊接的时候不需要进行预热处理，如果在寒冷的环境中进行焊接，只需要将坡口清理之后并将其加热至100℃去除湿气就可以，即使在焊接之后也并不需要热处理。再加上双相不锈钢材料的氮含量较高，其受到温度影响的程度要小于铁素体，因此其具备更加良好的焊接综合性能。

31双相不锈钢腐蚀的影响因素

按化学成分和点蚀当量值（PREN），双相不锈钢可分为四类。第一类是以S32101为代表的低合金型，典型的成分为23Cr-4Ni-0.1N，钢中不含Mo，PREN值为24～25；第二类是中合金型，典型成分为22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，PREN值为32～33，典型钢种为S31803（2205）；第三类是以S32550（255）为代表的高合金型，一般含25%Cr，还含有Mo和N，有的还含有Cu和W，典型成分为25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N，PREN值为38～39；第四类是超级双相不锈钢型，Mo和N含量高，典型成分为25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，有的也含W和Cu，PREN值大于40，典型钢种为S32750（2507）和S32760（Zeron100）。第一类双相不锈钢的耐蚀性能较差，目前在海洋环境中使用的主要是第二、三类双相不锈钢，这些双相不锈钢在海洋环境中具有良好的耐蚀性，其发生全面腐蚀的可能性低，主要发生点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀等形式的局部腐蚀。

4不锈钢轨道车辆焊接技术应用

4.1材料焊接性分析

1Cr13马氏体不锈钢焊缝和热影响区焊后状态为脆硬的马氏体组织，另外1Cr13钢的碳当量约为2.76%，因此其焊接性能差。因1Cr13马氏体不锈钢导热性较碳钢差，焊后残余应力大，特别是焊缝含氢量较高时，在快速冷却时极易产生冷裂纹。其焊接成分特点往往使其组织处于舍夫勒焊缝组织图中的M和M+F边界区，在冷却速度小于10℃/s时近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也显著下降。所以，焊接冷却速度的控制是一个难题。为得到合适的焊接接头，往往需要焊前预热200～250℃来防止冷裂纹产生，在焊后焊缝冷却至150℃后加热至650～750℃进行回火处理，降低焊缝和热影响区的硬度，减少焊接残余应力，改善其塑性和韧性。

4.2激光焊接工艺参数对抗拉强度的影响规律

分别将9组试验的焊接试样加工成标准拉伸试样并进行拉伸实验。对不同焊接速度、不同功率下焊缝的强度进行研究，实验结果表明，接头的断裂位置都位于焊缝，在焊接速度为15mm/s，功率为2900W的时候，焊缝的拉伸强度最高，达到711.5MPa，接近母材强度（729MPa），达到母材强度的97.5%。随焊接速度、功率的增加，各焊接接头的拉伸强度呈先上升后下降趋势。当焊接速度为15mm/s，激光功率为2.5kW、2.7kW时，热输入量较低，不锈钢板未能焊透，容易产生应力集中，抗拉强度较差。当激光功率达到2.9kW时，此时的能量输入适中，晶粒尺寸相较3100W、3300W较小，其韧性、塑性、硬度等综和性能都较好，使得焊缝的性能优于其他焊接件。

4.3同焊接电流下的焊缝外观对比

在得到最佳焊接工艺参数以后，以下是对焊接结果影响最显著的焊接电流作为参照，进一步验证最佳焊接电流的可靠性。随着焊接电流的增大，焊缝的的热影区逐渐变大，并且熔宽和熔深在I=74A到I=84A的时候增大的很明显，从对应的图片中可以清楚的观察到，在I=74A的时候，明显的输入电流过小，热影响区很窄，使母材未焊透。在I=84A到I=94A的范围内，熔宽和熔深变化不是很大，但是当I=94A时，可以看到熔池发生了严重的烧损，并且颜色发黑，是电流过大所致。从以上的试样对比，基本上验证了最佳焊接工艺参数的可靠性。

结束语

轨道车辆焊接结构疲劳与母材的屈服强度无关，这也是轻量化得以普及的一个因素。轻量化金属材料焊接工艺普适性是其工程应用的前提条件。从事轨道车辆焊接结构设计的工程技术人员不仅要考虑结构是否合理，强度、刚度能否满足要求，还要考虑车辆的可靠性、安全性、工艺性、可维护性、经济性等一系列问题。

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