張志成　李中彥　石　敏　劉　軍

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司　江蘇常州　213011)

?

HXN5型機(jī)車藥芯焊絲打底焊裂紋控制措施

張志成李中彥石敏劉軍

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司江蘇常州213011)

摘要：HXN5型機(jī)車轉(zhuǎn)向架、車架鋼結(jié)構(gòu)件的焊接采用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，生產(chǎn)過(guò)程中，T形接頭HV坡口打底層焊縫約60%的長(zhǎng)度內(nèi)出現(xiàn)縱向裂紋。分析了裂紋產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)工藝和焊工操作法的措施，取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車； 藥芯焊絲； T形接頭HV坡口； 裂紋； 控制措施

0引言

HXN5型機(jī)車是我國(guó)從美國(guó)GE公司引進(jìn)的大功率內(nèi)燃機(jī)車，首批試制由GE公司完成，中車戚墅堰機(jī)車有限公司批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)向架、車架鋼結(jié)構(gòu)件的焊接采用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊絲為TWE711Ni。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接具有高效、節(jié)能特征的新工藝，在美國(guó)、日本已被廣泛采用，主要用于中厚板的焊接。通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，該焊絲的機(jī)械性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，T形接頭HV坡口打底層焊縫普遍出現(xiàn)焊接不連續(xù)的縱向微裂紋，長(zhǎng)度之和約占焊縫總長(zhǎng)度的60%，嚴(yán)重影響機(jī)車安全。本文分析了裂紋產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)工藝和焊工操作法的控制措施，取得良好的效果。

1焊接結(jié)構(gòu)分析

裂紋集中出現(xiàn)在HV形坡口的打底層焊縫，由于此類坡口背面無(wú)焊接襯板，坡口根部一般都有組裝間隙3 mm左右，打底焊接完畢后清理焊渣發(fā)現(xiàn)，焊縫中心有10～50 mm長(zhǎng)度不一的縱向微裂紋，大多不連續(xù)，長(zhǎng)度之和約占焊縫總長(zhǎng)度的60%。鑒于裂紋的這種普遍性規(guī)律，考慮首先對(duì)焊件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以牽引梁裝配為例，如圖1所示。

這是兩條由豎放的下立板一、下立板二和水平放置的蓋板組成的焊縫，下立板一、下立板二厚10 mm，蓋板厚20 mm。焊接前，牽引梁上半部和下半部分別已組焊成箱形結(jié)構(gòu)，此工序是上下部分“合二為一”組焊成牽引梁裝配。

圖1牽引梁裝配

名義坡口角度45°，鈍邊0～1 mm，生產(chǎn)中裝配間隙一般3 mm左右，裝配后形成一條坡口角度為45°的HV形坡口焊縫。在同樣的焊接規(guī)范條件下焊接，與V形坡口焊縫相比，HV形坡口焊縫容易形成焊縫有效厚度(S)較大，焊縫寬度(C)較小的焊縫截面形狀，使得焊縫形狀系數(shù)(C/S)較小。

深入發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋的焊縫大多有下列情況：① HV坡口橫焊位置焊接(PC)。② 坡口角度小于40°。③ 裝配間隙大于3 mm。④ 焊縫厚度一般在3～4 mm。顯而易見(jiàn)，這是一種“深而窄”的焊縫截面。

2裂紋成因分析

從焊接理論分析認(rèn)為，此類焊縫裂紋屬于典型的熱裂紋。結(jié)合工件分析確定，低熔共晶體是產(chǎn)生焊接熱裂紋的內(nèi)因，拘束度大導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生的焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接熱裂紋的外因，兩者的共同作用造成了熱裂紋的產(chǎn)生。

其深層原因，是焊縫金屬?gòu)娜鄢刂懈邷氐囊后w金屬狀態(tài)冷卻至常溫的固體狀態(tài)，經(jīng)歷了兩次結(jié)晶過(guò)程，即從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟囊淮谓Y(jié)晶過(guò)程和焊縫金屬出現(xiàn)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的二次結(jié)晶過(guò)程。鑒于焊縫熔池的一次結(jié)晶對(duì)焊縫的許多缺陷如氣孔、熱裂紋、夾雜和偏析等大都是在一次結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的，所以決定從焊縫一次結(jié)晶過(guò)程入手，查找產(chǎn)生裂紋的系統(tǒng)原因。

2.1熔池結(jié)晶過(guò)程中低熔共晶體的聚集

2.1.1熔池結(jié)晶過(guò)程

在焊接過(guò)程中，隨著電弧的移動(dòng)，熔池液體金屬溫度逐漸降低，液體金屬中有局部原子開(kāi)始有規(guī)則地排列形成原始的微小晶體—晶核。在熔池中，最先出現(xiàn)晶核的部位在熔合線上，因?yàn)樵谡麄€(gè)熔池中溫度最高點(diǎn)是熔池前端的中心，熔合線處散熱條件好，是熔池中溫度最低的地方，也是最先達(dá)到凝固溫度的部位。隨著熔池溫度不斷降低，晶核開(kāi)始向著與散熱方向相反的一方長(zhǎng)大。由于受到相鄰長(zhǎng)大晶體的阻擋，晶體只能向熔池中心生長(zhǎng)，形成柱狀結(jié)晶，當(dāng)柱狀晶體互相接觸時(shí)，焊縫這一端面的結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。

2.1.2焊縫結(jié)晶過(guò)程中偏析現(xiàn)象

熔池在一次結(jié)晶過(guò)程中，冷卻速度快，已凝固的焊縫金屬中化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散，因此合金元素的分布不均勻，形成偏析現(xiàn)象。焊縫的偏析主要有三種，顯微偏析、區(qū)域偏析、層狀偏析。而焊縫形狀不合理是造成區(qū)域偏析的重要原因。

在結(jié)晶過(guò)程中，隨著柱狀晶體不斷長(zhǎng)大和推移，會(huì)把一些熔點(diǎn)低、凝固晚的低熔共晶體趕到熔池的中心，使熔池中心的雜質(zhì)比其他部位多，形成區(qū)域偏析。焊縫斷面的形狀不同，使產(chǎn)生偏析的地點(diǎn)發(fā)生變化。影響情況如圖2所示：

(a)(b)

圖2焊縫斷面形狀對(duì)偏析分布的影響

比較得知，窄而深的焊縫時(shí)，柱狀晶的交界在中心，因此有較多的雜質(zhì)聚集在焊縫的中心，如圖2中(a)所示，極易產(chǎn)生熱裂紋。寬而淺的焊縫時(shí)，雜質(zhì)聚集在焊縫的上部，如圖2中(b)所示，這種焊縫有較高的抗熱裂紋能力。結(jié)合此焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性可知，HV形坡口焊縫寬度為V形坡口的1/2，因此HV形坡口較容易出現(xiàn)低熔共晶體的聚集。

在理論上，焊縫形狀系數(shù)值應(yīng)控制在1.3～2之間較為合適，過(guò)大，焊縫形狀寬而淺，焊縫強(qiáng)度不夠，浪費(fèi)焊接材料；過(guò)小，焊縫形狀窄而深，易造成低熔共晶體聚集。以工藝要求中坡口角度45°，無(wú)鈍邊，組裝間隙2～3 mm，打底焊縫有效厚度4～5 mm為例，如圖3所示：

圖3　打底焊縫

由此可得：

焊縫寬度(C)=tg45°×(4～5)+(2～3)≈7 mm

焊縫形狀系數(shù)=焊縫寬度(C)/ 焊縫有效厚度(S)=7/5=1.4

通過(guò)計(jì)算得出，按工藝要求進(jìn)行配件加工、組裝，焊縫形狀系數(shù)值為1.4，較合理，當(dāng)組裝間隙減小、坡口角度減小，就會(huì)使焊縫形狀系數(shù)值小于1.3，造成低熔共晶體聚集趨勢(shì)增加，熱裂紋產(chǎn)生趨勢(shì)增大。

2.2焊接收縮應(yīng)力

由于焊接過(guò)程是一個(gè)局部加熱的過(guò)程，焊縫金屬?gòu)囊后w變?yōu)楣腆w時(shí)，體積會(huì)縮小而周圍的金屬會(huì)阻礙這些收縮，這樣焊縫就受到一定的拉應(yīng)力作用，正常情況下拉應(yīng)力并不會(huì)造成裂紋，只有當(dāng)?shù)腿酃簿w或拉應(yīng)力兩者之一發(fā)生突變，才會(huì)造成裂紋。

由于轉(zhuǎn)向架和車架多為10～30 mm的鋼板組焊而成，焊縫尺寸大，焊縫密集，牽引梁上部和下部組焊完畢，形成一個(gè)剛性較大的箱形結(jié)構(gòu)，剛性拘束更大；如果組裝間隙大于3 mm，由于牽引梁上下部拘束度過(guò)大，也容易產(chǎn)生裂紋坡口焊縫焊后沒(méi)有收縮的余地，巨大的焊接應(yīng)力作用在坡口焊縫上，很容易造成了熱裂紋的產(chǎn)生。

通過(guò)以上分析得出結(jié)論，由于焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，焊縫形狀系數(shù)較小，在坡口加工尺寸和組裝間隙等因素的影響下，使焊縫形狀系數(shù)過(guò)小，低熔共晶體被擠向焊縫中心，加上工件結(jié)構(gòu)鋼性較大，焊接順序不合理，造成焊接應(yīng)力增加，在兩者的共同作用下，形成焊接熱裂紋。

3裂紋控制措施

在確認(rèn)焊接裂紋產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，在工藝和操作上采取了一系列針對(duì)性控制措施。

1) 控制坡口加工尺寸。立板坡口需銑床加工，控制直線度，立板坡口角度45°～50°，鈍邊0～1 mm，以適當(dāng)增加焊縫寬度。

2) 合理的組裝、焊接工藝。組裝時(shí)，控制裝配間隙，間隙2～3 mm。焊接時(shí)，嚴(yán)格焊接參數(shù)，焊接電流210～240 A，電弧電壓23～26 V。

3) 控制焊縫形狀系數(shù)。由于焊縫形狀系數(shù)過(guò)大，焊縫過(guò)薄，強(qiáng)度不夠，焊縫形狀系數(shù)過(guò)小，焊縫過(guò)厚，低熔共晶體會(huì)集中到焊縫中心，易產(chǎn)生熱裂紋。通過(guò)調(diào)整適合的焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數(shù)，使打底層焊縫有效厚度在4～5 mm，焊縫寬度5 mm左右，焊縫形狀系數(shù)控制在1.3～2以內(nèi)。

4) 適當(dāng)焊接位置和合適的運(yùn)條方法。盡量在平焊位置(PA)焊接，焊槍做適當(dāng)?shù)那昂髷[動(dòng)，有利于攪拌熔池，使熔池緩冷，便于雜質(zhì)浮到焊縫表面，避免聚集在焊縫中心，降低熱裂紋產(chǎn)生趨勢(shì)。

4結(jié)論

藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊HV坡口時(shí)，打底焊縫易產(chǎn)生縱向裂紋，主要原因是結(jié)構(gòu)拘束度大和焊縫形狀系數(shù)小，通過(guò)實(shí)踐，需從坡口尺寸、組裝工藝、焊接參數(shù)和運(yùn)條方法上采取措施，有效預(yù)防焊接裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000: 58-62.

[2]鄒增大.焊接材料、工藝及設(shè)備手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011: 35-37.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).焊接學(xué)會(huì)焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992: 7-11.

收稿日期：2015-12-28

作者簡(jiǎn)介：張志成(1979-)，男，工程師，主要研究方向：機(jī)車鋼結(jié)構(gòu)件焊接

中圖分類號(hào)：TG 441.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2434(2016)03-0031-03

Control Measures of Backing Welding Cracks of Flux-cored Wire of HXN5 Locomotive

ZHANG ZhichengLI ZhongyanSHI MinLIU Jun

(CRRC, Qishuyan CO., Ltd., Changzhou 213011, China)

Abstract：CO2 arc welding with Flux-Cored Wire is applied in bogie frame and underframe steel structures of HXN5 locomotives. It is found that longitudinal crack may happen in 60% length of backing weld of T joint HV-groove. This paper analyzes the reasons of these cracks, and provides measures of process improvement and welder operating methods which have achieved good effect.

Key words：locomotive; flux-cored wire; T joint HV-groove; cracks; control measures