第61卷第8期機(jī)械工程學(xué)報Vol.61No.82025年4月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr.2025王高見1,2葉延洪1康丹丹3鄧德安1摘要：獲得高速列車轉(zhuǎn)向架高韌性及高耐候性的焊(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUn2.SichuanKexinElectromechanical3.CollegeofLocomotiveandRollingStock,Abstract：Itisnecessarytoobtainweldmetalwithhightoughnesdevelopmentofhigh-speedtrains.However,theinfluenceofweldingheatinputonthetoughnessandweatherresistanceoftheweldmetalhasnotbeenclarified.Theeffectsofweldingheatinputonthemicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionbehaviorofTi-containingweldmetalwithNi-Cualloysystem,whichwashowthatwiththeincreaseofweldingheatinputandr8/5,thecontentofCinweldincreases,thecoelementsdecreases,theAFnucleationrateofinclusionsinwelddedecreases.Theabovefactorsjointlyresultinthevariationofthemicrostructureofweldmetaltoacertainextent.ThecontentofAFintheweldedzonereachedthehighestvaluewhentheheatinzonebecomescoarserwiththeincreaseofheatinput.Theincreaseofweldingheatinputleadstograincoarseninginthebecomingakeyfactortonegativelyaffectweldtoughness.Whenweldingheatinputishigher,theweldisaNicontentandthedecreaseofAFcontent,showingafurtherdecremaintainsahighAFconte-60℃.Theinitialcorrosionrateofweldfluctuatesslightlywiththeincreaseofheatinput,andthecorrosionrateofweldrustlayerincreasesduetotheinfluenceofgraincoarseningandlossofNiandTicontent.Thisstudyrevealedthbetweenweldingheatinputandmicrostructureofweldmetal,andprovidedtechnicalsupportfortheweldingprocessoptimizationofhigh-speedtrainbogiesunderharshserviceenvirKeywords：highspeedtrain；weatheringsteel；microstructure；corrosionresistance；toug車運行速度的不斷提高及耐高寒抗風(fēng)沙的更高需求，列車結(jié)構(gòu)具有更復(fù)雜的動態(tài)載荷行為；同時更惡劣的服役環(huán)境(環(huán)境溫度-40℃甚至更低)，對材高速列車運行過程中，轉(zhuǎn)向架承受著安裝部件的工作載荷及制動、牽引和慣性力，是最為關(guān)鍵的承載部件和傳力部件之一，對行車安全起著至關(guān)重要的作用[3]，其使用安全可靠性是技術(shù)發(fā)展中的核心問加之存在很高的殘余應(yīng)力，它往往是結(jié)構(gòu)最薄弱環(huán)在高速列車轉(zhuǎn)向架等工程結(jié)構(gòu)實際焊接時，常常通過增加熱輸入和道間溫度來提高焊接生產(chǎn)率[5]；然而，眾所周知，焊接熱輸入能夠通過改變冷卻速度而影響焊縫金屬微觀組織及力學(xué)性能[6]，因此其影響機(jī)理及控制范圍成為關(guān)注點。近年來，很多學(xué)者研究了焊接熱輸入對高強(qiáng)鋼焊縫金屬性能的影響，普遍發(fā)現(xiàn)隨著增加道間溫度降低焊縫金屬有形成共識。在韌性方面，很多研究認(rèn)為對韌性的及微合金化低合金鋼埋弧焊縫中熱輸入25~70kJ/cm范圍內(nèi)約55kJ/cm時韌性達(dá)到最高，保焊縫中20kJ/cm時韌性最優(yōu)，陳玉喜等[13]使用研究認(rèn)為提高熱輸入能夠增加焊縫韌性，如使X65埋弧焊縫韌性持續(xù)增加，嚴(yán)鏗等[16]發(fā)現(xiàn)性有益。在耐腐蝕性能方面，熱輸入的影響研究較熱輸入提高腐蝕速率，QIN等[18]研究表明9.2~15.9kJ/cm范圍內(nèi)增加熱輸入使HQ100高強(qiáng)鋼GMAW焊縫初始腐蝕速率連續(xù)升高，但對焊縫后期腐蝕卻呈現(xiàn)降低其腐蝕速率的趨勢，LU等[19]19.3kJ/cm范圍內(nèi)增加單調(diào)降低碳鋼GTAW焊縫可見，在不同合金體系下焊接熱輸入對焊縫金屬韌性及耐腐蝕性的影響還無法統(tǒng)一，并且對焊縫金屬耐腐蝕性能的影響研究較少，對高速列車轉(zhuǎn)向更為不足，因此，本文旨在通過采用光學(xué)和掃描電子顯微鏡、力學(xué)性能試驗、周期浸潤腐蝕試驗及電化學(xué)試驗等手段，研究焊接熱輸入對高速列車轉(zhuǎn)向為獲得高速列車轉(zhuǎn)向架焊縫金屬優(yōu)異的低溫韌性及2試驗方法/(cm·min-1)熱輸入/(kJ·cm-1)用微機(jī)電子控制萬能試驗機(jī)(CMT5305)按腐蝕性能試驗包括周期浸潤腐蝕試驗及電化學(xué)試驗分析。耐腐蝕性能試驗依據(jù)TB/T2375—1993為72h，測試焊絲熔敷金屬腐蝕速率。電化學(xué)腐蝕分析使用美國普林斯頓公司的273A電化學(xué)工作其余部分用環(huán)氧樹脂封裝，經(jīng)打磨拋光后進(jìn)行電化學(xué)測量；腐蝕介質(zhì)為0.01mol/L的NaHSO3；極化曲線的掃描電位為-0.25～0.25V，掃描速率為0.5mV/s；阻抗譜的頻率響應(yīng)為100kHz～10MHz，幅值為10mV，測試數(shù)據(jù)采用CVIEW和ZView軟件擬合。通過掃描電鏡(Scanningelectronmicroscope，SEM)及能譜儀(EnergydispersiveX-ray 和微區(qū)成分。金相試樣垂直于焊接方向切割并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金相相檢驗通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行；對放大500倍的顯微照片，按照ASTME562-2011《用系統(tǒng)人工點計數(shù)法測定體積分?jǐn)?shù)的試驗方法》和GB/T6394—2017性截距法，分別評估柱狀區(qū)各微觀組織定量占比及格選用10×10網(wǎng)格，以確保計點1000個以上。采用掃描電鏡觀察焊縫M-A組元及夾雜物，放大倍數(shù)選擇5個視場，使用IPP圖像分析軟件定量統(tǒng)計M-A組元及夾雜物的占比、尺寸及特征。使用能譜儀進(jìn)行元素映射和線掃描分析夾雜物成分及M-A組元識別。3試驗結(jié)果與分析大多數(shù)多層焊縫金屬由焊態(tài)區(qū)域和由連續(xù)焊縫再加熱區(qū)域組成。焊態(tài)區(qū)表現(xiàn)出柱狀組織；再熱區(qū)依次由高溫再熱區(qū)和低溫再熱區(qū)組成，分別對應(yīng)約細(xì)粒結(jié)構(gòu)為特征的顯微組織[20-21]。然而，本研究焊此，顯微組織觀察僅限于焊態(tài)區(qū)和由細(xì)晶粒組成的鐵素體(Ferritewithsecondphase,FS)、針狀鐵素體表4顯示了在SEM下檢查的夾雜物幾何特征的定量結(jié)果。焊接電流增加，焊縫夾雜物密度呈增加21%、15%；夾雜物平均尺寸幾乎沒變化。進(jìn)一步MRi/μmDi/(個/mm)范圍RRni/μm半徑MRni/μm%%OS再熱區(qū)微觀組織的晶粒度及M-A組元統(tǒng)計結(jié)果見表6，隨著焊接電流增加，等軸鐵素體晶粒尺寸有%%CNi 量的增加對強(qiáng)度的積極作用使強(qiáng)度不至于更大程度-40℃沖擊功從H1(9.68kJ·cm-1)時177J降低到編號/MPa/MPa(-40℃)/J(-60℃)/J9所示，可以看到，焊接熱輸入的增加，焊縫腐蝕速率逐漸降低，從熱輸入9.68kJ·cm-1H11.691g.mm-2.h-1降低到18.64kJ·cm-1H3焊縫的1.623g.mm-2.h-1，說明增加焊接熱輸入對焊縫耐腐腐蝕速率/(g·mm-2·h-1)應(yīng)銹層抵擋腐蝕介質(zhì)傳輸?shù)哪芰Γ虼藢⑵渥鳛樵uEcorr/mVIcorr/(μA·cm-2)R/(Ω·cm2)-1434-894-1405-920-1296-1006相對于原始樣都有所正移，說明焊縫表面銹層的出現(xiàn)阻礙了焊縫基體發(fā)生電化學(xué)陽極溶解。隨著焊接熱輸入增加，原始樣的自腐蝕電位正移，銹層電阻接熱輸入增加能夠減少基體的腐蝕傾向，但對腐蝕周期浸潤腐蝕結(jié)果一致。隨著焊接熱輸入的增加，增加、銹層電阻逐漸降低，說明焊接熱輸入過高對4討論焊縫C元素的變化與焊接過程中碳的氧化有關(guān)，碳氧化不發(fā)生在熔池中，而是在焊絲尖端或弧柱區(qū)熔滴上[24]。碳氧化主要受電弧范圍氧氣濃度的影響[25]，顯然，熱輸入不會改變焊縫氧濃度而控制碳氧化。然而，在弧柱區(qū)熔滴過渡期間熔滴尺寸及熔滴速度會直接影響碳氧反應(yīng)，熔滴尺寸決定著熔滴與氧的接觸面積，熔滴速度則與碳氧化的反應(yīng)時間關(guān)聯(lián)，文獻(xiàn)[24]認(rèn)為反應(yīng)時間比接觸面積更重要。本研究中高的熱輸入對應(yīng)著高焊接電流，眾所周知，隨著焊接電流增加，熔滴從短路過渡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鬟^渡，熔滴速度的提高減少了碳氧化反應(yīng)時間，降低碳損失，進(jìn)而焊接過程中合金元素主要以金屬蒸發(fā)和脫氧反熔池，而文獻(xiàn)[27]研究表明熔滴期間也能發(fā)生金屬度增加，引起金屬蒸發(fā)加劇，合金損失更加突出；然而，不同合金元素隨著溫度變化引起的平衡分壓輸入增加，脫氧反應(yīng)充分，加之焊接電流引起熔池中夾雜物碰撞加劇聚合成更多大夾雜物排出熔池，人們認(rèn)識到，夾雜物作為形核質(zhì)點有助于形成針狀鐵素體[29-31]。夾雜物特征是控制焊縫針狀鐵素體成核行為的重要因素，其表現(xiàn)為兩個方面：夾雜物尺寸、數(shù)密度和體積分?jǐn)?shù)等幾何特征、夾雜物化對于夾雜物化學(xué)成分，根據(jù)夾雜物TTT曲線[33]，冷卻速率降低會增加強(qiáng)氧化元素的反應(yīng)時間導(dǎo)致Ti基反應(yīng)產(chǎn)物有增加傾向，H2與反映了這一點，然而，由于受到高焊接電流引起熔滴高速撞擊熔池的作用，熔池流體流動梯度增加，形核生長的高含量Ti夾雜物碰撞和聚結(jié)加劇，而形成大尺寸夾雜物脫離熔池形成熔渣[34-35]，的形核機(jī)制，夾雜物形核能力與夾雜物中TiOx正夾雜物形成過程經(jīng)歷了夾雜物成核、生長、碰撞和聚結(jié)、熔池?zé)岵康拇箢w粒分離、熔池冷部的夾的成核數(shù)量、夾雜物聚結(jié)及粗化過程中小尺寸夾雜夾雜物成核數(shù)量取決于優(yōu)先形成夾雜物的成核率和素通過其形成氧化物的自由能及與液態(tài)鐵的界面能影響，一方面，熱輸入增加了熔池溫度，溫度提高熱輸入導(dǎo)致熔池高溫停留時間增加，為夾雜物形核夾雜物密度急劇上升說明了這點；然而，隨著熱輸入進(jìn)一步提高，如前所述，高焊接電流引起小尺寸夾雜物碰撞和聚結(jié)成大尺寸夾雜物脫離熔池形成熔寸分布，隨著熱輸入增加夾雜物尺寸大于0是熔池冷部的主要粗化機(jī)制[24,39]，文獻(xiàn)[4要在液相線溫度下較長的停留時間才能使夾雜物尺能力和大尺寸夾雜物數(shù)量[41-43]，本研究中，隨著焊接熱輸入增加，雖然大尺寸夾雜物數(shù)量增多能夠提 增加熱輸入會導(dǎo)致焊縫金屬冷卻速率相應(yīng)降分解及隨后相變的熱力學(xué)指標(biāo)[44]。根據(jù)文獻(xiàn)[45]提生長而增加其含量；然而，由于合金元素降低程度加的原因。焊接熱輸入增加帶來的夾雜物特征變化由于其夾雜物密度大幅增加加之形核率變化不大，核率下降及夾雜物密度的降低，兩者疊加導(dǎo)致AF焊縫再熱區(qū)受到后道焊縫的再加熱發(fā)生相變再結(jié)晶，使柱狀晶消失形成細(xì)小等軸晶粒。熱輸入的增加導(dǎo)致焊縫在奧氏體化溫度的停留時間變長，導(dǎo)熱輸入而延長的高溫停留時間，而使其繼續(xù)粗化，但幅度降低。M-A組元是在冷卻過程中由未轉(zhuǎn)變的奧氏體鐵素體轉(zhuǎn)變的停留時間更長，轉(zhuǎn)變更充分，進(jìn)而降4.4焊接熱輸入對焊縫金屬韌性及耐腐蝕性能的焊接熱輸入對焊縫金屬的顯微組織、M-A組針狀鐵素體由于其細(xì)晶粒尺寸和具有大角度邊界的互鎖結(jié)構(gòu)作為裂紋擴(kuò)展的障礙，從而提高焊縫金屬有所降低，一方面針狀鐵素體增加，本應(yīng)會導(dǎo)致韌性提高，然而受到再熱區(qū)晶粒尺寸粗化的影體含量本就較高的焊縫中，再熱區(qū)的晶粒度成為影粒尺寸隨著熱輸入增加也進(jìn)一步粗化，同時，H3蝕銹層分為內(nèi)銹層和外銹層，合金元素主要是通過進(jìn)一步，內(nèi)銹層上外延形成外銹層，長期抵御環(huán)境針狀鐵素體具有良好的耐腐蝕能力，它提供了再熱區(qū)的晶粒粗化對焊縫耐腐蝕性能不利影響比AF增加帶來的益處更加強(qiáng)烈，呈現(xiàn)出H2輕微降低降低及再熱區(qū)的晶粒粗化對耐腐蝕性能都不利，然的綜合影響，使得焊縫耐腐蝕性輕微波動；更高熱由于熱輸入增加使Ni、Ti含量降低，削弱向內(nèi)銹層致密性越來越差，其形成的外銹層也變得更研究了不同焊接熱輸入對高速列車轉(zhuǎn)向架用和腐蝕行為的影響，得出以下結(jié)論。(2)焊接熱輸入增加導(dǎo)致夾雜物TiOx含量增度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。焊接熱輸入通過降低(3)焊接熱輸入增加導(dǎo)致再熱區(qū)晶粒粗化成為(4)隨著焊接熱輸入增加，焊縫腐蝕速率輕微f400km/hwheel-railftechnologyontractionmotorofhigh-coldCRH38EMUs[J].ElectricDrivefoChengdu：SouthwestJiaotongUniversity[4]田燕.焊接區(qū)斷口金相分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版TIANYan.Metallographicpreheat/interpasstemperaturtoughnessofmultipassweldedlmicrostructureandmechanicalpropertiesofFe–2Cr–Mo–0.12Csteel[J].MateriweldingparametersonmechanicalpropertiesoflowcarbonsteelAPI5LshieldedmemechanicalpropertiesandmicrostructureofgasmetalarcandshieldedmetalarcgirthweldmetalofX80lineheatinputonmicrostructureandmechanicalpropertiesofsimulatedHAZinCucontainingmicroalloyedmicrostructure/toughnessrelationshipofC-MnandlowmicrostructureandpropertiesofC-Mnall-weld-metalonmicrostructureandpropertyofweldjointsofa1200鋼焊縫組織和韌性的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，ofheatinputonmicrostructureandtoughnessofweldjointofhigh-strengthlow-alloysteel[J].Journalof314.Effectofheatinputonthemechanicalpropertiesofweldedjointsinhigh-strengthsteels[J].WeltomechanicalpropertiesandmicrostructuresofAPI5L-X65steelusingsubmeinputonlowtemperaturetoughnessofweldedjointsofweldingprocessesandhofFerriticstainlesssteel409M[microstructureandcorrosionbehaviorofhighstrengthlowalloysteelwelds[J].Ionthecorrosionresistanceofcarbonstonthevariationofthemicrostructureandmechanicalpropertiesoflow-carbonweldmetals[J].TransactionsoftheIron&SteelInsmicrostructureandlow-temperatureimsimulatedreheatedzonesinthemulti-passweldmehigh-strengthsteel[J].MetallurgicalandMaterialsEffectofalloyelementonmechanicalresistancepropertiesofweatheringsteeldepoLondon：TheInstituteofMaIdentificationofdominantfactorsdetermandweldpooltemperatureduringlaserweldingofAthenucleationofacicularferriteofC-Mnsteelshielded-metal-arc-weldingweldments[J].Materialsinclusionsinformationofacicularferriteimicrostructureandinclusioncharacteristicsofinclusiongrowthanddissolutioninthewenucleation，Ostwaldrip[35]RAMIREZJE.Characterizationofhigh-strengthsmisfitbetweeninclusionandacicularferriteinweldmeoflowcarbonlowalloysteel[J]ofmacro-andmicrostructuresofcarbon–manganeselowalloysteelwelds：incmicrostructuralaspectsonimpacttoughnessofmulti-psubmergedarcweldedHSLAsteeljointpassweldingheatinputonmicrostructureandhardnessof[41]LEETK，HJK.EffectoweldmetalmicrostructuresinniobiummicrmechanicalpropertiesofhighstrengthSMA[45]RYKALINNN.Calcwelding[R].OfficeforOfficialPublicatioEuropeanCommunities，1Microstructurecharacteri