缓冲杆用45钢堆焊修复工艺与性能

何 岩 ，宋佳曈 ，陈 辉 ，庞西南

（1.长春中车轨道车辆有限公司，吉林长春130052；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130052；3.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

0 前言

缓冲杆是机车车辆连接缓冲系统的重要零部件之一，每年因磨损而报废造成社会资源的浪费。通过再制造技术修复缓冲杆磨损区域，不仅可以实现尺寸还原，还能获得良好的机械性能，达到提高企业生产效率、创造更多利润的目的[1-2]。通常缓冲杆材料采用45钢，它是一种优质碳素结构用钢，含碳量0.42%～0.50%，属于中碳钢。根据国际焊接学会推荐的公式计算求得45钢的碳当量为0.72%[3]。当碳当量大于0.4%时，母材的淬硬倾向较大，冷裂敏感性较高，焊接性较差[4]。在堆焊过程中，45钢母材与堆焊层之间容易产生马氏体组织的熔合区，该区韧性较低，是一个高硬度、高脆性区域，会降低缓冲杆堆焊修复区域使用的可靠性[5]。因此，研究缓冲杆用45钢堆焊修复工艺与性能尤为重要。

1 试验材料和方法

缓冲杆用材料为φ78 mm的45碳素结构钢，化学成分如表1所示，金相组织如图1所示，为珠光体和铁素体。

表1 45号钢化学成分Table 1 Chemical composition of 45 steel %

图1 母材金相组织Fig.1 Metallography of base metal

缓冲杆焊接修复采用冷金属过渡焊（CMT），可有效降低热输入，减小焊接过程变形，焊接过程无飞溅，焊丝运动与焊接过程相结合，使得焊缝成形均匀。按照“等强匹配”原则，采用60C气体保护焊丝，其化学成分如表2所示。采用TransPuls Synergic 4000 CMT型焊接系统、ABB机器人、旋转运动变位机工装进行自动焊接。焊接电流150～160 A，电压15～16 V，保护气为 φ（CO2）20%+φ（Ar）80%，气流量20～25 L/min，送丝速度 5 m/min，焊接速度 12 mm/s，堆焊修复后的缓冲杆自然冷却。堆焊后取样，经砂纸打磨，抛光机抛光，再用4%硝酸酒精腐蚀出焊缝、热影响区，采用GB/T 229-2007对焊缝、热影响区、母材进行布氏硬度实验，采用GB/T 228.1-2010进行拉伸实验，采用GB/T 229-2007进行夏比摆锤冲击试验。用4%硝酸酒精腐蚀焊缝热影响区及母材，采用蔡司显微镜分析金相组织。

2 试验结果与分析

2.1 硬度试验

采用华银HB-3000C型电子布氏硬度计，按照GB/T 229-2007进行硬度试验，选用2.5mm压头，试验力-压头球直径平方比率为30，对应设备参数选用HBW2.5/187.5。通过硬度及压痕直径分别计算焊接修复层、热影响区、母材所对应的硬度，结果如表3所示，硬度分布曲线如图2所示。

表2 60C焊丝化学成分Table 2 Chemical composition of 60C Welding wire %

表3 缓冲杆焊接修复硬度分布Table 3 Buffer rod welding repair hardness distribution

图2 硬度分布Fig.2 Hardness distribution

试验结果表明，堆焊层硬度为223～237 HBW，热影响区、焊缝和母材硬度为221～237 HBW，堆焊修复后缓冲杆表面得到一定的强化，焊缝和热影响区硬度分布均匀，不存在局部硬度过高或过低现象，在堆焊修复过程中工艺参数稳定可靠。

2.2 拉伸试验

拉伸试验设备为万能电子试验机，试验方法按照GB/T 228.1-2010进行，设计拉伸试样如图3所示，拉伸速率5 mm/min，结果如表4所示。

缓冲杆经堆焊修复后，平均抗拉强度800 MPa，屈服强度594 MPa，断面收缩率43.6%。修复后的缓冲杆抗拉强度明显高于母材，性能得到明显提高。

图3 拉伸试样加工Fig.3 Tensile specimen processing diagram

表4 缓冲杆焊接修复多组拉伸试验结果Table 4 Buffer rod welding repair multiple sets of tensile test results

2.3 冲击试验

冲击试验设备采用夏比摆锤冲击试验机，试验方法及冲击试样加工按照GB/T 229-2007进行，冲击缺口为U2形缺口，试验结果如表5所示。

表5 缓冲杆焊接修复冲击试验结果Table 5 Buffer rod welding repair impact test results

焊接修复后，焊缝的冲击功平均值为48 J，冲击韧性较45钢明显提高。

2.4 金相组织分析

冷金属过渡焊堆焊修复的焊缝和热影响区微观组织分别如图4、图5所示，焊缝堆焊层主要为针状铁素体，热影响区为细颗粒状铁素体+珠光体。

2.5 探伤检测

修复后的缓冲杆经磁粉和超声波探伤，修复区域未见裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，如图6、图7所示。

3 结论

（1）缓冲杆修复工艺参数为：电流150～160 A，电压 15～16 V，保护气流量 20～25 L/min，送丝速度5 m/min，焊接速度 12 mm/s。

图4 焊缝金相组织Fig.4 Metallography of weld

图5 热影响区金相Fig.5 Metallography of HAZ

图6 超声探伤Fig.6 Ultrasonic flaw detection

图7 磁粉探伤Fig.7 Magnetic particle inspection

（2）堆焊修复后缓冲杆平均抗拉强度789 MPa，平均冲击功48 J，平均断面收缩率43%，缓冲杆性能显著提高。

（3）缓冲杆修复表面平均硬度248 HBW，焊缝平均硬度230 HBW，热影响区平均硬度223 HBW，母材平均硬度228 HBW。热影响区、焊缝与母材硬度相当，无明显应力集中，修复工艺可靠，焊缝表面硬度偏硬，提高了缓冲杆的使用寿命。

（4）缓冲杆经堆焊修复后，焊缝的微观组织主要为针状铁素体，热影响区微观组织为细颗粒状铁素体+珠光体，未见马氏体熔合区，堆焊修复工艺可靠性高。

（5）焊接修复区域经磁粉和超声波探伤未见裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷。