（材料加工工程专业论文）车辆用耐候钢焊接技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 1 f 普通碳素钢材在大气中极易腐蚀，经济损夫十分严重。近几年来，铁道部门 广泛采用低合金、高强度耐大气腐蚀钢0 9 c u p t i x t 钢，简称耐候钢，用于铁道车 辆制造。实践证明，耐候钢耐腐蚀能力比普通碳素钢高2 3 倍。但是实际应用中 也发现，0 9 c u p t i x t 耐候钢焊缝金属硅能，主要是低温冲击韧性及抗裂性受焊接 】条件及焊接材料的影响较大。为此，本文对此问题进行专题研究，并进行了金而 深入的分析，其巨要内容如下： ：1 、详尽地阐述了铁道车辆用耐候钢及普碳钢车辆腐蚀状况：耐候钢研制发 展及特点：耐候钢的焊接特征及焊接现状。提出了耐候钢实际焊接过程中存在焊 l接裂纹及低温韧性差的问题，认为，此问题的解决，不仅有利于生产实践，而且 有利于铁道车辆制造质量的提高，对保证铁路运输安全意义重大。 2 、对手工蛾时埕挂裂纹及其影响因素进行了试验研究，介绍了试验设 计中的因子设计方法，并采用因子设计方法安排试验，测得裂纹几率，通过有关 统计分析，找出了影响裂纹的最显著因素，并总结出了裂纹几率预测的经验公式。 。还对裂纹形成机理及各因素的影响程度进行了详细分析，认为0 9 c u p t i x t 耐候钢 i 、 手工电弧焊焊接裂纹主要是由于焊缝中氢的扩散及聚集而引起的。 ，3 、通过试验，研究了0 9 c u p t i x t 耐候钢手工电弧焊四种焊条焊缝的低温冲 击韧性及埋弧自动焊用焊剂、焊丝不同匹配情况下的焊缝低温韧性。并对焊条、 焊剂进行了初步选定。然后，通过试验设计，研究了手工焊焊条、焊剂及焊丝三 种因素不同匹配情况下的焊缝低温韧性，从而优选出了最佳低温韧性时的最佳焊 、 接材料组合。 - 4 、详细分析了焊缝化学成分中各元素及焊接线能量、焊缝层间温度和热处 理对焊缝低温冲击韧性的影响程度，找到了双面手工电弧焊焊缝低温冲击韧性优 于一面手工焊，另一面埋弧自动焊焊缝低温冲击韧性的真正原因，为正确指导实 际生产提供了借鉴及参考依据。 、。 。，v l 一， 关键词：铁道毒：辆耐候钢低温冲击韧性试验设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o r m a lc a r b o ns t e e li sv e r y e a s yt ob ec o r r o d e di nt h ea t m o s p h e r i cc o n d i t i o na n d t oc a u s eg r e a te c o n o m i cl o s c f o rt h i sr e a s o n ，ai o v ra l l o yh i g hs t r e n g t ha t m o s p h e r i c c o r r o s i o n r e s i s t a n c es t e e l0 9 c u p t i x ti sw i d e l yu s e d t om a k er a i l w a yv e h i c l e si nr e s e n t y e a r s i ti sp r o v e dt h a tt h ec o r r o s i o n - r e s i s t a n c ep r o p e n yo f c o r r o s i o n r e s i s t a n c es t e e l i sb e t t e rt h e nn o r m a lc a r b o ns t e e lb y2 - 3t i m e s b u ti ti sa l s od i s c o v e r e dt h a tt h el o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s sa n dc r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yo f c o r r o s i o n - r e s i s t a n c es t e e l i sd e p e n d e dt ow e l d i n gc o n d i t i o n sa n dm a t e r i a l s t h ep r o b l e m sa r i s ei nt h ew e l d i n go f t h i sk i n do fs t e e la r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h i sp a d e l - 1 t h ec o r r o s i o ns i t u a t i o no fv e h i c l e sm a d ef r o mb o t h a t m o s p h e r i c c o r r o s i o n r e s i s t a n c es t e e la n dn o r m a lc a r b o ns t e e l t h ed e v e l o p m e n ta n df e a t u r e so f a t m o s p h e r i c c o r r o s i o n r e s i s t a n c es t e e la n di t s w e l d i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r e i n t r o d u c e d t h ep r o b l e m sa b o u tw e l d i n gc r a c ka n di m p a c tt o u g h n e s sa r ep r o p o s e da n d i ti sb e l i e v e dt h a tt os o l v et l l i sp r o b l e mi sn o to n l yb e n e f i c i a lt op r o d u c t i o nb u ta l s ot o i m p r o v e m e n to f v e h i c l e sq u a l i t ya n dt or a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y 2 t h ee f f e c to fw e l d i n gc o n d i t i o n so nw e l d i n gc r a c k si ns m a wi ss t u d i e d 。 f a c t o r i a ld e s i g n ，ae x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，i su s e dt o a r r a n g ee x p e r i m e n t s ，t o a n a l y z es i g n i f i c a n tf a c t o r sw h i c h a f f e c t sw e l d i n gc r a c k a n dt ob u i i ds t a t i s t i c a lm o d e lt o p r e d i c tc r a c k i n gp o s s i b i l i t y t h em e c h a n i s mo fc r a c kf o r m a t i o ni sa l s oa n a l y z e d i ti s f o u n dt h a tt h ew e l d i n gc r a c ko f0 9 c u p t i x ts t e e lw e l di ns m a w i sc a u s e db yd i f f u s i o n a n d c o n v e r g e n c eo f h y d r o g e ni nw e l db e a d 3 l o wt e m p e r a t u r e t o u g h n e s so f0 9 c u p t i x ts t e e lw e l db e a df o rf o u rw e l d i n g e l e c t r o d e si ns mawa n dd i f f e r e n tf l u x e sa n dw i r e si ns a w i ss t u d i e dt og e ti n i t i a l w e l d i n gc o n d i t i o n st h r o u g he x p e r i m e n t s a f t e rt h a t f a c t o r i a ld e s i g n si su s e dt os t u d y t h ee f f e c t so f w e l d i n ge l e c t r o d e s ，f l u xa n d w i r eo nw e l db e a dt o u g h n e s sa n dt h e ns e l e c t t h ef a c t o r sc o m b i n a t i o n st oo b t a i n o p t i m u m i o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s s 4 t h ee f f e c t so f c h e m i c a ic o m p o n e n t s ，w e l d i n gh e a ti n p u t ，t h et e m p e r a t u r eb e t w e e n l a y e r sa n dh e a tt r e a t m e n to nl o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s so f w e l db e a da r ea n a l y z e da n d t h er e a s o n sw h i c ht h ew e l db e a dl o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s sw i t hb o t hs i d e ss m a w i s h i g h e rt h e nt h a tw i t ho n es i d es m a wa n do n es i d es a wa r ef o u n d i tc a l lb eu s e da sa r e f e r e n c et og u i d e p r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：r a i l w a yv e h i c l e a t m o s p h e r i cc o r r o s i o n r e s i s t a n c es t e e l l o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s s e x p e r i m e n t a ld e s i g n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 普碳钢车辆的腐蚀状况 1 概述 我国一直使用普碳钢制造机车车辆，目前已拥有普碳钢的货车2 1 万辆、普 碳钢客车1 5 万辆。用普碳钢制造的腐蚀比较严重，使用寿命较短，每年腐蚀造 成的钢材损失达8 0 0 0 0 t 左右，直接经济损失十分巨大。车辆的检修制造是根据 钢材锈蚀状态以及其它主要部件的损失和磨耗损程度需修复的要求而确定的。现 在普碳钢货车一年进行一次段修，5 年进行一次厂修，客车1 5 年进行一次段修， 6 年进行一次厂修”：。而耐候钢货车1 j 年进行一次段修，6 年进行一次厂修： 客车2 年进行一次段修，7 年进行一次厂修。删。可以看出，现行的检修制度，耐 候钢车辆检修周期较普碳钢车辆检修周期长，修理总费用低。 铁道车辆的腐蚀情况与钢结构材质、除锈清洁度、油漆品种和漆膜厚度、气 候条件、空气中含腐蚀性气体的比重以及装载货物品种等有着密切关系。铁道车 辆过去均用普碳钢制造，用低档油漆，漆膜厚度较薄，使用条件和环境条件复杂， 导致腐蚀非常严重。 辆全钢货车第二个厂修期，各部位钢结构截换量达2 5 3 0 ，第三个厂修期 截换量达5 0 6 0 ，平均使用寿命只有2 2 年“1 。酸碱罐车由于酸碱液体溢出，加上 腐蚀性气体含量高，侵入钢材，造成酸碱罐车使用两个厂修期就接近或达到报废 程度。 客车腐蚀更为严重，第一个厂修期，其钢结构截换量达4 0 5 0 ，有的地方甚 至达到8 0 - 9 0 ，第二个厂修期，截换量达7 0 8 0 ，个别地方截换量达1 0 0 。 钢结构的大量截换，造成未损坏的木结构和保温隔热材料等随同拆除，增加了拆 华中科技大学硕士学位论文 损率和修换工作量。一些车辆截换钢结构以及由此导致的维修工作量约占厂修总 工作量的i 2 - 左右。到了第三个厂修期，很多车辆已接近报废程度。 从上述情况可以看出，用普碳钢制造的全钢车辆，钢结构部分腐蚀是非常严 重的，腐蚀问题已成为铁道车辆的薄弱环节，现有车辆必须更新换代，借鉴世界 各国采用的成功经验，使用耐候钢制造车辆，从而达到高速重载、延长使用寿命 的目的。 1 2 铁道车辆用耐候钢的发展历史 普通碳素钢在大气中极易腐蚀，经济损失十分严重。一些欧洲国家很早就采 用含铜或其他成份的钢材作铁道车辆和房屋结构“3 。四十年代，美国钢铁公司 ( v s s ) 经过长期的试验后，大量生产c o r t e n 牌号的低合金高强度耐大气腐蚀 钢，简称耐候钢，在机车车辆、桥梁、房屋等各种钢结构件中广泛使用5 ”“。从此， 采用耐候钢便成为世界大势所趋。1 9 8 8 年，国家科委把研制耐候钢列为重点攻关 项目。 1 9 7 0 年，铁道部工业局提出：委托冶金部门仿制c o r t e n 牌号耐候钢。但 当时仅能供给0 9 m n 2 牌号的一般低合金钢。其强度稍有提高，但无耐大气腐蚀功 能。1 9 7 5 年，冶金部门试制出了0 9 m n 2 c u 薄钢板，铁道部工业系统用它试制了 一辆棚车，一列2 5 5 米轻快稳客车。这些客、货车在厂修时进行了分解检查，结 果表明：钢结构完好。1 9 7 7 年，冶金部门又先后试制了0 9 m n c u p t i 薄钢板及中 厚钢板，0 8 m n p x t 薄钢板，铁道部工业系统又用这两种钢板，经过焊接、冲裁、 压型等多种试验后，又制造两辆棚车样本。1 0 年后，1 9 8 7 年进行厂修，分解检查 表明，两种新钢材耐腐蚀能力比普通碳素钢( a 3 ) 高2 3 倍。加强了铁道工业采用 含铜耐候钢的信心。 2 藏文。灌。r j ，i 华中科技大学硕士学位论文 1 9 8 8 年，铁道机车车辆工业总局用进口的日本s p a h 热轧耐候钢板材试制 了一批全钢货车，嗣后，冶金部门又先后试制出了1 0 c r n i c u p 、0 8 c u p v x t 、0 8 c u p 花纹钢板，0 9 c u p x t 型钢及货车用0 9 c u p t i x t 板材等耐候钢【3 】【1 2 1 。 1 3 耐候钢特点 为了减少车辆结构的腐蚀速度，世界各国纷纷研制、生产并使用结合本国实 际的耐候钢。如美国广泛采用c o t - t e n 钢，属铜磷铬镍系低合金耐候钢；日本采 用铜磷钛系耐候钢：英国、法国、德国、罗马尼亚、意大利等国采用铬铜系耐候 钢等等【9 】 10 】f 1 1 】【1 舶。 我国也根据自己的矿产资源选用铜磷钛系低合金钢及铜磷铬镍系低合金钢。 多年科学试验和车辆运用试检都证明耐候钢比普通碳钢有较好的耐腐蚀性能，铜 磷钛系耐候钢的耐腐蚀性一般相当于普碳钢的2 倍左右，在恶劣环境中的耐腐蚀 性相当于普碳钢的2 3 倍：铜磷铬镍系耐候钢的耐腐蚀性相当于普碳钢的2 3 倍， 在恶劣环境中为3 倍以上。因此耐候钢的耐腐蚀性能是比较满意的【1 3 1 。 正因为耐候钢较普碳钢有如此耐腐蚀性能，因此，铁道车辆部门正有计划、 有步骤地使用耐候钢造铁道车辆。目前，我国铁道车辆用耐候钢主要有6 个品种， 即w s p a 钢热轧板、0 8 c u p 扁豆型花纹钢板、0 8 c u p v x t 型钢、0 9 c u p x t 型钢、 1 0 c r n i c u p 冷轧板、0 9 c u p t i x t 钢热轧板，其生产工艺、生产品种、性能特点及 主要用途简要介绍如下： 1 3 1 w s p a 耐候钢热轧板 w s p a 钢与美国c o r t e n a 钢性能相似。研究人员在试验室研究半工业 试验批量生产全过程中，解决了一系列技术难题；确定最佳化学成分、合金 华中科技大学硕士学位论文 化顺序：制定了相应的烧钢工艺制度，连铸二次冷却水制度、除磷制度及层流冷 却工艺等。供应规格2 3 1 2 m m 各种厚度钢卷及钢板。主要用于制造硬座车、软座 车、硬卧车、餐车及保温车等。 w s p a 钢热轧板材的耐大气腐蚀性能为普碳钢的3 2 倍，并具有较好的成型 性能及力学性能，可焊性能尚可。完全满足铁道车辆制造的要求。 1 3 21 0 c r n i c u p 耐候钢冷轧板 1 0 c r n i c u p 耐候钢冷轧板，其性能稳定。供应市场的规格为厚1 2 、1 6 、2 0 、 2 5 m m 冷轧板。 1 0 c r n i c u p 耐候钢冷轧板的机械性能( 包括冷弯性能) 基本达到c o r - t e n a 钢标准水平：焊接性能良好；冲压性能较好；经过快速腐蚀试验，室外大气暴露 试验、车厢动态挂片暴露试验，其耐腐蚀性能都超过a 3 钢【1 5 】。 1 - 3 30 8 c u p v x t 耐候型钢 0 8 c u p v x t 钢是在0 8 p v x t 耐海水腐蚀用钢的基础上研制的。在生产全过程 中采用了顶底复吹新技术，炉外精炼技术，并选取最佳轧制工艺。供应市场钢材 规格有大、中型型钢，包括1 0 # 、1 2 # 、1 4 # 、2 4 # 、3 0 # 槽钢和1 6 0 m m 等边角钢及 1 0 0 6 3 m m 不等边角钢等。 0 8 c u p v x t 耐候型钢有较高的强度，良好的冲击韧性和冷弯性能，匹配相应 的耐候钢用特殊焊条，可得到可靠的焊接接头，并且接头的机械性能及耐蚀性能 与母材相当。不同条件的腐蚀对比试验表明，该型钢的耐大气腐蚀性能优于a 3 钢【16 1 。 4 囊藏；裔蕊赫泰。蕊赫舔 华中科技大学硕士学位论文 1 3 4 0 8 c u p 耐候扁豆型花纹钢板 0 8 c u p 耐候扇豆型花纹钢扳主要用予货车地板。其供应市场品种主要有4 0 、 5 0 靼6 o m m 瘸豆花纹钢板。 该钢板其有良好的耐大气鹰蚀性能、耐酸蚀性能及耐磨性能，可辉惟一般。 l 。3 5 0 9 c u p x t 耐候大型型钢 0 9 c u p x t 耐候大型型钢主要朋予货车敞车底架及车体错造。主要供应市场规 格有2 4 6 槽钢和2 2 0 型镝。 该大型型钢综会枧壤性能良好，焊接性能一般。 1 3 。60 9 c u p t i x t 耐候钢热轧板 0 9 c u p t i x t 钢是充分利孀我国富有的钛帮稀土资源开发的c u p 系耐候钢。通 过平炉模铸初轧热轧和转炉连铸热轧两神工艺漉程，确定 了最佳化学成份，攻克7 撼加入工艺难关，确立了分瑗的连铸工艺，建立了热 轧数学模型。该钢主要供应市场规格2 - 1 6 m m 熟轧卷扳和钢板。是成为铁道车物 中使用最广、最普遍的耐嫉钢。 经过室外挂片和列车车顶挂片试验证明，0 9 c u p t i x t 钢板的耐大气腐蚀性能 良好，比含c u a 3 钢寓一倍以上；由于加入稀土元素改变了碳亿物夹杂的状态， 从而使其成型性能及机械往瓴较好f 嘲。 1 4 耐候钢成份分析及焊接要求 由于耐候钢的合金系统主要以c u 、p 为主，配合其它台金元素。c u 和p 是 提裹钢材耐腐蚀性熊的最有效的元素。一般认为，含c u 0 2 加5 时，既能获褥 华中科技大学硕士学位论文 较好的耐腐蚀性能，又不太大影响韧性。p 也可以显著地降低钢在大气中的腐蚀 速度，特别是与c u 共存时，效果更好。为降低p 钢的冷脆性，应限制含c 量 o 1 2 ，t i 、c r 、v 、n i 等也能提高钢的耐腐蚀性能，t i 和c u 、p 一起加入时， 可以加强耐腐蚀效果f 2 0 】【2 l 】。 目前，我国自己生产的铁道车辆用耐候钢主要是含c u 、p 钢，如前所述a 这 种钢由于含p 高，低温冲击韧性和可焊性都不太好，都对焊接条件及焊接材料有 特殊要求【2 2 】。我国铁道车辆耐候钢与国外同类钢种成份见表1 1 。 表1 0 l 铁道车辆常用耐候钢化学成分( ) 1 1 4 1 - l l s j 1 1 6 l 1 1 7 l 、1 1 8 1 1 1 9 1 倒 钢名cs im npsc u t i 其它 0 20 2o0 702 5 0 8 c u p0 1 2 l11 00 4 l 0 4050 1 204 5 020 20 0 70 2 50 0 2 0 8 c l l p v m0 1 2 llj 0 0 4 l v0 0 2 0 0 8 0 ，4050 1 204 50 2 0 0170 50) 70 2 5 0 9 c u p x to 1 2 f l 0 0 4 5 f 01 5 03 70801 2 04 0 0 2 50 2 000 702 5 c r03 1 2 5 l o c r n i c u p0 1 2 l ll 00 5 l n i 0 6 5 07 505 0 0 1 50 6 5 0 , 21000 502 0 0 9 m n c u p _ n0 1 2 l i 1 00 4 5 l 00 3 0515 00 1 204 5 0 20 2 500 702 5 0 9 c u p t i x t01 2 l1 00 4 1 01 500 3 0 405 50 1 2 03 5 02 502 0 00 702 5 c r0 3 1 2 5 c o n t c n0 1 2 1fl 07 5o5 00 1 5 05 5n i 0 6 5 0 1 00 2 000 8 05 0c r04 1 0 m a r i n c r0 1 2 1j i1 05 010 d0 1 2 07 0n j0 2 5 0 7 5 01 5c r08 1 3 0 m a r i l o y g 5 0 01 4l0l5 0 0 0 3 1 0 4 0m o 0 3 0 华中科技大学硕士学位论文 从以上分析可以看出，耐候钢基本都含有c u 、p 。对于此类含c u 、p 耐候钢， 从可焊性和韧性出发，含碳量都严格限制在不超过o 1 2 ，并希望( c + p ) o 2 5 。 这不仅是因为p 易于在焊缝金属晶界上严重偏析而促使形成晶间裂纹，也是因为 p 可使近缝区的硬度增强，而促使增大冷裂纹的敏感性，同时也降低了焊接接头 的塑性和韧性【2 4 1 2 5 】。即使对含碳量严格限制后，仍然须添加能细化晶粒的合金元 素，实际焊接时并尽可能避免在大拘束度条件下进行焊接。焊接接头需进行合理 化设计，同时尽可能采用较小的焊接线能量。在选择焊接材料时则更有特殊要求， 焊接材料的选择除要满足强度要求外，还必须考虑焊缝金属的韧性及焊接裂纹， 而且还要保证在耐腐蚀性能方面与母材金属相匹配1 2 6 1 1 ”i 。 1 5 耐候钢的焊接 为了提高铁道车辆的耐腐蚀性能，延长车辆检修周期，提高车辆使用寿命，降 低检修成本，提高经济效益，铁道车辆制造部门目前已广泛使用耐候钢，而且是 含c u 、p 耐候钢。由于含c u 、p 钢焊接的特殊要求，并确保耐候钢车辆的制造质 量，主要是焊接质量，各车辆工厂都进行不同程度的摸索及工艺试验，目前，已 基本上掌握了其焊接工艺方法，分别介绍如下： 1 5 1 手工电弧焊 手工电弧焊是所有焊接方法中最原始、最简单的一种焊接方法。由于其设备 投资小，材料成本低，故开始都得到了各车辆工厂的广泛使用，其焊接工艺与普 通低台金钢差别不大，但焊接材料要求特殊，要点如下： 1 、焊机：常规各类型焊机 2 、焊条：j 5 0 2 n i c u 、j 5 0 2 w c u 、j 5 0 6 n i c u 、j 5 0 6 w c u ，0_111 l 华中科技大学硕士学位论文 3 、焊条直径：0 4 、0 5 、中3 2 4 、焊接电流：1 5 0 2 0 0 a 范围内调节。 5 、其它要求：焊条必须烘干，烘干时间及温度须严格控制，生产现场还须 配备保温装置，做到随用随取。 1 5 2 埋弧自动焊 为了提高焊缝成形及外观质量，提高生产效率，并综合其它因素，埋弧自动 焊无疑是一种比较好的焊接方法。目前主要应用于各类罐车罐体环焊缝，中梁拼 接等，其要点如下： 1 、焊机：常规通用焊机均可。 2 、焊剂：h j 2 5 0 、h j 2 6 0 、h j 3 5 0 、h j 4 3 1 。 3 、焊丝直径：中2 r n m 、中3 m m 。 4 、焊接电流：2 8 0 5 0 0 a 间调节。 5 、焊接电压：3 0 4 0 v 间调节。 6 、适用板厚：6 一】6 姗。 7 、焊丝：在h o s a 焊丝成分基础上，按照合金元素的过渡系数加入适量的耐 腐蚀性合金元素，如c u 、c r 、n i 等【2 8 1 ，使用焊丝的牌号有：h 0 8 c r n i c u 、 h 0 8 m n s i c r n i c u 。 1 5 3 c 0 2 气体保护焊。 考虑到生产效率，焊缝质量和焊接变形等因素，焊接薄板主要是板厚， 6 m m 耐候钢时，越来越多的车辆工厂采用c 0 2 气体保护。 耐候钢的c 0 2 气体保护焊与常规普碳钢板c 0 2 气体保护焊基本工艺、设备、 8 ：添，一毒 华中科技大学硕士学位论文 装置大致相似，唯一不同的是焊丝成分，耐候钢c 0 2 气体保护焊焊丝必须含有一 定耐腐蚀性合金元素，否则，焊缝金属的耐腐蚀性难以符合标准要求硎。目前使 用的耐候钢c 0 2 气体保护焊焊丝为h 0 8 m n s i c r n i c u 。 另外，对于4 m m 以下的钢板，采用较小的焊接规范，以短路过渡为主；而 对于8 m m 以上的钢板，适当增加焊接电流，以熔滴过渡为主 3 0 1 。焊缝表面成型良 好，飞溅较少，工艺适用范围较宽，可根据不同板厚和工件大小，选择不同焊接 参数【3 1 1 。 1 6 铁道车辆用耐候钢焊接现状 铁道车辆采用耐候钢，从试生产到批量试验，直至广泛采用经历了近二十年， 到目前，铁道车辆除特殊需要及特殊要求的少量产品外，绝大部分车辆均用耐候 钢板。而使用的耐候钢品种也随着铁道车辆的各方面的要求，如质量要求、性能 越来越高，慢慢集中到少数钢种上。目前各车辆工厂使用最多、最普遍的耐候钢 是0 9 c u p t i x t 。所以，在此有必要对0 9 c u p t i x t 钢作一详尽叙述。 1 6 1 0 9 c u p t i x t 耐候钢机械性能 目前，供应市场的0 9 c u p t i x t 耐候钢厚度为2 0 1 2 m m ，根据多年的试验及 生产中大量数据的统计，0 9 c u p t i x t 钢化学成分见表1 1 ，实际机械性能见表1 2 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 20 9 c u p t i x t 钢商品板机械性能统计侈1 板厚 机械性能 1 8 0 。冷弯a k ( j c m 二) ( m m ) 6s ( ) - 4 0 u 型缺口 d = 2 a 6s ( m p a )6b ( p , l p a ) 2 04 0 2 i _ 4 1 5 05 1 9 9 5 2 9 73 1 0 - 3 3 2 合格 233 4 8 3 3 7 7 34 6 20 - 4 9 6 43 5 0 - 4 00 合格 253 5 51 3 8 9 14 5 9 1 - 4 8 0 73 6 0 3 9 0 合格 3 03 6 4 9 3 9 0 44 7 0 9 - 4 8i 73 20 - 4 05 合格 4 03 4 3 0 - 4 1 6 9 4 6 4 0 5 0 0 32 9 8 - 3 56 合格 5 03 6 3 o - 3 8 6 5 4 5 7 1 5 1 8 03 0 5 - 3 7 8 合格 6 o3 4 4 3 3 9 2 0 4 5 4 3 5 0 7 22 5 7 3 5 6 合格 7 0 3 2 0 5 3 7 7 74 5 9 】4 8 6 6 2 9 】3 8 6 合格 8 0 3 0 4 1 3 9 5 34 4 3 4 - 4 9 8 32 73 3 3 3 合格 1 0 0 3 1 5 9 3 4 4 34 4 0 5 - 4 7 0 6 2 9 8 - 3 2 3 合格 1 2 o 3 2 3 7 3 4 9 2 4 5 0 3 - 4 7 1 92 9 0 3 1 5 1 1 9 5 6 - 1 5 6 9 6 合格 从表1 - 2 可见0 9 c u p t i x t 钢不仅机械性能良好，而且有良好的塑性和韧性。 根据多次系列冲击试验结果，常温冲击值可达1 9 6 j c m 2 以上，脆性转变温度在 7 8 c 以t ，如图1 - 1 所示，故此种钢冲击韧性良好。 图1 - 1 0 9 c u p t i x t 钢在不同温度下的冲击值 华中科技大学硕士学位论文 1 6 2 成型性能 铁道车辆用钢要求钢材具有良好的成型性，以满足冲压件的要求。特别是制 造客、货、罐车，成型件钢板较厚，因此，对钢材的成型性能提出了更高的要求。 1 、成型性能基本参数y 、n 值 通过控伸试验测定钢板的硬化指数n 值，表示了钢板在塑性变形中的硬化强 度，其值的大小，对冲压加工伸长类成形为主的成形性能，反映了变形的均匀度、 成形极限、裂纹是否产生等【3 2 。n 值大，可使变形均匀化。 通过控伸试验测定的钢板塑性应变化y 值，表示在相同受力条件下板厚方向 上的变形和板平面方向上变形的差1 3 2 1 。 表1 3 为0 9 c u p t i x t 钢y 、n 值测量结果，从表中可以看出，0 9 c u p t i x t 钢 的y 、n 值相当于a 3 钢。 表1 - 30 9 c u p t i x t 与a 3 钢的y 、n 值比值 试样方向 钢种指标 yn o 。4 5 。9 0 。 y0 7 1 30 9 2 50 5 1 2 0 9 c u p t i x t0 2 6 90 2 1 8 n0 2 1 60 2 1 80 2 1 9 yo 6 1 30 7 7 70 7 4 1 a 30 7 2 70 2 2 5 n0 1 9 7 0 2 3 90 2 3 8 2 、屈强比6s 6b 表卜4 列出了0 9 c u p t i x l 钢各种板厚的屈强比6s 6b 值，从中可以看出其 平均屈强比6s 6b o 7 0 ，其冲压成形性能较好1 。 表卜40 9 c u p t i x t 钢6s 6b 值 、嗵厚( m m ) 56781 2 平均 6s 6b 0 9 c u p t i x t0 7 3 4 0 7 0 40 ，6 5 50 7 2 00 6 5 30 6 9 5 华中科技大学硕士学位论文 3 、杯突值 杯突值可形象地反映钢材的成型性，根据试验研究1 3 5 】，0 9 c u p t i x t 钢的杯突 值与a 3 钢相差不大，说明0 9 c u p t i x t 钢可满足一般成型性要求，如表1 - 5 所示。 表1 - 50 9 c u p t i x t 钢与舢钢c c v 值 材料 d 9 0 0d 4 5 。d 0 。c c v 0 9 c u p t i x t1 8 5 5 018 5 1 81 8 5 o o1 8 5 2 l a 3 1 4 4 1 11 8 3 7 81 8 3 2 41 8 3 7 3 综上所述，0 9 c u p t i x t 钢是有良好的成型性能。 1 6 3 焊接性能 1 、最高硬度试验 0 9 c u p t i x t 钢热影响区最高硬度( i - i v ) 为2 2 8 2 3 2 ，该值远低于标准规定( - i v ) 值小于3 5 0 的要求，e h 此说明0 9 c u p t i x t 钢热影响区的脆硬倾向不大f 3 们。 2 、t 型接头试验 在试验温度为0 。、一1 0 。、2 0 。时，t 型焊接接头均无裂纹，证实该钢冷裂 纹倾向小。 上述结果证实，0 9 c u p t i x t 钢可焊性良好。p 虽是不利于焊接的元素，但由 于c 、m n 含量低，其对焊接性能的不利影响较小。 1 6 4 耐大气腐蚀性能 耐大气腐蚀性能是0 9 c u p t i x t 最重要的性能指标。为了评价不同大气条件下 0 9 c u p t i x t 钢耐大气腐蚀性能，铁道部科学研究院分别在武汉、广州、青岛及成 达、京广、沪鸟线进行了0 9 c u p t i x t 钢室外挂片对比试验 1 9 l ，试验结果见 表1 - 6 、1 7 和图1 - 2 。 1 2 ：蕊滔；：潘0；j 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 60 9 c u p t i x t 钢静态挂片暴露试验结果1 1 9 1 攀点 武汉青岛广州武汉 掣肿、 、通蚀i 氏时间 鼎n 4 芷4 年4 笠4 拒 0 9 c u p t i x t2 3 4 11 3 7 2 1 2 8 11 4 9 5 表1 7 0 9 c u p t i x t 钢列车车顶挂片暴露试验结果1 1 9 i 地点 成一达线京广线 沪一乌线 时间( 年)1 5 1 5 1 5 0 9 c u p t i x t 相对a 3 耐蚀率( ) 2 5 6 8 1 8 3 - 3 1 3 8 2 i j u ) - - 腐蚀深度： i 4 ”m a 1 0 1 由 1 0 l 7 腐蚀时间( a ) 图l - 2 工业气氛中的耐大气腐蚀试验 试验结果充分证实，0 9 c u p t i x t 钢的耐大气腐蚀性能明显优于普碳钢，特别 是在受工业污染的大气和潮湿空气中效果更好。经过1 5 - 4 年室外腐蚀试验表明， 华中科技大学硕士学位论文 其耐蚀性约为a 3 钢的2 2 6 倍。 从上述分析不难看出，0 9 c u p t i x t 钢具有优良的耐大气腐蚀性能，特别是在 受工业污染的大气和潮湿空气中耐腐蚀性能是a 3 的2 倍以上，具有良好和稳定的 机械性能，有利于产品制作：具有良好的成型性能，冷弯性能优良，屈强比值较 低：低温韧性良好，f 。为7 8 c 以下；特定焊条、焊丝下焊接性能良好；而且此钢 是充分结合我国资源情况研制的耐大气腐蚀钢，成本较其它耐候钢种低。正因为 如此，0 9 c u p t i x t 镉得到了铁道部认可及广泛使用，是目前铁道车辆工厂使用最 多的，应用最广的钢。 0 9 c u p t i x t 钢虽然具有上述诸多良好性能，并得到了广泛应用，但事物是辩 证的，此钢在实际生产中还是存在一些共性问题。武汉江岸车辆厂采用常规手工 电弧焊工艺及埋弧焊与手工焊结合焊接时，焊缝金属出现裂纹，并且焊缝金属做 低温冲击试验时，冲击韧性难以达到标准要求。带着此问题，通过对齐齐哈尔车 辆厂、广州车辆厂等十二家车辆厂的调研，其他车辆厂也普遍存在类似问题，但 无人对此问题作过专题研究。随着铁路运输向着高速重载方向的发展，此类问题 不很好解决，不仅严重影响车辆修造质量及企业效益，而且极大地威胁铁道车辆 运输安全，已成为车辆冬季运营的重大质量隐患。 1 4 。蕴纛：；i ；遴i 捺； ；鎏。 华中科技大学硕士学位论文 2 焊接裂纹及其影响因素的研究 车辆用耐候钢0 9 c u p t i x l 因为含有p 、c u 和其它合金元素，从焊接性能角度 来看是有着坏的影响的，容易产生裂纹。据资料【3 6 】介绍，对于0 9 c u p t i x t 钢这类 合金高强钢，只要焊缝金属中m n 和s 的比值达到一定的比例，热裂纹倾向是不 大的，而热影响区由于有淬硬性，产生冷裂纹的可能性较大。实际焊接过程中， 主要是手工电弧焊后，也确实存在焊接冷裂纹，而且多在焊后数小时或数天出现， 开始少，逐渐增多，并多为根部裂纹，这种裂纹起源于焊缝根部的最大应力集中 处，具有典型的延迟特征，属延迟裂纹，导致大量产品返修，降级使用或报废， 这些裂纹若不及时发现，则会给铁道车辆运输造成极大的安全隐患。因此，找出 0 9 c u p t i x t 耐候钢焊缝金属裂纹的影响因素十分必要，也具有重要的实际意义。 2 1 手工焊工艺条件对焊缝金属性能影响的研究 0 9 c u p t i x t 耐候钢手工电弧焊工艺参数主要包括焊条、焊条烘干温度及焊接 环境温度等，下面分别讨论单个因素对焊接裂纹的影响。 2 1 1 焊条的影响 耐候钢的焊接，其焊接材料的选择必须满足以下四个条件，( 1 ) 焊缝金属要有 与母材相当的强度，良好的塑性及韧性；( 2 ) 有着良好的工艺性能，在保证优越的 抗裂前提下，要有飞溅少、焊缝成形良好、较宽的工艺参数调节范围；( 3 ) 有要良 好的耐大气腐蚀性能，避免因电化学腐蚀作用加速焊接接头的腐蚀破坏：( 4 ) 价格 不能太高。 0 9 c u p t i x t 耐候钢属于3 5 0 m p a 强度级别的钢，为此，应该采用相应强度等 级的j 5 0 2 钛钙型酸性焊条，j 5 0 6 低氢型碱性焊条，考虑到腐蚀因素，在焊条的药 皮成分中加入一些耐腐蚀的合金元素，即c u 、n i 、w 等。表2 1 为焊缝金属的化 华中科技大学硕士学位论文 学成分实测值。 表2 - 1 焊缝金属的化学成分( ) 类型c m ns ipsc un iw 酸性焊条0 0 6 5 o 7 60 2 6 50 0 1 90 0 1 6o 2 8o 3 3o 2 2 碱性焊条 0 1 0o 90 4 5o 3 0o 0 1 2o - 3 2o 3 0 0 _ 2 3 为了研究焊条对焊缝金属性能影响，我们进行了一系列试验。 1 、试验条件：试板规格6 0 0 3 0 0 ) 4l o r r l m ； 材质：0 9 c u p t t 坡口型式： ，、 、 ， 焊材：碱性焊条0 4 唧电流1 7 0 一1 9 0 a 酸性焊条中4 m m电流1 7 0 1 9 0 a 2 、其焊缝金属机械性能如表2 - 2 、表2 - 3 和图2 - 1 所示 冷弯角 类型 5 s ( m p a )d b ( m p a ) 占s ( ) d = 2 a 1 8 0 。 3 8 8 ，3 9 2 ，3 9 6 5 4 0 ，5 6 0 ，5 7 02 8 ，3 2 ，2 8 酸性焊条 三样品均合格 3 9 2 5 5 7 2 9 4 2 9 ，4 5 8 ，4 51 5 4 3 ，5 5 7 ，5 5 73 2 ，2 8 ，3 4 碱性焊条 三样品均合格 4 4 6 5 5 2 3 1 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 3 焊缝金属盼冲击韧性试验续募 a k ( j c m 2 u 型1 装塑 2 0 o 。2 0 - 4 0 。6 0 钛钙焊条 1 2 91 2 51 0 57 55 3 低氢焊条 1 4 81 4 11 2 l 8 l6 2 - 】5 0 冲 l3 0 击 翟i 10 9 0 ? o 5 0 r 、 f f - - 。， 一6 04 02 00 温度( ) 2 0 图2 一l焊缝金属冲击试验值 l 一低氢型焊条2 钛钙型焊条 从以上试验及结果，不难看出，无论是钛钙跫焊条，还是低氢型焊条其焊缝 金属强度均不低予母材，低氮型焊条焊缝金属不管强度，还是塑性、韧性均较钛 钙型焊条好，笼其是低温_ 7 串击韧性均较钛钙型焊条高。 3 、焊缝金属耐腐蚀性能 耐候锻角焊条敷使焊缝金属与钢母材有楣同韵耐腐蚀性能，以保证焊接接头 在长期使用中的抗大气腐蚀。所使用的钛钙型焊条及低氢焊条金属耐腐蚀试验请 觅袭2 - 4 a 试验时闯为5 昼夜，腐蚀试验证明，无论钛钙型焊条。还是低氯型簿条 一一- _ _ - _ _ _ _ _ _ _ “_ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - - _ _ - _ - _ - _ p 。_ _ 。_ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 j夸譬。一 华中科技大学硕士学位论文 金属的耐腐蚀性能和0 9 c u p t i x t 钢基本相同，符合设计要求。 表2 - 4 焊条、钢板的耐腐蚀试验 种类腐蚀量( g d m 2 ) 低氢焊条金属 3 1 l 钛钙焊条金属3 - 3 9 0 9 c u p n x t 3 4 3 另外。钛钙焊条和低氢型焊条在作抗裂试验时，其抗裂性能差异较大。在其 它条件下均相同的情况下，低氨型焊和金属抗裂性优于钛钙焊条，后面还将详细 讨论。 2 1 2 环境温度的影响 由于我国南、北温差较大，冬、夏温差较大，导致同一列车辆年四季分别 在温差悬殊的环境下运营，并且受客观条件所限制，在进行车辆焊