[关键词] 双相不锈钢；焊接工艺；NSSC2120；s22053
0 引言
目前国内外运营的不锈钢地铁车辆，车体材料绝大部分采用不锈钢和碳钢材料相结合的方式，其中底架端部结构采用碳钢材料，端部结构通过碳钢边梁插入底架边梁内部，与底架采用塞焊以及段焊连接，侧墙骨架采用点焊连接。
传统典型结构带来了碳钢或耐候钢端部结构需增加两根碳钢边梁，侧墙骨架点焊需要连接板，质量较大，不能满足轻量化和节能的要求。碳钢或耐候钢端部结构需要进行整体涂装，增加了工艺难度及制造成本，碳钢或耐候钢端部结构和不锈钢底架边梁采用过渡边梁或者异种钢直接焊接连接，存在电化学腐蚀的风险，且异种钢焊接难度大。
通过与钢铁生产厂家进行技术交流，并从具有可焊性、满足结构强度、可获得性、经济性以及耐腐蚀性几个维度考虑，选用了NSSC2120和s22053两种材料进行焊接工艺研究，并进行拉伸、弯曲、晶间腐蚀以及疲劳等试验，为车体结构设计材料选型提供指导。
1 材料特点
NSSC2120因具有低Ni、低Mo和SUS304钢2倍的强度，在耐点蚀性、耐酸性、耐应力腐蚀裂纹性等具有与SUS304同等以上的性能。双相不锈钢常用在化工及船舶行业，在轨道交通行业未曾有应用，其主要性能是抗腐蚀能力强。
选用上述焊接工艺，发现NSSC2120及s22053两种不锈钢材料焊接工艺时熔池流动性差，电弧光照强，飞溅大，焊缝表面发黑氧化严重,焊接性差。
2.2 焊接过程及结果
根据焊接性能测试及参阅相关资料，对两种材料焊接工艺进行优化，对福尼斯TPS3200焊机专家程序进行升级，并选用φ1.2的焊丝，焊接气体更改为余量Ar+2.5%CO2。
根据图3焊接接头的拉伸试验结果，NSSC2120焊接接头平均抗拉强度为731MPa，延伸率为26.9%。s22053焊接接头平均抗拉强度为799.7MPa，延伸率为22.55%。NSSC2120 不锈钢焊接接头的抗拉强度低于s22053不锈钢，延伸率高于s22053不锈钢。 3.2 弯曲试验
选取了3块焊接完成的试板，每块焊接试板上取样4个弯曲试样。分别进行正弯、背弯，经180°度弯曲后，所有试件完好，无裂纹。
3.3 化学成分检验
在拉伸试验后的试样上取样，使用直读光谱仪进行母材及焊缝化学成分分析。
此次母材和焊接试板原材料中C含量高于原材料标准，另Si含量低于原材料标准。
3.4 金相微观检测
使用盐酸：硝酸：水的混合比为1:1:2腐蚀液对打磨后的试件进行腐蚀，之后再放大镜下放大200X检测
通过S-N 曲线拟合获得的NSSC2120焊接接头疲劳极限为309.9MPa，s22053焊接接头疲劳极限为207MPa。从疲劳源分析发现疲劳源并不集中于断口某一位置，而是沿着整个断口边缘启裂，这表明疲劳断裂不是由焊接接头内部缺陷造成的，而主要是由于焊根处的应力集中导致的。
由图4和图5的金相组织的比较可知，s22053材料热影响区的组织粗大，奥氏体析出相高于NSSC2120材料的热影响区。由硬度曲线发现s22053材料上部焊缝的硬度稍高于热影响区和母材，而对于中部和下部焊缝的硬度<热影响区<母材。从疲劳试样的断裂位置来看，所有的试样均启裂于焊根处，即硬度测试曲线中的下部曲线，而s22053材料下部焊缝的硬度是最低的，因此疲劳性能差。
对比分析NSSC2120和s22053焊接接头的金相组织、硬度、拉伸性能和疲劳性能差异，可以得出以下结论：在焊接热循环的作用下，双相不锈钢热影响区的组织变化较大，两种材料焊接接头组织都具有不规则的条状特征和两相交织分布的块状特征，但s22053材料焊缝和热影响区组织较NSSC2120焊接接头组织粗大，且母材中奥氏体分布不均匀，其相比也直接影响了接头性能。
4 结束语
针对轨道交通车辆全不锈钢车体拟使用的新材料进行焊接工艺进行研究，掌握了两种典型双相不锈钢材料的焊接工艺，通过试验研究得到了焊接接头的典型力学性能信息，并进行了分析，为全不锈钢车体的材料选择提供了重要依据。
论文作者:焦锐1,罗宝2
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
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