锁座挡板焊缝裂纹分析及控制

锁座挡板焊缝裂纹分析及控制

阳鹏 ,张文,谭祖中

中车株洲车辆有限公司        湖南株洲   412003

摘 要：本文对铁道货车生产制造过程中锁座挡板焊缝裂纹问题，从材料性能方面分析其成份因素对锁座挡板焊接质量影响，从而明确材料各成份比的范围确保最佳焊接要求，有效解决锁座挡板焊缝裂纹问题。

关键词：锁座挡板、焊缝、分析、控制。

一、问题提出

某厂在生产NX70平车过程中，发现锁座挡板与圆销焊缝裂纹，裂纹位置位于锁座挡板焊缝处，圆销焊缝位置未出现裂纹（如图1），初步可以排除圆销与焊材质量问题引起，并对焊材进行化学成分分析，结果判定合格，在对锁座挡板进行外观检查时发现，裂纹位置铸件颜色呈现白色，且是铸件与焊缝一起掉落。在生产现场查找未裂纹锁座挡板，将裂纹挡板与未裂纹挡板进行外观判断，发现裂纹挡板材质代号为刻字（如图2），未裂纹锁座挡板为铸字（如图3）。

 图1

 图2                                       图3

二、外观检查及分析

    1.油漆问题可能导致焊缝裂纹

对锁座挡板进行外观检查，发现整体表面有一层清漆，怀疑是清漆厚度造成裂纹，遂对焊接位置清漆进行打磨处理再焊接，但在生产过程中又出现裂纹现象，从而排除并非清漆厚度造成该质量问题。

2.铸砂可能导致焊缝裂纹

对挡板外观检查分析，可能是焊接位置存在铸砂，导致焊接后融合不良，冷却后易产生焊缝裂纹，遂对产生裂纹的挡板进行打磨处理，焊接位置露出金属光泽，外观判定无铸砂及砂孔，可以排除铸砂原因。

3.装配卡滞可能导致焊缝裂纹

部分锁座挡板在开关时候存在卡滞现象，可能是外力所致，遂对挡板与锁盒进行符图，各尺寸符合图纸要求，对发现有挡板宽度正公差，锁盒宽度负公差装配的，对挡板宽度方向进行打磨处理，装配无卡滞，结果还有裂纹质量问题，故排除外力导致。为进一步判定裂纹的直接原因，需对材料进行化学成分、机械性能及金相分析。

三、化学成分分析

锁座挡板材质是B级铸钢（ZG25MnNi），为进一步确定锁座挡板是否是材质问题引起的裂纹，分别取四件铸字锁座挡板与刻字锁座挡板进行化学成分分析，结果显示刻字的挡板化学成分C含量不合格，标准值是0.20-0.28之间，实际检测是0.29-0.40（如表1），其中一样块Ni含量检测0.03，低于要求（0.30-0.40）；铸字的挡板化学成分合格（如表2），都在标准值范围内。

化学成分检查结果表1：

化学成分检查结果表2：

两种锁座挡板化学成分表明：碳含量越大，被焊材料的淬硬倾向越大，焊接区域容易产生冷裂纹，故刻字锁座挡板不合格主要原因是碳含量超标，从而导致焊缝裂纹。

四、机械性能分析

机械性能方面，取两件刻字锁座挡板进行分析，抗拉强度分别为585N/mm²、490 N/mm²，符合≥485 N/mm²的标准要求，冲击值分别为28J、31J，符合≥20J的标准要求，所以消失模工艺生产的锁座挡板机械性能是合格的。

五、锁座挡板碳含量超标分析

经调查发现，刻字锁座挡板采用的是消失模铸造工艺，但未考虑锁座挡板是焊接件，在生产过程中用聚苯乙烯发泡材料造型，钢水浇注后聚苯乙烯燃烧后的含碳残余物进入钢水，导致产品的碳含量普遍偏高，达到了中碳钢的含碳量水平，使产品的可焊性变差，降低了产品的塑性。而铸字锁座挡板采用的是砂型铸造工艺，生产中未增加其余成分，不会影响碳含量，成型后各元素符合标准要求。

六、金相分析

按照TB/T2942.2-2018标准，对刻字与铸字锁座挡板进行金相，铸字锁座挡板正火组织是3级（合格，如图4），呈现8-9级晶粒度铁素体和细小块状珠光体，有个别条状铁素体遗迹；刻字锁座挡板正火组织是8级（不合格，如图5）：刻字锁座挡板4-5级晶体铁素体伴随条状铁素体、魏氏组织和珠光体。产生魏氏组织产生主要是（1）锻造的加热温度过高；（2）冷却速度过快导致。魏氏体危害：在最终热处理会有增大变形的倾向；钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低。厂家在生产制造过程中，为减少冷却时间，而未按照工艺要求进行冷却，导致金相正火组织8级。

             图4                                   图5

七、结论及建议：

7.1结论：

1.刻字锁座挡板上采用的是消失模工艺，但未考虑锁座挡板是焊接件，在造型后未对模具内部杂物清理，造成碳含量超标。采用砂型铸造工艺可以有效避免该问题产生。

2.刻字锁座挡板化学成分碳含量超过标准上限，金相正火组织达到8级，产品制造过程未按照工艺方法进行冷却，直接导致金相成分不合格。

综上所述，消失模工艺生产的锁座挡板碳含量超标与金相不合格直接导致焊缝裂纹，如若继续使用刻字挡板，后续将造成货车线路运行时批量锁座挡板脱离，造成交通安全事故。

7.2建议：

1.采用消失模工艺铸造产品时，需要考虑产品是否有焊接工艺要求，对模具内部的清理也相应增加，而铸造一般无特殊要求的产品可以一次成型。在批量生产有焊接要求的产品时，不建议使用消失模工艺，需要增加模具内部清理，但不能确定是否全部清理干净，还是存在碳含量超标的风险，故建议使用其他铸造工艺，例如砂铸、陶瓷型铸造等。

2.对所有采用消失模工艺铸造的锁座挡板进行排查，并进行销毁。

3.厂家生产制造时控制各元素含量，满足C(0.20-0.28),Mn(0.70-1.00)，Si（0.20-0.40），P（≤0.035），S（≤0.035），Cu（≤0.30），Ni（0.30-0.40）之间要求。3.产品进行金相自检检查，符合TB/T2942.2-2018要求，金相正火组织不超过6级。

参考文献：  1.  TB/T2942.2-2018  机车车辆用铸钢件 ；

        2.  中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册：第5卷铸造工艺.北京：机械工业出版社.2003。

         3. 《铸造工艺设计及铸造缺陷控制》.李晨希.化学工业出版社.2009。