30CRMNSIA筒體焊接工藝研究

范如源，彭昌永，陳新旭

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

0 前言

某產品筒體結構如圖1所示，由內筒體、外筒體組焊而成。筒體采用30CrMnSiA鋼，碳當量較高(CqE≈0.73)，淬硬傾向大，焊接接頭的冷裂敏感性大，在工藝上要制定嚴格的預熱、后熱以及焊后熱處理規范。

內筒體、外筒體焊前壁厚12～13 mm，焊后筒體壁厚分別加工到1.7 mm和2.0 mm。要保證這樣的焊接接頭與母材等強，加工后薄壁焊縫區要求無缺陷，在焊接工藝上有較大的難度。

內、外筒體精加工后組焊是在調質狀態下焊接，焊后不再熱處理(構件的特殊結構所要求的)，這樣在焊接時極易出現冷裂、熱影響區脆化、軟化的問題。組件焊后不再加工，焊接過程中需采取有效的措施控制變形。

圖1 產品結構示意

1 工藝試驗［1－2］

1.1 鍛件對接焊試驗

1.1.1 試驗方法

針對筒體對接結構，鍛件(正火狀態)采用對接焊接，經X射線探傷，焊后調質，切制焊接接頭拉伸試樣，測試接頭強度指標。

1.1.2 工藝措施

(1)焊接設備選用直流焊機，采用反接法(即焊條接正極)，在配合使用低氫堿性焊條時，工藝穩定，不易出現氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，易于控制規范，限制線能量的輸入。

(2)焊接材料選用J107Cr焊條，填充材料在強度級別、化學成分、熱處理規范方面與母材30CrMnSiA相適應，焊后通過熱處理，焊接接頭強度、塑韌性指標與母材相接近;焊條要求350℃ ～400℃烘培1 h，150℃保溫隨取隨用，確保焊材吸濕、結晶水的去除，從而降低焊縫金屬中擴散氫含量，嚴格控制裂紋、氣孔等缺陷，確保加工后薄壁焊縫區無缺陷。

(3)采用 J107Cr、φ3.2 mm 焊條，焊接電流100 ～110 A，在保證工藝過程穩定的情況下，控制線能量偏下限，以利于減小熱影響區域，減弱淬硬傾向，防止開裂。

(4)焊前工件預熱300℃，層間溫度保持在約200℃，焊后置預熱爐緩冷。預熱緩冷措施的制定主要應使臨界斷裂應力和擴散氫含量最低，從而防止冷裂、延遲開裂等裂紋敏感性。

(5)焊后調質HRC27～34，以保證焊接接頭和母材的強度、塑韌性指標，獲得最佳綜合機械性能。

1.1.3 結果與分析

采用以上工藝措施焊后，經X射線探傷，焊件達到二級焊縫合格水平。調質HRC27～34處理后進行拉伸試驗，結果如表1所示。

表1 焊縫拉伸試驗

鍛件在采取有效的措施后焊接，可以獲得滿意的焊接質量，經合適熱處理，接頭強度指標達到與母材等強度水平。

1.2 調質態對接焊試驗

1.2.1 試驗方法

焊前試板經調質HRC27～34，采用焊條電弧焊施焊，焊后不再熱處理，經X射線探傷后進行焊接接頭拉伸試驗，測試接頭強度指標;制備焊接接頭金相試樣，分析接頭各區顯微組織。

1.2.2 工藝措施

焊前試板調質HRC27～34;直流焊機反接法;焊材選用J107Cr焊條，φ3.2 mm;嚴格用小線能量，Ι=100～110 A;試板預熱300℃，層間溫度不低于200℃，焊后隨爐緩冷。

1.2.3 結果及分析

調質態對接試板采用以上工藝措施焊后，焊縫經X射線探傷達二級合格水平，均未發現裂紋、夾渣等缺陷，氣孔在允許范圍的低限。焊后未作熱處理，拉伸試驗結果見表2。

表2 拉伸試驗

接頭各區組織如圖2～圖4所示。接頭熱影響區組織為魏氏組織+少量馬氏體，焊縫區組織為鐵素體+珠光體，靠近基體的熱影響區組織為鐵素體+少量魏氏體。經分析，接頭熱影響區有脆化和軟化現象，過熱區晶粒粗大、有沖擊韌性低的魏氏體組織和脆硬的馬氏體。調質狀態下焊接接頭熱影響區性能有一定軟化、脆化現象。如果焊后不作熱處理，焊接時只能采取合理預熱、緩冷、控制熱輸入量等措施盡量控制。

圖2 焊縫區組織

圖3 熱影響區

圖4 靠近基體的熱影響區

2 筒體的焊接

內筒體、外筒體的分段對接是在正火態焊接，采用相應的工藝措施。筒體焊后經X射線100%探傷，其焊接質量令人滿意。為確保加工后薄壁δ1.7和δ2.0的焊縫區域無缺陷，此處探傷嚴于二級焊縫標準。

最后內、外筒體加工后，壁厚δ=1.7和δ=2.0，焊縫區域未見裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接質量令人滿意。

內筒體與外筒體組焊，在調質狀態下焊接，采用相應的工藝措施。焊接過程嚴格控制質量，未發現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊后經磁粉探傷，未發現任何缺陷。通過焊前、焊后筒體各段外圓直徑，內腔直徑，法蘭高度尺寸的測量比較，焊接變形較小，型腔直徑誤差在0.20 mm范圍內，法蘭平行度誤差在0.40 mm以內，完全滿足產品要求。

3 結論

(1)30CrMnSiA鋼在鍛件正火態下焊接，只要焊接過程中采取嚴格有效的措施，焊后經調質，可以獲得質量、性能指標令人滿意的接頭，與母材等強。

(2)30CrMnSiA鋼調質狀態下焊接，焊后不再調質，焊接接頭有熱影響區的脆化、軟化問題，但可采取有效的措施減弱這種趨勢，并防止開裂。

(3)為解決30CrMnSiA鋼在調質狀態下的焊接問題，可進一步探討用奧氏體不銹鋼焊材作填充材料的可能，采取更有效的措施防止冷裂、脆化、軟化問題，還可提高接頭的塑、韌性指標，接頭承力的問題可通過增加焊縫有效截面積來解決。

［1］焊接手冊(第二卷)材料的焊接［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］孟 鑫.具有淬硬傾向的高強鋼焊接接頭冷裂紋［A］.宇航焊接新技術論文集［C］，［時間不詳］.