層間溫度對(duì)高強(qiáng)鋼焊縫熱影響區(qū)強(qiáng)度的影響

陳新旭，范如源

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 前言

30CrMnSiA是一種典型的Cr－Mu－Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。因?yàn)樗缓^多貴金屬Ni，調(diào)質(zhì)后有很高的強(qiáng)度和足夠的韌性，淬透性好，加工性良好，加工變形微小，抗疲勞性能好。大量用于輪軸、齒輪、鏈輪、活塞類汽車和飛機(jī)等各種特殊耐磨零配件。中物院機(jī)械制造工藝研究所產(chǎn)品所用30CrMnSiA材料焊后不能調(diào)質(zhì)處理，必須在焊前調(diào)質(zhì)，焊后只退火。為滿足要求，既要防止冷、熱裂紋，又要防止熱影響區(qū)軟化，本研究通過大量焊接試驗(yàn)，優(yōu)化了焊接工藝過程，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 30CrMnSiA化學(xué)成份%

1 焊接性分析

30CrMnSiA屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，這種鋼在退火狀態(tài)下的組織是鐵素體和珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體，根據(jù)美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS推薦的碳當(dāng)量公式:

式中 各合金元素的百分比含量取中間值;P的含量由于小于等于 0.05%而不計(jì)入。計(jì)算出30CrMnSiA的碳當(dāng)量為0.73%。由于碳當(dāng)量值較大，且淬透性較大，裂紋傾向大，焊接性能較差，對(duì)焊接材料的選擇和溫度都很敏感。

表2 30CrMnSiA力學(xué)性能

中碳調(diào)質(zhì)鋼最好在退火(或正火)狀態(tài)下焊接，焊后再整體調(diào)質(zhì)處理來改善熱影響區(qū)性能，這時(shí)主要考慮防止裂紋問題。選擇焊接材料的要求是保證不產(chǎn)生冷、熱裂紋，焊縫金屬與母材在同一規(guī)范下調(diào)質(zhì)，能獲得相同性能的接頭。選擇焊接工藝的原則是保證在調(diào)質(zhì)前不出現(xiàn)裂紋，如用較高的預(yù)熱溫度(200℃ ～350℃)和層間溫度，焊后立即進(jìn)行消氫處理，防止冷裂。

如果必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，而且焊后不能調(diào)質(zhì)處理，這時(shí)焊接的主要問題是防止裂紋和避免熱影響區(qū)軟化。

2 熱影響區(qū)軟化形成原因

熱影響區(qū)軟化是指焊后其強(qiáng)度、硬度低于母材的現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在焊前經(jīng)過淬火+回火的鋼中，軟化部位在回火區(qū)(加熱溫度為to～AC1的部位)。鋼經(jīng)過淬火處理后，在回火過程中隨回火溫度升高強(qiáng)度和硬度逐漸下降，在回火區(qū)焊接加熱溫度超過了焊前回火溫度，相當(dāng)于提高了回火溫度，強(qiáng)度必然低于焊前。軟化區(qū)從AC3開始，到AC1點(diǎn)達(dá)到最低值，然后逐漸回升，到to達(dá)到與母材相等。焊前回火溫度越低，強(qiáng)度下降的幅度越大(圖1中曲線A、B)。母材焊前是退火狀態(tài)，不存在軟化現(xiàn)象(圖中曲線C)。加熱溫度超過AC3的部位，加熱時(shí)發(fā)生相變重結(jié)晶，焊前熱處理效果消失。焊前熱處理狀態(tài)對(duì)這個(gè)部位的性能沒有影響。

圖1 調(diào)質(zhì)鋼焊接熱影響區(qū)硬度分布示意

3 焊接試驗(yàn)工藝過程

因產(chǎn)品特殊原因，焊后不能調(diào)質(zhì)處理，必須焊前調(diào)質(zhì)，硬度達(dá)到HB220～260，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后僅退火。設(shè)計(jì)要求焊后焊接試板的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于母材抗拉強(qiáng)度的90%，否則為不合格，所以焊接用試板和母材試樣在拉伸試驗(yàn)前所有熱處理規(guī)范相同，即同爐同規(guī)范處理。焊接試驗(yàn)用焊接試板和母材試樣如圖2所示。

圖2 焊接試板和母材試樣

3.1 焊前調(diào)質(zhì)熱處理規(guī)范

分為三個(gè)階段:第一階段將材料加熱到650℃退火處理，隨爐冷卻;第二階段經(jīng)880℃淬火處理，油淬;第三階段經(jīng)650℃回火處理，隨爐冷卻。

3.2 試板的焊接工藝

因?yàn)楣ぜ螤钐厥猓渌附臃椒o法施焊，所以采用焊條電弧焊，焊機(jī)為ESAB AristoArc400型逆變式直流電弧焊機(jī)。

采用CHE857焊條焊接。CHE857焊條是低氫鈉型藥皮的低合金鋼焊條，焊條焊前須經(jīng)350℃烘焙1 h。直流反接;全位置焊;主要用于焊接抗拉強(qiáng)度約830 MPa的低合金鋼結(jié)構(gòu)。

試件焊前經(jīng)300℃預(yù)熱1 h，對(duì)接平焊，焊縫內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷達(dá)到GB3323二級(jí)及以上要求。焊接時(shí)允許修磨，背面可以補(bǔ)焊。焊接參數(shù)如表3所示。焊縫鈍邊1.5 mm，間隙2 mm，壓緊在焊接墊板上施焊。

表3 焊接參數(shù)

為保證焊縫質(zhì)量，嚴(yán)格清理層間，每層焊完后都必須打磨光滑，再進(jìn)行焊接。正面焊縫焊完后，打磨背面至與母材齊平，如有缺陷，進(jìn)行補(bǔ)焊。

4 不同層間溫度對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響

冬季環(huán)境溫度低，焊接停止后溫差較大，工件散熱較快。工件在焊接過程中，為保證焊接質(zhì)量，層間必須打磨，打磨過程中由于角磨機(jī)的散熱風(fēng)作用于工件，以及打磨所用的時(shí)間，打磨后工件溫度降低。

為保證試驗(yàn)的真實(shí)性，試件分兩輪四件施焊，熱處理規(guī)范相同，焊后放到溫箱隨爐冷卻。第一輪1#、3#及母材同爐熱處理;第二輪2#、4#及母材同爐熱處理。1#、2#層間溫度控制在100℃ ～200℃(即正常焊接、打磨后工件層間溫度);3#、4#每層焊后加熱到300℃并保溫1 h再施焊。

4.1 拉伸試驗(yàn)

在每件工件上取三根拉伸試樣(試樣A、B、C)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣尺寸如圖3所示，焊縫位于試樣中部。

圖3 拉伸試樣尺寸

經(jīng)試驗(yàn)得出，層間溫度為100℃ ～200℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為母材的82.8%(表4中1#、2#試件“與母材強(qiáng)度比例”的平均值)，低于技術(shù)要求的90%，不合格。層間溫度為300℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為母材的97.85%(表3中3#、4#試件“與母材強(qiáng)度比例”的平均值)，合格。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試件抗拉強(qiáng)度

4.2 金相組織觀察

在每個(gè)試樣的熱影響區(qū)切取金相試樣，對(duì)軟化區(qū)進(jìn)行顯微組織觀察。各取500倍金相照片，并分析組織。第一輪1#、3#試件金相照片如圖4所示，第二輪2#、4#試件金相照片如圖5所示。

3#、4#試件為層間溫度300℃的試樣，金相照片顯示為正常的回火索氏體組織，這種組織強(qiáng)度較高;2#試件組織主要為回火索氏體+少量鐵素體+針狀馬氏體組織，該組織強(qiáng)度較前者有所降低;而1#試件組織呈現(xiàn)出回火索氏體+塊狀鐵素體+珠光體體組織，與母材區(qū)別較大，這種組織強(qiáng)度低于前面兩種。這些組織性能與抗拉強(qiáng)度值相符。

5 結(jié)論

(1)30CrMnSiA材料在層間溫度低于200℃時(shí)，軟化區(qū)原調(diào)質(zhì)組織發(fā)生變化，接頭的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。當(dāng)層間溫度等于300℃時(shí)，金相組織為調(diào)質(zhì)時(shí)回火索氏體，接頭抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度之比可達(dá)96.7%以上。

圖5 2#、4#試件金相照片

(2)30CrMnSiA材料對(duì)層間溫度很敏感，在焊接過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控工件的溫度，過低時(shí)加熱、過高時(shí)冷卻，將溫度嚴(yán)格控制在300℃以上，焊前回火溫度降低50℃。

［1］傅積和，孫玉林.焊接數(shù)據(jù)資料手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［2］英若采.熔焊原理及金屬材料焊接(第二版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］丁建生.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.