中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接中的問題及工藝措施

史獻(xiàn)營

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110015)

中碳調(diào)質(zhì)鋼由于具有較好的綜合力學(xué)性能而獲得廣泛應(yīng)用，大量應(yīng)用于航天、航空、船舶、兵器和機(jī)械等行業(yè)的重要零件。很多零件采用了焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫質(zhì)量是影響零件質(zhì)量的關(guān)鍵，而影響中碳調(diào)質(zhì)鋼焊縫質(zhì)量的缺陷是焊接裂紋與熱影響區(qū)的脆化和軟化；因此，中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接中控制裂紋的產(chǎn)生、脆化和軟化組織的出現(xiàn)，是提高焊接質(zhì)量的核心問題。

1 中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性能及種類

中碳調(diào)質(zhì)鋼是在中碳鋼的基礎(chǔ)上加入Mn、Si、Cr、Ni及Mo、W、V、Ti等合金元素，使鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，調(diào)質(zhì)處理后，鋼的強(qiáng)度與韌性都有提高，從而獲得了較好的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)度高達(dá)833～1 568 MPa。中碳調(diào)質(zhì)鋼的w(C)=0.25%～0.50%，隨著合金元素Mn、Cr、Mo、V和Ni的加入，使碳當(dāng)量增大，鋼的焊接性能變差，焊接難度增大。中碳調(diào)質(zhì)鋼的種類有：40Cr、40CrMoA、35CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA和34CrNi3MoA等。

2 中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接中的問題

2.1 焊接中焊縫出現(xiàn)熱裂紋

中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及含合金元素量較高，焊縫凝固結(jié)晶時，固—液相溫度區(qū)間大，結(jié)晶時間相差很大，先結(jié)晶的固相金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)多，易形成低熔點共晶體，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，由于它是金屬在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的裂紋，所以稱為熱裂紋。其中，元素S、P與Fe易形成低熔點共晶體，金屬中的高含碳量使低熔點共晶體加劇，元素Si、Ni、S和Cu都有增大熱裂紋的傾向。焊接中帶入的H不能完全逸出，集聚凝固在晶粒邊緣，殘留在馬氏體中也誘發(fā)結(jié)晶裂紋。焊縫中晶粒的大小形態(tài)對抵抗裂紋有影響，晶粒越粗大，柱狀晶粒方向明顯越易產(chǎn)生裂紋[1]。

2.2 焊接中焊縫出現(xiàn)淬硬性與冷裂紋

中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量較高，焊縫和熱影響區(qū)冷卻時其組織可轉(zhuǎn)變成馬氏體，中碳調(diào)質(zhì)鋼中的合金元素使鋼的淬透性增強(qiáng)，更促使焊縫熱影響區(qū)向馬氏體轉(zhuǎn)變，脆硬的馬氏體在冷卻后很容易出現(xiàn)裂紋。鋼碳當(dāng)量越高，淬透性越好，焊接裂紋傾向也越大。冷裂紋一般發(fā)生在熱影響區(qū)和厚板多層焊接中，發(fā)生在拘束度較大的T形、角形和十字形焊縫應(yīng)力集中區(qū)域，裂紋可沿晶向擴(kuò)展，也可穿晶擴(kuò)展。裂紋出現(xiàn)在母材與焊縫交界處，一般與焊道平行，也可出現(xiàn)在焊道下面或焊縫根部。

2.3 焊接中焊縫與熱影響區(qū)的脆化與軟化[2]

焊縫與熱影響區(qū)脆化，中碳調(diào)質(zhì)鋼由于含碳量較高，合金元素較多，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低，無自回火過程，有相當(dāng)大的淬硬傾向，因而在焊縫與熱影響區(qū)容易產(chǎn)生大量脆硬的馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫與熱影響區(qū)脆化。生成的高碳馬氏體越多，脆化越嚴(yán)重。

焊縫的熱影響區(qū)軟化，中碳調(diào)質(zhì)鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)焊接時，被加熱到調(diào)質(zhì)處理回火溫度以上的區(qū)域，出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度均低于母材的軟化區(qū)。如果焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，該軟化區(qū)可能成為降低焊縫強(qiáng)度的薄弱區(qū)。中碳調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度級別越高，軟化問題越突出。母材焊前所處的熱處理狀態(tài)不同，軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度也有很大差別。低溫回火的鋼材，對于母材的軟化程度也大。焊接方法的不同，軟化變化也不同，氣焊與電弧焊40Cr鋼軟化示意圖如圖1所示，氣焊比電弧焊的軟化區(qū)寬得多。從韌性方面考慮，過熱區(qū)是焊縫中最薄弱的部分；從強(qiáng)度方面分析，軟化區(qū)是焊縫中最薄弱的環(huán)節(jié)。

圖1 40Cr鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)焊接強(qiáng)度變化圖

3 中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝要點

焊縫的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)是焊縫的力學(xué)性能與使用性能不低于母材，要想得到中碳調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)質(zhì)的焊縫，必須制定正確的焊接工藝。

1)中碳調(diào)質(zhì)鋼通常應(yīng)在退火(或正火)狀態(tài)下焊接[3]。焊前預(yù)熱焊后調(diào)質(zhì)處理是中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接的最佳方案。焊前預(yù)熱的目的是減緩焊縫與熱影響區(qū)的冷卻速度，控制熱裂紋與冷裂紋的形成條件，避免熱裂紋與冷裂紋的形成，減小淬硬傾向。鋼種強(qiáng)度級別越高，預(yù)熱溫度也越高。焊后熱處理的目的是改善組織，提高韌性，減小淬硬性，降低殘余應(yīng)力防止冷裂紋的形成，使零件焊縫獲得與母體一樣的組織性能。大型零件焊接中還應(yīng)增加層間退火，以保證焊縫質(zhì)量。焊后熱處理應(yīng)在焊后立即進(jìn)行，否則裂紋傾向增大。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼零件時，在焊接前應(yīng)預(yù)留充足的機(jī)械加工余量，因為零件焊接中及熱處理后將有較大的變形，待熱處理后用機(jī)械加工的方式消除。此時焊接中所要解決的主要問題是裂紋，熱影響區(qū)和焊縫的性能通過焊后調(diào)質(zhì)處理來保證。

2)退火中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選擇。焊縫金屬中的合金成分應(yīng)與母材金屬相近，經(jīng)過熱處理得到焊縫與母材一致的力學(xué)性能。焊縫金屬應(yīng)采用低碳低硅焊絲(焊絲中，w(C)≤0.15%)，焊絲中w(S)和w(P)總和應(yīng)≤0.025%。焊接中選用堿性低氫型焊條。

3)退火中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，可適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和增加線能量，這樣可延緩焊接冷卻速度，從而降低裂紋傾向。對于厚母材采用多層焊，前一焊層是對后面焊層的預(yù)熱，有利于防止裂紋。焊接中應(yīng)填滿弧坑并保持良好的焊縫成形，因為焊縫弧坑和焊縫凹下部位容易形成裂紋。焊接時應(yīng)注意焊接順序，盡量避免焊縫產(chǎn)生拉應(yīng)力，以降低冷裂紋的產(chǎn)生。焊縫不允許有未焊透和咬邊等缺陷，焊接缺陷可能成為裂紋或脆性斷裂的根源。

4)焊前零件和焊絲應(yīng)進(jìn)行清理，除油、去銹，零件待焊處要打磨至露出金屬光澤，用白細(xì)絹布蘸丙酮擦拭零件與焊絲。焊條應(yīng)烘干處理，烘干溫度為250～400 ℃,烘干后在大氣中存放應(yīng)≤0.5 h。

5)焊接環(huán)境。焊接應(yīng)在室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)溫度≥20 ℃,相對濕度≤60%，避免在有穿堂風(fēng)的低溫環(huán)境下施焊。

4 中碳調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后的焊接工藝要點

由于某些原因，有些中碳調(diào)質(zhì)鋼零件焊后不能進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，而在焊前進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理。此時，中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接增大了熱裂紋和冷裂紋的傾向，而且又增加了焊縫與熱影響區(qū)的軟化問題。焊縫及熱影響區(qū)軟化是中碳調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后焊接的首要問題，焊縫軟化是目前沒有辦法解決的問題，只能采取一定的工藝措施進(jìn)行限制，而不能消除。

1)中碳調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后焊接必須焊前預(yù)熱，焊后回火處理。焊前預(yù)熱溫度應(yīng)盡量低，使焊接時焊縫熱影響區(qū)溫度低，軟化區(qū)域小。焊后回火可以改善組織，解決馬氏體引起的硬化和脆化問題，控制裂紋的產(chǎn)生；但焊縫和熱影響區(qū)軟化引起的強(qiáng)度下降，在焊后不能調(diào)質(zhì)處理的情況下是無法彌補(bǔ)的。焊后回火溫度應(yīng)比調(diào)質(zhì)鋼淬火后的回火溫度至少低50 ℃。

2)中碳調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)焊接材料的選擇。由于焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，焊縫金屬成分可與母材有差別。為了防止焊接冷裂紋，可以選用塑性和韌性好的奧氏體焊條、鎳基焊條及其焊絲和奧氏體不銹鋼焊條與焊絲。

3)焊接方法。適當(dāng)減小線能量，焊接熱輸入越小，加熱和冷卻速度越快，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度越窄。

4)40Cr鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)用氣焊焊接圖如圖1a所示，熱影響區(qū)軟化的抗拉強(qiáng)度降為590～685 MPa；40Cr鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)用焊條電弧焊圖如圖1b所示，熱影響區(qū)軟化的抗拉強(qiáng)度為880～1 030 MPa。從圖1可以看出，氣焊的熱影響軟化區(qū)比電弧焊時寬得多，因此，焊接熱源越集中，能量密度越高，對減少軟化越有利。如采用等離子弧焊、電子速焊及氬弧焊的焊接方式較好，能使軟化區(qū)域變窄，軟化程度減小。

中碳調(diào)質(zhì)鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接的其他要求與焊接退火中碳調(diào)質(zhì)鋼相同。

5 中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接前預(yù)熱溫度、焊后處理溫度及焊接材料

中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接前預(yù)熱溫度、焊后處理溫度及焊接材料見表1。

表1 幾種中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊前預(yù)熱、焊后熱處理及焊接材料表

6 結(jié)語

雖然中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性能差，但是只要掌握其焊接規(guī)律和特點，并根據(jù)不同的用處和不同的結(jié)構(gòu)，就能制定合理的焊接工藝方案，正確選擇焊接材料，從而焊接出優(yōu)質(zhì)零件。中碳調(diào)質(zhì)鋼的廣泛推廣和使用，可以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。

[1] 《航空制造工程手冊》編委會.航空制造工程手冊/焊接[M]. 北京：航空工業(yè)出版社, 1996.

[2] 機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3] 中國航空工業(yè)總公司.HB/Z 5132—1979 30CrMnSiNi2A鋼熔焊工藝[S].北京：中國航空綜合技術(shù)研究所，1980.

[4] 中國航空工業(yè)總公司.HB/Z 5025—1977 航空結(jié)構(gòu)鋼的熱處理[S].北京：：中國航空綜合技術(shù)研究所，1978.