T－1鋼與ZG310－570異種金屬焊接工藝研究

宋應為，王文先，石 青

（1.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.山西太重 北特機械設備制造有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

風洞柔板是風洞的重要組成部分。柔板初始狀態為平板，在機械力的作用下變形到預定曲面，承受氣流載荷，連接柔板的底座為鑄件，兩者間需采用焊接的連接方式。本文對柔板材料與鑄鋼連接的異種鋼焊接接頭的焊接性、焊接工藝及接頭的各項性能進行了分析，得出最佳的工藝參數，并指導生產制造。

1 T－1與ZG310－570異種鋼焊接的工藝要點

1.1 焊接接頭的型式及特征

柔板尺寸為（11 000×1 200×22）mm，最大變形撓度為800mm。由于柔板主體既要有較高的強度又要有足夠的韌性，故材料選用抗拉強度大于800MPa的T－1鋼；由于鑄鋼件力學性能的各向異性并不顯著，且此部位需要流線型造型，因此與柔板連接的底座選擇鑄鋼件，為滿足強度要求選用14mm厚的ZG310－570；采用T型接頭、單V型坡口、焊接位置為平角焊的接頭形式。

1.2 基材的焊接性分析

T－1鋼是一種低合金高強鋼，其抗拉強度大于800 MPa，并含有一定量的合金元素及微合金化元素。其焊接性不同于碳鋼，主要體現在熱影響區組織與性能的變化對焊接熱輸入比較敏感和淬硬傾向大，易產生冷裂紋［1］。ZG310－570是一種中碳鋼，淬硬傾向較大，在熱影響區容易產生低塑性的馬氏體組織，當焊件剛性較大或焊接材料、工藝參數選擇不當時，容易產生冷裂紋。兩種基材的化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 兩種基材的化學成分（質量分數） %

表2 兩種基材的力學性能

根據國際焊接學會推薦的碳當量CE（IIW）計算公式和日本JIS標準（適用規定：低碳調質低合金高強鋼）T－1鋼的碳當量計算公式，計算得出ZG310－570鑄鋼的碳當量為0.81，T－1鋼的碳當量為0.53。這說明這兩種鋼材焊接時易于淬硬，若焊接工藝選用不當，熱影響區易形成硬而脆的馬氏體組織，使接頭的塑韌性下降，耐應力腐蝕性能惡化，產生冷裂紋的傾向增加。因此需預熱，且需采用較小的熱輸入。

1.3 焊絲和焊接方法的選擇

T－1和ZG310－570組織分類都屬于珠光體鋼，它們的熱物理性能沒有很大差別，僅是合金化程度不同。為獲得優質的焊接接頭，一般按照異種鋼合金化程度較高的鋼來選擇焊接方法和制定焊接工藝。碳（或碳當量）是決定珠光體鋼在焊接時淬火傾向的主要因素，一般應按異種鋼中碳（或碳當量）最少的鋼來選擇焊接材料。其焊前預熱或焊后熱處理的工藝參數按異種鋼合金化程度較高者選用［2］。由于低碳調質鋼焊后一般不進行熱處理，故選擇焊接材料時要求焊縫金屬在焊態下具有接近母材的力學性能。但在特殊情況下，如結構剛度或拘束度很大、冷裂紋難以避免時，必須選擇熔敷金屬強度比母材稍低的焊接材料作填充金屬。綜上所述，焊絲選用ER50－6，其化學成分如表3所示。

因T－1鋼為調質狀態，只要加熱溫度超過回火溫度，其性能就會發生變化。因此焊接時因熱作用使熱影響區的局部強度和韌性下降是不可避免的。強度級別越高，這個問題越突出，所以對焊后不再進行調質處理的柔板應選擇能量密度較大的焊接方法，如熔化極氣體保護焊［3］。

表3 焊絲的化學成分（質量分數） %

1.4 T－1鋼的抗裂試驗、預熱溫度和層間溫度的確定

因T－1鋼的合金化程度較高，所以抗裂試驗、預熱溫度和層間溫度的確定由T－1鋼決定。又因T－1鋼易出現冷裂紋，因此采用“斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法”測試T－1鋼最低預熱溫度和最高層間溫度。

將T－1板加工至選用厚度，焊絲選用ER50－6，直徑為Φ1.2mm，保護氣體為CO2，電流為240A，電壓為32V，焊接速度為28cm/min。試驗選取預熱溫度為120℃，未出現裂紋。實際工作中采用預熱溫度＞130℃。為防止組織發生變化，預熱溫度不得大于220℃，層間溫度也應控制在＜220℃。施焊過程中未發現裂紋。

1.5 T－1與ZG310－570異種鋼的焊接工藝

焊前采用火焰預熱，預熱溫度最小為100℃，焊接時層間溫度控制在最大200℃，采用純度大于99%的CO2混合氣體保護焊焊接，流量為15L/min～20 L/min。焊絲為ER50－6，焊接的打底電流為120A～150A，電壓為18V～20V，焊接速度為10cm/min～15cm/min；填充蓋面電流為240A～270A，電壓為25V～27V，焊接速度為30cm/min～50cm/min。采用多層多道焊。

2 T－1與ZG310－570異種鋼焊接接頭的性能分析

表4為T－1與ZG310－570異種金屬焊接接頭熔敷金屬的化學成分，與焊絲的化學成分相比，熔敷金屬的化學成分并未出現明顯的變化，且熔敷金屬中C、P和S的含量較低。表5為熔敷金屬的力學性能，從表中可以看出熔敷金屬的各項力學性能符合實際生產中的使用要求。

表4 焊接接頭熔敷金屬化學成分（質量分數） %

表5 焊接接頭熔敷金屬的力學性能

3 結論

對柔板的T型接頭部位依據JB/T6061－2007/1級標準進行磁粉探傷檢測，未發現缺陷磁痕顯示；對接頭按ISO 15614－1：2004進行金相檢測，根部無未焊透，焊縫無裂紋，焊縫熱影響區無裂紋，無未融合。采用上述焊接工藝進行焊接，接頭強度可以滿足使用要求，同時為制造更大風洞積累了經驗。

［1］孫萍，王仲鈺.ZG310－570鑄鋼與45鋼異種材料的焊接［J］.電焊機，2006，36（6）：68－70.

［2］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊·第2卷·材料的焊接［M］.第2版.北京：機械工業出版社，2001.

［3］王成文.焊接材料手冊及工程應用案例［M］.太原：山西科學技術出版社，2004.