35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析

郭嘉琳 ，萬文峰 ，張富巨 ，3，張國棟

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.林肯電氣管理（上海）有限公司，上海201907；3.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析

郭嘉琳 1，萬文峰 2，張富巨 1，3，張國棟 1

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.林肯電氣管理（上海）有限公司，上海201907；3.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

介紹在低溫預熱條件下35CrMo調質鋼厚板的超窄間隙MAG環縫對接焊的設備與工藝。通過焊接接頭的金相觀察、硬度測量和拉伸試驗，分析其組織分布和力學性能。發現焊縫區和熱影響區內的微觀組織均為細晶形態，硬度值較高。焊接接頭的拉伸實驗結果表明，斷裂均發生在硬度值較低的焊縫區，但對應強度大大高于該焊絲的抗拉強度。應用超窄間隙MAG焊較低熱輸入焊接工藝，有利于形成細晶粒的焊縫和熱影響區組織，能夠通過細晶強化大幅度提高熔敷金屬的抗拉強度，這對低合金調質高強鋼的工藝設計與應用具有重要的參考價值。

超窄間隙焊接；MAG/MIG焊；35CrMo；細晶粒

0 前言

35CrMo鋼是一種常用的合金結構鋼，主要用于制造受沖、彎、大載荷的重要零部件。該鋼淬透性良好，通常經過調質處理后使用。根據IIW推薦的碳當量計算公式可得，35CrMo鋼的碳當量值高達0.7以上，該鋼焊接的冷裂紋傾向大，焊接性差[1-2]。

大厚板35CrMo鋼在傳統焊接工藝下，需要較高的預熱溫度并進行焊后熱處理以避免產生裂紋。采用較低的焊接熱輸入，可有效控制焊縫及過熱區的晶粒長大，形成強韌兼優的細晶組織。因此在避免冷裂紋的前提下，較低的焊接熱輸入是焊接此類高淬透性調質高強鋼的可行選擇[3-4]。

超窄間隙MAG焊具有更高的焊接生產率、更高的焊接接頭承載能力、更低的焊接殘余應力、更低的焊接生產成本，是焊接該類厚板及特厚板的較好選擇[5-6]。為研究超窄間隙MAG焊工藝技術的廣泛應用特性，本研究嘗試在60℃～80℃低溫預熱，無層溫控制、無焊后熱處理的工藝條件下，對78 mm厚調質態的35CrMo鋼進行了環縫超窄間隙MAG對接焊，并觀察分析焊接接頭的微觀組織、抗拉強度和硬度分布。

1 焊接材料及坡口尺寸

35CrMo鋼屬于中碳低合金結構鋼，其主要化學成分見表1。材料供貨狀態為調質態，屈服強度Rel＞537 MPa，抗拉強度 Rm＞689 MPa。依據經驗，較低熱輸入的超窄間隙MAG焊焊態的焊縫強度通常都會大幅度提高，因此選擇低強匹配的直徑為1.2 mm的ER50-6焊絲，其主要化學成分見表2。

表1 35CrMo鋼化學成分%

表2 ER50-6焊絲化學成分%

大徑厚壁管直徑為355 mm，壁厚78.5 mm，加工超窄間隙坡口尺寸如圖1所示。

2 焊接工藝參數

主要焊接工藝參數如表3所示。第一道焊縫為打底焊，為防止燒穿，采用較低一些的熱輸入，加上特殊的小幅電弧擺動，在根部間隙為6～7 mm、鈍邊高度為2.5±0.5 mm的條件下，實現了全熔透自由成型工藝下的單面焊雙面成型；第2～17道為填充層焊縫，14～15 kJ/cm的焊接熱輸入實現了兼顧層間和側壁間的良好熔合，以及5 kg/h以上較高的熔敷速度。焊接電源采用Fornius的TPS-5000，氣體采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量 20 L/min。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸

表3 主要焊接工藝參數

3 焊縫接頭的宏觀分析及硬度分布

取焊件圓周方向的任意橫切面，冷加工方法切割成75 mm×69 mm×10 mm的金相試樣，將截面磨平、拋光后，使用4%的硝酸酒精腐蝕獲得焊縫接頭的金相樣品。焊接接頭宏觀照片如圖2所示，逐層的焊縫表面中凹十分顯著，說明兩側壁達到母材熔點溫度的高度遠高于焊縫中心，這有利于兩側壁的冶金熔合；逐層焊縫厚度均勻，說明每層的熔敷速度均勻；焊縫區層間的熱影響區和母材區的熱影響區尺寸都很均勻，說明焊接熱輸入均勻穩定；母材焊接熱影響區很窄，平均寬度低于1.5 mm，顯示了較低的熱輸入對母材的損傷范圍很??；整體未見有明顯的工藝缺陷。

在焊件厚度方向的中部進行了微觀硬度測量，結果如圖3所示。焊縫區硬度分布較均勻，平均硬度為254 HV，略低于母材平均硬度272 HV。熱影響區硬度高于焊縫區和母材，最高值為370 HV，出現在距離焊縫中心4.5 mm處。

圖2 焊接接頭宏觀金相

圖3 焊縫接頭橫向硬度分布

35CrMo鋼的淬透性極好，無論是按照基于t8/5熱影響區最高硬度公式計算，還是按照基于碳當量的熱影響區最高硬度公式計算，其理論維式最高硬度均在600 HV以上；本試驗最高370 HV，平均約340 HV，說明較低的熱輸入對抑制調質高強鋼淬火區的硬化脆化具有顯著的效果。本試驗是在60℃～80℃低溫預熱、無層溫控制條件下進行的，若再提高一些預熱溫度和層間溫度，抑制硬化脆化的效果將會更好。不完全正火區未見明顯低于母材的軟化區，正火區的硬度高于母材和淬火區是緣于該區極細的晶粒尺寸。

4 焊接接頭的微觀組織分析

焊接接頭各區微觀組織如圖4所示。

焊縫區的微觀組織為典型的等軸晶+柱狀晶鑄態組織，與傳統工藝技術不同的組織特征有以下四個方面：一是等軸晶區通常僅在焊縫中心一個區域，本試驗出現在兩個區域，即焊縫中心區域和焊縫與兩側熔合線相鄰的區域，焊縫中心等軸晶區較寬，與兩側熔合線相鄰的區域較窄；二是等軸晶粒細?。蝗堑容S晶晶內和柱狀晶晶內均為非常細小的針狀鐵素體；四是柱狀晶一次晶軸方向很短，枝晶很不發達。從熔合線開始，隨著逐步遠離焊縫中心，熱影響區內依次出現淬火區細小的板條馬氏體（見圖4c）、正火區極細小鐵素體+極細小珠光體（見圖4d），不完全正火區細小鐵素體+細小珠光體+未長大的塊狀鐵素體（見圖4e）。母材為回火索氏體（見圖4f），全區未發現異常組織。

由圖4還可直觀比較焊接接頭各區晶粒大小。正火區（見圖4d）和不完全正火區（見圖4e）內的微觀組織晶粒比母材調質態的組織（見圖4f）晶粒要細小得多。等軸晶區（見圖4a）、柱晶區（見圖4b）和淬火區（見圖4c）內組織比較小，加熱階段的A晶粒尺寸很小。焊縫區和HAZ晶粒細小是超窄間隙MAG焊接頭焊態組織有別于傳統弧焊工藝技術的又一顯著特征，這得益于超窄間隙MAG焊較低的熱輸入、極小的熔池體積和特厚板極快的散熱能力，焊件在高溫區停留時間很短，A晶粒根本來不及長大。

5 焊接接頭的強度試驗

對上述工藝下的超窄間隙MAG焊焊態焊接接頭進行了拉伸試驗，試驗數據如表4所示，斷裂位置均位于焊縫區，如圖5所示。

由拉伸試驗結果可知：一是該試驗結果與接頭的硬度分布完全吻合，焊縫區的平均硬度比母材區低18 HV，且接頭各區中只有焊縫區最低，理應斷裂于該區；二是硬度試驗未見不完全正火區的軟化現象，三個試件均未斷裂于該區，證明了較低熱輸入工藝對抑制調質鋼HAZ的軟化十分有效；三是使用抗拉強度為550 MPa的焊絲，焊態焊縫的抗拉強度平均升高了221 MPa（因為全部斷裂于焊縫區，相當于全焊縫金屬的拉伸試驗，見圖5），這充分證明了較低熱輸入下焊縫區產生極高比例、極細晶粒尺寸的針狀鐵素體，具有很強的細晶強化作用，這是超窄間隙MAG焊獨有的技術優勢之一。

6 結論

（1）低溫預熱、較低熱輸入、無層溫控制的超窄間隙MAG焊新工藝技術，能成功焊接淬透性高的中碳低合金調質35CrMo鋼，其焊態的接頭組織和強度優異，尤其是使用低強度的焊絲能夠焊出強度大幅度提升的焊縫，對于熱處理高強鋼工藝設計和應用時選擇塑性韌性儲備更高的低強匹配焊絲，具有重要的指導價值。

圖4 焊接接頭各區晶粒大小比較

表4 355CrMo超窄間隙MAG焊焊態接頭拉伸試驗

圖5 拉伸試件的斷裂位置

（2）較低熱輸入的超窄間隙MAG焊新工藝技術對于抑制調質高強鋼熱影響區內的硬化脆化和軟化都具有十分顯著的有益作用。

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Microstructure of tempering 35CrMo welded joint by UNG-MAG welding process

GUO Jialin1，WAN Wenfeng2，ZHANG Fuju1，3，ZHANG Guodong1
（1.SchoolofPowerandMechanicalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.LincolnElectricCompany，Shanghai 201907，China；3.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

In this paper，introduced the equipment and the principle parameters in Ultra-Narrow Gap MAG Welding process applied for tempering 35CrMo circumferential welding，and then analyzed the microstructures and the mechanical performance via metallographic observation and hardness measurement of the welded joint.Finally，the results of tensile test on welds indicated that fracture occurred in welds which had minimum hardness，however corresponding strength was much higher than the tensile strength of the welding wire.It can be obtained that the application of ultra-narrow gap MAG welding lower heat input welding process，is conducive to the formation of fine grain of the weld and heat affected zone organization，through fine grain strengthening significantly improve the tensile strength of deposited metal，which has important reference value for the design and application of the technology of low alloy high-strength tempering steel.

UNG welding；MAG welding；35CrMo；fine grain

TG444+.7

A

1001-2303（2017）09-0024-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.05

本文參考文獻引用格式：郭嘉琳，萬文峰，張富巨，等.35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機，2017，47（09）：24-27.

2017-09-10

國家自然科學基金資助項目（51305308）

郭嘉琳（1978—），女，博士，講師，主要從事焊接過程數值模擬及優化、窄間隙焊接方面的研究。E-mail：guojialin2005@126.com。