34Cr2Ni2Mo與35CrMoV鋼厚板超窄間隙MAG焊接接頭組織性能分析

郭嘉琳 ，張富巨 ，3，龐昊紅 ，張國(guó)棟

（1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢430072；2.中南鉆石股份有限公司，河南 南陽(yáng)473264；3.武漢納瑞格智能設(shè)備有限公司，湖北武漢430223）

0 前言

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼均屬于高強(qiáng)度中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼。34Cr2Ni2Mo鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌綜合性能，在調(diào)質(zhì)后常應(yīng)用于重載荷的軸和齒輪類(lèi)零件。35CrMoV鋼具有優(yōu)良的淬透性，通常經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后應(yīng)用于高溫（500℃以下）、高應(yīng)力工作狀態(tài)的重要零件。在非調(diào)質(zhì)態(tài)下焊接的難度略低于調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，關(guān)鍵在于保證焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)IIW推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式可知，這兩種鋼的碳當(dāng)量值均遠(yuǎn)高于0.5，焊接的裂紋傾向大，焊接性差[1-2]。

這類(lèi)大厚板中碳低合金鋼的傳統(tǒng)焊接工藝通常為采用低碳含量的焊材，高預(yù)熱溫度（300～400℃）并進(jìn)行焊后熱處理以避免焊接裂紋的發(fā)生。采用小線(xiàn)能量焊接工藝可有效減少焊縫及過(guò)熱區(qū)在高溫停留時(shí)間，形成強(qiáng)韌兼優(yōu)的細(xì)晶組織，是焊接高淬透性、高強(qiáng)鋼的可行選擇[3-4]。

超窄間隙MAG焊由于具有更高的焊接生產(chǎn)率和焊接接頭承載能力、更低的焊接殘余應(yīng)力、超低的焊接生產(chǎn)成本，是焊接該類(lèi)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(shù)的廣泛應(yīng)用特性，本研究嘗試在250℃低溫預(yù)熱（與通常工藝比較），層間溫度200～220℃、焊后保溫緩冷的工藝條件下，對(duì)100 mm厚34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼板進(jìn)行超窄間隙MAG對(duì)接焊。焊后按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫接頭進(jìn)行理化檢驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度測(cè)量，并分析試驗(yàn)結(jié)果。

1 焊接材料及坡口尺寸

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼屬于中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。為防止出現(xiàn)熱裂紋，選擇低碳、低強(qiáng)的T Union GM 100焊絲，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊接材料的化學(xué)成分%

焊件為兩塊不同材料的100 mm大厚板對(duì)接。采用雙U型超窄間隙坡口，坡口尺寸如圖1所示，單側(cè)坡口面角設(shè)為1°，根部對(duì)接間隙為0。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸（R=3.5 mm）

2 焊接工藝參數(shù)

主要的焊接工藝參數(shù)如表2所示。第一道焊縫為打底焊，采用較低熱輸入的同時(shí)加上特殊的小幅電弧擺動(dòng)，在根部間隙6~7 mm、鈍邊高度2±0.5 mm條件下實(shí)現(xiàn)全熔透自由成型工藝下的單面焊雙面成型；在填充層焊縫中，采用7~9 kJ/cm焊接熱輸入，立向下兩側(cè)同時(shí)焊接以獲得幾乎為零的可見(jiàn)焊接變形和對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力分布。焊接電源采用Fornius的TPS-5000，保護(hù)氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20 L/min。

表2 主要焊接工藝參數(shù)

3 焊縫接頭的宏觀(guān)分析及硬度分布

取焊件厚度方向的中部橫切面，冷加工方法切割為尺寸100 mm×65 mm×10 mm的金相試樣，磨平、拋光截面后使用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(guān)照片如圖2所示，焊接接頭的焊縫層間和與側(cè)壁間熔合良好，焊縫寬度8~9 mm。逐層焊縫厚度均勻，說(shuō)明工藝參數(shù)穩(wěn)定均勻；熱影響區(qū)的寬度尺寸均勻，說(shuō)明熱量向兩側(cè)壁擴(kuò)散均勻穩(wěn)定；母材焊接熱影響區(qū)很窄，平均寬度在2.5 mm以下，說(shuō)明較低的熱輸入使得對(duì)母材的損傷范圍很小。

圖2 焊接接頭宏觀(guān)金相

在焊件厚度方向的中部測(cè)量微觀(guān)硬度，結(jié)果如圖3所示。焊縫區(qū)硬度分布均勻，平均硬度300 HV，略高于34Cr2Ni2Mo側(cè)母材的294 HV和35CrMoV側(cè)母材的275HV。兩側(cè)熱影響區(qū)的硬度分別為443HV和433 HV，高于焊縫區(qū)和母材，最高值為566 HV，出現(xiàn)在34Cr2Ni2Mo側(cè)靠近熔合線(xiàn)附近的過(guò)熱區(qū)。由于焊接線(xiàn)能量較小，熱影響區(qū)很窄，兩側(cè)的最高硬度區(qū)（對(duì)應(yīng)的過(guò)熱區(qū)）的尺寸也非常小；在34Cr2Ni2Mo側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)有約1 mm的區(qū)域硬度基本穩(wěn)定在約400HV，此處對(duì)應(yīng)為正火區(qū)，在35CrMoV側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)，硬度逐步下降，說(shuō)明組織變化均勻。

圖3 焊縫接頭橫向硬度分布

由圖3還可知，HAZ的過(guò)熱區(qū)的微區(qū)硬度均在400 HV以上，說(shuō)明該區(qū)組織的100%體積分?jǐn)?shù)為馬氏體組織。按t8/5小于HAZ組織全部為馬氏體時(shí)的t8/5熱影響區(qū)最高硬度公式計(jì)算[7]，該區(qū)對(duì)應(yīng)的最高硬度在570 HV以上，較低預(yù)熱溫度下的超窄間隙MAG焊接頭未超過(guò)最高允許硬度。

4 焊接接頭的微觀(guān)組織分析

34Cr2Ni2Mo側(cè)和35CrMoV側(cè)的焊接接頭完整的微觀(guān)組織如圖4、圖5所示。兩側(cè)母材的金相組織（見(jiàn)圖4a和圖5f）主要由貝氏體組成，晶粒較大，不是調(diào)質(zhì)組織。兩側(cè)的正火區(qū)（見(jiàn)圖4c和圖5d）均是細(xì)板條馬氏體和粒狀貝氏體組織，晶粒十分細(xì)小，強(qiáng)韌性較母材均有較大的提高。兩側(cè)的過(guò)熱區(qū)（見(jiàn)圖4d和圖5c）均很窄，在觀(guān)察過(guò)程中幾乎與熔合線(xiàn)在同一視場(chǎng)，由板條馬氏體組成，晶粒較母材略有增大。焊縫區(qū)（見(jiàn)圖4f和圖5a）均為等軸晶+柱狀晶的鑄態(tài)組織，晶粒十分細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化作用能提高低碳焊材形成的焊縫區(qū)強(qiáng)度。焊縫區(qū)和HAZ的細(xì)晶粒是超窄間隙MAG焊接頭焊態(tài)的特點(diǎn)，它得益于較低的線(xiàn)能量、極小的熔池尺寸和基體極快的散熱能力，焊接接頭在高溫區(qū)停留時(shí)間很短，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。

5 焊接接頭的力學(xué)性能

對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。試樣11斷裂在34Cr2Ni2Mo側(cè)HAZ，斷口照片如圖6所示，在焊縫中部有層間夾渣，導(dǎo)致在此處斷裂，更為徹底的清渣能避免該夾渣缺陷的產(chǎn)生。試樣12斷裂在母材，如圖7所示，表明在未出現(xiàn)焊縫夾渣缺陷時(shí)焊接接頭的強(qiáng)度高于母材。焊接接頭的彎曲試驗(yàn)表明，接頭在具有高強(qiáng)度的同時(shí)具備一定的塑性?xún)?chǔ)備。

表3 超窄間隙MAG焊焊態(tài)接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)焊接接頭的焊縫中心、熱影響區(qū)和母材區(qū)分別進(jìn)行了3組V型缺口夏比擺錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。在室溫29℃的環(huán)境下，熱影響區(qū)和焊縫中心區(qū)的沖擊吸收功大大超過(guò)了母材。母材的沖擊吸收功的試驗(yàn)結(jié)果也印證了母材并不是調(diào)質(zhì)狀態(tài)。

圖4 焊接接頭34Cr2Ni2Mo側(cè)各區(qū)微觀(guān)組織

圖5 焊接接頭35CrMoV側(cè)各區(qū)微觀(guān)組織

6 結(jié)論

（1）較低熱輸入的超窄間隙MAG立向焊接工藝技術(shù)能成功實(shí)現(xiàn)34Cr2Ni2Mo與35CrMoV異種鋼接頭的自動(dòng)化焊接，焊縫層間和與側(cè)壁間冶金熔合良好，熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化和脆化組織，其力學(xué)性能優(yōu)于母材。

（2）采用低碳多元合金強(qiáng)化焊絲下的超窄間隙MAG焊工藝技術(shù)，通?？色@得強(qiáng)韌兼優(yōu)的焊接接頭，主要得益于較低熱輸入下的焊縫和HAZ組織的細(xì)化。

圖6 試樣11#斷口

圖7 試樣12#斷口

表4 窄間隙MAG焊焊態(tài)接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

[1]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]張文越.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3]郭嘉琳，萬(wàn)文峰，張富巨，等.預(yù)熱溫度對(duì)35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：31-34.

[4]郭嘉琳，萬(wàn)文峰，張富巨，等.35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機(jī)，2017，47（9）：24-27.

[5]張富巨，郭嘉琳，張國(guó)棟，等.厚板常用弧焊工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性比較，電焊機(jī)，2017，47（5）：144-149.

[6]張富巨，郭嘉琳，張國(guó)棟.三種窄間隙焊接技術(shù)的特性比較與應(yīng)用選擇[J].電焊機(jī)，2017，47（6）：23-28.