鑄鋼件疏松組織熱影響區裂紋形成機理和補焊研究

宋永輝 梁建莉

1．東方汽輪機有限公司 四川德陽 618000 2．四川建筑職業技術學院 四川德陽 618000

本文將探討的是某燃機氣缸精加工后發現貫穿性裂紋缺陷。主體缺陷補焊后在焊縫熱影響區又檢測到細微分叉形裂紋，消缺深度較淺。補焊后又在新焊縫的熱影響區出現新裂紋，反復多次[1]。通過逐條分析熱影響區裂紋成因，制定了嚴密的補焊工藝措施，最終實現缺陷成功補焊。

1 主體缺陷

機床消缺體積：上口130mm×120mm，下口130mm×50mm，深度最大170mm，穿透部位50×50mm。

圖1 缺陷位置及消缺形貌

2 氣缸材質及力學性能

氣缸材質化學成分及力學性能見表1。

按國際焊接學會推薦的碳當量計算公式計算得出，碳當量≤0．52，淬硬傾向較低。

從材料力學性能分析，材質塑性較好，有較好的抗裂性。

綜上所述，從化學成分和力學性能兩方面分析，氣缸材質焊接性良好。

表1 母材化學成分（Wt.%）及機械性能

3 主體缺陷補焊工藝

（1）打磨修整坡口，背部墊同材質墊板，裝焊防變形工藝拉筋。

（2）局部預熱100-150℃，采用GTAW 對坡口壁全面打底一層對機床消缺的棱角、銳邊進行圓滑，然后采用GMAW 進行填充焊接；堆焊厚度超10mm 后，對每層焊縫采用大號風槍和扁鏟進行錘擊；

（3）焊后進行350℃×4 小時的消氫處理。

4 熱影響區裂紋缺陷

主體裂紋缺陷按照上述工藝返修后，焊縫經PT 檢驗，無線性顯示。但在補焊焊縫鄰近母材熱影響區發現細微分叉型裂紋顯示，裂紋沿焊縫熔合線分布，消缺深度約8mm。消缺并采用GTAW 補焊，又在新焊縫熱影響區再次開裂，如此反復多次。

5 熱影響區裂紋原因分析

5.1 材質疏松

（1）肉眼觀察熱影響區裂紋開口較窄，但進行著色檢查，紅色顯示逐漸變寬，呈帶狀，且反紅顏色逐漸加深。

（2）據實施補焊焊工反映，主體缺陷打底層焊接時有反泡現象。

（3）缺陷部位為毛坯壁厚最大處，也是鑄造冒口所在。

據上述三點判斷，缺陷部位母材組織疏松嚴重。

5.2 殘余應力大

氣缸已精加工，為避免熱處理變形風險，前期多次補焊返修均未做去應力熱處理，母材表面拉應力水平較高。

5.3 接頭高匹配

根據ASMEIIC 篇，氣缸前期補焊選用AWSA5．18ER70S-3 焊絲，焊縫力學性能見表2。

通過對比可發現，焊縫強度等級較母材高，接頭為高匹配。且焊縫致密而母材疏松，母材為薄弱點，首先開裂。

表2 焊材力學性能

5.4 熱影響區組織脆弱

母材材質為低碳鋼，屬于不易淬火鋼。熱影響區為過熱粗晶組織，塑性和韌度明顯下降，是焊接接頭中最薄弱點。

5.5 拘束應力大

從結構分析，裂紋位于槽底與槽壁夾角處，此部位氣缸拘束應力大，焊縫應力集中嚴重。

5.6 補焊處散熱快

因熱影響區裂紋消缺體積較小，前期補焊采用火焰烤槍局部預熱，熱量較集中，溫度梯度大，散熱快，熱收縮應力大，使母材表面拉應力水平進一步惡化。

5.7 GTAW 熔深淺

熱影響區裂紋消缺體積小且靠近精加工表面，為避免飛濺，前期補焊采用GTAW 焊接。相較SMAW 焊接而言，GTAW 焊接熱輸入小，熔深較淺。

我們知道，焊接應力主要由熱應力和相變應力組成。熱應力是指焊接熱循環引起接頭溫度場變化產生的應力，相變應力是指焊縫金屬在凝固后冷卻過程中由γ 相變為δ 相體積變化產生的應力[2]。

結合本案例進行分析，由于工件進行100-150℃預熱，焊接熱循環引起的溫度場變化可以忽略。而相變應力僅與焊道體積相關。

以單道焊縫進行分析，假設有2 條體積相等（焊道寬度、焊道長度、焊道形狀完全相同）焊道，那么焊接收縮力F 一定，熔深h越淺，受力截面積S=l×h（l 為焊道長度）越小，應力σ=F/S 越高。

多道焊同理，應力σ 與熔深h 為反比例關系。可見，GTAW焊接造成的較淺熔深導致熱影響區受力截面較小，熱影響區所受焊接應力較大。

5.8 熱影響區開裂原因分析小結

綜上所述，材質疏松導致母材強度下降，熱影響區過熱粗晶組織導致塑性韌性下降，前期大面積補焊的殘余應力，工件結構引起的拘束應力，局部加熱引起的熱收縮應力，補焊焊縫的收縮應力，低熔深引起的較小受力截面等多種不利因素的有機疊加導致了熱影響區開裂[3]。

6 熱影響區裂紋補焊工藝

針對上述分析的熱影響區裂紋誘因，逐項制定工藝措施如下：

6.1 錘擊夯實母材

消缺后，采用風槍、尖形鏟頭，充分錘擊消缺坡口表面，直至坡口表面呈密集、均勻的蜂窩狀麻點，達到夯實母材的目的；同時可將表面拉應力變為壓應力。

6.2 大范圍預熱

焊前對氣缸待焊區域正反面進行充分預熱，緩慢升溫并擴大加熱區域，最大程度地減小拘束應力。

6.3 選取低匹配焊材

采用較母材強度等級略低的GB/T5117E4315 焊條（力學性能見表2）進行補焊，接頭低匹配，以期獲得與疏松母材強度相當的致密焊縫，將應力均勻分布在母材和焊縫上。

6.4 采取SMAW 焊接

采用熔深較深的SMAW 焊接方法進行補焊，適當增大焊接電流，降低電弧電壓，同時短弧焊接，增加焊縫熔深，從而增大受力截面積，降低應力水平。

6.5 控制熱輸入

采用小規范快速焊減小熱輸入，在保證坡口側壁熔合良好的前提下，盡量不擺動，分層分道施焊。

6.6 跟蹤錘擊

每道焊接完畢，立即用風槍密集、充分錘擊焊縫，降低焊縫收縮應力。

6.7 大范圍后熱、緩冷

焊后，對補焊處及鄰近100mm 范圍進行后熱處理并包裹石棉布緩冷，嚴格控制降溫速度，使熱收縮應力在較大范圍內均勻化。

按上述方案嚴格實施，缺陷最終補焊合格。

7 結語

（1）該鑄造氣缸材質焊接性良好，造成焊后開裂的主要原因是母材顯微組織疏松；補焊未做去應力熱處理，使補焊區域殘余應力水平進一步惡化，造成母材表面拉應力水平高。

（2）對材質疏松引起的裂紋，應從夯實母材，降低拘束度，降低溫度梯度，降低接頭匹配等級，增加焊縫熔深，減小焊接應力等方面入手，制定補焊方案。