30CrMnSiA殼體焊接工藝

白 平

（貴州航天風華精密設備有限公司，貴州 貴陽 550003）

對中等壁厚構件的熔焊，目前采用的焊接方法很多，如埋弧焊、焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊、MAG焊、激光焊、A-TIG焊、激光+MIG復合焊、激光+MAG復合焊、真空電子束焊、CO2焊、電渣焊等等。從達到焊縫質量的要求來看，幾乎上述焊接方法都能達到I縫焊縫要求。傳統焊接方法一般采用焊條電弧焊、TIG焊、埋弧焊、MIG焊、MAG焊、CO2焊、電渣焊等等，其各有差異。

TIG打底+焊條電弧焊蓋面其實是在焊接生產中使用頻率較高的一種焊接方法，但由于該種焊接方法均使用普通的TIG焊及焊條電弧焊，反而在相關文獻上報道的不多。該種焊接方法利用TIG焊打底，焊條電弧焊蓋面。這樣，兼顧了打底焊焊縫質量保證及焊接效率，也是公司目前能達到的一種焊接方法，只是如需保證焊縫力學性能如焊縫抗拉強度、延伸率等，需進行大量的焊接工藝試驗，試驗在不同焊接方法、熔合比情況下的焊縫力學性能[1]。

1 產品的結構特點及焊縫質量要求

1.1 產品的結構特點

殼體主要由前封頭、中間筒段和后封頭三部分焊接而成。中間筒段及與之連接部分的前封頭和后封頭的對接焊時材料厚度均為9.2mm，中間筒段的長度為3092mm，其內徑為φ301.6+0.2 0mm，要求焊縫等級為I級。從殼體結構來看，該結構屬于中等壁厚高強度鋼殼體的焊接。

1.2 產品的焊縫質量要求

殼體對焊接的要求：I級焊縫；焊后殼體直線度不大于1mm；內腔焊縫余高不大于0.4mm；焊縫抗拉強度不小于1080MPa、屈服強度不小于900MPa、延伸率不小于8%；焊縫接頭彎曲角不小于35°。

2 產品的焊接工藝設計

2.1 焊接工藝試驗

2.1.1 試驗材料

試驗材料中母材的牌號及狀態的選用與殼體相同，材料為30CrMoSiA，厚度為9.2mm，退火狀態，其抗拉強度為692MPa～706MPa，延伸率為20%～24%。擬采用TIG焊打底、焊條電弧焊蓋面的焊接方法，TIG焊時采用公司現有的直徑為φ2的H18CrMoA焊絲，焊條電弧焊蓋面時分別選用E5015和E8515兩種焊條進行試驗。

2.1.2 試驗方法

（1）母材焊前狀態：母材焊前狀態除了殼體長度外與產品零件基本相同，試驗材料也選用筒狀態，內徑為φ301.6，試件長度為150mm，焊接坡口按產品的焊接坡口（單邊坡口角度為35°，鈍邊為0.5mm）。焊前熱處理狀態為退火或正火狀態，焊后進行整體調質處理以達到設計要求的強度。

（2）焊前清理：母材待焊表面焊前先進行吹砂處理，定位焊接前用鋼絲刷仔細打磨待焊區域20mm范圍內至出現金屬光澤后用丙酮擦拭待焊處以去除待焊處表面的油污及其它污物。

（3）焊前預熱及焊條烘干：30CrMoSiA屬于典型的中碳調質鋼，由于含碳量及合金含量較高，焊接性能稍差，易出現焊縫中熱裂紋、冷裂紋、過熱區硬化及熱影響區軟化等缺陷，根據機械工業出版社出版的《焊接工程師手冊》（陳祝年編著），該鋼種焊接時最好采用高預熱溫度（200℃～300℃），但根據實際生產經驗，如焊后無裂紋產生，也可考慮低預熱溫度（100℃～200℃），考慮到產品零件較長，無法用烘箱進行預熱，故采用焊接時局部用電爐加熱的辦法進行，焊前先用電爐加熱待焊區域1h以下，待焊區域能達到約150℃左右[2]。

焊接試驗中焊條均為低氫型焊條，其烘干溫度定為350℃，保溫1h以上，焊接時用保溫筒通電保溫，并隨用隨取，以確保焊條干燥。

（4）焊接電流種類及極性：TIG焊接時使用交流電源主要是利用交流電弧焊接時的“陰極霧化”清除待焊表面的氧化膜層，這對于有色金屬如鋁合金的TIG焊是相當重要的，對于黑色金屬的TIG焊，一般不需要進行氧化膜的清理，且采用交流電弧時鎢極的承載能力較差，故試驗時TIG采用直流電源。對焊條電弧焊，由于低氫型焊條藥皮中含有較多的螢石（CaF2），在電弧氣氛中分解出電離電位較高的氟，使電弧的穩定性降低，如果再采用交流焊機，將無法建立穩定的電弧，故試驗時焊條電弧焊采用直流電源[3]。

對于熔化焊時，陽極產生的熱量約占總熱量的2/3，陰極產生的熱量約占總熱量的1/3，而TIG焊時，由于鎢極的承載能力有限，故打底時的TIG焊采用直流正接（工件接電源正極，焊槍接電源負極）。焊條電弧焊由于采用低氫型焊條，如果采用直流正接，熔滴向熔池過渡時，將受到由熔池方向射來的正離子流的撞擊，阻礙了熔滴的過渡，造成飛濺和電弧不穩。其次，采用直流反接法焊接時，不僅可減輕飛濺等現象，而且由于熔池處于陰極，由焊條方向射來的氫正離子與熔池表面的電子中和而形成氫原子，減少了氫氣孔，故試驗時焊條電弧焊采用直流反接（焊槍接電源正極，工件接電源負極）。

（5）焊接工藝參數：打底焊采用TIG焊，工藝參數的選擇原則是獲得良好的焊縫外觀，無未焊透、未熔合、咬邊缺陷，保證在焊接時不出現熱裂紋，焊后在調質處理前不出現冷裂紋，焊接工藝參數見表1。

表1 焊接試驗工藝參數

由于中碳調質鋼在300℃～450℃時出現第一類回火脆性，因而，焊接時層間溫度應避開此溫度區域，在填充焊及蓋面焊時需待焊縫冷卻到200℃～290℃才可以焊接，避開回火脆性溫度區間，有效減小焊后熱影響區脆化程度，提高焊縫的力學性能。另外，焊后采用緩冷的工藝措施，避免焊縫冷裂紋的產生。

（6）焊后熱處理：焊后熱處理包括焊后去應力退火和調質處理。為避免調質處理前出現延遲裂紋，中碳調質鋼焊后應即時進行后熱處理或回火處理。后熱處理即在等于或高于預熱溫度下保溫一段時間，由于該殼體零件尺寸較大，現場需較大的烘箱，故很難實施后熱處理。高溫回火處理680℃回火處理，根據相關標準，一般在一超過焊后8h內進行，焊接試驗時焊接試件按焊后8h進行680℃回火處理。

調質處理在全部焊縫焊接后進行，油淬淬火溫度為880℃～900℃，回火溫度約530℃。

（7）力學性能試驗：本試驗焊縫的力學性能主要有抗拉強度、屈服強度、延伸率及彎曲角等，前三項力學性能指標需制作焊縫拉伸試樣，如圖1所示。彎曲角需制作焊縫面彎、背彎試樣，如圖2所示。

圖1 拉伸試樣

圖2 彎曲試樣

2.1.3 試驗結果與分析

（1）焊縫質量：試驗殼體經焊接后用10倍放大鏡檢查焊縫外觀質量，無未焊透、未熔合、咬邊、焊瘤、裂紋等缺陷。

（2）力學性能試驗結果及分析：共焊接了兩件焊接試板1#和2#，打底焊均用TIG焊，焊絲H18CrMoA，1#試板的填充焊及蓋面焊均用焊條E5015，2#試板的填充焊及蓋面焊均用焊條E8515。焊后從1#試板上取2件拉伸強度試樣，編號分別為1-1和1-2，取2件彎曲試樣，編號分別為1-3和1-4。從2#試板上取2件拉伸強度試樣，編號分別為2-1和2-2，取2件彎曲試樣，編號分別為2-3和2-4。分別按圖1和圖2制作了抗拉強度試樣及彎曲試樣，并進行了拉伸和彎曲試驗，其結果見表2。

表2 力學性能試驗數據

從力學性能試驗情況可得出以下兩點結論：

（1）采用表3的焊接工藝參數，焊條電弧焊時使用E5015焊條，抗拉強度和屈服強度均不能達到設計文件的要求，焊條電弧焊時使用E8515焊條，抗拉強度和屈服強度均能達到設計文件的要求。

（2）采用表3的焊接工藝參數，焊條電弧焊時使用E5015焊條和E8515焊條，延伸率和彎曲角均能達到設計文件的要求。

（3）采用TIG焊打底+焊條電弧面填充及蓋面，焊絲選用H18CrMoA,焊條選用E8515完全能達到設計要求的力學性能。

比較E5015和E8515焊條焊接后焊縫試樣力學性能差異，作如下分析：

E5015為非合金鋼和細晶粒鋼焊條，其焊縫金屬的抗拉強度為不小于490MPa。E8515為熱強鋼焊條，其焊縫金屬的抗拉強度為不小于830MPa。兩種焊條的抗拉強度相差約340MPa,當要求焊縫及基體金屬需調質到一定的強度時，E5015焊條所焊接的焊縫抗拉強度不足，當然，也可以加大淬火后的硬度來提高焊縫金屬的強度，但其它的力學性能指標如延伸率就會大大的降低從而達不到設計文件要求。故本試驗中采用TIG焊打底+焊條電弧面填充及蓋面時，選用E8515作為焊條電弧焊的焊條是比較合適的。

3 結論

本文通過對某30CrMnSiA殼體進行了結構及工藝難點分析，結合公司現有工藝手段，采用TIG焊打底+焊條電弧焊填充及蓋面的方法進行了試驗件的焊接，并進行了各項力學性能檢測，通過檢測，試驗件采用H18CrMoA焊絲的TIG焊打底和采用E8515焊條填充和蓋面的TIG+焊條電弧復合焊完全能達到設計文件的要求。