淺談異種鋼焊縫裂紋消除方式的優(yōu)化及再焊接

陳 敏，劉聞忠，陳羅剛

（中車(chē)長(zhǎng)江車(chē)輛有限公司，湖北 武漢 430212）

0 引言

在日常貨車(chē)檢修工作中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)搖枕斜面磨耗板焊縫存在裂紋的現(xiàn)象，而如果在裂紋消除不徹底，或用再焊接的方式掩蓋焊縫裂紋時(shí)則會(huì)使焊縫再次開(kāi)裂，甚至?xí)仁沽鸭y延展導(dǎo)致磨耗板產(chǎn)生裂紋。

例如，搖枕（八字面）磨耗板在焊接過(guò)程中因?yàn)楹笚l的運(yùn)條方式不合規(guī)范導(dǎo)致產(chǎn)生焊縫缺陷（裂紋及成型缺陷）。焊縫裂紋如圖1 所示。

圖1 焊縫裂紋

又如，不銹鋼材質(zhì)的磨耗板與鑄鋼材質(zhì)的搖枕在焊接成型過(guò)程中，因?yàn)殡娏麟妷翰黄ヅ浜筒僮髡叩倪\(yùn)條手法沒(méi)有完全達(dá)到工藝文件的要求，而造成焊縫沒(méi)有熔合的缺陷。焊縫未熔合如圖2 所示。

圖2 焊縫未熔合

1 裂紋原因

搖枕材質(zhì)為鑄鋼件ZG230-450，斜面磨耗板為不銹鋼材質(zhì)即（06Cr19Ni10），是奧氏體不銹鋼，這二者屬于異種鋼的焊接，異種鋼焊接接頭容易出現(xiàn)碳遷移。碳遷移會(huì)造成接頭高溫力學(xué)性能下降，焊接邊界兩側(cè)分別產(chǎn)生富碳區(qū)和貧碳區(qū)，是裂紋產(chǎn)生的根源。另外，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接過(guò)程中高溫的影響都會(huì)造成焊接應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[1]。八字面磨耗板與搖枕鋼材的化學(xué)成分占比如表1 所示。

表1 八字面磨耗板與搖枕鋼材的化學(xué)成分占比

碳當(dāng)量的計(jì)算公式：

當(dāng)碳當(dāng)量≤0.4%，焊接性好；當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%～0.6%，焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱；當(dāng)碳當(dāng)量≥0.6%焊接性差，屬較難焊接材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方案實(shí)施焊接。通過(guò)計(jì)算，搖枕的碳當(dāng)量為0.44%，有明顯的淬硬性傾向，當(dāng)搖枕與八字面磨耗板進(jìn)行焊接時(shí)，搖枕的焊接性能較差，焊前需進(jìn)行預(yù)熱[2]。

2 裂紋的消除方式

裂紋及缺陷的消除方式一般采用角磨砂輪機(jī)、碳弧氣刨、等離子弧清除方式，其中，角磨砂輪機(jī)、碳弧氣刨是傳統(tǒng)方法，在日常中應(yīng)用較為廣泛，等離子弧清根和消除裂紋是較新的方法。

2.1 砂輪磨削

（1）砂輪磨削的優(yōu)點(diǎn)。①可以用于大部分金屬材料。②設(shè)備簡(jiǎn)易方便，易于操作。③磨削后坡口表面光滑，無(wú)其他異物出現(xiàn)，為后續(xù)焊接工作提供便利。

（2）砂輪磨削的缺點(diǎn)。①由于手工打磨操控難度較高，受人體差異的影響較大，很難保證坡口尺寸和形狀的一致性。②砂輪磨削難以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，勞動(dòng)強(qiáng)度大，噪聲高，磨削粉塵多，工作環(huán)境惡劣，對(duì)人身傷害較大，不利于工作人員長(zhǎng)時(shí)間操作（尤其是在對(duì)不銹鋼焊縫進(jìn)行打磨時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度更大）。③受砂輪弧度影響，部分裂紋位置難以達(dá)到。

2.2 碳弧氣刨

碳弧氣刨是利用碳極和金屬之間產(chǎn)生的高溫電流，在較短時(shí)間內(nèi)把金屬局部加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)利用壓縮空氣產(chǎn)生的高速氣流把這些熔化金屬吹掉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬母材進(jìn)行刨削和切割的一種加工工藝方法。碳棒在碳弧氣刨時(shí)，作為電極，用作傳導(dǎo)電流和引燃電弧，常用的是鍍銅實(shí)心碳棒，鍍銅的目的是更好的傳導(dǎo)電流。外形有圓碳棒和扁碳棒兩種，圓碳棒主要是用于在焊縫背面清理焊根，扁碳棒刨槽較寬，可以用于開(kāi)坡口，刨焊瘤或切割量較大的金屬[3]。圖3 為碳弧氣刨。

圖3 碳弧氣刨

（1）碳弧氣刨的優(yōu)點(diǎn)。①適合于清除大量/大面積的金屬。②設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于大部分焊接接頭有良好的可達(dá)性。

（2）碳弧氣刨的缺點(diǎn)。手工操作碳弧氣刨，清根后的焊縫往往寬窄不一，深淺不勻，形狀和尺寸的一致性很難得到保證，同時(shí)還產(chǎn)生大量煙塵，必須進(jìn)行有效的通風(fēng)除塵。碳弧氣刨清根時(shí)產(chǎn)生的噪聲和煙氣都對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，不利于操作人員的身心健康和環(huán)保。刨后的不銹鋼表面容易產(chǎn)生結(jié)碳現(xiàn)像，必須將增碳層的表面全部打磨清除，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)焊縫質(zhì)量和焊接效率有直接影響。而且碳弧氣刨所用碳棒，目前均使用瀝青作黏結(jié)劑，因此碳弧氣刨作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的有害氣體中含有毒性較大的有強(qiáng)致癌物的苯并芘等。再者，碳棒燒損快，需不斷調(diào)整碳棒伸出長(zhǎng)度和更換碳棒，不能連續(xù)作業(yè)，導(dǎo)致工作效率低，操作成本高。

2.3 等離子氣刨

等離子在焊切領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它是利用高溫在噴嘴處噴射出來(lái)的高速氣流離子化，從而形成導(dǎo)電體。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，該氣體即形成高溫等離子電弧，電弧的熱量使工件切口處的金屬局部瞬間熔化（和蒸發(fā)），并借助高速等離子氣流的動(dòng)力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法，且無(wú)滲碳現(xiàn)象伴隨，方便后繼焊接工作。

（1）等離子氣刨的優(yōu)點(diǎn)。①可以用于任何金屬材料。刨后的溝槽，焊接前僅需少量或不需清理。由于刨后的表面清潔，無(wú)任何增碳，等離子氣刨特別適合于鋁和不銹鋼材料。②比碳弧氣刨噪聲低。③比碳弧氣刨時(shí)的煙塵發(fā)生量少。④由于刨后不增碳，焊前不需要打磨除碳。

（2）等離子氣刨的缺點(diǎn)。①可能需要額外的保護(hù)設(shè)備。②刨的深度和可達(dá)性受所用的等離子槍限制。③設(shè)備的可移動(dòng)性差，消耗品更昂貴（鎢極、等離子噴嘴等）。④較高的操作電壓，更容易發(fā)生電擊傷害。等離子氣刨與碳弧氣刨的成本比較如表2 所示。

表2 等離子氣刨與碳弧氣刨的成本比較

3 裂紋消除后再焊接的技術(shù)要點(diǎn)

（1）焊接前必須將缺陷徹底清除，根據(jù)鑄鋼件缺陷類別，對(duì)焊接區(qū)缺陷可采用切削，碳弧氣刨、等離子氣刨或機(jī)械加工等方式清除。

（2）徹底清理焊接區(qū)及坡口周?chē)?0mm 內(nèi)的粘砂、油污、水漬、銹蝕等異物。

（3）焊前預(yù)熱，由于碳素鋼的熱傳導(dǎo)率比不銹鋼大得多，所以預(yù)熱溫度應(yīng)該按碳素鋼來(lái)選，比單獨(dú)焊接同類碳素鋼的預(yù)熱溫度略低一些即可，通常焊接碳素鋼與奧氏體不銹鋼的預(yù)熱溫度選為100～150℃。

（4）在條件允許的情況下，盡可能將焊縫置于水平位置進(jìn)行施焊。

（5）焊接時(shí)，運(yùn)條動(dòng)作盡量避免做振幅較大的橫向擺動(dòng)，減少焊接熱輸入量。

（6）嚴(yán)格控制母材金屬的稀釋率，焊縫層數(shù)越多，熔合比越小，母材金屬受熱作用的時(shí)間越長(zhǎng)，由于填充材料增加，使母材金屬稀釋率降低。鑄鋼件表面堆焊接時(shí)，焊道間的重疊量應(yīng)大于焊道寬度的1/3。焊肉飽滿，焊接面的焊縫外觀平滑，無(wú)咬邊的缺陷，焊波均勻，飛濺較少。焊縫高度一般與鋼板接近，采用斷弧焊時(shí)，焊縫長(zhǎng)度及間隔應(yīng)均勻一致。焊接時(shí)要求焊縫高度不能小于母材（焊件）的厚度。不同厚度的母材（焊件）焊接時(shí)，焊縫高度不能小于最薄母材（焊件）厚度。為解決化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐腐蝕性等問(wèn)題，一定要遵循適當(dāng)?shù)暮附庸に囘^(guò)程，限制母材和不銹鋼磨耗板的熱輸入量。限制熱輸入會(huì)減低焊縫熔敷金屬在接頭低碳鋼部分的稀釋，反過(guò)來(lái)，卻有助于保持焊縫熔敷金屬的合金成分和它的耐腐蝕性。在某些不銹鋼焊接中，中等熱輸入量也能保護(hù)接頭不銹鋼一側(cè)的耐腐蝕性，避免其組織產(chǎn)生不希望有的相成分。例如，焊接300 系列奧氏體不銹鋼時(shí)，如果在800～1400°F 停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)析出碳化物沉淀。減少該溫度區(qū)間的停留時(shí)間———選擇含碳量低的母材和填充金屬能防止類似問(wèn)題產(chǎn)生。同時(shí)，使用穩(wěn)定性高的填充金屬（ER321 或ER347）也能保證并且進(jìn)一步防止碳化物析出[4]。

（7）焊后處理。由于焊接異種鋼時(shí)，兩種材料的熱膨脹和熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，會(huì)引起一些困難。焊接過(guò)程中由于不銹鋼側(cè)熱量較高，導(dǎo)致其自然膨脹和收縮。相反，碳鋼由于具有良好的導(dǎo)熱性，因此，在焊接接頭冷卻時(shí)冷卻速度更快，結(jié)構(gòu)收縮也更快。這勢(shì)必會(huì)造成異種鋼焊接時(shí)產(chǎn)生翹曲和錯(cuò)位。當(dāng)兩種母材金屬的熱膨脹和收縮差異所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了任一種母材的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起開(kāi)裂。焊接不銹鋼和碳鋼時(shí)，針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，要避免較高拘束度的焊接接頭，以免焊接接頭加熱和冷卻時(shí)產(chǎn)生的高應(yīng)力。如果確實(shí)要焊接高拘束度焊接結(jié)構(gòu)，采用中等熱輸入和預(yù)熱來(lái)延遲焊縫完成后接頭的冷卻速度。最后一道焊道完成后對(duì)接頭進(jìn)行保溫也能減緩冷卻速度，防止熱應(yīng)力開(kāi)裂。

據(jù)下發(fā)的工藝文件，焊條選用標(biāo)號(hào)為A307 的不銹鋼焊條，且須在烘箱內(nèi)經(jīng)250～300℃烘干1～2h。如果鑄鋼側(cè)厚度大于30mm 需預(yù)熱到100℃，但焊接層間溫度控制在150℃以下，焊接時(shí)盡量采用小直徑焊條，焊條熱量中心偏向不銹鋼側(cè)，無(wú)論何種不銹鋼與鑄鋼或碳鋼焊接，用標(biāo)號(hào)為A307 的奧氏體不銹鋼焊條就可。為減小焊縫熔合比，減小熱輸入量，除了正確選擇焊條外，還要合理地控制焊接工藝參數(shù)，如采用小電流、短弧、快速焊、運(yùn)條盡量不作橫向擺動(dòng)等。直流反接，電弧穩(wěn)定，飛濺少[5]。根據(jù)以上技術(shù)要點(diǎn)再次焊接后的實(shí)際情況如圖4 所示。

圖4 根據(jù)以上技術(shù)要點(diǎn)再次焊接后的實(shí)際情況

4 結(jié)語(yǔ)

如上分析，當(dāng)異種鋼（不銹鋼與鑄鋼）出現(xiàn)焊縫裂紋時(shí)，在各方條件較為允許的情況之下，采用等離子氣刨的方式來(lái)消除裂紋是最經(jīng)濟(jì)高效的，更能為裂紋消除后的再焊接提供一些便利。處理過(guò)后的焊縫表面應(yīng)清理干凈，保持光滑。不得有焊瘤，凹坑等缺陷。焊接件接合處的錯(cuò)位必須打磨平滑過(guò)渡。焊縫表面不應(yīng)有氣孔、裂紋、夾渣、未熔合和未焊透的情況出現(xiàn)。