異種鋼焊接接頭的焊縫熔深的控制

陳長江

摘要:文章主要介紹了利用不銹鋼材料的特殊性能,采用熔化極氣體保護焊焊接方法,制作軌道交通部件工作試件過程中,如何選用焊接參數,控制焊接接頭的焊縫熔深,將不銹鋼材料與碳鋼材料焊接在一起,達到實現產品特殊功能、降低產品成本、檢驗焊工的工作技能和產品結構合理性的目的。

關鍵詞:焊接材料;焊接參數;焊接工藝;焊縫熔深中圖分類號:TG456

中圖分類號:TG316 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0119-01

在產品設計中,設計者往往會根據需要將不銹鋼材料與碳鋼材料焊接在一起,這樣既實現了產品的某種特殊功能,同時也降低了產品成本。譬如,在電力機車的主變壓器油箱里,主變壓器油箱體是采用Q345E鋼板,而主變壓器的安裝座則采用了1Cr18Ni9Ti不銹鋼板;又如,電力機車機械間的各種設備柜和機車前頭的排障器的接地座均是采用0Cr18Ni9的棒材,而柜體則是Q235B鋼板。如今,在各個領域中,利用不銹鋼材料具有耐腐蝕性能、力學性能(屈服強度、抗拉強度、蠕變強度、高溫強度、低溫強度等)、物理性能(密度、比熱容、線膨脹系數、導熱系數、電阻率、磁導率、彈性系數等)、工藝性能(成形性能、焊接性能、切削性能等)以及金相(相組成、組織結構等)等特點越來越受到廣泛的應用。

近年來,軌道車輛的焊接逐步推行了德國DIN 6700標準、歐洲EN 15085標準的焊接體系,一些非標準的焊接接頭必須通過工作試件的形式來認可焊工的技能或者結構的合理性,因而,制作該類工作試件是必不可少的。

在眾多焊接方法中,熔化極氣體保護焊(簡稱MAG焊)因其電流密度大,熱量集中,熔敷率高,焊接速度快、容易引弧等特點而廣泛應用于橋梁、建筑、車輛的結構鋼、低合金鋼的焊接生產中,同時還適合于機器人化焊接生產,遠遠優于手工電弧焊、鎢極氬弧焊等焊接方法,電力機車的設備柜的接地座與柜體的焊接(如圖1)就是采用了熔化極氣體保護焊,根據焊接冶金成分和材料強度選擇原則,該類接頭應選用不銹鋼焊絲作為焊接材料,牌號為ER309L,焊接氣體則選用98%Ar+2%O2。

以接地座的工作試件為例,如圖2,其中底板為Q235B碳鋼,底板尺寸為12 mm×150 mm×150 mm,螺座直徑為φ25 mm,高度35 mm,焊縫厚度為a4,焊接參數見表1。

根據工作試件宏觀金相檢測結果來看,作為底板的碳鋼件的熔深則非常小,而不銹鋼螺座則出現較大熔深。為了保證焊接質量,保證焊接接頭強度滿足要求,因而螺座與底板的焊縫熔深都必須滿足熔深要求,下面就以兩種材料的焊接性能及存在的焊接操作問題進行原因分析,并據此制定具體的焊接工藝措施,然后焊接工作試件并對此進行宏觀金相檢測。

1焊接性能分析

1.1焊接材料

0Cr18Ni9不銹鋼和Q235B碳鋼的化學成分及力學性能如表2、3所示。

從以上表格可以看出,0Cr18Ni9(1Cr18Ni9Ti)不銹鋼和Q235B(Q345E)碳鋼化學成分差異很大,因此它們的焊接屬于異種鋼焊接,要在該熔焊的條件下獲得滿意的焊接接頭存在許多問題。

1.2原因分析

①熱導率和比熱容的差異。金屬的熱導率和比熱容強烈地影響著被焊材料的熔化、熔池的形成,以及焊接區溫度場和焊縫的凝固結晶。0Cr18Ni9不銹鋼熱導率較Q235碳鋼低,約為Q235B碳鋼的一半,這么大的差異可使兩者的熔化不同步,熔池形成和金屬結合不良,導致焊縫結晶條件變壞,焊縫性能和成形不良,從而影響焊縫熔深。

②基于上述原因,焊槍的焊接角度、焊接位置也有一定影響。實際操作過程中,焊絲末端確實是對準兩工件的直角頂點,從而造成螺座與底板的焊縫熔深不一致。

2焊接工藝措施

①正確選擇操作工藝方法。將焊槍從直角頂點遠離螺座圓弧面平移一段距離,即仍然保持45°不變,但焊絲的接觸點在距直角頂點1.5～2.5mm處,使電弧稍集中在碳鋼母材側,確保兩母材金屬受熱均勻一致,從而保證了焊接接頭熔深一致。見圖3。

②對碳鋼進行預熱操作。焊前對碳鋼板預熱也能彌補兩種材料因熱導率不一致引起的焊縫熔深不一致,預熱溫度一般為100～200°,預熱溫度過高,會導致焊縫的冷卻速度變慢,有可能引起焊接接頭晶粒邊界碳化物的析出和形成鐵素體組織,大大地降低接頭的沖擊韌性。預熱溫度過低,則起不到預熱的作用,無法防止焊縫熔深不一致的形成。對于多層焊,則應考慮層間溫度,讓前一層焊縫冷卻至100～200℃后再焊下一道焊縫。

③采用合理的焊接參數。為防止在實際應用中由于焊縫的一側晶體粗大而產生脆化和裂紋,還要選用小的熱輸入,小的焊接電流,較大的焊接電壓,較快的焊接速度,小直徑焊條或焊絲等,具體調整后的焊接工藝參數如表4。

按以上調整后的參數進行焊接的螺座的工作試件的宏觀金相如圖4所示,由此看出,底板的熔深已大大增加。

3結 語

對于0Cr18Ni9不銹鋼與Q235B碳鋼的異種鋼焊接,通過選擇合理的操作工藝,選取合適的焊前預熱溫度、焊接電流及速度等焊接工藝參數,就能獲得良好的焊接效果,滿足焊縫熔深要求。

參考文獻:

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