中碳調(diào)質(zhì)鋼30CrNi3焊接工藝及生產(chǎn)應(yīng)用

薛根奇，張國(guó)平，陳思遠(yuǎn)

(1.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001；2.平頂山學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 前言

密封桿為特高壓斷路器的重要元件，其作用為斷路器開(kāi)斷的動(dòng)力傳動(dòng)軸。為滿足產(chǎn)品的使用要求，選用材料需有優(yōu)良的淬透性、高強(qiáng)度、高韌性、低冷變形塑性、良好的切削加工性等，并且對(duì)材料的綜合機(jī)械性能和工藝性能要求高。30CrNi3具有優(yōu)良的淬透性，較高的強(qiáng)度和韌性，較低的冷變形塑性，良好的切削加工性，綜合機(jī)械性能和工藝性能良好，但焊接性差，熱裂紋敏感性和冷感性均較大，熱處理過(guò)程中無(wú)回火脆性傾向，常用于受扭轉(zhuǎn)或沖擊載荷較高并且淬透性要求較高的軸類(lèi)工具，如傳動(dòng)軸、齒輪、曲軸、蝸桿等，也可用作鍵、螺栓、螺母、連桿等，一般均在調(diào)質(zhì)情況下使用。對(duì)于中碳調(diào)質(zhì)鋼34CrNi3MoA、30CrNiMoA的焊接和補(bǔ)焊國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者有一定的研究[1-7]，對(duì)30CrNi3A的熱處理規(guī)范也有研究[8]，但對(duì)30CrNi3的焊接研究及生產(chǎn)應(yīng)用較少。

1 焊接性分析

30CrNi3為中碳調(diào)質(zhì)鋼，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1，熱處理規(guī)范：淬火820℃油冷；回火500℃，水冷，機(jī)械性能見(jiàn)表2。

表1 30CrNi3化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 30CrNi3 %

表2 30CrNi3機(jī)械性能Tab.2 Mechanical properties of 30CrNi3

1.1 焊接冷裂紋分析

材料的焊接冷裂敏感程度取決于材料的淬硬傾向，由于30CrNi3合金元素高，強(qiáng)度級(jí)別高，淬硬傾向明顯，焊接時(shí)具有冷裂紋傾向。常用CE（國(guó)際碳當(dāng)量公式）、Ceq（日本碳當(dāng)量公式）、Pcm（合金元素的裂紋敏裂系數(shù)）來(lái)評(píng)價(jià)材料焊接冷裂紋傾向[9]。CE、Ceq超過(guò) 0.60%，Pcm超過(guò) 0.40%以上時(shí)，鋼的冷裂傾向逐漸增加，淬硬傾向隨之增加。

將30CrNi3化學(xué)成分的最高值分別代入CE、Ceq、Pcm，計(jì)算結(jié)果 CE=0.822%＞0.6%，Ceq=0.82%＞0.6%，Pcm=0.44%＞0.4%，30CrNi3 具有較大的淬硬傾向，焊接接頭熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，接頭具有一定的冷裂傾向，焊接性差，焊接時(shí)必須采取必要的措施，焊前預(yù)熱、焊后熱處理或緩冷可防止冷裂紋的產(chǎn)生。

1.2 焊接熱裂紋敏感性分析

30CrNi3為中碳調(diào)質(zhì)鋼，合金元素及含碳量都較高，合金的液-固相區(qū)間較大，焊接冷卻過(guò)程過(guò)中會(huì)產(chǎn)生偏析，具有熱裂紋傾向。合金鋼的熱裂紋傾向一般采用熱裂紋指數(shù) Hes評(píng)定，若 Hes＞4.0，則說(shuō)明該鋼種在某種工藝條件下會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，熱裂紋指數(shù)公式為

將30CrNi3的化學(xué)成分代入式（4），計(jì)算得Hes=2.37＜4.0。由此可知，30CrNi3 鋼熱裂紋敏感性一般，只要焊接過(guò)程中采取合適的焊絲（一定的含Mn量，較低的S、P、H含量）和正確的焊接工藝可以控制熱裂紋。為了防止產(chǎn)生熱裂紋，采用Mn、Si較高的焊材，減少母材的熔合比，增大焊縫成形系數(shù)（焊縫寬度與焊縫高度之比）。焊條中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.15%以下，并且控制 S、P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.030%～0.035%，在焊接時(shí)注意保證良好的焊縫成形，焊接收弧時(shí)要保證填滿弧坑。

1.3 再熱裂紋敏感指數(shù)分析

焊件在一定的溫度范圍內(nèi)再次加熱，產(chǎn)生的裂紋為再熱裂紋，通常發(fā)生在焊縫熔合線附近的粗晶區(qū)，以合金元素含量評(píng)價(jià)鋼的再熱裂紋敏感性[10]

式中 ΔG＞2再熱裂紋敏感，2＞ΔG＞1.5時(shí)再熱裂紋敏感性一般，ΔG＜1.5時(shí)再熱裂紋不敏感。

計(jì)算可得，30CrNi3 的 ΔG=1.3～2.2，對(duì)再熱裂紋有一定敏感性。預(yù)熱及后熱可防止再熱裂紋產(chǎn)生，使用較低強(qiáng)度的焊材可提高其塑性變形能力。

1.4 熱影響區(qū)軟化

在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)存在熱影響區(qū)的軟化，在退火狀態(tài)下焊接，焊接后進(jìn)行熱處理，可不考慮熱影響區(qū)的軟化，對(duì)于補(bǔ)焊局部補(bǔ)焊不再熱處理，存在軟化現(xiàn)象。

綜上所述，30CrNi3鋼焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋和熱影響區(qū)的軟化等缺陷，制定焊接工藝時(shí)要選擇合適的焊接方法和焊接材料，確定合理的預(yù)熱溫度和層間溫度，選擇合理的規(guī)范和方法控制熱影響區(qū)的軟化程度，焊后進(jìn)行消除回火。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料和焊接方法

采用φ130 mm棒材經(jīng)鍛壓成板材，830℃保溫120～180 min，保溫結(jié)束后隨爐冷至300℃以下出爐空冷退火處理，加工平板，采用的特種焊條J857CrNi焊芯化學(xué)成分見(jiàn)表3。結(jié)合母材化學(xué)成分和機(jī)械性能，確定焊接工藝方案：焊前預(yù)熱350℃，TIG焊打底，焊絲采用J857CrNi焊條焊芯，焊條電弧焊填充及蓋面，保持層間溫度300℃±20℃，焊接后熱450℃，緩冷。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)工件尺寸及焊接接頭形式

TIG焊選用松下TX315TIG焊機(jī)，焊條電弧焊選用ZX300直流焊機(jī)。試件規(guī)格500mm×120mm×20mm，焊接接頭形式和焊接層次如圖1所示。

表3 J857CrNi焊條化學(xué)成分%Tab.3 Chemical composition of J857CrNi welding rod

圖1 坡口形式和焊接層次Fig.1 Form of groove and welding level

2.3 焊接工藝參數(shù)及技術(shù)措施

每層的具體焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接規(guī)范參數(shù)Tab.4 Welding parameters

焊接過(guò)程中采用的技術(shù)措施：

（1）由于30CrNi3具有較強(qiáng)的淬硬傾向和冷裂傾向，需要嚴(yán)格控制焊縫金屬的氫含量，J857CrNi焊條為堿性焊條對(duì)鐵銹、水分、油污較敏感，焊條350℃烘干1～1.5 h。焊前應(yīng)對(duì)坡口周?chē)M(jìn)行處理，徹底清除油污、銹跡、水分，焊接過(guò)程中焊條放在保溫筒中注意防潮。

（2）焊前預(yù)熱300℃～350℃，第一層TIG打底不加或加少量焊絲，焊絲采用J857CrNi焊絲；第二、三層(填充)、第四層（蓋面）采用焊條電弧焊，層間溫度控制在350℃，采用J857CrNi焊條，焊后將工件加熱到500℃后埋入沙堆中緩冷。

（3）打底焊保證根部焊透，焊接背面注意清根。

（4）用焊條填充焊時(shí)注意控制焊接缺陷，應(yīng)保證坡口兩側(cè)完全熔合，焊接時(shí)避免重復(fù)加熱，每層焊縫的接頭處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，中間填充層控制在4 mm以下，蓋面時(shí)避免咬邊，確保焊縫向母材圓滑過(guò)渡。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 外觀檢查

焊縫表面經(jīng)目視檢測(cè)無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，根據(jù) JB/T 4730.5-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》滲透檢測(cè)進(jìn)行著色滲透檢測(cè)，滲透檢測(cè)圖片如圖2所示，檢測(cè)結(jié)果符合JB/T 4730.5-2005Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

圖2 滲透檢測(cè)Fig.2 Penetrant testing picture

3.2 焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)及分析

按GB/T 3323-2005《鋼熔化焊對(duì)接接頭射線照相及質(zhì)量分級(jí)》要求，對(duì)焊接試件進(jìn)行X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)，檢測(cè)成像如圖3所示。內(nèi)部質(zhì)量良好，無(wú)焊接缺陷。射線檢測(cè)結(jié)果符合GB/T 3323-2005Ⅰ級(jí)的質(zhì)量要求。

圖3 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)Fig.3 Ray inspection real-time imaging pictures

3.3 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析。

對(duì)焊接試件制作機(jī)械性試樣，在焊態(tài)下進(jìn)行拉伸及彎曲試驗(yàn)，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)（840℃保溫130 min，油冷，保溫過(guò)程碳勢(shì)0.32%。淬火后600℃～620℃回火，保溫120～150 min）下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile test and the bending test results

焊態(tài)下焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為790.5 MPa，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為989.5 MPa，機(jī)械性能符合GB/T 3077-1999結(jié)構(gòu)鋼規(guī)定的要求。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

試驗(yàn)獲得的焊接工藝規(guī)范參數(shù)在特高壓封閉電器斷路器密封桿上的焊接應(yīng)用，密封桿在斷路器中起到開(kāi)斷弧動(dòng)力傳遞，并對(duì)SF6氣體密封。密封桿材料為30CrNi3，一端螺紋結(jié)構(gòu)旋入的兩端封閉的中空結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為保證焊接及調(diào)質(zhì)過(guò)程中的透氣性，單件上加工透氣孔，在退火狀態(tài)下焊接。

圖4 密封桿結(jié)構(gòu)Fig.4 Sealed rod structure diagram

焊接工藝技術(shù)措施：焊接預(yù)熱300℃，第一層TIG打底重熔或加少量焊絲，焊絲采用J857CrNi焊芯，第二層、三層、四層（蓋面）采用焊條電弧焊，層間溫度300℃，焊條 J857CrNi，由于焊接處無(wú)熱處理爐，焊后將工件加熱到350℃入沙中緩冷，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4，焊接效果如圖5所示。

圖5 密封桿焊接效果Fig.5 Welding effect diagram of 30CrNi3

焊縫表面清理后目視及滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，符合 JB/T 4730.5-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

焊件調(diào)質(zhì)處理硬度要求（840℃保溫130 min，油冷，保溫過(guò)程w（C）=0.32%。淬火后600℃～620℃回火，保溫 120～150 min）：HB=248～302，實(shí)測(cè)硬度 268，調(diào)質(zhì)處理后對(duì)透氣孔補(bǔ)焊封堵，透氣孔封堵局部工藝預(yù)熱100℃，避免溫度過(guò)高而軟化，用TIG焊補(bǔ)焊透氣孔，原焊縫熱影響區(qū)無(wú)軟化，硬度達(dá)到HB248以上，透氣孔補(bǔ)焊對(duì)附近的焊縫硬度影響不大。補(bǔ)焊后目視及滲透檢測(cè)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

5 結(jié)論

（1）中碳調(diào)質(zhì)鋼30CrNi3在退火狀態(tài)下的焊接采用TIG打底、焊條電弧焊填充及蓋面，采用J857CrNi焊條，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に囘M(jìn)行焊接，內(nèi)外部質(zhì)量?jī)?yōu)良。

（2）采用焊前預(yù)熱，保證焊接層間溫度，焊后緩冷的方法可防止30CrNi3焊接裂紋的產(chǎn)生。

（3）密封桿透氣孔的局部補(bǔ)焊對(duì)附近的焊縫硬度影響不大，補(bǔ)焊效果良好。

[1]張 楠，董現(xiàn)春，劉 宏，等.960級(jí)工程機(jī)械用鋼焊接性能試驗(yàn)研究[J].電焊機(jī)，2012，42（7）：1-5.

[2]于 彬.20Cr3Ni3鋼制管板與低合金高強(qiáng)鋼換熱管的焊接工藝[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008（2）：84-86.

[3]劉蔚倩.中碳調(diào)質(zhì)鋼34CrNiMoA焊接性研究[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006（1）：29-30.

[4]劉蔚倩，楊 劍.34CrNiMoA鋼焊接性能研究及焊接實(shí)驗(yàn)[J].岳陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（1）：49-51.

[5]馮 偉，曹 睿，彭 云，等.980MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接接頭的組織和性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2009（7）：17-20.

[6]譚 兵，張海玲，陳東高.30CrNi3MoV鋼單/雙絲焊縫組織與性能研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2009（3）：65-68.

[7]李夕強(qiáng)，葛兆祥，王 勇.34CrNi3Mo葉輪鍵槽補(bǔ)焊工藝[J].江蘇機(jī)電工程，2004（3）：23-24.

[8]王俊松.熱處理對(duì)30CrNi3A力學(xué)性能的影響[J].特鋼技術(shù)，2004（2）：27-29.

[9]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[10]陳著年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.