45號鋼的焊接性的研究

摘 要：電機公司與日本三菱公司合作的核電項目中，汽輪發(fā)電機機座的吊攀的母材采用的是45號鋼。另外，在韓國黨津的水輪機也采用45號鋼作為大軸主要材料。此研究主要從45號鋼與Q235B的焊接；45號鋼作為基體母材，堆焊ER316焊材，兩個方向來研究45號鋼的焊接性。

關鍵詞：45號鋼；焊接性；研究

1 45鋼與Q235B、堆焊ER316的焊接性分析

碳鋼的焊接性優(yōu)良主要取決于冷裂紋的敏感性，接頭的韌性等。冷裂紋的敏感性主要取決于母材和熔覆金屬的化學成分，焊縫中溶解氫的含量和拘束度等條件；接頭韌性也與母材的成分，焊接熱過程，以及熱處理情況有關。

從表1（45號鋼與Q235B及ER316的化學成分及主要性能）中可以看出45號鋼的含碳量為0.42%-0.50%，而它的碳當量CE為0.50%-0.60%，如此高的含碳量和碳當量帶來的主要問題就是在焊接熱影響區(qū)，容易出現(xiàn)淬硬組織，帶來的強度提高，脆化和硬化，冷裂紋敏感性明顯增大。因此，此研究主要的目的就是得到合理的工藝參數(shù)，以避免在焊接過程中產(chǎn)生冷裂紋，以及提高接頭韌性，以獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。

表1

當45號鋼與ER316兩種化學成分差別很大的材料焊接在一起時，碳的遷移就是比較特殊的問題。在堆焊過程中，長時間的高溫會使奧氏體鋼界面附近發(fā)生反應擴散使碳遷移，結果在45號鋼一側(cè)形成脫碳層，奧氏體一側(cè)形成增碳層。由于兩側(cè)性能相差懸殊，接頭受力時可能引起應力集中，降低接頭的持久強度和塑性。

2 焊接工藝參數(shù)的選擇

2.1 焊接方法及焊材的選擇

結合公司產(chǎn)品實際情況，此課題優(yōu)先選擇GMAW方法進行試驗。而且，GMAW焊接方法也具有很多特點：GMAW方法能進行全位置焊接，電弧熔敷率較其他方法高。而選擇匹配的焊材也是異種鋼焊接的關鍵，吊攀的焊接選用的焊材為AWS A5.18 ER70S-6。而以45號鋼為基體母材，堆焊ER316的焊接時，將采用ER309為過渡焊材，ER316為敷面焊材。

2.2 預熱及層間溫度

預熱，是防止冷裂紋的有效措施。焊前合理的預熱有利于焊縫中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫至裂紋，同時降低焊接接頭的冷卻速度，防止焊縫及熱影響區(qū)域產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織。經(jīng)小鐵研試驗得出結論，當預熱溫度低于80℃時，小鐵研試件斷面及底部均有裂紋，當預熱溫度達到100℃時，小鐵研試件斷面及底部均未發(fā)現(xiàn)裂紋。焊接過程中要求層間溫度不低于預熱溫度，有利于降低焊縫中氫的含量，保證每層焊縫的質(zhì)量。

2.3 熱輸入對冷裂紋敏感性的影響

熱輸入對抗裂性的影響主要取決與對擴散氫的作用，為了避免大的焊接電流造成接頭初始氫含量的提高以及局部過熱造成的熱影響區(qū)硬化區(qū)域變寬，熱輸入值應控制在適當?shù)姆秶?/p>

2.4 焊接工藝參數(shù)

45號鋼與Q235B焊接時，焊接材料為AWS A5.18 ER70S-6，焊前預熱100℃，層間溫度為240℃。焊后熱處理溫度為600℃，保溫4h。具體焊接工藝參數(shù)見表2。

表2

當以45號鋼為基體母材，堆焊ER316耐腐蝕金屬時，選用焊接材料ER309堆焊過渡層，然后采用焊材ER316堆焊，焊前預熱100℃，層間溫度為160℃，并盡量降低加熱溫度和縮短高溫停留時間。具體工藝參數(shù)見表2。

3 焊后試驗件的實驗結果分析

3.1 宏觀檢測及無損檢測

45號鋼與Q235B對焊后的試板進行RT探傷檢測，執(zhí)行標準ASME Ⅸ QW-191，結果判定為合格。對45號鋼為基體母材，堆焊ER316耐腐蝕金屬的試件進行宏觀檢測，執(zhí)行標準ASME Ⅸ QW-183，母材與堆焊焊材完全熔合，無開裂，結果判定為合格。

3.2 力學性能實驗

力學性能是決定一個構件使用安全性的主要因素之一。對于焊接結構件來說，其安全性主要取決于焊接接頭，特別是焊接熱影響區(qū)的組織和性能。焊后的試板取樣圖參照ASME Ⅸ QW-463.1（b）執(zhí)行，試板的切取采用機械冷加工方法。拉伸試樣尺寸參照QW-462.1（a）執(zhí)行。兩組拉伸試驗試樣的斷裂位置均為母材Q235B一側(cè)，根據(jù)ASME Ⅸ QW-153拉伸試驗標準判定的結果為合格。

橫向側(cè)彎試驗尺寸參照QW-462.2執(zhí)行，即d=4a，彎曲角度為180°。根據(jù)ASME Ⅸ QW-163彎曲試驗標準判定，彎曲試驗結果為合格的。詳見圖1（45號鋼堆焊ER316的彎曲試樣），圖2（45號鋼與Q235B焊接彎取試樣）。

圖1 圖2

3.3 金相組織

觀察圖3圖4相圖，焊縫組織為貝氏體和馬氏體的混合組織，但是其中的馬氏體含量較少。金相圖中的熱影響區(qū)明顯的分為兩個部分：完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)。

圖3 圖4

熱影響區(qū)中的完全淬火區(qū)是指熱影響區(qū)中峰值溫度達到AC3以上的區(qū)域，由于該區(qū)內(nèi)所有金屬在加熱過程中都經(jīng)歷了奧氏體化，在焊接結束后快速冷卻后，形成淬火組織。不完全淬火區(qū)是指焊接熱影響區(qū)中峰值溫度處AC1-AC3的區(qū)域，在焊接過程中，鐵素體基本不發(fā)生變化，只有珠光體等轉(zhuǎn)化為含碳量較高的奧氏體。在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

4 結束語

用焊絲ER70S-6焊接45號鋼與Q235B，通過控制工藝參數(shù)。使得焊縫接頭性能可以達到異種鋼母材的機械性能，能夠滿足生產(chǎn)技術要求。而且，45號鋼與Q235B的焊接也已應用于的汽輪發(fā)電機的吊攀的焊接生產(chǎn)中。

以45號鋼為基體母材，在表面堆焊ER316奧氏體不銹鋼焊材，結構穩(wěn)定，能改善原表面的性能。滿足產(chǎn)品關于堆焊層的耐腐蝕性要求。

參考文獻

[1]劉俊，戴毅，文雨生，等.45鋼焊接接頭組織和性能的定量分析[J].維普資訊，2002.

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