層間溫度對高強鋼焊縫熱影響區強度的影響

陳新旭，范如源

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 前言

30CrMnSiA是一種典型的Cr－Mu－Si系統的中碳調質鋼，化學成分和力學性能如表1、表2所示。因為它不含過多貴金屬Ni，調質后有很高的強度和足夠的韌性，淬透性好，加工性良好，加工變形微小，抗疲勞性能好。大量用于輪軸、齒輪、鏈輪、活塞類汽車和飛機等各種特殊耐磨零配件。中物院機械制造工藝研究所產品所用30CrMnSiA材料焊后不能調質處理，必須在焊前調質，焊后只退火。為滿足要求，既要防止冷、熱裂紋，又要防止熱影響區軟化，本研究通過大量焊接試驗，優化了焊接工藝過程，滿足設計要求。

表1 30CrMnSiA化學成份%

1 焊接性分析

30CrMnSiA屬于中碳調質鋼，這種鋼在退火狀態下的組織是鐵素體和珠光體，調質狀態下的組織為回火索氏體，根據美國焊接學會AWS推薦的碳當量公式:

式中 各合金元素的百分比含量取中間值;P的含量由于小于等于 0.05%而不計入。計算出30CrMnSiA的碳當量為0.73%。由于碳當量值較大，且淬透性較大，裂紋傾向大，焊接性能較差，對焊接材料的選擇和溫度都很敏感。

表2 30CrMnSiA力學性能

中碳調質鋼最好在退火(或正火)狀態下焊接，焊后再整體調質處理來改善熱影響區性能，這時主要考慮防止裂紋問題。選擇焊接材料的要求是保證不產生冷、熱裂紋，焊縫金屬與母材在同一規范下調質，能獲得相同性能的接頭。選擇焊接工藝的原則是保證在調質前不出現裂紋，如用較高的預熱溫度(200℃ ～350℃)和層間溫度，焊后立即進行消氫處理，防止冷裂。

如果必須在調質狀態下焊接，而且焊后不能調質處理，這時焊接的主要問題是防止裂紋和避免熱影響區軟化。

2 熱影響區軟化形成原因

熱影響區軟化是指焊后其強度、硬度低于母材的現象，主要出現在焊前經過淬火+回火的鋼中，軟化部位在回火區(加熱溫度為to～AC1的部位)。鋼經過淬火處理后，在回火過程中隨回火溫度升高強度和硬度逐漸下降，在回火區焊接加熱溫度超過了焊前回火溫度，相當于提高了回火溫度，強度必然低于焊前。軟化區從AC3開始，到AC1點達到最低值，然后逐漸回升，到to達到與母材相等。焊前回火溫度越低，強度下降的幅度越大(圖1中曲線A、B)。母材焊前是退火狀態，不存在軟化現象(圖中曲線C)。加熱溫度超過AC3的部位，加熱時發生相變重結晶，焊前熱處理效果消失。焊前熱處理狀態對這個部位的性能沒有影響。

圖1 調質鋼焊接熱影響區硬度分布示意

3 焊接試驗工藝過程

因產品特殊原因，焊后不能調質處理，必須焊前調質，硬度達到HB220～260，在調質狀態下焊接，焊后僅退火。設計要求焊后焊接試板的抗拉強度應不低于母材抗拉強度的90%，否則為不合格，所以焊接用試板和母材試樣在拉伸試驗前所有熱處理規范相同，即同爐同規范處理。焊接試驗用焊接試板和母材試樣如圖2所示。

圖2 焊接試板和母材試樣

3.1 焊前調質熱處理規范

分為三個階段:第一階段將材料加熱到650℃退火處理，隨爐冷卻;第二階段經880℃淬火處理，油淬;第三階段經650℃回火處理，隨爐冷卻。

3.2 試板的焊接工藝

因為工件形狀特殊，其他焊接方法無法施焊，所以采用焊條電弧焊，焊機為ESAB AristoArc400型逆變式直流電弧焊機。

采用CHE857焊條焊接。CHE857焊條是低氫鈉型藥皮的低合金鋼焊條，焊條焊前須經350℃烘焙1 h。直流反接;全位置焊;主要用于焊接抗拉強度約830 MPa的低合金鋼結構。

試件焊前經300℃預熱1 h，對接平焊，焊縫內部質量經X射線探傷達到GB3323二級及以上要求。焊接時允許修磨，背面可以補焊。焊接參數如表3所示。焊縫鈍邊1.5 mm，間隙2 mm，壓緊在焊接墊板上施焊。

表3 焊接參數

為保證焊縫質量，嚴格清理層間，每層焊完后都必須打磨光滑，再進行焊接。正面焊縫焊完后，打磨背面至與母材齊平，如有缺陷，進行補焊。

4 不同層間溫度對焊縫強度的影響

冬季環境溫度低，焊接停止后溫差較大，工件散熱較快。工件在焊接過程中，為保證焊接質量，層間必須打磨，打磨過程中由于角磨機的散熱風作用于工件，以及打磨所用的時間，打磨后工件溫度降低。

為保證試驗的真實性，試件分兩輪四件施焊，熱處理規范相同，焊后放到溫箱隨爐冷卻。第一輪1#、3#及母材同爐熱處理;第二輪2#、4#及母材同爐熱處理。1#、2#層間溫度控制在100℃ ～200℃(即正常焊接、打磨后工件層間溫度);3#、4#每層焊后加熱到300℃并保溫1 h再施焊。

4.1 拉伸試驗

在每件工件上取三根拉伸試樣(試樣A、B、C)進行拉伸試驗。拉伸試樣尺寸如圖3所示，焊縫位于試樣中部。

圖3 拉伸試樣尺寸

經試驗得出，層間溫度為100℃ ～200℃時，其抗拉強度為母材的82.8%(表4中1#、2#試件“與母材強度比例”的平均值)，低于技術要求的90%，不合格。層間溫度為300℃時，其抗拉強度為母材的97.85%(表3中3#、4#試件“與母材強度比例”的平均值)，合格。具體數據如表4所示。

表4 試件抗拉強度

4.2 金相組織觀察

在每個試樣的熱影響區切取金相試樣，對軟化區進行顯微組織觀察。各取500倍金相照片，并分析組織。第一輪1#、3#試件金相照片如圖4所示，第二輪2#、4#試件金相照片如圖5所示。

3#、4#試件為層間溫度300℃的試樣，金相照片顯示為正常的回火索氏體組織，這種組織強度較高;2#試件組織主要為回火索氏體+少量鐵素體+針狀馬氏體組織，該組織強度較前者有所降低;而1#試件組織呈現出回火索氏體+塊狀鐵素體+珠光體體組織，與母材區別較大，這種組織強度低于前面兩種。這些組織性能與抗拉強度值相符。

5 結論

(1)30CrMnSiA材料在層間溫度低于200℃時，軟化區原調質組織發生變化，接頭的抗拉強度低于標準規定值。當層間溫度等于300℃時，金相組織為調質時回火索氏體，接頭抗拉強度與母材抗拉強度之比可達96.7%以上。

圖5 2#、4#試件金相照片

(2)30CrMnSiA材料對層間溫度很敏感，在焊接過程中應實時監控工件的溫度，過低時加熱、過高時冷卻，將溫度嚴格控制在300℃以上，焊前回火溫度降低50℃。

［1］傅積和，孫玉林.焊接數據資料手冊［M］.北京:機械工業出版社，1994.

［2］英若采.熔焊原理及金屬材料焊接(第二版)［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［3］丁建生.金屬學與熱處理［M］.北京:機械工業出版社，2004.