AISI4130材料的焊接工藝研究和經(jīng)驗交流

摘 要：石油、天然氣鉆采設(shè)備常用AISI 4130低合金鋼作為井口設(shè)備本體、法蘭連接件、閥門零件、緊固件等零部件的制造材料，制造過程中常遇到焊接工序且對焊接質(zhì)量要求非常高。通過對該材料的焊接參數(shù)分析和工藝研究，指出影響焊接質(zhì)量的主要因素。對焊接過程中存在的問題進行舉例介紹，并交流解決經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：AISI 4130；焊接；工藝研究

引言

AISI 4130因其調(diào)質(zhì)處理后具有較高的綜合力學性能，為國內(nèi)外廣泛使用的低合金鋼材料，常見于主軸、本體、齒輪、緊固件及閥門零件等諸多產(chǎn)品的制造中，筆者所在公司也將其大量應(yīng)用在石油、天然氣鉆采設(shè)備零部件的制造，在制造過程中經(jīng)常遇到焊接工序，如節(jié)流閥閥體與直角法蘭的焊接、適配器的管對管焊接以及零件補焊返修等，這些產(chǎn)品對焊接工藝質(zhì)量的要求非常高，焊后不得有明顯缺陷且必須通過嚴格的無損檢測（探傷）。為此，對此種材料的焊接工藝進行研究，并對焊接過程中碰到的問題舉例介紹和經(jīng)驗交流。

1 焊接主要缺陷和對策

1.1 冷裂紋產(chǎn)生傾向

因合金鋼材料的焊接裂紋產(chǎn)生主要是冷裂紋，而熱裂紋主要發(fā)生在奧氏體不銹鋼、鎳合金和鋁合金中，因此需重點分析冷裂紋的產(chǎn)生情況。按碳當量法計算CE（AWS）值來評估鋼材冷裂紋傾向以及材料焊接性，碳當量及板厚關(guān)系如圖1所示[1]：

CE（AWS）=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+（Cu/13+P/12） （%）

（其中Cu含量<0.5%，P含量<0.05%時不計入該公式）

經(jīng)計算，CE（AWS）值為0.679，按圖1評估得出材料焊接性較差，裂紋敏感性較高，易產(chǎn)生冷裂紋；同時，根據(jù)圖1還可以看出，隨著板厚（即材料壁厚）的增加，焊接性愈來愈差。

1.2 對策

由于AISI 4130材料碳含量較高，合金元素含量多，在快速冷卻時，從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的起始溫度Ms低（4130材料Ms為370℃），焊接后的熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體難以產(chǎn)生回火效應(yīng)，從而導(dǎo)致材料硬度高，對氫致冷裂紋的敏感性很大。為了防止氫致冷裂紋產(chǎn)生，除盡量采用低氫或超低氫焊接材料外，還應(yīng)采用焊前預(yù)熱和焊后及時熱處理[2]。

2 焊材的選擇

根據(jù)4130材料的焊接性和實踐經(jīng)驗，建議選用J707焊材，J707是低氫鈉型藥皮的低合金高強度鋼焊條，焊接時采用直流反接，可進行全方位焊接，必要時，工件在焊前進行預(yù)熱和焊后回火處理，J707焊材相關(guān)參數(shù)如下：

熔敷金屬化學成分（%）如表2所示。

熔敷金屬力學性能如表3所示。

J707焊材用于一般4130材料的焊接，如果材料有低溫沖擊要求，則建議使用J707Ni，其具有良好的低溫韌性和抗裂性能，參數(shù)如下：

熔敷金屬化學成分（%）如表4所示。

表4

熔敷金屬力學性能如表5所示。

表5

上述焊條（J707和J707Ni）焊前需經(jīng)350℃烘焙，隨烘隨用，烘干后的焊條應(yīng)立即存放在低溫干燥的焊條保溫筒內(nèi)，隨用隨取。經(jīng)筆者計算和實踐證明，上述焊條在硬度方面完全符合NACE MR0175標準的要求（硬度值≤HRC22）[3]。

3 焊前預(yù)熱和焊后熱處理

3.1 焊前預(yù)熱

防止氫致冷裂紋產(chǎn)生，除了補焊件挖補深度不深的零件不用預(yù)熱外，其余情況下4130材料焊接必需進行預(yù)熱。根據(jù)上述裂紋產(chǎn)生原因，理想的預(yù)熱溫度及道間溫度應(yīng)比冷卻時馬氏體開始較變的溫度（Ms：370℃）高20℃，即Ms+20℃=390℃；同樣，焊后也應(yīng)在此溫度保持2小時，以保證焊縫及熱影響區(qū)全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，同時也使焊縫里的氫能較充分的擴散逸出，有效防止氫致冷裂紋。

3.2 焊后熱處理

預(yù)熱及道間溫度比冷卻時馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms低時，為防止氫致冷裂紋產(chǎn)生，應(yīng)采用焊后熱處理措施，即工件立即加熱到高于Ms點10～40℃，在此溫度保溫約1～2小時，使尚未轉(zhuǎn)變的那部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性較好的貝氏體，然后冷卻至室溫。

如果焊接以后工件可以立即進行去應(yīng)力熱處理，應(yīng)將工件立即冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變終了的溫度Mf點以下，并保持一段時間，使尚未轉(zhuǎn)變的那部分奧氏體也轉(zhuǎn)變成馬氏體，隨后工件立即進行去應(yīng)力熱處理。經(jīng)過去應(yīng)力熱處理的工件，再冷卻至室溫時就基本不會產(chǎn)生氫致冷裂紋的情況。

4 焊接過程中遇到的問題和解決經(jīng)驗

4.1 工件內(nèi)腔貫通補焊難題

筆者所在單位初期焊接4130材料的零件時，由于未吃透4130材料的焊接性能，造成焊后經(jīng)常出現(xiàn)焊接缺陷而需要局部補焊，然后在返工補焊的過程中常將補焊部位造成內(nèi)腔貫通，當采用內(nèi)腔填塞鐵塊等方式進行襯墊并實施補焊后，再加工工件內(nèi)腔時非常困難，經(jīng)常造成刀具損壞。

后經(jīng)技術(shù)人員提出，使用陶瓷襯墊，經(jīng)現(xiàn)場實踐驗證后，效果不錯：在貫通部位使用陶瓷襯墊，然后進行補焊，補焊后直接手工將陶瓷襯墊去除，再對工件進行精加工，有效解決了上述難題。

4.2 焊縫表面細小裂紋

筆者在現(xiàn)場制造過程中發(fā)現(xiàn)，很多零件焊接后UT探傷檢測時是合格的，而在焊縫外表面MT時卻發(fā)現(xiàn)有許多細小裂紋，裂紋經(jīng)打磨后可以全部去除，并且打磨深度很淺。后經(jīng)查閱相關(guān)資料確定此為氣孔裂紋，對低碳剛和低合金鋼，在大多數(shù)情況下，氫氣孔會出現(xiàn)在焊縫的表面上，氣孔的斷面形狀如同螺釘狀，在焊縫的表面上看呈喇叭口形，氣孔的四周有光滑的內(nèi)壁，這是由于氫氣是在液態(tài)金屬和枝晶界面上濃聚析出，隨枝晶生長而逐漸形成氣孔。該氣孔產(chǎn)生原因可能是多方面的，例如，焊條藥皮，熔渣氧化、水份、工藝等，但這些因素要逐一排查和解決難度很大。為此，筆者所在團隊另辟蹊徑，采取焊接時直接多焊一層焊縫的方法，然后再將多焊的一層用機加工方法加工掉，這樣帶有氣孔裂紋的表層去除后即可獲得高質(zhì)量的焊縫。

5 結(jié)束語

AISI 4130材料應(yīng)用廣泛但焊接性不甚理想，而用于井口設(shè)備本體、法蘭連接件、閥門零件等重要產(chǎn)品中時卻對焊接質(zhì)量有很高的要求，一旦產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷都將對后續(xù)現(xiàn)場使用時帶來巨大的安全隱患。

為獲得符合產(chǎn)品要求的焊接工藝效果，制造者必須從焊接母材特性、焊材的選擇、焊前準備、焊接工藝過程設(shè)定、焊后熱處理和焊后工件易加工性等諸多方面考慮、分析、研究和實踐。文章結(jié)合理論和實踐經(jīng)驗進行交流及分享，希望對廣大同行有所裨益。

參考文獻

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊第2卷材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[2]喬云萍.低碳鋼與低合金鋼焊接工藝[J].焊接質(zhì)量控制與管理，2012，41（1）：43-45.

[3]ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-3：2009/Cir.1-2011，石油和天然氣工業(yè)-含H2S的石油和天然氣生產(chǎn)環(huán)境中適用的材料第3部分：抗裂耐蝕合金和其它合金材料[S].

作者簡介：裘偉斌（1978-），男，浙江紹興人，大專學歷，工藝工程師，目前就職于蘇州道森油氣工程有限公司，長期從事機械制造工藝設(shè)計和研究工作，實踐經(jīng)驗豐富。