27SiMn鋼中厚板焊接工藝研究

黃上甫，王梗蕊，富泉，吳自晟，郭亞峰

武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430205

1 序言

27SiMn鋼材料主要用于生產無縫鋼管或圓鋼，可制造工程機械用液壓缸、旋挖鉆機的鉆桿、活塞桿等產品。因此，該類產品往往工作環境惡劣，需要承受較大的動載荷，要求母材必須具有較高的強度、足夠的沖擊韌度。目前，國內對27SiMn鋼材料研究主要是針對力學性能和生產過程中熱處理工藝展開，其中涉及到焊接工藝的研究極少，也主要以27SiMn鋼管與一些其他鋼種的異種鋼焊接。此類異種鋼焊接的要求一般采取“就低原則”，焊接工藝要求不高。

2 研究背景

某項目設備中的關鍵工件小橫梁、上橫梁是采用27SiMn中厚板焊接加工而成的箱型梁結構件，如圖1、圖2所示。上橫梁中間箱型梁結構由40～75mm厚的27SiMn正火鋼板焊接而成，兩端頭再采用27SiMn鋼調質態的鍛件焊接。此關鍵工件連接27SiMn鋼的液壓缸，根據使用工況用于驅動設備核心部件的調整變化，運動過程中承受動載荷。因為27SiMn鋼焊接性較差，所以保證其焊接質量，成了決定該關鍵設備能否正常使用的重要因素。同時，該工件與27SiMn鋼通常作為無縫鋼管使用也有區別，因其既有正火狀態的27SiMn中厚板焊接，也有調質狀態的27SiMn鍛件焊接。為此，開展對27SiMn鋼中厚板焊接工藝的研究具有工程實用價值。

圖1 小橫梁結構

圖2 上橫梁結構

3 化學成分和力學性能

試驗中試板的化學成分與力學性能分別見表1～表3。

表1 27SiMn鋼板化學成分（質量分數） （%）

表3 27SiMn鋼板的調質態力學性能

表2 27SiMn鋼板的正火態力學性能

4 焊接性分析

從化學成分上看，27SiMn鋼wC＞0.25%，且同時含有Si、Mn兩種元素，因此增強了鋼中碳化物的形成能力，在使其具有良好塑、韌性能的同時，也增加了鋼的淬硬性和焊接接頭的冷裂紋敏感性[1]。

由于試驗中27SiMn鋼材料超出了當下應用比較廣的國際焊接協會推薦的和日本JIS標準所規定的碳當量的使用范圍，因此選用美國焊接學會（AWS）提出的公式進行計算[2]，27SiMn鋼的碳當量為

因27SiMn鋼的CE＞0.4%，故焊接性較差，同時焊接熱影響區具有較大的淬硬傾向，且焊接接頭對冷裂紋比較敏感。因此，需要采取焊前預熱，焊后后熱處理、退火處理等工藝，才能保證焊接質量。

5 焊接工藝的確定

（1）焊接方法 目前我公司用到的焊接方法主要有氬弧焊、氣體保護焊、焊條電弧焊和埋弧焊等。通過對比以上幾種焊接方法的優缺點可知：氬弧焊生產效率低，對坡口尺寸和處理要求高；焊條電弧焊生產效率較低，對焊工技能水平要求較高；氣體保護焊既具有較高的生產效率，又對鉚裝坡口尺寸和焊工的技能水平要求較低。因此，結合本研究的產品特點，且產品內部還有很多筋板需要焊接的實際情況，最終選擇熔化極氣體保護焊。

（2）焊接材料 考慮正火鋼板抗拉強度為550～850MPa、調質鋼板抗拉強度≥800MPa的要求，選用牌號為ER69-1、φ1.2mm的氣體保護焊絲。該焊絲不僅含有Si、Mn等元素，還含有較高的Ni元素，能改善焊接性，提高焊縫的塑韌性。ER69-1焊絲的化學成分見表4，力學性能見表5。

表4 ER69-1焊絲的化學成分（質量分數） （%）

表5 ER69-1焊絲的熔敷金屬力學性能

（3）焊前預熱 通過對27SiMn鋼焊接性的分析，得知其焊接性較差，需要進行焊前預熱，根據鋼板碳當量和板厚，確定27SiMn鋼的預熱溫度為150℃。同時考慮實際生產過程中板厚較厚、結構比較復雜、周圍環境惡劣等多重因素影響，為了保證預熱的可靠性，適當提高預熱溫度約為200℃。

（4）焊接參數 根據項目結構特點和NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[3]覆蓋范圍，采用板厚為40mm的正火+正火（平焊）、正火+正火（立焊）、正火+調質（平焊）共3組焊接工藝評定。不同焊接位置的焊接參數見表6。

表6 不同焊接位置的焊接參數

由于選用的保護氣體為富氬狀態，不利于熔敷金屬的流動，容易產生氣孔和未熔合等缺陷，因此焊工在每道焊縫焊接完成后必須進行打磨清理。同時，控制層間溫度為200～250℃。

（5）焊后后熱處理 為了消除焊縫冷裂紋傾向，產品焊接完成后還需要進行無損檢測，無法立即進行焊后消除應力的退火處理，因此需增加焊后消氫后熱處理。根據最低后熱處理參考經驗公式[4]，可確定最低后熱溫度為148℃。同時結合工件的結構形式，確認后熱溫度為200℃，保溫2h。

（6）焊后熱處理 工件后續需要進行機械加工后再裝配其他零件，因此需要進行消除應力退火處理。考慮鍛件調質的回火溫度為500℃，最終確定正火+調質狀態的焊后熱處理工藝為（480±15）℃、保溫7h后，隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷，正火+正火狀態的焊后熱處理工藝為（545±15）℃、保溫7h后，隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷。

6 焊接工藝評定

3組試板分別按照工藝要求完成焊接、焊后后熱處理、無損檢測和焊后熱處理，部分關鍵過程如圖3～圖6所示。

圖3 焊前試板預熱

圖4 平焊焊接

圖5 立焊焊接

圖6 焊接過程測溫

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求制作3組試板，分別進行拉伸試驗、側彎試驗和沖擊試驗，其中拉伸試樣2個、側彎試樣4個、沖擊試樣6個，性能檢測結果見表7。

由表7可知，1#、2#正火態的焊接試板，由于母材強度為661MPa，選用的焊絲抗拉強度為730MPa，因此拉伸試驗結果符合預期：斷裂發生在母材上；同時抗拉強度為651～656MPa，也與母材的強度非常接近。另外，由于焊絲在－50℃下的平均沖擊吸收能量約為75J，遠大于母材20℃時的50J，因此焊縫的沖擊吸收能量在20℃時較高，而立焊的熱輸入比平焊要大，因此沖擊吸收能量反之要小；而熱影響區的沖擊吸收能量數值也在焊縫和母材沖擊吸收能量之間，完全符合預期效果。至于4件側彎試樣有1件出現1條1mm的裂紋，完全符合標準要求的“側彎不能出現單條超過3mm以上的裂紋”合格指標，該側彎微小裂紋的出現應該與ER69-1焊絲使用富氬氣體進行焊接不利于熔敷金屬的流動，容易產生氣孔和未熔合等缺陷有關，實際工程焊接時需要特別注意。

表7 性能檢測結果

由于3#試板是正火試板與調質試板進行對接，兩種狀態的母材性能有較大差異，調質態母材抗拉強度比正火態高約200MPa，所以焊接試板的拉伸試驗斷裂在正火母材上；至于抗拉強度只有610MPa，與正火母材理論相差約40MPa，應該是試板在原鋼板上切割方向導致的偏差；而焊縫和熱影響區沖擊吸收能量的數值比項目要求的≥39J高出許多，完全滿足標準和項目指標。

7 焊接效果

通過上述焊接工藝的研究，制定了27SiMn小橫梁和上橫梁的焊接工藝規程，焊接參數見表8，其中全部為正火鋼板的小橫梁焊后進行（545±15）℃、保溫7h的去應力退火處理，有調質軸頭的上橫梁焊后進行（480±15）℃、保溫7h的去應力退火處理。

表8 27SiMn鋼小橫梁和上橫梁焊接參數

根據以上焊接工藝，目前已經完成了該項目12件小橫梁和12件上橫梁的焊接生產，關鍵焊縫全部通過了NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分 超聲檢測》Ⅰ級和NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分 磁粉檢測》Ⅰ級檢測[5]，并得到了用戶的現場確認。

8 結束語

27SiMn鋼中厚板材料具有一定的特殊性，其焊接性較差，但通過采取焊前預熱、焊道間打磨清理、控制層間溫度、合適的焊接參數和焊后后熱處理等措施，可以達到相關工程產品的焊接要求。該工藝對27SiMn鋼中厚板類似工程項目的焊接，具有一定的借鑒意義。