30CrMnSiA鋼中厚板焊接工藝研究

吳智，王梗蕊，黃上甫，吳自晟

武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430205

1 序言

我公司承接的某軍工產品攪拌摩擦焊裝備的關鍵零部件——轉環（見圖1）材質采用了30CrMnSiA鋼。該零件是由多個環板和筋板焊接成的環形結構件，涉及零件厚度35～80m m，整體外形尺寸φ4480mm/φ3500mm×670mm（圓環）。根據零件使用情況用于安裝設備核心部件進行環周運動，工作過程中承受運動的變載荷，在整個設備中是主要的受力和支撐部件。該零件結構相對簡單，但因其材料的特殊性，而給焊接帶來了很大的困難。

圖1 轉環結構

30CrMnSiA屬于中碳鋼、合金結構鋼，不僅具有非常高的強度，還具有一定的韌性、耐磨性、抗疲勞性、抗沖擊性和易加工成形性能，但該材料的焊接性很差，一般情況下主要用于軸、齒輪等高負荷零件，以及鼓風機葉片等變載荷的小型焊接構件等。

2 化學成分和力學性能

試驗用30CrMnSiA鋼板化學成分和力學性能分別見表1、表2。

表1 30CrMnSiA鋼板化學成分（質量分數） （%）

表2 30CrMnSiA鋼板力學性能

3 焊接性分析

30C rMnSiA屬于中碳調質鋼，退火態狀態下組織為鐵素體和珠光體，從化學成分上看，30CrMnSiA鋼wC＞0.25%，且同時含有Si、Mn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]。

根據國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量計算公式[2]進行計算，30CrMnSiA鋼的碳當量為0.6%。由此可知，30CrMnSiA鋼的碳當量CE＞0.4%，焊接性較差。由于C、Si含量較高，因此熱裂紋傾向較大，焊接時應采用低碳、低硅焊絲；且因C含量較高，焊接熱影響區容易出現硬脆的馬氏體組織[3]，具有較大的淬硬傾向，且焊接接頭對冷裂紋比較敏感。因此，為防止冷裂紋，應盡量降低接頭的H含量，同時需要采取焊前預熱、焊后后熱處理、退火處理等工藝，才能保證焊接質量。

4 焊接工藝的確定

4.1 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。在廠內結構件制作過程中，熔化極氣體保護焊屬于使用最多的焊接方法，具有較高的生產效率，同時鉚裝坡口尺寸和焊工的技能水平要求相對較低。因此，結合本研究的產品特點、生產效率，以及綜合考慮項目周期，最終選熔化極氣體保護焊。

4.2 焊接材料

30CrMnSiA鋼焊接材料化學成分應與母材相匹配，且對能引起焊縫熱裂紋傾向和促進金屬脆化的元素（C、Si、S、P等）加以限制，因此一般采用低碳、低硅焊絲（wC≤0.15%，最高不超過0.25%），限制P、S含量。根據30CrMnSiA正火鋼板抗拉強度為550～750MPa的要求，選擇牌號為ER55-B2-MnV和ER55-B2、直徑為1.2mm的氣體保護焊絲。該兩種焊絲屬于低碳系列焊絲，且P、S含量較低，焊絲化學成分、力學性能與母材相近。ER55-B2和ER55-B2-MnV焊絲的化學成分見表3，力學性能見表4。

表3 ER55-B2和ER55-B2-MnV焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 ER55-B2和ER55-B2-MnV焊絲熔敷金屬力學性能

4.3 焊前預熱

根據上述分析，30CrMnSiA鋼焊接性較差，在正火態下焊接，主要是保證焊縫強度，且避免出現裂紋，因此可以采用很高的預熱溫度。預熱溫度可以按Serferain公式[4]計算確定。

根據計算結果，確定焊前預熱溫度為211.5℃，為了確保預熱的可靠性，并驗證不同預熱溫度下的焊接效果，分別選取了200℃和300℃兩種預熱溫度進行焊接工藝試驗。采用預熱帶對焊縫區域及周邊進行預熱和保溫，保證母材溫度的一致性。

4.4 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》覆蓋范圍[5]，采用板厚為50mm的正火鋼板，保護氣體分別采用80%Ar+20%CO2和98%Ar+2%O2進行2組焊接工藝評定試驗，焊接參數見表5。

表5 焊接工藝評定用焊接參數

4.5 焊后后熱處理

除了采取必要的焊前預熱措施外，還要進行焊后熱處理。考慮試板焊接完成后，無法立即進行焊后退火處理，因此需增加焊后后熱處理。焊后在等于或高于預熱溫度下保持一段時間，一是有利于去除擴散氫，二是改善接頭組織狀態，起到降低冷裂紋敏感性的作用，三是可消除焊接應力。在大型結構件焊接時，因焊縫數量多，因此焊接時要注意溫度監控，焊完一定數量的焊縫時，應及時回爐進行一次后熱處理，必要時可每道焊縫焊完就進行一次后熱處理，避免先焊的焊縫出現延遲裂紋。根據零件預熱溫度（200～350℃），選擇后熱溫度為300～350℃，保溫2h。

4.6 焊后熱處理

工件后續需要進行機械加工，并與其他零部件進行裝配使用，為消除焊接內應力，保證加工后尺寸精度的穩定性，因此需要進行消除應力退火處理。根據產品結構和零件尺寸，確定正火狀態下的焊后熱處理工藝為：在550～600℃下保溫5h，升溫速率20～50℃/h，隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷。

5 焊接工藝評定

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求分別制作4組焊評試板，4組試板嚴格按照預熱、保溫、焊接、焊后后熱處理、無損檢測和焊后熱處理的工藝要求完成，部分關鍵過程如圖2～圖5所示。

圖3 過程測溫

圖4 平焊焊接

圖5 焊后熱處理

每組試板的試驗要求見表6。試板檢測合格后再按照標準要求，避開局部缺陷位置進行取樣加工，分別按標準進行拉伸、側彎和常溫沖擊試驗，其中每組焊評試板各制作拉伸試樣2個、側彎試樣4個、常溫沖擊試樣6個，力學性能檢測結果見表7。

表6 焊評試板類別

表7 力學性能檢測結果

1#、2#試板均選用ER55-B2-MnV焊絲，該焊絲抗拉強度稍高于母材強度，分別在200℃和300℃的預熱溫度下進行焊接。從表7的試驗數據可知，抗拉強度符合標準要求，焊縫強度高于母材，側彎試驗也符合要求。但焊縫區的沖擊吸收能量遠低于試驗標準要求的31J，不合格。從這兩組檢測數據結果看，在200℃和300℃的預熱溫度下，焊縫金屬的力學性能相差不大，表明預熱溫度對焊縫性能的影響較小，因此選取200℃的預熱溫度是可取的。

3#、4#試板選用ER55-B2焊絲，降低了Mn、V含量，兩組試板分別選擇了80%Ar＋20%CO2混合氣和98%Ar＋2%O2混合氣兩種保護氣體。從表7試驗數據結果可知，抗拉強度明顯比1#、2#試板降低許多，基本接近于母材強度，但仍高于標準規定的母材最低值，符合NB/T 47013—2015標準要求[6]，且焊縫區的沖擊吸收能量有了大幅度的提升，高于試驗標準要求的31J，試驗結果基本符合預期要求，滿足項目生產需要。

在4#試板的側彎試樣中，棱角處3mm、2mm開口缺陷各有1件，該側彎微小裂紋的出現應該與棱角處過于尖銳有關，屬于正常現象，也是符合標準要求的“側彎不能出現單條超過3mm以上的裂紋”合格指標。

由表7可知，3#、4#試板的超聲波檢測結果均符合標準NB/T 47013—2015Ⅱ級要求。但后期發現3#試板采用的80%Ar＋20%CO2混合氣，表面有細小且較密集的氣孔缺陷；而4#試板采用98%Ar＋2%O2混合氣時沒有產生氣孔缺陷，從現象上看，應該與保護氣體中的C元素有關。

6 焊接效果

通過上述系列焊接工藝試驗的研究，最終確定了30CrMnSiA鋼轉環的焊接工藝規程，能夠滿足項目需求，具體焊接參數見表8，轉環全部為正火鋼板，焊后進行550～600℃保溫5h，然后隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷。

表8 30CrMnSiA鋼轉環焊接參數

按照以上焊接工藝規程，目前已順利完成該項目2件轉環焊接生產制作，主要關鍵焊縫按照標準NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分超聲檢測》Ⅱ級和NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分 磁粉檢測》Ⅱ級進行無損檢測，均滿足標準要求，零件順利交付進行安裝調試。

7 結束語

30CrMnSiA鋼屬于中碳鋼，這種材料的焊接具有一定的特殊性，由于其焊接性差，因此難以保證焊縫強度，但通過采取焊前預熱、焊道打磨清理、控制層間溫度，以及選擇合適的焊接參數等工藝措施，可以達到相關工程產品的焊接要求。該工藝對正火態下30CrMnSiA鋼中厚板類似工程項目的焊接，具有一定的借鑒意義。