熱軋42crmo精密無(wú)縫鋼管焊接性能分析
42CrMo鋼系中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，鋼的Ceq值高達(dá) 0.893%，可焊性較差。由于母材金屬中含碳量高，在焊接過程中，母材金屬的一部分要熔化到焊縫金屬中去，致使焊層金屬含碳量增高，焊縫凝固結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析傾向也較大，加之含硫雜質(zhì)和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋。特別是在收尾處，裂紋更為敏感。熱裂紋的特征是裂紋垂直于焊縫魚鱗狀波紋，呈現(xiàn)不明顯的鋸齒形，但也有沿焊縫金屬與基體金屬交界處發(fā)展產(chǎn)生。為防止產(chǎn)生熱裂紋，要求采用低碳鋼焊絲，一般焊絲中含碳量在0.15%以下。
42CrMo鋼淬硬傾向性大，母材金屬熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織，Ms點(diǎn)又低，因而在淬火區(qū)產(chǎn)生大量脆硬的馬氏體，導(dǎo)致嚴(yán)重脆化，工件愈厚，則淬硬傾向愈大。該焊件剛性大，若焊條或焊接工藝選用不當(dāng)，在焊件冷卻至300℃以下時(shí)，容易沿?zé)嵊绊憛^(qū)的淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。42CrMo鋼的焊接冷裂紋一般是在焊后冷卻過程中，在Ms點(diǎn)附近或200～300℃的溫度區(qū)間產(chǎn)生的。冷裂紋的起源多發(fā)生在具有缺口效應(yīng)焊接熱影響區(qū)或有物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶。冷裂紋有時(shí)焊后立即出現(xiàn)，有時(shí)經(jīng)過一段時(shí)間才出現(xiàn)。而延遲裂紋的危害性更為嚴(yán)重，實(shí)踐證明，鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的氫含量及其分布，以及焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)是產(chǎn)生延遲裂紋的三大主要因素。焊接接頭的淬硬傾向主要取決于鋼種的化學(xué)成分，其次是結(jié)構(gòu)形式，焊接工藝和冷卻條件等?？梢圆扇『负蠛鬅岷途徖涞绒k法來(lái)調(diào)整冷卻時(shí)間。適當(dāng)延長(zhǎng)臨界冷卻時(shí)間C′f ，可降低鋼的淬硬傾向。
2 焊接工藝
2.1 焊接材料的選擇
高強(qiáng)鋼焊接接頭的含氫量越高，則裂紋傾向越大。當(dāng)局部地區(qū)的含氫量達(dá)到某一臨界值時(shí)，開始出現(xiàn)裂紋；之后隨含氫量的增加，裂紋尺寸和數(shù)量也在不斷增加。產(chǎn)生延遲裂紋時(shí)的臨界含氫量與預(yù)熱溫度、剛度條件以及冷卻條件等有關(guān)。
焊接時(shí)，焊接材料中的水分，焊件坡口表面的油污、鐵銹、以及空氣濕度等都是焊縫金屬中富氫的主要原因。一般情況下母材和焊絲中氫量極少，可以忽略不計(jì)。焊條藥皮中水分越高，則焊縫中的擴(kuò)散氫含量越高。在焊接過程中，由于電弧的高溫作用，氫分解為原子或離子狀態(tài)，并大量溶解在熔池中。在隨后冷卻凝固的過程中，由于溶解度急劇降低，一部分氫極力向外溢出，而仍有一部分氫殘留在焊縫內(nèi)部，使焊縫中的氫處于過飽和狀態(tài)。焊縫中的氫含量與焊條的類型、烘干條件及焊后的冷卻速度等有關(guān)。含碳量較高的鋼種對(duì)裂紋和氫脆有較大的敏感性，所以焊縫金屬的含碳量一般應(yīng)低于母材，使焊縫的裂紋傾向低于母材。針對(duì)42CrMo鋼的焊接性能及齒輪軸的工作特點(diǎn)，選用J507焊條，直徑為5mm。J507焊條強(qiáng)度雖有些不足，但采用這種低匹配焊條施焊，對(duì)降低焊接時(shí)冷裂傾向是有利的，而且J507焊條的強(qiáng)度與原圖紙要求材質(zhì)35CrMo的強(qiáng)度相當(dāng)。
2.2 預(yù)熱及層間溫度的選擇
為了有效地防止42CrMo高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生，預(yù)熱是非常必要的。預(yù)熱可以減緩焊接接頭的冷卻速度，適當(dāng)延長(zhǎng)800～500℃的冷卻時(shí)間，從而減少或避免淬火組織，同時(shí)也有利于氫的逸出。
預(yù)熱溫度的確定，主要與焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量、坡口形式、母材化學(xué)成分、焊接構(gòu)件的拘束度大小等因素有關(guān)。對(duì)預(yù)熱溫度To的估算有多種：
由碳當(dāng)量法公式：
To=360·Ceq (1)
求得To為321℃。
由中碳鋼預(yù)熱公式：
To=550·(C-0.12)+0.4h (2)
式中C——母材含碳量，％
h——母材厚度，mm。
求得To為206℃。
由下列公式：
To=324 Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72h-214 （3）
式中 Pcm——化學(xué)成分的冷裂紋敏感指數(shù)，％，
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10=0.585；
[H]——熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量，mL/100g；
σb——母材抗拉強(qiáng)度，MPa。
求得To為258℃。
參照以上求出的預(yù)熱溫度，最后確定采用整體預(yù)熱(應(yīng)用車間井式加熱爐)，預(yù)熱溫度為400℃。
有的部分采用多層焊時(shí)，由于次層對(duì)前層有消氫作用，能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的淬硬組織。但如果不嚴(yán)格控制后熱和層間溫度，則會(huì)因氫量的逐層累積導(dǎo)致延遲裂紋的傾向更大。為了滿足不致產(chǎn)生裂紋的施工條件，即焊接層的實(shí)際冷卻時(shí)間t100應(yīng)大于產(chǎn)生裂紋的臨界冷卻時(shí)間tcr。在整個(gè)施焊過程中，用履帶式加熱器進(jìn)行保溫，使層間溫度控制在(350±20)℃的范圍內(nèi)。
2.3 后熱溫度的確定
焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理可減少或消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，改善焊層的顯微組織，并可加速焊縫中的氫向外擴(kuò)散。
后熱對(duì)中碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)和焊縫組織還具有韌化效果。為了使焊縫金屬中擴(kuò)散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)中的氫含量，工件一般應(yīng)在焊后立即進(jìn)行消氫處理。在實(shí)際焊接生產(chǎn)中常采用較高溫度的去應(yīng)力退火處理，可使焊層和熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫含量及內(nèi)應(yīng)力降至很低的水平，從而達(dá)到避免出現(xiàn)延遲裂紋的目的。為此，選擇及時(shí)進(jìn)行600～650℃的焊后去應(yīng)力退火處理工藝。
2.4 焊接工藝的評(píng)定
為了驗(yàn)證上述工藝參數(shù)是否合適，以該42CrMo齒輪軸的調(diào)質(zhì)夾頭作試件，進(jìn)行堆焊裂紋試驗(yàn)。預(yù)熱溫度為400℃，焊后進(jìn)行600～650℃去應(yīng)力退火處理試驗(yàn)，試件放置48h后進(jìn)行磁粉探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。依據(jù)GB2652-89堆焊金屬拉伸試驗(yàn)法，在調(diào)質(zhì)夾頭上截取拉伸試樣，測(cè)得σb為95MPa，σs為90MPa；依據(jù)GB2654-89堆焊金屬硬度試驗(yàn)法，在調(diào)質(zhì)夾頭上將焊層表面磨光，測(cè)得硬度為HB200。上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)，與原圖紙要求材質(zhì)35CrMo的強(qiáng)度相當(dāng)，證明所選工藝參數(shù)是合理的。
2.5 焊接過程應(yīng)注意的問題
(1)焊前嚴(yán)格清除工件表面的油污、鐵銹、水漬和毛刺。
(2)將工件整體裝入井式加熱爐中預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400℃，升溫速度80℃/h，保溫4h。
(3)焊條使用前經(jīng)350～400℃烘干，保溫2h，然后放入保溫筒內(nèi)，隨用隨取。
(4)采用直流反接(即工件接負(fù)極)，焊接電流180～220A，電流電壓23～25V，焊接速度180～190mm/min。
(5)在施焊過程中采用履帶式加熱器保溫，由兩名焊工在兩側(cè)對(duì)稱施焊，整個(gè)焊接過程連續(xù)進(jìn)行，中途不得中斷，并力求縮短各層(道)焊縫的焊接間隔時(shí)間，選用靈敏度高、精度好的測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)溫度變化，控制層間溫度在(350±20)℃的范圍內(nèi)。在不產(chǎn)生裂紋的情況下，每個(gè)焊層盡量簿，一般不大于焊條直徑，每條焊道的引弧、收弧處要錯(cuò)開，收弧時(shí)填滿弧坑。對(duì)每層焊道進(jìn)行認(rèn)真檢查，對(duì)已產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，再重新進(jìn)行焊接。
(6)為了減小焊接應(yīng)力，用錘頭圓角為1.0～1.5mm的風(fēng)鏟逐層錘擊焊道表面，相鄰兩焊層間的錘擊方向要相反。
(7)整個(gè)工件堆焊完畢后，在工件冷卻至350℃以前置于400℃的井式爐中，升溫至600～650℃，保溫4h，隨爐冷卻至150℃后取出空冷。升溫速度為80℃/h。去應(yīng)力退火工藝如圖2所示。
(8)去應(yīng)力退火后,對(duì)堆焊表面進(jìn)行磁粉探傷檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷,機(jī)械加工后也未發(fā)現(xiàn)裂紋。
圖2 焊件去應(yīng)力退火工藝曲線
熱軋42crmo精密無(wú)縫鋼管焊接工藝
3 結(jié) 論
3.1 采用手工電弧焊方法對(duì)42CrMo中碳調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行堆焊，首先要選擇合適的焊接材料。實(shí)踐證明，選用力學(xué)性能綜合指標(biāo)均較母材力學(xué)性能指標(biāo)低的焊條，能夠獲得較為理想的結(jié)果。采用合理的焊接工藝施焊，可以使堆焊質(zhì)量達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。
3.2為防止熱軋42crmo精密無(wú)縫鋼管的冷裂紋，焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，控制好層間溫度和后熱處理是工藝的關(guān)鍵。為了保證焊接層具備一定的沖擊韌性值，應(yīng)選擇合適的焊接線能量。
3.3 對(duì)中碳調(diào)質(zhì)鋼預(yù)熱溫度的估算，借用公式進(jìn)行計(jì)算，只能作為參考。在實(shí)際焊接過程中，要作一些工藝試驗(yàn)和修正，使預(yù)熱溫度和層間溫度不得低于計(jì)算值；后熱處理的關(guān)鍵在于及時(shí)進(jìn)行。
