ZG42CrMo托輪的焊接工藝研究

馬永春

(天津市天重江天重工有限公司，天津300400)

托輪是我公司主要的水泥件產(chǎn)品。托輪在回轉(zhuǎn)窯使用過程中起到支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸作用，要承受很大的高溫和交變載荷。由于托輪質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，所以鑄造后期的焊接修補(bǔ)就顯得極為重要。如果焊補(bǔ)質(zhì)量不好，托輪運(yùn)行過程中出現(xiàn)開裂甚至脫落，就會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 ZG42CrMo托輪的焊接性分析

托輪材質(zhì)為ZG42CrMo，屬于低合金高強(qiáng)鋼。由于托輪截面厚大，且托輪材質(zhì)淬硬性很強(qiáng)，所以在焊后很容易得到馬氏體組織，降低了焊接熱影響區(qū)部位的韌性和塑性，在焊接應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋，給焊接帶來很大困難。

根據(jù)JB/T6402—2006規(guī)定，ZG42CrMo托輪的化學(xué)成分見表1，調(diào)質(zhì)后性能要求值見表2。

表1 ZG42CrMo托輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of ZG42CrMo supporting roller (mass fraction,%)

表2 ZG42CrMo托輪調(diào)質(zhì)后性能要求Table 2 The mechanical property of ZG42CrMo supporting roller after quenching and tempering

ZG42CrMo托輪屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、熱影響區(qū)脆化和軟化[1、2]。

在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接時(shí)，主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化。高碳馬氏體引起的熱影響區(qū)脆化和硬化，可以通過焊后回火來解決。而高溫回火區(qū)軟化引起的強(qiáng)度下降，在焊后不能進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的情況下是無法挽救的。因此，在制定焊接工藝時(shí)要注意防止裂紋和避免軟化。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法和焊接材料

托輪上常出現(xiàn)形狀不規(guī)則且深淺不一的缺陷。在焊接方法上我們選擇可以靈活操作的手工電弧焊，焊接材料選擇J707堿性低氫焊條，焊條直徑為?2.5 mm、?3.2 mm和?4 mm。J707焊條化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)分別見表3和表4。

表3 J707焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The chemical composition of electrode J707(mass fraction,%)

表4 J707焊條力學(xué)性能Table 4 The mechanical property of electrode J707

為了將熱影響區(qū)軟化降到最低，焊接時(shí)用?2.5 mm焊條打底，然后用?3.2 mm和?4 mm焊條焊肉。用細(xì)焊條打底還可以減少母材向焊縫中過渡碳，有利于形成塑性焊縫組織。

2.2 預(yù)熱及層間溫度

預(yù)熱可以減小母材的淬硬傾向，減緩焊接接頭的冷卻速度，有利于焊接部位形成塑性組織，同時(shí)有利于焊縫氫的逸出，有效防止氫致冷裂紋。

對(duì)于中碳調(diào)質(zhì)鋼預(yù)熱溫度的計(jì)算，主要有以下兩種方法：

按照國際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量法公式[3]：

To=360·CE

式中CE——碳當(dāng)量。求得To約為290℃。

按照日本焊接協(xié)會(huì)碳當(dāng)量法公式[3]：

To=360·Ceq

式中Ceq——碳當(dāng)量。求得TO約為300℃。

另據(jù)資料顯示，中碳調(diào)質(zhì)鋼理想的預(yù)熱溫度應(yīng)高于Ms點(diǎn)20℃[4]，ZG42CrMo材質(zhì)的Ms點(diǎn)在330℃左右[5]。

參照以上結(jié)果，最后將托輪預(yù)熱溫度選定為350℃，焊前采用臺(tái)車爐進(jìn)行整體預(yù)熱。

托輪鑄造缺陷主要為砂眼和裂紋等，缺陷挖除后普遍比較深，焊接時(shí)需要采用多層多道焊。多層焊時(shí)次層對(duì)前層焊道的回火作用能改善前層焊縫組織的淬硬傾向，但層間溫度控制不當(dāng)會(huì)造成焊縫含氫量增加，從而導(dǎo)致延遲裂紋的產(chǎn)生。在托輪焊接過程中，采用煤氣管道輔助加熱焊口周圍，將層間溫度控制在330℃左右。

2.3 焊后熱處理

為避免產(chǎn)生延遲裂紋，托輪在焊后需要立即進(jìn)爐進(jìn)行去應(yīng)力處理，溫度以低于調(diào)質(zhì)回火溫度30℃為宜，我公司選擇550～600℃的回火工藝。

2.4 焊接工藝評(píng)定

參照上述工藝參數(shù)，以ZG42CrMo托輪相同材質(zhì)作試件，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。試板尺寸為500 mm×400 mm×100 mm，坡口見圖1。焊接時(shí)預(yù)熱至350℃，焊后進(jìn)行580℃去應(yīng)力處理。待試件冷卻放置24h后，超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)裂紋。力學(xué)性能方面：抗拉強(qiáng)度Rm=710 MPa，屈服強(qiáng)度Re=620 MPa，延伸率A=22.5%，沖擊AKV≥80 J。彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示無開放性裂紋。焊層表面拋光后，測(cè)得硬度為213 HBW。上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)符合ZG42CrMo材質(zhì)的技術(shù)要求。

焊接后母材、焊縫、熔合區(qū)顯微組織見圖2～圖4。由圖可知，母材和熱影響區(qū)組織為珠光體和鐵素體，焊縫組織為細(xì)小珠光體和鐵素體，焊接部位沒有形成馬氏體等淬硬組織，這樣就可以避免裂紋的產(chǎn)生。

圖1 焊接試板坡口圖Figure 1 Welding groove of test plate

圖2 母材組織(500×)Figure 2 The structure of base material(500×)

圖3 母材和熱影響區(qū)組織(500×)Figure 3 The structure of base material and heat affect zone(500×)

圖4 焊縫組織(500×)Figure 4 The structure of welding area(500×)

2.5 托輪焊接

為了檢驗(yàn)焊接工藝評(píng)定的準(zhǔn)確性，粗加工后選擇3個(gè)托輪進(jìn)行焊接，缺陷位于托輪周身及冒口面，焊后回火溫度為580～590℃。托輪參數(shù)見表5。

托輪回火出爐冷卻后，打磨并拋光焊口，進(jìn)行超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)。無損檢測(cè)后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕焊口表面，清晰顯示熔合線后對(duì)托輪母材、熱影響區(qū)和焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)采用瑞士equotip里氏硬度計(jì)。檢測(cè)結(jié)果見表6。

表5 待焊托輪參數(shù)Table 5 The parameter of supporting roller to be welded

表6 托輪焊口檢測(cè)結(jié)果Table 6 The test results of supporting roller weld

檢測(cè)結(jié)果顯示，托輪1 的2#缺陷存在裂紋且熱影響區(qū)硬度值很高。圖5是裂紋部位的顯微鏡檢測(cè)結(jié)果。從圖5可以看出，焊接區(qū)域裂紋部位存在隱針馬氏體組織。

圖5 焊接區(qū)域隱針馬氏體組織(500×)Figure 5 The acicular martensite structure in welding area(500×)

經(jīng)過分析，隱針馬氏體是由于焊接時(shí)焊口冷卻速度過快而產(chǎn)生的。托輪1直徑較大，預(yù)熱出爐后表面溫度能夠達(dá)到工藝要求，但實(shí)際內(nèi)部溫度不足，焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量被內(nèi)部快速吸走，導(dǎo)致焊口冷卻速度過快，從托輪1焊縫處硬度值高于其他處也可以得到驗(yàn)證。另外，2#缺陷處于冒口面，碳元素偏析會(huì)使焊口淬硬傾向加大，增加裂紋產(chǎn)生幾率。返修時(shí)應(yīng)提高預(yù)熱溫度和該溫度下的保溫時(shí)間。

托輪1返修：用砂輪去除2#缺陷裂紋，磁粉檢測(cè)顯示無缺陷后整體進(jìn)爐預(yù)熱，出爐溫度為400℃，焊前打磨焊口處灰塵等雜物，焊后立即進(jìn)爐進(jìn)行回火處理。冷卻后磁粉和超聲檢測(cè)合格，金相組織為細(xì)小鐵素體和珠光體。

參照以上檢測(cè)結(jié)果，我們改進(jìn)了焊接工藝，根據(jù)不同尺寸的托輪適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和保溫時(shí)間。后續(xù)托輪焊后沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷。最后得到以下結(jié)論：

(1)偏析會(huì)造成冒口面含碳量增加和淬硬性增強(qiáng)，焊接此處缺陷時(shí)應(yīng)該選擇高預(yù)熱溫度和小焊接線能量。

(2)托輪缺陷越小的部位焊后硬度值越高，焊后組織沖擊韌性越低。當(dāng)托輪工作面出現(xiàn)小缺

陷時(shí)，應(yīng)提高預(yù)熱溫度，防止焊后出現(xiàn)低塑性組織，這樣可以避免托輪在使用過程中由于擠壓而造成焊口脫落。

3 結(jié)論

(1)采用手工電弧焊方法，使用J707焊條焊接ZG42CrMo托輪，只要選擇合理的焊接工藝施焊，焊縫質(zhì)量能夠達(dá)到母材性能要求。

(2)為保證托輪在焊后滿足使用要求，焊前應(yīng)對(duì)托輪進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)采用碳當(dāng)量公式計(jì)算出來的預(yù)熱溫度僅作參考，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)根據(jù)鑄件大小和缺陷所處的不同位置選擇合適的預(yù)熱溫度。同時(shí)，為了使焊口具有一定的沖擊韌性，還應(yīng)選擇合適的焊接線能量。

[1] 周振豐.焊接冶金學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 李榮雪.金屬材料焊接工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 張文鉞.焊接冶金學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4] 杜國華.新編焊接工藝500問. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.