高強(qiáng)鋼焊條的研制及應(yīng)用

張 帆 趙云志

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我公司合作產(chǎn)品軋機(jī)軸承座是按照DIN EN 10293標(biāo)準(zhǔn)、采用G35CrNiMo6-6材質(zhì)整體鑄造的高強(qiáng)鋼件。軸承座技術(shù)條件嚴(yán)格，不僅要求補(bǔ)焊熔敷金屬與母材等強(qiáng)匹配，而且要求100%超聲探傷。鑄件生產(chǎn)中出現(xiàn)缺陷是難以避免的，補(bǔ)焊技術(shù)是此類產(chǎn)品制造過程中重要的技術(shù)手段，補(bǔ)焊質(zhì)量的好壞將決定產(chǎn)品的最終質(zhì)量。軸承座材質(zhì)碳當(dāng)量高、可焊性差，若采取的補(bǔ)焊工藝不當(dāng)極易出現(xiàn)焊接裂紋。為解決G35CrNiMo6-6軸承座補(bǔ)焊難題，研制了高強(qiáng)鋼焊條TY107Ni，通過中間試驗(yàn)，確定了合適的焊接參數(shù)和補(bǔ)焊工藝措施，成功地補(bǔ)焊了合作產(chǎn)品軋機(jī)軸承座。

1 焊條的研制

1.1 焊條渣系的選擇

堿性渣系具有硫、磷雜質(zhì)含量和焊縫抗裂性好的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇堿性低氫渣系。眾所周知，低氫渣系的焊接工藝性較差，但我們經(jīng)過大量試驗(yàn)得到了電弧穩(wěn)定、脫渣容易、成型美觀及焊接工藝性優(yōu)良的TY107Ni焊條。焊條選用H08E焊芯，合金元素靠藥皮過渡。為改善焊條工藝性，藥皮中加入了適量化工原料及高純鐵粉等[1]。

1.2 焊條的合金成分設(shè)計(jì)與調(diào)整

母材G35CrNiMo6-6屬中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，其主要力學(xué)性能指標(biāo)見表1，母材的化學(xué)成分見表2。為了滿足母材力學(xué)性能的要求，焊縫金屬采用與母材接近的合金成分，同時(shí)加入適量稀土元素，通過反復(fù)多次試驗(yàn)控制Cr、Ni、Mo和稀土的含量及相互匹配，以提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。

表1 G35CrNiMo6-6材料的力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Mechanical property of G35CrNiMo6-6 material

碳可以顯著地提高焊縫的強(qiáng)度，但是會(huì)降低焊縫的韌性，還容易導(dǎo)致焊接裂紋，因此焊縫中碳含量控制在0.12%左右。Si和Mn在焊接過程中作為合金劑滲入焊縫，也是主要的脫氧劑。Si在焊縫中以固溶體的形態(tài)存在，它既可提高焊縫強(qiáng)度，又使焊縫的韌性和塑性降低，所以在焊縫中Si含量盡量低，本合金系統(tǒng)中Si控制在0.30%以下。Mn在一定范圍內(nèi)既可提高焊縫強(qiáng)度，還可以改善焊縫的韌性，但是Mn含量也要控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，控制在1%以下。Cr屬于強(qiáng)化元素，可以顯著提高焊縫的強(qiáng)度，但使焊縫的沖擊韌性急劇下降，所以在保證強(qiáng)度的情況下盡量少加入Cr，因此焊縫中Cr含量要低于母材中Cr的含量，盡量控制在1%以下。Mo屬于強(qiáng)化元素，可以顯著提高焊縫的強(qiáng)度，但是含量過高對(duì)焊縫的低溫沖擊韌性不利，試驗(yàn)表明Mo的含量應(yīng)控制在0.30%～0.60%范圍內(nèi)。Ni是奧氏體形成元素，隨著Ni含量的增加，焊縫的強(qiáng)度明顯的提高，而且焊縫的低溫沖擊韌性值波動(dòng)變小，可以適當(dāng)?shù)脑黾覰i的含量，本合金系統(tǒng)中Ni含量控制在3%左右。適量稀土元素的加入，可使熔敷金屬中夾雜物分布形態(tài)改善，同時(shí)也細(xì)化了晶粒。鐵粉的加入可以提高焊條的熔敷效率，改善焊條的再引弧性能[2]。除在配方中加入脫硫、脫磷的物質(zhì)外，盡量選用雜質(zhì)含量低的原材料，進(jìn)一步控制焊縫中雜質(zhì)元素的含量[3]。

1.3 焊條的工藝性能

按照焊條的設(shè)計(jì)方案，先后制備了多種配方進(jìn)行試制壓涂，同時(shí)進(jìn)行焊接工藝性試驗(yàn)，最后制備出具有良好工藝性的TY107Ni焊條。該焊條起弧容易，電弧穩(wěn)定，飛濺少，渣殼能夠自動(dòng)脫落，焊道成型美觀。焊縫成型如圖1所示。

1.4 焊條的化學(xué)成分

圖1 TY107Ni焊條焊道成型Figure 1 Welding pass formation of TY107Ni electrode

焊條研制過程中根據(jù)熔敷金屬的化學(xué)分析結(jié)果和母材的化學(xué)成分對(duì)焊條的合金系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)對(duì)焊條熔敷金屬性能進(jìn)行試驗(yàn)，確定合理的合金系統(tǒng)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，得到了合理的合金元素匹配關(guān)系，調(diào)整后TY107Ni的熔敷金屬化學(xué)成分如表2所示。

2 工藝試驗(yàn)

通過大量中間試驗(yàn)，TY107Ni熔敷金屬的合金系統(tǒng)獲得合理的匹配，性能試驗(yàn)結(jié)果表明其力學(xué)性能已滿足母材G35CrNiMo6-6的要求，可將TY107Ni用于母材試板的補(bǔ)焊試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)條件

試板材質(zhì)為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的G35CrNiMo6-6，尺寸為130 mm×450 mm×700 mm，試板上開80 mm深的V型坡口。根據(jù)母材的焊接冷裂紋敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果和以前G35CrNiMo6-6的Y型坡口束縛裂紋試驗(yàn)結(jié)果，確定試板焊前預(yù)熱溫度≥220℃，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度為220～350℃。試板的焊接規(guī)范如表3所示。

表2 TY107Ni焊條熔敷金屬和G35CrNiMo6-6的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Deposited metal of TY107Ni electrode and chemical composition of G35CrNiMo6-6 (mass fraction,%)

表3 TY107Ni試板的焊接規(guī)范Table 3 Welding specification of TY107Ni test plate

補(bǔ)焊完成后進(jìn)行消氫處理350℃×2 h，試板分割開后再進(jìn)行焊后熱處理，分別進(jìn)行560±10℃×10h的最小熱處理和560±10℃×32 h的最大熱處理。

2.2 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件要求，補(bǔ)焊試板按照ASTM E709和E609要求分別進(jìn)行MT和UT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。補(bǔ)焊試板經(jīng)焊后熱處理再進(jìn)行全面性能試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4的結(jié)果可知，最小熱處理焊縫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，最大熱處理焊縫試樣的抗拉強(qiáng)度有一定程度的下降，稍低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，這說明焊縫金屬的力學(xué)性能基本滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊接接頭拉伸斷裂在焊縫和母材的試樣都有，這說明TY107Ni焊縫金屬的強(qiáng)度與母材匹配合適。

表4的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫試樣的沖擊吸收能量都能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊縫和熱區(qū)的沖擊韌性都好于母材，這說明焊條的合金系統(tǒng)是合理的。而焊接熱影響區(qū)的沖擊功也能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，這說明TY107Ni焊條的補(bǔ)焊沒有出現(xiàn)焊縫和熱區(qū)脆化，焊縫金屬的合金系統(tǒng)與母材的匹配比較合理。

彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣經(jīng)過最小熱處理后，進(jìn)行面彎和橫向側(cè)彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格，證明焊縫金屬與母材熔合良好，兩者的硬度匹配合理，焊接接頭性能優(yōu)良。在焊縫的截面上取硬度試樣，測(cè)量維氏硬度值，共打6個(gè)點(diǎn)，硬度測(cè)量值如表4所示。

表4 TY107Ni的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Mechanical teat results of TY107Ni

表5 產(chǎn)品補(bǔ)焊的焊接規(guī)范及工藝參數(shù)Table 5 Welding specification and process parameters of product repair welding

圖2 TY107Ni焊縫微觀組織(×200)Figure 2 Microstructure of TY107Ni weld (×200)

2.3 微觀組織

在焊縫的橫截面上取試樣，觀察不同區(qū)域的微觀組織。圖2為母材、焊接熱影響區(qū)層和焊縫放大200倍的金相組織。結(jié)果表明母材和焊接熱影響區(qū)的組織均為回火貝氏體，焊縫組織為回火貝氏體+少量鐵素體，焊縫組織均勻，晶粒細(xì)小。

3 產(chǎn)品補(bǔ)焊

高強(qiáng)鋼焊條TY107Ni除應(yīng)用于DIN EN 10293標(biāo)準(zhǔn)中G35CrNiMo6-6材質(zhì)的補(bǔ)焊，還可用于材質(zhì)相近的高強(qiáng)鋼的補(bǔ)焊。該焊條已用于本公司合作產(chǎn)品G35CrMo軋機(jī)軸承座的補(bǔ)焊，產(chǎn)品補(bǔ)焊所用焊條規(guī)格及補(bǔ)焊工藝參數(shù)見表5。產(chǎn)品補(bǔ)焊后無(wú)損檢測(cè)合格，滿足技術(shù)條件要求。

4 結(jié)論

(1)采用H08E焊芯和藥皮過渡合金研制出TY107Ni高強(qiáng)鋼焊條，焊接工藝優(yōu)良，焊縫金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)鑄鋼件補(bǔ)焊工藝是合理可行的，采用研制的焊條和上述補(bǔ)焊工藝成功地補(bǔ)焊了高強(qiáng)鋼軸承座。

[1] 唐伯鋼，尹士科，王玉榮.低碳鋼與低合金高強(qiáng)度鋼焊接材料[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2] 李永奎，孫景鋼，劉政軍.高效低塵結(jié)構(gòu)鋼焊條及焊接煙塵影響因素研究[J]. 焊接技術(shù)， 2005，34(4).36-38.

[3] 韓海峰，呂奎清，熊巧媛.超低氫高韌性焊條CJ707RH的研制[J]. 焊接設(shè)備與材料， 2009，38(2)，49-51.