42CrMo鋸片支撐環(huán)的焊接

攀鋼(集團(tuán))公司機(jī)制分公司 （四川攀枝花 617063） 廖學(xué)勇

鋸片內(nèi)環(huán)是軌梁廠用于鋸床的關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在高荷載和高溫度、高沖擊力等環(huán)境下使用。公司制作的鋸片內(nèi)環(huán)，原設(shè)計(jì)為整體鍛制，材質(zhì)為中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼42CrMo，由于公司設(shè)備能力所限，整體鍛制困難，故不得不分為兩部分制作，然后用焊條電弧焊將兩部分焊接在一起。焊后要求對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波探傷，符合GB11345—1989 I級(jí)質(zhì)量要求。由于鋸片內(nèi)環(huán)材質(zhì)較特殊，且拼接處板厚度較大（66mm），故焊接質(zhì)量不容易保證，這些都需要在焊接工藝和焊接方法上有所改進(jìn)。

圖1

1. 42CrMo鋸片支撐環(huán)焊接性能分析

（1）成分分析 42CrMo鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

鋼材的化學(xué)成分對(duì)焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來分析其淬硬及冷裂敏感性。焊接應(yīng)力、鋼材的淬硬及冷裂敏感性是產(chǎn)生冷裂的主要原因，常用它判定材料焊接性的好壞，對(duì)淬硬及冷裂傾向通常采用碳當(dāng)量法來分析。一般淬硬傾向隨著碳當(dāng)量增加而加大，因?yàn)殡S著碳當(dāng)量的增加結(jié)晶區(qū)間也隨之增加，這就增加了裂紋的敏感性；同時(shí)焊縫強(qiáng)度也增加，使焊縫硬化，塑韌性降低，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式可以算出，42CrMo鋼的碳當(dāng)量為0.7%~0.85%，焊接性較差。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)生的熱裂紋。

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，工件越厚，則淬硬傾向越大。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。焊接接頭的淬硬傾向首先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，可以采取焊后后熱和緩冷等辦法來調(diào)整冷卻時(shí)間。適當(dāng)延長(zhǎng)臨界冷卻時(shí)間，可降低鋼的淬硬傾向。

（2）應(yīng)力分析 應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)中的原子間結(jié)合距離失衡引起的，它們會(huì)相互疊加、聚集，從而引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生巨大的破壞作用力，導(dǎo)致裂紋等缺陷。鋸片內(nèi)環(huán)應(yīng)力來源有：①在焊接熱循環(huán)作用下，受熱溫度不均產(chǎn)生的應(yīng)力。②焊縫金屬由液態(tài)凝固，冷卻到常溫固態(tài)，冷卻過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。鋸片內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)為厚板結(jié)構(gòu)，焊縫應(yīng)力巨大，可采取預(yù)熱措施來減小應(yīng)力和焊后熱處理來消除應(yīng)力。

（3）氫的影響 焊縫中的氫在冷卻過程中析出，由于氫原子體積小，它可以穿過焊縫原子間隙在晶界處發(fā)生聚集。如果氫含量超標(biāo)，這些聚集的氫就會(huì)破壞焊縫晶界結(jié)合，產(chǎn)生氫致延遲裂紋。一般來說氫的來源有：①坡口及坡口附近的油污。②焊條的水分或油污。③潮濕的空氣。可通過焊后熱處理來消除氫的影響。

2. 焊接工藝

（1）焊接方法的選擇 結(jié)合單位設(shè)備情況和生產(chǎn)實(shí)際選擇焊條電弧焊，它具有成本低、抗氣孔能力強(qiáng)、操作靈活，可進(jìn)行全位置焊接和工藝成熟的特點(diǎn)。

（2）焊接材料的選擇 由于42CrMo鋼碳當(dāng)量高，易產(chǎn)生裂紋，為了增加焊縫的抗裂性，可采用抗裂性較高的焊條進(jìn)行施焊。另外，由于42CrMo的抗拉強(qiáng)度為1080MPa，所以選擇J857CrNi（E8515-G）焊條，抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于830MPa，強(qiáng)度比母材略低，焊材的抗裂性能也較好。

（3）拼接坡口設(shè)計(jì) 由于設(shè)備能力所限，所以不能整體鍛制，需要進(jìn)行拼接。雖然拼接及坡口方式的選擇簡(jiǎn)單，但對(duì)于此結(jié)構(gòu)來說是相當(dāng)重要的，它嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。三種拼接方式如圖2所示，圖2a加工容易。圖2b、c焊接量少且應(yīng)力集中程度小。圖2b坡口兩側(cè)為斜面，有利于碳弧氣刨清根、處理焊接缺陷時(shí)易排渣。由于該產(chǎn)品的焊接是質(zhì)量控制的重點(diǎn)，所以選擇圖2b更合理一些。

圖2

（4）難點(diǎn)及解決 由于42CrMo鋼碳當(dāng)量大，淬硬傾向大，加之產(chǎn)品厚度大，應(yīng)力大，所以防止裂紋產(chǎn)生是此產(chǎn)品的難點(diǎn)。解決辦法：①對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度和層間溫度必須在270℃以上。考慮到散熱面積大，溫度可能不均勻，造成局部溫度過低的情況，可增加預(yù)熱溫度和層間溫度控制在300℃左右。預(yù)熱方法可制作φ600mm的煤氣加熱環(huán)（見圖2兩圈以上），置于產(chǎn)品下面進(jìn)行加熱。②在施焊過程中要對(duì)拼接坡口用石棉進(jìn)行保溫。③加強(qiáng)過程的監(jiān)控和記錄，每隔10min對(duì)焊縫層間溫度進(jìn)行檢查，低于260℃時(shí)必須進(jìn)行再加熱，每焊完一層對(duì)焊縫進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。④焊后進(jìn)行熱處理，去除焊縫中殘余氫和焊接應(yīng)力，按照?qǐng)D3要求進(jìn)行退火。

圖3 退火曲線

（5）焊接參數(shù)選擇 參照J(rèn)B4708—2000進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

（6）焊接順序 采用兩人對(duì)稱同時(shí)施焊，焊接方向按圖4a進(jìn)行。焊完正面的打底層后翻轉(zhuǎn)，對(duì)鋸片內(nèi)環(huán)的反面用碳弧氣刨進(jìn)行清根，確認(rèn)清除反面缺陷后，緊接著在反面焊接打底層和一部分中間層，正反面交替焊接，以減少焊接變形，直至焊接完成。焊接坡口及焊層如圖4b所示。

圖4

（7）注意事項(xiàng) ①焊前嚴(yán)格清除工件表面的油污、鐵銹、水漬和毛刺。②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。③每層每道焊縫焊完后要用風(fēng)槍錘擊，徹底去除藥皮，并將焊道清理干凈，檢查焊縫，如發(fā)現(xiàn)缺陷，立刻用碳弧氣刨或砂輪機(jī)將缺陷清理干凈，打磨合格并重新預(yù)熱后方可以焊接。④每道焊縫從開始焊后，中間盡可能不要停留時(shí)間太長(zhǎng)。⑤焊后立即進(jìn)行熱處理，去除焊縫中殘余氫和焊接應(yīng)力。

（8）檢測(cè) 焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢查，符合GB11345—1989（I級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)為合格，通過檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

3. 結(jié)語

（1）實(shí)踐證明，對(duì)于42CrMo中碳調(diào)質(zhì)鋼的拼焊，只有選擇合理的焊接材料和焊接工藝，才能夠獲得較為理想的結(jié)果。

（2）為防止裂紋，焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，控制好層間溫度和焊后熱處理是工藝的關(guān)鍵。