45#鋼管焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因及對策

趙志強(qiáng)

摘 要： 45#鋼總體來說焊接性不算好，若焊材的選擇不當(dāng)或工藝處理不當(dāng)都會導(dǎo)致焊接熱裂紋的出現(xiàn)，熱裂紋的產(chǎn)生主要與焊材或母材中碳、硫、磷含量過高有關(guān)，為避免熱裂紋的出現(xiàn)，必須減少碳、硫、磷溶入焊縫，采用抗裂性好堿性焊條焊接或TIG。

關(guān)鍵詞：45#鋼 熱裂紋 原因 對策

1.引言

為了進(jìn)一步與企業(yè)產(chǎn)品接軌，學(xué)校購進(jìn)一批5mm厚，管徑為114mm，材質(zhì)為45#鋼的鋼管，同時也購了幾箱E4303焊條，對學(xué)生進(jìn)行水平固定管焊的實習(xí)，但是在實習(xí)過程中卻出現(xiàn)了裂紋的現(xiàn)象，裂紋集中出現(xiàn)在打底層焊道的母材與焊縫的結(jié)合位置，特別是未填滿的弧坑處。熄弧后，稍微冷卻即可看到弧坑處有裂紋產(chǎn)生，清除熔渣，露出焊縫外表面的裂紋斷面有明顯的氧化色彩。據(jù)此我們判斷裂紋是焊縫處于較高溫度時產(chǎn)生的，屬于熱裂紋。它是焊接接頭中最危險的焊接缺陷，其危害性極大，解決這個問題，對于企業(yè)的液壓件產(chǎn)品的焊接有重要的意義。

2.熱裂紋產(chǎn)生的原因分析

2.1理論分析

從金屬材料斷裂理論可知，焊接熱裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質(zhì)，發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是：在高溫階段晶間延性或塑性變形能力δmin不足以承受焊縫金屬凝固和高溫冷卻過程積累的應(yīng)變量ε，即ε≥δmim時產(chǎn)生的。對于碳鋼來說產(chǎn)生熱裂紋都與焊縫金屬中低熔點共晶體形成的液膜有關(guān)，焊接接頭隨著結(jié)晶過程溫度下降，累積應(yīng)變也開始產(chǎn)生，并隨著溫度下降而增大，此時晶間殘存的液膜強(qiáng)度很低，使應(yīng)變集中，同時其變形能力又很差，因而固液區(qū)間塑性很低，當(dāng)應(yīng)變量ε>δmim時，即會有熱裂紋產(chǎn)生。而晶間液膜的產(chǎn)生與焊縫中存在較多雜質(zhì)元素硫、磷和含碳量較高有著直接的關(guān)系。為此，我們對母材及焊材進(jìn)行了化學(xué)成分分析。

2.1.1母材及焊材的化學(xué)成分進(jìn)行分析

（1）母材：45#鋼管的化學(xué)成分及焊接性分析

C：0.46%、Si：0.27%、Mn：0.65%、S：0.035%、P：0.035%、Gr：0.25%、Ni：0.2545%

國際焊接協(xié)會推薦的估算碳鋼和低合金鋼的碳當(dāng)量公式：CE =C+Mn6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15（%），45#鋼的CE=（0.46+0.656+0.255+0.254515）% = 0.8626%

根據(jù)經(jīng)驗：CE=0.8626% > 0.6%時，淬硬傾向更強(qiáng)，屬于較難焊的材料，需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。

（2）焊材：焊條的成分分析

焊芯：C 為0.20%、S為0.049%、P為0.045%；藥皮：C為0.58%、S為0.20%、P為0.43%。

2.1.2 小結(jié)

鋼管中含碳量較高、硫、磷略高；焊條焊芯的硫、磷含量偏高，且含碳量也明顯偏高；據(jù)此我們判斷焊條選用不當(dāng)，焊條中碳、硫、磷含量過高是產(chǎn)生熱裂紋的原因之一。

2.1.3 造成焊縫熱裂紋原因

碳、硫、磷元素過高，溶入焊縫而造成焊縫熱裂紋原因如下：

（1）45#鋼屬于中碳鋼，含碳量較高，液-固相區(qū)間大，偏析較嚴(yán)重，增大了焊縫金屬的結(jié)晶溫度區(qū)間，產(chǎn)生裂紋傾向增大。碳鋼中影響結(jié)晶裂紋的主要元素是C、S、P。因為結(jié)晶溫度區(qū)間△Tf與熔質(zhì)元素含量Xo有下列關(guān)系：△Tf =rf·w（Xo），熔質(zhì)（rf）系數(shù)：C為322、S為295、P為121.1；可以看出，C、S、P的rf數(shù)值都很高，含量很低時就使得△Tf增加。（2）S、P極易產(chǎn)生偏析，并形成低熔點共晶體。（3）含碳量較高，加劇了硫、磷的有害作用。另外，熱裂紋的產(chǎn)生也與積累應(yīng)變量大小有直接的關(guān)系，焊接結(jié)構(gòu)剛性過大和焊接接頭冷卻速度過快都會促使應(yīng)變量增大，從而增加熱裂紋的傾向。

2.2 工藝分析：（1）發(fā)現(xiàn)坡口角度過小，坡口面角度只有25°左右，這樣會造成、焊縫成形系數(shù)小，使低熔點共晶體聚集在焊縫的中間。（2）定位焊縫的尺寸主要是指焊縫過長，厚度太厚，對正式焊縫的收縮約束力過大，使焊縫的殘余應(yīng)力過大從而促使熱裂紋的產(chǎn)生。（3）根部間隙的預(yù)留太大，達(dá)到了4.0mm-4.5 mm，使收縮應(yīng)力過大促使焊縫熱裂紋的產(chǎn)生。（4）焊接電流達(dá)到了115A-120 A，電流過大，焊件熔入焊縫金屬較多，使焊縫中含碳量增加。（5）沒有采用抗裂性較好的堿性焊條。（6）焊前沒有對焊件進(jìn)行徹底的清理。（7）沒有采取焊后保溫緩冷。

3. 實驗方案

3.1 實驗方案（一）：采用堿性焊條打底

3.1.1 實驗過程 ：（1）采用堿性焊條焊接，并且焊條進(jìn)行350-400℃的烘干并保溫2h，以增強(qiáng)對焊縫金屬的脫磷脫硫能力。（2）坡口面角度為30°，增加熔合比，減少焊件熔入量。（3）用手砂輪將坡口面上的氧化皮及坡口兩側(cè)的油、銹、污物清理掉，直至露出金屬光澤。（5）對母材預(yù)熱100℃-150℃，并保持層間溫度不低于200-250℃；焊后保溫緩冷。（6）整個打底層的過程中不要間斷，前半圈焊完后迅速將接頭修磨成斜坡狀隨后開始完成后半圈。（7）焊接工藝參數(shù)不宜過大，盡量采用小電流、以減小焊件熔入焊縫金屬中比例（減小熔合比），熄弧時，填滿弧坑，并回焊熄弧以防止弧坑裂紋的出現(xiàn)。（8）制定焊接工藝規(guī)程：焊條：E5015 φ3.2； 焊絲：H08Mn2SiA φ1.2； 坡口角度：α=60°±5，P=0～1mm b=3.2～3.5mm； 焊接方法：打底層用焊條電弧焊； 蓋面層用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊； 焊接電源：手弧焊采用ZX7-400 型焊機(jī)（直流反接），二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊采用YD-500型焊機(jī)； 焊接參數(shù)：打底層為100—105 A，蓋面層為110-115 A，電弧電壓為18-19 V。

3.1.2.實驗結(jié)果分析：通過采取以上工藝措施和按照以上工藝規(guī)程，進(jìn)行焊接后，經(jīng)外觀檢驗后沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)X射線探傷后除了有幾個點狀夾渣、條狀夾渣外沒有發(fā)現(xiàn)其它缺陷。

3.2.實驗方案（二）：采用TIG焊打底

3.2.1.實驗過程：焊前準(zhǔn)備：⑴焊機(jī)： 型號為ZX7-315⑵焊材：焊絲H08Mn⑶噴嘴直徑：8號噴嘴⑷保護(hù)氣：采用純氬氣且純度大于99.5%⑸鎢極：采用鈰鎢極，直徑為2.5mm

TIG焊接工藝：⑴極性采用直流正極性⑵氬氣流量為：8-10L/min⑶鎢極修磨：錐角=30°⑷焊接電流：95-100A⑸鎢極的伸出長度：2-3mm ⑹送絲方法：點狀斷續(xù)送絲法 ⑺焊接的清理及保溫、緩冷同手弧焊。

3.2.2.結(jié)果分析：焊后進(jìn)行外觀及經(jīng)X射線探傷后沒有任何缺陷。

4.結(jié)論

通過以上兩種方案打底層都避免了焊接熱裂紋的出現(xiàn)，當(dāng)?shù)酵獾厥酆蠓?wù)時，如果沒有氬弧焊設(shè)備可采用堿性焊條焊接；在企業(yè)生產(chǎn)可采用氬弧焊打底，可有效的防止油缸漏油，降低返修率，同時為了提高生產(chǎn)率采可采用氣保焊進(jìn)行蓋面。

參考文獻(xiàn)：

[1]英若采.熔焊原理及金屬材料焊接.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.5.

[2]邱葭菲.焊工工藝學(xué).中國勞動社會保障出版社出版，2005.6.