T－1鋼與ZG310－570異種金屬焊接工藝研究

宋應(yīng)為，王文先，石 青

（1.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西太重 北特機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

風(fēng)洞柔板是風(fēng)洞的重要組成部分。柔板初始狀態(tài)為平板，在機(jī)械力的作用下變形到預(yù)定曲面，承受氣流載荷，連接柔板的底座為鑄件，兩者間需采用焊接的連接方式。本文對(duì)柔板材料與鑄鋼連接的異種鋼焊接接頭的焊接性、焊接工藝及接頭的各項(xiàng)性能進(jìn)行了分析，得出最佳的工藝參數(shù)，并指導(dǎo)生產(chǎn)制造。

1 T－1與ZG310－570異種鋼焊接的工藝要點(diǎn)

1.1 焊接接頭的型式及特征

柔板尺寸為（11 000×1 200×22）mm，最大變形撓度為800mm。由于柔板主體既要有較高的強(qiáng)度又要有足夠的韌性，故材料選用抗拉強(qiáng)度大于800MPa的T－1鋼；由于鑄鋼件力學(xué)性能的各向異性并不顯著，且此部位需要流線(xiàn)型造型，因此與柔板連接的底座選擇鑄鋼件，為滿(mǎn)足強(qiáng)度要求選用14mm厚的ZG310－570；采用T型接頭、單V型坡口、焊接位置為平角焊的接頭形式。

1.2 基材的焊接性分析

T－1鋼是一種低合金高強(qiáng)鋼，其抗拉強(qiáng)度大于800 MPa，并含有一定量的合金元素及微合金化元素。其焊接性不同于碳鋼，主要體現(xiàn)在熱影響區(qū)組織與性能的變化對(duì)焊接熱輸入比較敏感和淬硬傾向大，易產(chǎn)生冷裂紋［1］。ZG310－570是一種中碳鋼，淬硬傾向較大，在熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的馬氏體組織，當(dāng)焊件剛性較大或焊接材料、工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，容易產(chǎn)生冷裂紋。兩種基材的化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 兩種基材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 兩種基材的力學(xué)性能

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量CE（IIW）計(jì)算公式和日本JIS標(biāo)準(zhǔn)（適用規(guī)定：低碳調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼）T－1鋼的碳當(dāng)量計(jì)算公式，計(jì)算得出ZG310－570鑄鋼的碳當(dāng)量為0.81，T－1鋼的碳當(dāng)量為0.53。這說(shuō)明這兩種鋼材焊接時(shí)易于淬硬，若焊接工藝選用不當(dāng)，熱影響區(qū)易形成硬而脆的馬氏體組織，使接頭的塑韌性下降，耐應(yīng)力腐蝕性能惡化，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增加。因此需預(yù)熱，且需采用較小的熱輸入。

1.3 焊絲和焊接方法的選擇

T－1和ZG310－570組織分類(lèi)都屬于珠光體鋼，它們的熱物理性能沒(méi)有很大差別，僅是合金化程度不同。為獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，一般按照異種鋼合金化程度較高的鋼來(lái)選擇焊接方法和制定焊接工藝。碳（或碳當(dāng)量）是決定珠光體鋼在焊接時(shí)淬火傾向的主要因素，一般應(yīng)按異種鋼中碳（或碳當(dāng)量）最少的鋼來(lái)選擇焊接材料。其焊前預(yù)熱或焊后熱處理的工藝參數(shù)按異種鋼合金化程度較高者選用［2］。由于低碳調(diào)質(zhì)鋼焊后一般不進(jìn)行熱處理，故選擇焊接材料時(shí)要求焊縫金屬在焊態(tài)下具有接近母材的力學(xué)性能。但在特殊情況下，如結(jié)構(gòu)剛度或拘束度很大、冷裂紋難以避免時(shí)，必須選擇熔敷金屬?gòu)?qiáng)度比母材稍低的焊接材料作填充金屬。綜上所述，焊絲選用ER50－6，其化學(xué)成分如表3所示。

因T－1鋼為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，只要加熱溫度超過(guò)回火溫度，其性能就會(huì)發(fā)生變化。因此焊接時(shí)因熱作用使熱影響區(qū)的局部強(qiáng)度和韌性下降是不可避免的。強(qiáng)度級(jí)別越高，這個(gè)問(wèn)題越突出，所以對(duì)焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的柔板應(yīng)選擇能量密度較大的焊接方法，如熔化極氣體保護(hù)焊［3］。

表3 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.4 T－1鋼的抗裂試驗(yàn)、預(yù)熱溫度和層間溫度的確定

因T－1鋼的合金化程度較高，所以抗裂試驗(yàn)、預(yù)熱溫度和層間溫度的確定由T－1鋼決定。又因T－1鋼易出現(xiàn)冷裂紋，因此采用“斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法”測(cè)試T－1鋼最低預(yù)熱溫度和最高層間溫度。

將T－1板加工至選用厚度，焊絲選用ER50－6，直徑為Φ1.2mm，保護(hù)氣體為CO2，電流為240A，電壓為32V，焊接速度為28cm/min。試驗(yàn)選取預(yù)熱溫度為120℃，未出現(xiàn)裂紋。實(shí)際工作中采用預(yù)熱溫度＞130℃。為防止組織發(fā)生變化，預(yù)熱溫度不得大于220℃，層間溫度也應(yīng)控制在＜220℃。施焊過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)裂紋。

1.5 T－1與ZG310－570異種鋼的焊接工藝

焊前采用火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度最小為100℃，焊接時(shí)層間溫度控制在最大200℃，采用純度大于99%的CO2混合氣體保護(hù)焊焊接，流量為15L/min～20 L/min。焊絲為ER50－6，焊接的打底電流為120A～150A，電壓為18V～20V，焊接速度為10cm/min～15cm/min；填充蓋面電流為240A～270A，電壓為25V～27V，焊接速度為30cm/min～50cm/min。采用多層多道焊。

2 T－1與ZG310－570異種鋼焊接接頭的性能分析

表4為T(mén)－1與ZG310－570異種金屬焊接接頭熔敷金屬的化學(xué)成分，與焊絲的化學(xué)成分相比，熔敷金屬的化學(xué)成分并未出現(xiàn)明顯的變化，且熔敷金屬中C、P和S的含量較低。表5為熔敷金屬的力學(xué)性能，從表中可以看出熔敷金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能符合實(shí)際生產(chǎn)中的使用要求。

表4 焊接接頭熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表5 焊接接頭熔敷金屬的力學(xué)性能

3 結(jié)論

對(duì)柔板的T型接頭部位依據(jù)JB/T6061－2007/1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示；對(duì)接頭按ISO 15614－1：2004進(jìn)行金相檢測(cè)，根部無(wú)未焊透，焊縫無(wú)裂紋，焊縫熱影響區(qū)無(wú)裂紋，無(wú)未融合。采用上述焊接工藝進(jìn)行焊接，接頭強(qiáng)度可以滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)為制造更大風(fēng)洞積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］孫萍，王仲鈺.ZG310－570鑄鋼與45鋼異種材料的焊接［J］.電焊機(jī)，2006，36（6）：68－70.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)·第2卷·材料的焊接［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］王成文.焊接材料手冊(cè)及工程應(yīng)用案例［M］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2004.