預熱溫度對35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響

郭嘉琳，萬文峰，張富巨，3，張國棟

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.林肯電氣管理（上海）有限公司，上海201907；3.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

預熱溫度對35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響

郭嘉琳1，萬文峰2，張富巨1，3，張國棟1

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.林肯電氣管理（上海）有限公司，上海201907；3.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

35CrMo鋼是一種常用的中碳低合金鋼，其碳當量較高，焊接接頭具有較大的冷裂紋傾向和熱影響區(qū)性能惡化的可能性。對比兩種不同預熱溫度下較低熱輸入超窄間隙MAG焊接頭的微觀組織和硬度分布，發(fā)現(xiàn)小幅度提高預熱溫度能小幅提高焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強度，接頭各區(qū)未出現(xiàn)異常組織，且完全避免了不完全正火區(qū)的軟化。

超窄間隙焊接；MAG焊；35CrMo；預熱溫度

0 前言

35CrMo鋼是一種常用的中碳低合金鋼，通常經過調質處理后使用，其屈服強度Re>537 MPa，抗拉強度Rm>689 MPa。由于35CrMo鋼的碳當量接近0.7，焊接時冷裂紋傾向大，熱影響區(qū)極容易發(fā)生脆化和軟化現(xiàn)象[1-2]。焊接預熱、層間溫度控制和焊后熱處理是焊接這類高碳當量鋼種常用的避免裂紋產生、保證焊接質量的技術手段[3-4]，其核心技術在于控制焊接接頭的高溫停留時間和冷卻速度。

前期工作中[5]嘗試了在60～80℃低溫預熱、無層溫控制和焊后熱處理的工藝條件下，對78 mm厚調質態(tài)35CrMo鋼進行環(huán)縫超窄間隙MAG對接焊，并觀察和分析焊接接頭的微觀組織、抗拉強度和硬度分布。本研究在保證其他焊接條件不變的情況下，提高預熱溫度至200℃，無層間溫度控制，焊后保溫緩冷，然后對焊接接頭進行微觀組織分析和微觀硬度測量。通過對比這兩種不同的工藝條件，分析預熱溫度對35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響。

1 焊接材料及工藝條件

35CrMo鋼屬于中碳低合金結構鋼，其主要化學成分如表1所示。材料供貨狀態(tài)為調質態(tài)，選用直徑1.2 mm的ER50-6焊絲，主要化學成分見表2。

表1 35CrMo鋼化學成分%

表2 焊絲ER50-6化學成分%

焊接工件是外徑355 mm，壁厚78.5 mm的大徑厚壁管，采用超窄間隙U型坡口加工，坡口尺寸如圖1所示。坡口的根部間隙7 mm，側壁傾角0.9°，管道外表面坡口間隙9.2 mm。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸

采用多層單道焊接方式，主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。為了進行對比，主要工藝參數(shù)與前期工作[5]保持一致，填充焊道的熱輸入約為14.5 kJ/cm，打底焊道采用較低的焊接熱輸入是因為該焊道為自由成型方式下單面焊雙面成型。焊接電源采用Fornius的 TPS-5000，保護氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量為20 L/min。

表3 主要焊接工藝參數(shù)

2 接頭微觀組織

在焊件圓周方向任取一與焊縫軸線垂直的橫切面，用機械冷切割方法切出75 mm×75 mm×10 mm的金相試樣，將截面磨平、拋光后，使用4%硝酸酒精腐蝕獲得焊縫接頭的金相樣品。

焊接接頭微觀組織如圖2所示。

圖2 高溫預熱條件下焊接接頭各區(qū)微觀組織

焊縫區(qū)的微觀組織為典型的等軸晶（見圖2a）+柱狀晶（見圖2b）的鑄態(tài)組織，晶粒細小；晶內均為細小的針狀鐵素體。熱影響區(qū)內依次出現(xiàn)由細小板條馬氏體構成的過熱區(qū)（見圖2c），極細小鐵素體+極細小珠光體組成的正火區(qū)（見圖2d），細小鐵素體+細小珠光體+塊狀鐵素體組成的不完全正火區(qū)（見圖2e）。母材為35CrMo鋼的調制態(tài)組織（見圖2f），全區(qū)未發(fā)現(xiàn)異常組織。

低溫預熱和高溫預熱條件下，焊接接頭過熱區(qū)的微觀組織如圖3所示。對比發(fā)現(xiàn)，較高溫預熱條件下的過熱區(qū)晶粒尺寸（見圖3a）明顯大于低溫預熱條件下的過熱區(qū)晶粒尺寸（見圖3b），雖然提高預熱溫度會增加熱影響區(qū)內金屬在高溫區(qū)的停留時間，預熱溫度越高奧氏體晶粒尺寸越大，但本試驗中較高預熱溫度下仍為細晶組織。

圖3 兩種預熱溫度條件下過熱區(qū)微觀組織對比

3 焊接接頭硬度分布與對比

在焊件厚度方向的中部位置，測量較高溫預熱條件下焊接接頭各微區(qū)的硬度，結果如圖4a所示。焊縫區(qū)硬度分布較均勻，平均硬度為284 HV，略低于母材平均硬度293 HV。熱影響區(qū)硬度高于焊縫區(qū)和母材區(qū)，最高值為420 HV，出現(xiàn)在距離焊縫中心6.4 mm處。

對比低溫預熱條件下焊縫接頭各區(qū)的硬度分布（見圖4b），發(fā)現(xiàn)隨著預熱溫度的小幅提高，焊縫寬度和熱影響區(qū)寬度均有所增加，焊縫區(qū)硬度有所提高，過熱區(qū)硬度增大，正火區(qū)的硬度保持穩(wěn)定。該結果與晶粒尺寸的很小變化無關，可能與預熱溫度小幅度升高導致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產生了某些微細或精細組織有關，有待于進一步研究。

4 預熱溫度對接頭性能的影響

由上述焊接接頭的組織分析和微區(qū)硬度分析可知，小幅度提高預熱溫度，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強度均有所提高。對35CrMo低合金調質高強鋼而言，有三方面的影響：一是焊縫區(qū)強度的提高，使低強匹配的焊絲條件下，非平衡組織下的焊縫強度與平衡組織的母材更接近，既達到了焊縫與母材近等強匹配，又增大了焊縫區(qū)的塑韌性儲備，無疑是利好技術措施；二是小幅度提高預熱溫度，降低了焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，避免高淬透性鋼過熱區(qū)只產生低溫轉變，而產生完全的中溫轉變或中低溫混合轉變（即B轉變或B+M混合轉變），有利于降低過熱區(qū)的脆化；三是小幅度提高預熱溫度，較大幅度地降低了焊接殘余應力，這對防止塑韌性儲備低的過熱脆化區(qū)出現(xiàn)拘束裂紋十分有效。依據(jù)Hall-Petch公式，晶粒尺寸與高溫停留時間成正比，與強度成反比，本試驗中小幅度提高預熱溫度未見明顯晶粒長大，表明觀測到的強度提高并非晶粒尺寸所致，而是組織或精細結構原因。

圖4 兩種不同預熱溫度的焊接接頭硬度分布

5 結論

（1）較高預熱溫度條件下較低熱輸入、無層溫控制的超窄間隙MAG焊新工藝技術，能成功焊接淬透性高的中碳低合金調質35CrMo鋼，接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)仍為細晶組織，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強度小幅度提高。

（2）相對60～80℃的低預熱溫度，在較高預熱溫度（200℃）下，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強度小幅度提高，不是晶粒尺寸的原因，應是微小和精細的組織變化所致。

（3）35CrMo調質高強鋼采用200℃預熱、較低熱輸入的超窄間隙MAG焊工藝，可以有效防止不完全正火區(qū)的軟化。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]張文越.焊接冶金學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第2卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4]D.拉達伊.焊接熱效應[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[5]郭嘉琳，萬文峰，張富巨.35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機，2017，47（9）：24-27.

Effect of preheating temperature on the performance of 35CrMo tempered and quenched steel welded joint by UNG-MAG

GUO Jialin1，WAN Wenfeng2，ZHANG Fuju1，3，ZHANG Guodong1
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Lincoln Electric Company，Shanghai 201907，China；3.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

35CrMo steel，a common medium-carbon low-alloy steel，has a larger tendency of cooling crack and a probability of performance deterioration in HAZ because of high carbon equivalent.In this paper，we compared microstructures and distribution of hardness between two welded joints which had been preheating from two different temperatures.It was found that a small increase of preheating temperature could increase the strength of weld zone and heat affected zone slightly，and no abnormal microstructure was found in all joints，and the softening of incomplete normalizing zone was completely avoided.

UNG welding；MAG welding；35CrMo；preheating temperature

TG407

A

1001－2303（2017）11－0031-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.06

本文參考文獻引用格式：郭嘉琳，萬文峰，張富巨，等.預熱溫度對35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響[J].電焊機，2017，47（11）：31-34.

2017-09-15

國家自然科學基金資助項目（51305308）

郭嘉琳（1978—），男，講師，博士，主要從事焊接過程數(shù)字模擬及優(yōu)化、窄間隙焊接等方面的研究。E-mail：guojialin2005@126.com。