鑄鋼件疏松組織熱影響區(qū)裂紋形成機(jī)理和補(bǔ)焊研究

宋永輝 梁建莉

1．東方汽輪機(jī)有限公司 四川德陽 618000 2．四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000

本文將探討的是某燃機(jī)氣缸精加工后發(fā)現(xiàn)貫穿性裂紋缺陷。主體缺陷補(bǔ)焊后在焊縫熱影響區(qū)又檢測到細(xì)微分叉形裂紋，消缺深度較淺。補(bǔ)焊后又在新焊縫的熱影響區(qū)出現(xiàn)新裂紋，反復(fù)多次[1]。通過逐條分析熱影響區(qū)裂紋成因，制定了嚴(yán)密的補(bǔ)焊工藝措施，最終實(shí)現(xiàn)缺陷成功補(bǔ)焊。

1 主體缺陷

機(jī)床消缺體積：上口130mm×120mm，下口130mm×50mm，深度最大170mm，穿透部位50×50mm。

圖1 缺陷位置及消缺形貌

2 氣缸材質(zhì)及力學(xué)性能

氣缸材質(zhì)化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

按國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算得出，碳當(dāng)量≤0．52，淬硬傾向較低。

從材料力學(xué)性能分析，材質(zhì)塑性較好，有較好的抗裂性。

綜上所述，從化學(xué)成分和力學(xué)性能兩方面分析，氣缸材質(zhì)焊接性良好。

表1 母材化學(xué)成分（Wt.%）及機(jī)械性能

3 主體缺陷補(bǔ)焊工藝

（1）打磨修整坡口，背部墊同材質(zhì)墊板，裝焊防變形工藝?yán)睢?/p>

（2）局部預(yù)熱100-150℃，采用GTAW 對坡口壁全面打底一層對機(jī)床消缺的棱角、銳邊進(jìn)行圓滑，然后采用GMAW 進(jìn)行填充焊接；堆焊厚度超10mm 后，對每層焊縫采用大號(hào)風(fēng)槍和扁鏟進(jìn)行錘擊；

（3）焊后進(jìn)行350℃×4 小時(shí)的消氫處理。

4 熱影響區(qū)裂紋缺陷

主體裂紋缺陷按照上述工藝返修后，焊縫經(jīng)PT 檢驗(yàn)，無線性顯示。但在補(bǔ)焊焊縫鄰近母材熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)細(xì)微分叉型裂紋顯示，裂紋沿焊縫熔合線分布，消缺深度約8mm。消缺并采用GTAW 補(bǔ)焊，又在新焊縫熱影響區(qū)再次開裂，如此反復(fù)多次。

5 熱影響區(qū)裂紋原因分析

5.1 材質(zhì)疏松

（1）肉眼觀察熱影響區(qū)裂紋開口較窄，但進(jìn)行著色檢查，紅色顯示逐漸變寬，呈帶狀，且反紅顏色逐漸加深。

（2）據(jù)實(shí)施補(bǔ)焊焊工反映，主體缺陷打底層焊接時(shí)有反泡現(xiàn)象。

（3）缺陷部位為毛坯壁厚最大處，也是鑄造冒口所在。

據(jù)上述三點(diǎn)判斷，缺陷部位母材組織疏松嚴(yán)重。

5.2 殘余應(yīng)力大

氣缸已精加工，為避免熱處理變形風(fēng)險(xiǎn)，前期多次補(bǔ)焊返修均未做去應(yīng)力熱處理，母材表面拉應(yīng)力水平較高。

5.3 接頭高匹配

根據(jù)ASMEIIC 篇，氣缸前期補(bǔ)焊選用AWSA5．18ER70S-3 焊絲，焊縫力學(xué)性能見表2。

通過對比可發(fā)現(xiàn)，焊縫強(qiáng)度等級(jí)較母材高，接頭為高匹配。且焊縫致密而母材疏松，母材為薄弱點(diǎn)，首先開裂。

表2 焊材力學(xué)性能

5.4 熱影響區(qū)組織脆弱

母材材質(zhì)為低碳鋼，屬于不易淬火鋼。熱影響區(qū)為過熱粗晶組織，塑性和韌度明顯下降，是焊接接頭中最薄弱點(diǎn)。

5.5 拘束應(yīng)力大

從結(jié)構(gòu)分析，裂紋位于槽底與槽壁夾角處，此部位氣缸拘束應(yīng)力大，焊縫應(yīng)力集中嚴(yán)重。

5.6 補(bǔ)焊處散熱快

因熱影響區(qū)裂紋消缺體積較小，前期補(bǔ)焊采用火焰烤槍局部預(yù)熱，熱量較集中，溫度梯度大，散熱快，熱收縮應(yīng)力大，使母材表面拉應(yīng)力水平進(jìn)一步惡化。

5.7 GTAW 熔深淺

熱影響區(qū)裂紋消缺體積小且靠近精加工表面，為避免飛濺，前期補(bǔ)焊采用GTAW 焊接。相較SMAW 焊接而言，GTAW 焊接熱輸入小，熔深較淺。

我們知道，焊接應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和相變應(yīng)力組成。熱應(yīng)力是指焊接熱循環(huán)引起接頭溫度場變化產(chǎn)生的應(yīng)力，相變應(yīng)力是指焊縫金屬在凝固后冷卻過程中由γ 相變?yōu)棣?相體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力[2]。

結(jié)合本案例進(jìn)行分析，由于工件進(jìn)行100-150℃預(yù)熱，焊接熱循環(huán)引起的溫度場變化可以忽略。而相變應(yīng)力僅與焊道體積相關(guān)。

以單道焊縫進(jìn)行分析，假設(shè)有2 條體積相等（焊道寬度、焊道長度、焊道形狀完全相同）焊道，那么焊接收縮力F 一定，熔深h越淺，受力截面積S=l×h（l 為焊道長度）越小，應(yīng)力σ=F/S 越高。

多道焊同理，應(yīng)力σ 與熔深h 為反比例關(guān)系?？梢?，GTAW焊接造成的較淺熔深導(dǎo)致熱影響區(qū)受力截面較小，熱影響區(qū)所受焊接應(yīng)力較大。

5.8 熱影響區(qū)開裂原因分析小結(jié)

綜上所述，材質(zhì)疏松導(dǎo)致母材強(qiáng)度下降，熱影響區(qū)過熱粗晶組織導(dǎo)致塑性韌性下降，前期大面積補(bǔ)焊的殘余應(yīng)力，工件結(jié)構(gòu)引起的拘束應(yīng)力，局部加熱引起的熱收縮應(yīng)力，補(bǔ)焊焊縫的收縮應(yīng)力，低熔深引起的較小受力截面等多種不利因素的有機(jī)疊加導(dǎo)致了熱影響區(qū)開裂[3]。

6 熱影響區(qū)裂紋補(bǔ)焊工藝

針對上述分析的熱影響區(qū)裂紋誘因，逐項(xiàng)制定工藝措施如下：

6.1 錘擊夯實(shí)母材

消缺后，采用風(fēng)槍、尖形鏟頭，充分錘擊消缺坡口表面，直至坡口表面呈密集、均勻的蜂窩狀麻點(diǎn)，達(dá)到夯實(shí)母材的目的；同時(shí)可將表面拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

6.2 大范圍預(yù)熱

焊前對氣缸待焊區(qū)域正反面進(jìn)行充分預(yù)熱，緩慢升溫并擴(kuò)大加熱區(qū)域，最大程度地減小拘束應(yīng)力。

6.3 選取低匹配焊材

采用較母材強(qiáng)度等級(jí)略低的GB/T5117E4315 焊條（力學(xué)性能見表2）進(jìn)行補(bǔ)焊，接頭低匹配，以期獲得與疏松母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)闹旅芎缚p，將應(yīng)力均勻分布在母材和焊縫上。

6.4 采取SMAW 焊接

采用熔深較深的SMAW 焊接方法進(jìn)行補(bǔ)焊，適當(dāng)增大焊接電流，降低電弧電壓，同時(shí)短弧焊接，增加焊縫熔深，從而增大受力截面積，降低應(yīng)力水平。

6.5 控制熱輸入

采用小規(guī)范快速焊減小熱輸入，在保證坡口側(cè)壁熔合良好的前提下，盡量不擺動(dòng)，分層分道施焊。

6.6 跟蹤錘擊

每道焊接完畢，立即用風(fēng)槍密集、充分錘擊焊縫，降低焊縫收縮應(yīng)力。

6.7 大范圍后熱、緩冷

焊后，對補(bǔ)焊處及鄰近100mm 范圍進(jìn)行后熱處理并包裹石棉布緩冷，嚴(yán)格控制降溫速度，使熱收縮應(yīng)力在較大范圍內(nèi)均勻化。

按上述方案嚴(yán)格實(shí)施，缺陷最終補(bǔ)焊合格。

7 結(jié)語

（1）該鑄造氣缸材質(zhì)焊接性良好，造成焊后開裂的主要原因是母材顯微組織疏松；補(bǔ)焊未做去應(yīng)力熱處理，使補(bǔ)焊區(qū)域殘余應(yīng)力水平進(jìn)一步惡化，造成母材表面拉應(yīng)力水平高。

（2）對材質(zhì)疏松引起的裂紋，應(yīng)從夯實(shí)母材，降低拘束度，降低溫度梯度，降低接頭匹配等級(jí)，增加焊縫熔深，減小焊接應(yīng)力等方面入手，制定補(bǔ)焊方案。