中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼焊接接頭焊后消應(yīng)力處理研究

鄭春雷 楊永強 歐陽建國 李 川

(1.燕山大學(xué)材料學(xué)院材料綜合實驗教學(xué)示范中心，河北066004；2.巨力索具股份有限公司河北省吊索具工程技術(shù)研究中心，河北072550；3.中信戴卡股份有限公司工程技術(shù)研究院，河北066011)

G34CrMo4是一種歐標(biāo)材質(zhì)的中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼，化學(xué)成分與國標(biāo)材質(zhì)ZG35Cr1Mo相當(dāng)，表1為兩種材質(zhì)的化學(xué)成分對比分析。該材質(zhì)廣泛應(yīng)用在高強度澆注接頭上，由于其強度高，極大地減輕了錨具的自重，為錨具輕量化生產(chǎn)提供了保障。由于鑄鋼在鑄造過程及調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生了雙重應(yīng)力，加上本身的鑄造缺陷，調(diào)質(zhì)處理后很容易在產(chǎn)品表面形成裂紋等缺陷，需要進行焊接修補。本文通過模擬補焊兩組錨具試板，一組進行焊后消應(yīng)力處理，一組不進行焊后消應(yīng)力處理，最后對試驗數(shù)據(jù)進行對比。

1 母材的可焊性分析

本試驗用G34CrMo4鋼主要化學(xué)成分見表2。

表1 G34CrMo4鋼及ZG35Cr1Mo鋼化學(xué)成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table1 Comparison of chemical composition of G34CrMo4 steel and ZG35Cr1Mo steel(mass fraction,%)

表2 G34CrMo4鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Main chemical composition of G34CrMo4 steel(mass fraction,%)

由表2可見，G34CrMo4為中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼，為了保證淬透性和提高抗回火性，加入了一定數(shù)量的Cr、Mo等合金元素，強度主要還是取決于較高的含碳量，用國際焊接協(xié)會(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式來計算，本試驗用鋼的碳當(dāng)量CE高達0.63，可焊性較差。此鋼種淬硬傾向十分明顯，冷裂傾向較為嚴(yán)重，并且馬氏體中含碳量較高，對冷裂紋的敏感性較大，尤其在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)容易產(chǎn)生高碳馬氏體，造成焊接熱影響過熱區(qū)的脆化現(xiàn)象。通常情況下，該鋼種需要在退火狀態(tài)下進行焊接，焊接完成后再進行調(diào)質(zhì)處理，使得整個焊接接頭的性能達到使用要求。本試驗用錨具材料已經(jīng)調(diào)質(zhì)完畢，必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接，這樣會產(chǎn)生焊接后熱影響區(qū)軟化的問題，該區(qū)域的強度和硬度均低于正常調(diào)質(zhì)狀態(tài)的母材，將會成為焊接接頭的薄弱區(qū)域。因此在制定焊接工藝時，需要綜合考慮預(yù)熱溫度、焊后熱處理和焊接線能量的選擇[1-8]。

2 焊接工藝

2.1 焊接材料的選擇

試驗所用焊接材料的力學(xué)性能見表3，選取的實芯焊絲與母材等強度匹配，焊材型號為ER76-G(GB/T 8110—2008)。

表3 母材和焊材的力學(xué)性能對比Table 3 Comparison of mechanical propertiesof base metal and welding material

2.2 保護氣體的選擇

由于80%Ar+20%CO2混合器保護，焊縫成型好、焊接飛濺少并能減少對熔敷金屬合金元素的燒損，在高強度鋼中普遍使用，估選用此氣體作為保護氣體。

2.3 預(yù)熱溫度

預(yù)熱溫度的確定方法有焊接性試驗法、公式法和查表法。焊接性試驗比較系統(tǒng)，但是缺乏對線能量的考慮，查表法和公式法都是通過大量試驗總結(jié)得出，并在焊接性試驗的基礎(chǔ)上，將焊接線能量作為選擇預(yù)熱溫度的重要變量。經(jīng)比較，本文采用公式法來確定預(yù)熱溫度，公式如下：

Tp=697CE+160tan(d/35)+62×HD0.35+

(53CE-32)Q-328

式中，CE—碳當(dāng)量；d—試板厚度；HD—焊縫擴散氫含量；Q—焊接線能量。

(1)選擇產(chǎn)品最大板厚作為試板厚度，d=100 mm。

(2)G34CrMo4的含碳量大于0.25，國際焊接協(xié)會的碳當(dāng)量計算公式已經(jīng)不適合使用，對于中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼應(yīng)當(dāng)使用下列公式來計算碳當(dāng)量：

得出該鋼的CE=0.43。

(3)EN 1011-2:2001中注明實芯焊絲的擴散氫等級為HD=5 ml/100 g。

(4)焊接線能量按照最小數(shù)值選，定為Q=0.5 kJ/mm。

將上述數(shù)值代入，得出預(yù)熱溫度Tp=235℃。

方便起見，焊接前預(yù)熱溫度選為250℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

較低的焊接熱輸入在焊接此類材料時對沖擊韌性有改善作用。因為大的熱輸入將會產(chǎn)生寬的、組織粗大的熱影響區(qū)，增大熱影響區(qū)脆化、軟化和熱裂紋傾向。焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameter

2.5 焊后消應(yīng)力退火

本次試驗焊制了兩組試板，其中一組焊后進行了消應(yīng)力退火處理，另一組施焊焊后自然冷卻。兩組試板可進行性能對比，從而驗證焊后消應(yīng)力退火在中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼中的必要性。

EN 10293:2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，焊后消應(yīng)力退火溫度要低于鑄鋼本體回火溫度30～50℃，故消應(yīng)力退火溫度定為620℃，加熱和冷卻速率為100～150℃/h，進爐和出爐溫度為350℃。焊后消應(yīng)力退火工藝曲線見圖1。

圖1 焊后熱處理曲線Figure 1 Post-weld heat treatment curve

3 焊后檢驗

3.1 無損檢測

為驗證焊縫的表面和內(nèi)部缺陷，兩組分別進行了磁粉檢測和超聲檢測，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，驗收等級均符合要求。

3.2 力學(xué)性能檢測

(1)焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

未進行消應(yīng)力退火的試板焊接接頭的抗拉強度平均值為732 MPa，進行消應(yīng)力退火后試板的抗拉強度平均值為721 MPa，可見經(jīng)過消應(yīng)力退火后試板的強度略有下降，但是強度仍高于鑄鋼母材的抗拉強度最小值，兩組試板均合格。

(2)側(cè)彎試驗結(jié)果

2組試板的側(cè)彎試樣的彎曲面均無開口缺陷，均合格。

(3)沖擊試驗結(jié)果

沖擊試驗結(jié)果見表5，2組試板的焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)沖擊吸收能量均≥35 J，均合格。焊后消應(yīng)力處理后，沖擊吸收能量數(shù)值均有大幅度增長，其中熱影響區(qū)沖擊吸收能量44%，焊縫沖擊吸收能量63%。

表5 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果Table 5 Results of impact test of welded joints

表6 焊接接頭硬度試驗結(jié)果Table 6 Hardness test results of welded joints

圖2 母材金相組織Figure 2 Metallographic structure of base metal

圖3 焊縫金相組織Figure 3 Metallographic structure of weld seam

圖4 熔合線金相組織Figure 4 Metallographic structure of fusion line

(4)硬度檢測結(jié)果

兩組試板的焊接接頭的硬度結(jié)果見表6?？梢姾负笙麘?yīng)力處理后，整個焊接接頭的硬度數(shù)值均有顯著下降，尤其是熱影響區(qū)，硬度數(shù)值下降30.53%，母材和焊縫區(qū)域硬度數(shù)值分別下降8.24%和10.26%。

(5)金相結(jié)果

圖2～圖4分別為未進行消應(yīng)力處理和進行過消應(yīng)力處理后的母材、焊縫及熔合線附近的微觀金相組織，母材處的組織為回火索氏體和鐵素體，焊縫處的組織為鐵素體和珠光體，熔合線附近的組織為索氏體、粒狀貝氏體、鐵素體和少量珠光體?？梢?，焊后進行消應(yīng)力處理以后，碳化物析出變得均勻，且長大，從組織上論證了消應(yīng)力退火后會使焊接接頭硬度降低，韌性變好。

4 結(jié)論

中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼G34CrMo4的焊接接頭經(jīng)過焊后消應(yīng)力退火后，與焊后直接冷卻的試板進行對比，可見碳化物析出變得均勻且長大，拉伸性能沒有明顯變化，但是沖擊和硬度指標(biāo)均有了明顯改善。尤其是焊接熱影響區(qū)，沖擊吸收能量值增長44%，硬度數(shù)值下降30.53%。證實該中碳調(diào)質(zhì)鑄鋼焊后進行消應(yīng)力處理是必要的。