李勝鑫

（豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 474678）

0 前言

豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司研制的35CrMnSiA、50SiMnVB等一系列超高強(qiáng)鋼，具有熱敏感性強(qiáng)、脆硬傾向高，對(duì)熱輸入要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，尤其在含碳量一定的情況下，硫、磷的含量較高，焊接范圍窄，要求采用熱量集中、能量高，熱影響區(qū)小的方法來焊接工件。經(jīng)分析與實(shí)際相結(jié)合確定采用自動(dòng)TIG焊接方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 35CrMnSiA和50SiMnVB異種鋼性能分析

50SiMnVB鋼是55SiMnVB鋼的改良鋼種，綜合力學(xué)性能良好，屬于兵器行業(yè)新材料。50SiMnVB鋼強(qiáng)度高、韌性較高，已廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)[1]。

1.1 35CrMnSiA化學(xué)成分和性能

35CrMnSiA鋼屬低合金超高強(qiáng)度鋼，化學(xué)成分如表1所示。其淬透性較高，對(duì)熱的敏感性、脆硬傾向非常強(qiáng)，對(duì)熱量的輸入要求嚴(yán)格，尤其在含碳量一定的情況下，硫、磷等雜質(zhì)含量高，焊接范圍窄，焊接電流調(diào)整寬度變窄，必須在較小電流工作段上進(jìn)行，否則熱裂紋傾向大。35CrMnSiA需要熱量集中、能量高的焊接方法，以減少熱影響區(qū)的范圍[2]。

表1 35CrMnSiA鋼的主要化學(xué)成分 %

1.2 50SiMnVB鋼的化學(xué)成分和性能

50SiMnVB合金鋼化學(xué)成分如表2所示。C是50SiMnVB鋼獲得強(qiáng)度的主要來源，鋼的硬度也與含碳量有直接關(guān)系，含碳量越高，硬度越高。其他合金元素Si、Mn、Cr的主要作用是提高淬透性。此外，Mn起固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用；Si除了提高淬透性外，另一個(gè)突出作用是能使淬火后馬氏體回火脆性溫度移向高溫，使得這種鋼可以在較低的溫度下回火，從而獲得較高的強(qiáng)度；Cr也是強(qiáng)碳化物形成元素，加入鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力。除上述合金元素以外，還加入了微合金化元素V，它能細(xì)化組織的晶粒，提高鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性；B在鋼中的主要用途是增加鋼的淬透性，從而節(jié)約其他稀缺、貴重的合金元素[3]。

表2 50SiMnVB鋼的主要化學(xué)成分 %

1.3 35CrMnSiA和50SiMnVB鋼焊接特點(diǎn)[4]

（1）C的擴(kuò)散遷移及對(duì)高溫性能的影響。因焊接接頭處于高溫中，且35CrMnSiA和50SiMnVB鋼中的碳化物形成種類和含量不盡相同，尤其是C含量不同。在高溫條件下，Cr作為強(qiáng)烈形成碳化物的元素，促使w（Cr）低的鋼中C向w（Cr）高的焊縫金屬中擴(kuò)散遷移。為減少碳遷移現(xiàn)象或碳遷移過渡層的寬度，要求焊縫中有能增大碳活度系數(shù)的元素（如Mo、Ni），焊縫中有一定量Mo可較好地減少碳遷移的現(xiàn)象。

（2）過渡層形成及熔合區(qū)塑性降低。由于熔池邊緣的液態(tài)金屬溫度較低，流動(dòng)性較差，且液態(tài)停留時(shí)間較短，機(jī)械攪拌作用較弱，導(dǎo)致熔化的母材不能與填充金屬充分混合，從而這部分焊縫中母材所占比例較大。因此在毗鄰馬氏體一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，都形成一層與內(nèi)部焊縫金屬硬度不同的過渡層。過渡層中的高硬度馬氏體組織會(huì)使脆性增加、塑性顯著降低，從而降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。

（3）高溫造成母材金屬的軟化。該工件要求母材在熱處理后的條件下進(jìn)行焊接，其中35CrMnSiA熱處理硬度要求41～45 HRC；50SiMnVB硬度要求37～41 HRC。由于高溫條件下，溫度過高造成熱熱影響區(qū)中母材金屬出現(xiàn)回火或退火現(xiàn)象，形成軟化現(xiàn)象。通常在部分淬火區(qū)軟化嚴(yán)重。但軟化是相對(duì)的：母材焊前為退火狀態(tài)，焊后無軟化；母材焊前為淬火+高溫回火，則軟化程度較低；母材焊前為淬火+低溫回火，則軟化程度最大。也就是說焊前母材強(qiáng)化程度越大，焊后的軟化程度越大。為了減少軟化和軟化區(qū)寬度問題，采用小焊接線能量的多層焊，并保持一定的層間溫度。

（4）工件之間密封。采用膠粘劑聯(lián)接，該膠粘劑熔點(diǎn)950℃，耐熱溫度在600℃以上粘接強(qiáng)度保持80%，耐寒溫度-183℃，膠層不溶于水，耐油，不耐酸堿，基本為絕緣體。在100℃下固化，調(diào)配使用方便，耐熱可達(dá)600℃，具有較高的套接粘接和槽接粘接強(qiáng)度，但平面粘接性能較差，性脆、耐酸堿介質(zhì)性能亦差。膠吸水性強(qiáng)，膠粘劑如粘在手上，用水沖洗即凈。工件（見圖1）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在膠結(jié)處焊接（尤其是在冬天溫差大的情況）時(shí)，焊縫成形出現(xiàn)裂紋和大量氣孔。為了避免焊接缺陷，在圖1連接處采用階梯式結(jié)構(gòu)并開坡口并且采取預(yù)熱（必要時(shí)，臺(tái)階處可加入耐火石棉）。

圖1 試樣示意

（5）殘余應(yīng)力的影響。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，兩工件之間需加入鎢等類型的高溫合金。35CrMnSiA、50SiMnVB和鎢合金材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)性不同，造成在焊接過程中受熱不均勻、冷卻不均勻，即使通過焊后熱處理，焊接接頭中的殘余應(yīng)力也難以消除。異種鋼焊接接頭不均勻的熱收縮會(huì)重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力，往往是有弊的。采用低碳低硅的焊絲，熱量相對(duì)集中，能低稀釋率的氬弧焊進(jìn)行焊接。

2 35CrMnSiA和50SiMnVB鋼的焊接工藝

2.1 焊接材料

選用 φ1.2 mm的 H18CrMoA 焊絲，φ1.6mm 的H30CrMnSiA焊絲，鎢極直徑3.2 mm。鎢極端部磨成錐臺(tái)形。

2.2 焊前準(zhǔn)備

坡口加工角度偏向50SiMnVB鋼一側(cè)，如圖1所示。先用中性金屬清洗劑整體清洗工件內(nèi)外表面，清洗干凈后立即去掉水分；再用酒精擦拭坡口及其兩側(cè)大于100 mm內(nèi)外表面，必須清除一切污物。

2.3 焊前預(yù)熱

先對(duì)坡口處進(jìn)行80℃～100℃的預(yù)熱，觀察膠結(jié)處無變化后再進(jìn)行200℃～250℃的預(yù)熱處理，預(yù)熱應(yīng)均勻和緩冷，稍微偏向50SiMnVB鋼。嚴(yán)格控制層間溫度小于等于250℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

焊接熱輸入越大，母材熔入焊縫越多，熔合比越大，同時(shí)熱影響區(qū)越寬。熱影響區(qū)增大，焊接殘余應(yīng)力也增大，易導(dǎo)致裂紋。焊接時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)較小的焊接參數(shù)進(jìn)行小電流、快速、多層多道焊。由于母材熔化到第一層焊縫金屬中的比例最高達(dá)30%，所以第一層焊縫焊接時(shí)應(yīng)盡量采用小電流和相對(duì)慢的焊接速度，以減小母材熔深。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

2.5 焊接

自動(dòng)氬弧焊前，調(diào)整好焊絲與焊槍的位置，保證焊件轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。每次起弧點(diǎn)與避免與上次接頭重合。焊接時(shí)，電弧偏向50SiMnVB鋼一側(cè)。工件、焊槍、導(dǎo)絲嘴相對(duì)位置如圖2所示[5]。

圖2 焊接位置示意

2.6 焊后熱處理

焊后焊縫及熱影響區(qū)處，尤其機(jī)加工時(shí)在熔合線處出現(xiàn)讓刀的現(xiàn)象，需采用局部回火方式，回火溫度600℃～650℃，滿足機(jī)加工要求。

2.7 后熱消氫

后熱消氫溫度200℃～250℃，保溫時(shí)間不低于2 h。將局部熱處理工件及時(shí)裝入料筐送入連續(xù)低溫回火爐進(jìn)行后熱。

3 施焊要點(diǎn)

（1）焊前清理坡口內(nèi)外兩側(cè)的油污、銹跡等雜質(zhì)。

（2）減少焊縫的熱輸入，采用薄焊道多層焊接，可減少熔深和降低稀釋率。預(yù)熱時(shí)，仔細(xì)觀察膠結(jié)處變化，保證打底焊接的質(zhì)量，出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格時(shí)應(yīng)及時(shí)鏟除或重熔。電弧應(yīng)遠(yuǎn)離鎢合金一側(cè)，減少因熱膨脹系數(shù)的影響因素。

（3）采用低合金焊接材料，焊后受熱處理改變性能時(shí)，焊縫金屬中的合金成分應(yīng)與基本金屬相近。焊接結(jié)構(gòu)有強(qiáng)度要求時(shí)，選擇等強(qiáng)度匹配焊絲。

（4）填滿弧坑，避免弧坑裂紋。后熱要及時(shí)，使焊縫中的氫充分逸出，減少冷裂紋的產(chǎn)生。

4 常見缺陷產(chǎn)生原因和預(yù)防

（1）控制層間溫度、預(yù)熱溫度和冷卻速度等，采用小規(guī)范多層次焊接并注意焊接角度。降低熱影響區(qū)脆化和軟化現(xiàn)象。

（2）焊槍擺動(dòng)的幅度和頻率不當(dāng)，焊縫兩邊停留時(shí)間不均勻等原因，會(huì)造成蓋面焊產(chǎn)生咬邊。

（3）收弧處易產(chǎn)生裂紋等缺陷，收弧時(shí)應(yīng)回焊填滿弧坑或重熔。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)35CrMnSiA和50SiMnVB鋼的焊接特性，保證接頭的焊接質(zhì)量，打底焊盡量采用低碳、低硅焊絲。

（2）采取預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度200℃～250℃，防止冷裂紋、降低焊縫冷卻速度和接頭拘束度。采用熱輸入集中的TIG多層多道焊接，并嚴(yán)格控制熱輸入，能夠滿足產(chǎn)品性能要求。

（3）焊后熱處理及消氫處理是保證焊縫綜合性能和滿足后續(xù)加工的關(guān)鍵。

[1]崔 琳.50SiMnVB鋼件底表面裂紋分析[J].山西機(jī)械，1998（1）：25.

[2]劉立成，左瑩璐，谷彥軍.35CrMnSiA材料的TIG焊接技術(shù)[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2009（11）：57.

[3]許天已.鋼鐵熱處理實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]史耀武.中國材料工程大典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版業(yè)，2005.

[5]王文翰.焊接技術(shù)手冊(cè)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2001.