范如源，彭昌永，陳新旭

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

0 前言

某產(chǎn)品筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)筒體、外筒體組焊而成。筒體采用30CrMnSiA鋼，碳當(dāng)量較高(CqE≈0.73)，淬硬傾向大，焊接接頭的冷裂敏感性大，在工藝上要制定嚴(yán)格的預(yù)熱、后熱以及焊后熱處理規(guī)范。

內(nèi)筒體、外筒體焊前壁厚12～13 mm，焊后筒體壁厚分別加工到1.7 mm和2.0 mm。要保證這樣的焊接接頭與母材等強(qiáng)，加工后薄壁焊縫區(qū)要求無(wú)缺陷，在焊接工藝上有較大的難度。

內(nèi)、外筒體精加工后組焊是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再熱處理(構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)所要求的)，這樣在焊接時(shí)極易出現(xiàn)冷裂、熱影響區(qū)脆化、軟化的問題。組件焊后不再加工，焊接過(guò)程中需采取有效的措施控制變形。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

1 工藝試驗(yàn)［1－2］

1.1 鍛件對(duì)接焊試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)方法

針對(duì)筒體對(duì)接結(jié)構(gòu)，鍛件(正火狀態(tài))采用對(duì)接焊接，經(jīng)X射線探傷，焊后調(diào)質(zhì)，切制焊接接頭拉伸試樣，測(cè)試接頭強(qiáng)度指標(biāo)。

1.1.2 工藝措施

(1)焊接設(shè)備選用直流焊機(jī)，采用反接法(即焊條接正極)，在配合使用低氫堿性焊條時(shí)，工藝穩(wěn)定，不易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，易于控制規(guī)范，限制線能量的輸入。

(2)焊接材料選用J107Cr焊條，填充材料在強(qiáng)度級(jí)別、化學(xué)成分、熱處理規(guī)范方面與母材30CrMnSiA相適應(yīng)，焊后通過(guò)熱處理，焊接接頭強(qiáng)度、塑韌性指標(biāo)與母材相接近;焊條要求350℃ ～400℃烘培1 h，150℃保溫隨取隨用，確保焊材吸濕、結(jié)晶水的去除，從而降低焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量，嚴(yán)格控制裂紋、氣孔等缺陷，確保加工后薄壁焊縫區(qū)無(wú)缺陷。

(3)采用 J107Cr、φ3.2 mm 焊條，焊接電流100 ～110 A，在保證工藝過(guò)程穩(wěn)定的情況下，控制線能量偏下限，以利于減小熱影響區(qū)域，減弱淬硬傾向，防止開裂。

(4)焊前工件預(yù)熱300℃，層間溫度保持在約200℃，焊后置預(yù)熱爐緩冷。預(yù)熱緩冷措施的制定主要應(yīng)使臨界斷裂應(yīng)力和擴(kuò)散氫含量最低，從而防止冷裂、延遲開裂等裂紋敏感性。

(5)焊后調(diào)質(zhì)HRC27～34，以保證焊接接頭和母材的強(qiáng)度、塑韌性指標(biāo)，獲得最佳綜合機(jī)械性能。

1.1.3 結(jié)果與分析

采用以上工藝措施焊后，經(jīng)X射線探傷，焊件達(dá)到二級(jí)焊縫合格水平。調(diào)質(zhì)HRC27～34處理后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 焊縫拉伸試驗(yàn)

鍛件在采取有效的措施后焊接，可以獲得滿意的焊接質(zhì)量，經(jīng)合適熱處理，接頭強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到與母材等強(qiáng)度水平。

1.2 調(diào)質(zhì)態(tài)對(duì)接焊試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方法

焊前試板經(jīng)調(diào)質(zhì)HRC27～34，采用焊條電弧焊施焊，焊后不再熱處理，經(jīng)X射線探傷后進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，測(cè)試接頭強(qiáng)度指標(biāo);制備焊接接頭金相試樣，分析接頭各區(qū)顯微組織。

1.2.2 工藝措施

焊前試板調(diào)質(zhì)HRC27～34;直流焊機(jī)反接法;焊材選用J107Cr焊條，φ3.2 mm;嚴(yán)格用小線能量，Ι=100～110 A;試板預(yù)熱300℃，層間溫度不低于200℃，焊后隨爐緩冷。

1.2.3 結(jié)果及分析

調(diào)質(zhì)態(tài)對(duì)接試板采用以上工藝措施焊后，焊縫經(jīng)X射線探傷達(dá)二級(jí)合格水平，均未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣等缺陷，氣孔在允許范圍的低限。焊后未作熱處理，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 拉伸試驗(yàn)

接頭各區(qū)組織如圖2～圖4所示。接頭熱影響區(qū)組織為魏氏組織+少量馬氏體，焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體，靠近基體的熱影響區(qū)組織為鐵素體+少量魏氏體。經(jīng)分析，接頭熱影響區(qū)有脆化和軟化現(xiàn)象，過(guò)熱區(qū)晶粒粗大、有沖擊韌性低的魏氏體組織和脆硬的馬氏體。調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接接頭熱影響區(qū)性能有一定軟化、脆化現(xiàn)象。如果焊后不作熱處理，焊接時(shí)只能采取合理預(yù)熱、緩冷、控制熱輸入量等措施盡量控制。

圖2 焊縫區(qū)組織

圖3 熱影響區(qū)

圖4 靠近基體的熱影響區(qū)

2 筒體的焊接

內(nèi)筒體、外筒體的分段對(duì)接是在正火態(tài)焊接，采用相應(yīng)的工藝措施。筒體焊后經(jīng)X射線100%探傷，其焊接質(zhì)量令人滿意。為確保加工后薄壁δ1.7和δ2.0的焊縫區(qū)域無(wú)缺陷，此處探傷嚴(yán)于二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。

最后內(nèi)、外筒體加工后，壁厚δ=1.7和δ=2.0，焊縫區(qū)域未見裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接質(zhì)量令人滿意。

內(nèi)筒體與外筒體組焊，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，采用相應(yīng)的工藝措施。焊接過(guò)程嚴(yán)格控制質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊后經(jīng)磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。通過(guò)焊前、焊后筒體各段外圓直徑，內(nèi)腔直徑，法蘭高度尺寸的測(cè)量比較，焊接變形較小，型腔直徑誤差在0.20 mm范圍內(nèi)，法蘭平行度誤差在0.40 mm以內(nèi)，完全滿足產(chǎn)品要求。

3 結(jié)論

(1)30CrMnSiA鋼在鍛件正火態(tài)下焊接，只要焊接過(guò)程中采取嚴(yán)格有效的措施，焊后經(jīng)調(diào)質(zhì)，可以獲得質(zhì)量、性能指標(biāo)令人滿意的接頭，與母材等強(qiáng)。

(2)30CrMnSiA鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再調(diào)質(zhì)，焊接接頭有熱影響區(qū)的脆化、軟化問題，但可采取有效的措施減弱這種趨勢(shì)，并防止開裂。

(3)為解決30CrMnSiA鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的焊接問題，可進(jìn)一步探討用奧氏體不銹鋼焊材作填充材料的可能，采取更有效的措施防止冷裂、脆化、軟化問題，還可提高接頭的塑、韌性指標(biāo)，接頭承力的問題可通過(guò)增加焊縫有效截面積來(lái)解決。

［1］焊接手冊(cè)(第二卷)材料的焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］孟 鑫.具有淬硬傾向的高強(qiáng)鋼焊接接頭冷裂紋［A］.宇航焊接新技術(shù)論文集［C］，［時(shí)間不詳］.