郭嘉琳，萬(wàn)文峰，張富巨，3，張國(guó)棟

（1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)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(shè)備有限公司，湖北武漢430223）

預(yù)熱溫度對(duì)35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響

郭嘉琳1，萬(wàn)文峰2，張富巨1，3，張國(guó)棟1

（1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)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(shè)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(dāng)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(duì)比兩種不同預(yù)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(yù)熱溫度能小幅提高焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強(qiáng)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(yù)熱溫度

0 前言

35CrMo鋼是一種常用的中碳低合金鋼，通常經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后使用，其屈服強(qiáng)度Re>537 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm>689 MPa。由于35CrMo鋼的碳當(dāng)量接近0.7，焊接時(shí)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(yù)熱、層間溫度控制和焊后熱處理是焊接這類高碳當(dāng)量鋼種常用的避免裂紋產(chǎn)生、保證焊接質(zhì)量的技術(shù)手段[3-4]，其核心技術(shù)在于控制焊接接頭的高溫停留時(shí)間和冷卻速度。

前期工作中[5]嘗試了在60～80℃低溫預(yù)熱、無(wú)層溫控制和焊后熱處理的工藝條件下，對(duì)78 mm厚調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼進(jìn)行環(huán)縫超窄間隙MAG對(duì)接焊，并觀察和分析焊接接頭的微觀組織、抗拉強(qiáng)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(yù)熱溫度至200℃，無(wú)層間溫度控制，焊后保溫緩冷，然后對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀組織分析和微觀硬度測(cè)量。通過(guò)對(duì)比這兩種不同的工藝條件，分析預(yù)熱溫度對(duì)35CrMo調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。材料供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，選用直徑1.2 mm的ER50-6焊絲，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 35CrMo鋼化學(xué)成分%

表2 焊絲ER50-6化學(xué)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(cè)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(jìn)行對(duì)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?yàn)樵摵傅罏樽杂沙尚头绞较聠蚊婧鸽p面成型。焊接電源采用Fornius的 TPS-5000，保護(hù)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(jī)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(yù)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(jiàn)圖2a）+柱狀晶（見(jiàn)圖2b）的鑄態(tài)組織，晶粒細(xì)?。痪?nèi)均為細(xì)小的針狀鐵素體。熱影響區(qū)內(nèi)依次出現(xiàn)由細(xì)小板條馬氏體構(gòu)成的過(guò)熱區(qū)（見(jiàn)圖2c），極細(xì)小鐵素體+極細(xì)小珠光體組成的正火區(qū)（見(jiàn)圖2d），細(xì)小鐵素體+細(xì)小珠光體+塊狀鐵素體組成的不完全正火區(qū)（見(jiàn)圖2e）。母材為35CrMo鋼的調(diào)制態(tài)組織（見(jiàn)圖2f），全區(qū)未發(fā)現(xiàn)異常組織。

低溫預(yù)熱和高溫預(yù)熱條件下，焊接接頭過(guò)熱區(qū)的微觀組織如圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，較高溫預(yù)熱條件下的過(guò)熱區(qū)晶粒尺寸（見(jiàn)圖3a）明顯大于低溫預(yù)熱條件下的過(guò)熱區(qū)晶粒尺寸（見(jiàn)圖3b），雖然提高預(yù)熱溫度會(huì)增加熱影響區(qū)內(nèi)金屬在高溫區(qū)的停留時(shí)間，預(yù)熱溫度越高奧氏體晶粒尺寸越大，但本試驗(yàn)中較高預(yù)熱溫度下仍為細(xì)晶組織。

圖3 兩種預(yù)熱溫度條件下過(guò)熱區(qū)微觀組織對(duì)比

3 焊接接頭硬度分布與對(duì)比

在焊件厚度方向的中部位置，測(cè)量較高溫預(yù)熱條件下焊接接頭各微區(qū)的硬度，結(jié)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(duì)比低溫預(yù)熱條件下焊縫接頭各區(qū)的硬度分布（見(jiàn)圖4b），發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)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(guò)熱區(qū)硬度增大，正火區(qū)的硬度保持穩(wěn)定。該結(jié)果與晶粒尺寸的很小變化無(wú)關(guān)，可能與預(yù)熱溫度小幅度升高導(dǎo)致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產(chǎn)生了某些微細(xì)或精細(xì)組織有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。

4 預(yù)熱溫度對(duì)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(yù)熱溫度，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的強(qiáng)度均有所提高。對(duì)35CrMo低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼而言，有三方面的影響：一是焊縫區(qū)強(qiáng)度的提高，使低強(qiáng)匹配的焊絲條件下，非平衡組織下的焊縫強(qiáng)度與平衡組織的母材更接近，既達(dá)到了焊縫與母材近等強(qiáng)匹配，又增大了焊縫區(qū)的塑韌性儲(chǔ)備，無(wú)疑是利好技術(shù)措施；二是小幅度提高預(yù)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(guò)熱區(qū)只產(chǎn)生低溫轉(zhuǎn)變，而產(chǎn)生完全的中溫轉(zhuǎn)變或中低溫混合轉(zhuǎn)變（即B轉(zhuǎn)變或B+M混合轉(zhuǎn)變），有利于降低過(guò)熱區(qū)的脆化；三是小幅度提高預(yù)熱溫度，較大幅度地降低了焊接殘余應(yīng)力，這對(duì)防止塑韌性儲(chǔ)備低的過(guò)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(shí)間成正比，與強(qiáng)度成反比，本試驗(yàn)中小幅度提高預(yù)熱溫度未見(jiàn)明顯晶粒長(zhǎng)大，表明觀測(cè)到的強(qiáng)度提高并非晶粒尺寸所致，而是組織或精細(xì)結(jié)構(gòu)原因。

圖4 兩種不同預(yù)熱溫度的焊接接頭硬度分布

5 結(jié)論

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

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

（3）35CrMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼采用200℃預(yù)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(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]張文越.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4]D.拉達(dá)伊.焊接熱效應(yīng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[5]郭嘉琳，萬(wàn)文峰，張富巨.35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機(jī)，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(xiàn)引用格式：郭嘉琳，萬(wàn)文峰，張富巨，等.預(yù)熱溫度對(duì)35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：31-34.

2017-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305308）

郭嘉琳（1978—），男，講師，博士，主要從事焊接過(guò)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。