郭嘉琳 ，萬文峰 ，張富巨 ，3，張國棟

（1.武漢大學(xué)動力與機械學(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調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析

郭嘉琳 1，萬文峰 2，張富巨 1，3，張國棟 1

（1.武漢大學(xué)動力與機械學(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）

介紹在低溫預(yù)熱條件下35CrMo調(diào)質(zhì)鋼厚板的超窄間隙MAG環(huán)縫對接焊的設(shè)備與工藝。通過焊接接頭的金相觀察、硬度測量和拉伸試驗，分析其組織分布和力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)的微觀組織均為細晶形態(tài)，硬度值較高。焊接接頭的拉伸實驗結(jié)果表明，斷裂均發(fā)生在硬度值較低的焊縫區(qū)，但對應(yīng)強度大大高于該焊絲的抗拉強度。應(yīng)用超窄間隙MAG焊較低熱輸入焊接工藝，有利于形成細晶粒的焊縫和熱影響區(qū)組織，能夠通過細晶強化大幅度提高熔敷金屬的抗拉強度，這對低合金調(diào)質(zhì)高強鋼的工藝設(shè)計與應(yīng)用具有重要的參考價值。

超窄間隙焊接；MAG/MIG焊；35CrMo；細晶粒

0 前言

35CrMo鋼是一種常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造受沖、彎、大載荷的重要零部件。該鋼淬透性良好，通常經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后使用。根據(jù)IIW推薦的碳當量計算公式可得，35CrMo鋼的碳當量值高達0.7以上，該鋼焊接的冷裂紋傾向大，焊接性差[1-2]。

大厚板35CrMo鋼在傳統(tǒng)焊接工藝下，需要較高的預(yù)熱溫度并進行焊后熱處理以避免產(chǎn)生裂紋。采用較低的焊接熱輸入，可有效控制焊縫及過熱區(qū)的晶粒長大，形成強韌兼優(yōu)的細晶組織。因此在避免冷裂紋的前提下，較低的焊接熱輸入是焊接此類高淬透性調(diào)質(zhì)高強鋼的可行選擇[3-4]。

超窄間隙MAG焊具有更高的焊接生產(chǎn)率、更高的焊接接頭承載能力、更低的焊接殘余應(yīng)力、更低的焊接生產(chǎn)成本，是焊接該類厚板及特厚板的較好選擇[5-6]。為研究超窄間隙MAG焊工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用特性，本研究嘗試在60℃～80℃低溫預(yù)熱，無層溫控制、無焊后熱處理的工藝條件下，對78 mm厚調(diào)質(zhì)態(tài)的35CrMo鋼進行了環(huán)縫超窄間隙MAG對接焊，并觀察分析焊接接頭的微觀組織、抗拉強度和硬度分布。

1 焊接材料及坡口尺寸

35CrMo鋼屬于中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，其主要化學(xué)成分見表1。材料供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，屈服強度Rel＞537 MPa，抗拉強度 Rm＞689 MPa。依據(jù)經(jīng)驗，較低熱輸入的超窄間隙MAG焊焊態(tài)的焊縫強度通常都會大幅度提高，因此選擇低強匹配的直徑為1.2 mm的ER50-6焊絲，其主要化學(xué)成分見表2。

表1 35CrMo鋼化學(xué)成分%

表2 ER50-6焊絲化學(xué)成分%

大徑厚壁管直徑為355 mm，壁厚78.5 mm，加工超窄間隙坡口尺寸如圖1所示。

2 焊接工藝參數(shù)

主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。第一道焊縫為打底焊，為防止燒穿，采用較低一些的熱輸入，加上特殊的小幅電弧擺動，在根部間隙為6～7 mm、鈍邊高度為2.5±0.5 mm的條件下，實現(xiàn)了全熔透自由成型工藝下的單面焊雙面成型；第2～17道為填充層焊縫，14～15 kJ/cm的焊接熱輸入實現(xiàn)了兼顧層間和側(cè)壁間的良好熔合，以及5 kg/h以上較高的熔敷速度。焊接電源采用Fornius的TPS-5000，氣體采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量 20 L/min。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸

表3 主要焊接工藝參數(shù)

3 焊縫接頭的宏觀分析及硬度分布

取焊件圓周方向的任意橫切面，冷加工方法切割成75 mm×69 mm×10 mm的金相試樣，將截面磨平、拋光后，使用4%的硝酸酒精腐蝕獲得焊縫接頭的金相樣品。焊接接頭宏觀照片如圖2所示，逐層的焊縫表面中凹十分顯著，說明兩側(cè)壁達到母材熔點溫度的高度遠高于焊縫中心，這有利于兩側(cè)壁的冶金熔合；逐層焊縫厚度均勻，說明每層的熔敷速度均勻；焊縫區(qū)層間的熱影響區(qū)和母材區(qū)的熱影響區(qū)尺寸都很均勻，說明焊接熱輸入均勻穩(wěn)定；母材焊接熱影響區(qū)很窄，平均寬度低于1.5 mm，顯示了較低的熱輸入對母材的損傷范圍很??；整體未見有明顯的工藝缺陷。

在焊件厚度方向的中部進行了微觀硬度測量，結(jié)果如圖3所示。焊縫區(qū)硬度分布較均勻，平均硬度為254 HV，略低于母材平均硬度272 HV。熱影響區(qū)硬度高于焊縫區(qū)和母材，最高值為370 HV，出現(xiàn)在距離焊縫中心4.5 mm處。

圖2 焊接接頭宏觀金相

圖3 焊縫接頭橫向硬度分布

35CrMo鋼的淬透性極好，無論是按照基于t8/5熱影響區(qū)最高硬度公式計算，還是按照基于碳當量的熱影響區(qū)最高硬度公式計算，其理論維式最高硬度均在600 HV以上；本試驗最高370 HV，平均約340 HV，說明較低的熱輸入對抑制調(diào)質(zhì)高強鋼淬火區(qū)的硬化脆化具有顯著的效果。本試驗是在60℃～80℃低溫預(yù)熱、無層溫控制條件下進行的，若再提高一些預(yù)熱溫度和層間溫度，抑制硬化脆化的效果將會更好。不完全正火區(qū)未見明顯低于母材的軟化區(qū)，正火區(qū)的硬度高于母材和淬火區(qū)是緣于該區(qū)極細的晶粒尺寸。

4 焊接接頭的微觀組織分析

焊接接頭各區(qū)微觀組織如圖4所示。

焊縫區(qū)的微觀組織為典型的等軸晶+柱狀晶鑄態(tài)組織，與傳統(tǒng)工藝技術(shù)不同的組織特征有以下四個方面：一是等軸晶區(qū)通常僅在焊縫中心一個區(qū)域，本試驗出現(xiàn)在兩個區(qū)域，即焊縫中心區(qū)域和焊縫與兩側(cè)熔合線相鄰的區(qū)域，焊縫中心等軸晶區(qū)較寬，與兩側(cè)熔合線相鄰的區(qū)域較窄；二是等軸晶粒細??；三是等軸晶晶內(nèi)和柱狀晶晶內(nèi)均為非常細小的針狀鐵素體；四是柱狀晶一次晶軸方向很短，枝晶很不發(fā)達。從熔合線開始，隨著逐步遠離焊縫中心，熱影響區(qū)內(nèi)依次出現(xiàn)淬火區(qū)細小的板條馬氏體（見圖4c）、正火區(qū)極細小鐵素體+極細小珠光體（見圖4d），不完全正火區(qū)細小鐵素體+細小珠光體+未長大的塊狀鐵素體（見圖4e）。母材為回火索氏體（見圖4f），全區(qū)未發(fā)現(xiàn)異常組織。

由圖4還可直觀比較焊接接頭各區(qū)晶粒大小。正火區(qū)（見圖4d）和不完全正火區(qū)（見圖4e）內(nèi)的微觀組織晶粒比母材調(diào)質(zhì)態(tài)的組織（見圖4f）晶粒要細小得多。等軸晶區(qū)（見圖4a）、柱晶區(qū)（見圖4b）和淬火區(qū)（見圖4c）內(nèi)組織比較小，加熱階段的A晶粒尺寸很小。焊縫區(qū)和HAZ晶粒細小是超窄間隙MAG焊接頭焊態(tài)組織有別于傳統(tǒng)弧焊工藝技術(shù)的又一顯著特征，這得益于超窄間隙MAG焊較低的熱輸入、極小的熔池體積和特厚板極快的散熱能力，焊件在高溫區(qū)停留時間很短，A晶粒根本來不及長大。

5 焊接接頭的強度試驗

對上述工藝下的超窄間隙MAG焊焊態(tài)焊接接頭進行了拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4所示，斷裂位置均位于焊縫區(qū)，如圖5所示。

由拉伸試驗結(jié)果可知：一是該試驗結(jié)果與接頭的硬度分布完全吻合，焊縫區(qū)的平均硬度比母材區(qū)低18 HV，且接頭各區(qū)中只有焊縫區(qū)最低，理應(yīng)斷裂于該區(qū)；二是硬度試驗未見不完全正火區(qū)的軟化現(xiàn)象，三個試件均未斷裂于該區(qū)，證明了較低熱輸入工藝對抑制調(diào)質(zhì)鋼HAZ的軟化十分有效；三是使用抗拉強度為550 MPa的焊絲，焊態(tài)焊縫的抗拉強度平均升高了221 MPa（因為全部斷裂于焊縫區(qū)，相當于全焊縫金屬的拉伸試驗，見圖5），這充分證明了較低熱輸入下焊縫區(qū)產(chǎn)生極高比例、極細晶粒尺寸的針狀鐵素體，具有很強的細晶強化作用，這是超窄間隙MAG焊獨有的技術(shù)優(yōu)勢之一。

6 結(jié)論

（1）低溫預(yù)熱、較低熱輸入、無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，其焊態(tài)的接頭組織和強度優(yōu)異，尤其是使用低強度的焊絲能夠焊出強度大幅度提升的焊縫，對于熱處理高強鋼工藝設(shè)計和應(yīng)用時選擇塑性韌性儲備更高的低強匹配焊絲，具有重要的指導(dǎo)價值。

圖4 焊接接頭各區(qū)晶粒大小比較

表4 355CrMo超窄間隙MAG焊焊態(tài)接頭拉伸試驗

圖5 拉伸試件的斷裂位置

（2）較低熱輸入的超窄間隙MAG焊新工藝技術(shù)對于抑制調(diào)質(zhì)高強鋼熱影響區(qū)內(nèi)的硬化脆化和軟化都具有十分顯著的有益作用。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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Microstructure of tempering 35CrMo welded joint by UNG-MAG welding process

GUO Jialin1，WAN Wenfeng2，ZHANG Fuju1，3，ZHANG Guodong1
（1.SchoolofPowerandMechanicalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.LincolnElectricCompany，Shanghai 201907，China；3.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

In this paper，introduced the equipment and the principle parameters in Ultra-Narrow Gap MAG Welding process applied for tempering 35CrMo circumferential welding，and then analyzed the microstructures and the mechanical performance via metallographic observation and hardness measurement of the welded joint.Finally，the results of tensile test on welds indicated that fracture occurred in welds which had minimum hardness，however corresponding strength was much higher than the tensile strength of the welding wire.It can be obtained that the application of ultra-narrow gap MAG welding lower heat input welding process，is conducive to the formation of fine grain of the weld and heat affected zone organization，through fine grain strengthening significantly improve the tensile strength of deposited metal，which has important reference value for the design and application of the technology of low alloy high-strength tempering steel.

UNG welding；MAG welding；35CrMo；fine grain

TG444+.7

A

1001-2303（2017）09-0024-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.05

本文參考文獻引用格式：郭嘉琳，萬文峰，張富巨，等.35CrMo調(diào)質(zhì)鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機，2017，47（09）：24-27.

2017-09-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51305308）

郭嘉琳（1978—），女，博士，講師，主要從事焊接過程數(shù)值模擬及優(yōu)化、窄間隙焊接方面的研究。E-mail：guojialin2005@126.com。