黃上甫，王梗蕊，富泉，吳自晟，郭亞峰

武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430205

1 序言

27SiMn鋼材料主要用于生產(chǎn)無(wú)縫鋼管或圓鋼，可制造工程機(jī)械用液壓缸、旋挖鉆機(jī)的鉆桿、活塞桿等產(chǎn)品。因此，該類產(chǎn)品往往工作環(huán)境惡劣，需要承受較大的動(dòng)載荷，要求母材必須具有較高的強(qiáng)度、足夠的沖擊韌度。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)27SiMn鋼材料研究主要是針對(duì)力學(xué)性能和生產(chǎn)過程中熱處理工藝展開，其中涉及到焊接工藝的研究極少，也主要以27SiMn鋼管與一些其他鋼種的異種鋼焊接。此類異種鋼焊接的要求一般采取“就低原則”，焊接工藝要求不高。

2 研究背景

某項(xiàng)目設(shè)備中的關(guān)鍵工件小橫梁、上橫梁是采用27SiMn中厚板焊接加工而成的箱型梁結(jié)構(gòu)件，如圖1、圖2所示。上橫梁中間箱型梁結(jié)構(gòu)由40～75mm厚的27SiMn正火鋼板焊接而成，兩端頭再采用27SiMn鋼調(diào)質(zhì)態(tài)的鍛件焊接。此關(guān)鍵工件連接27SiMn鋼的液壓缸，根據(jù)使用工況用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備核心部件的調(diào)整變化，運(yùn)動(dòng)過程中承受動(dòng)載荷。因?yàn)?7SiMn鋼焊接性較差，所以保證其焊接質(zhì)量，成了決定該關(guān)鍵設(shè)備能否正常使用的重要因素。同時(shí)，該工件與27SiMn鋼通常作為無(wú)縫鋼管使用也有區(qū)別，因其既有正火狀態(tài)的27SiMn中厚板焊接，也有調(diào)質(zhì)狀態(tài)的27SiMn鍛件焊接。為此，開展對(duì)27SiMn鋼中厚板焊接工藝的研究具有工程實(shí)用價(jià)值。

圖1 小橫梁結(jié)構(gòu)

圖2 上橫梁結(jié)構(gòu)

3 化學(xué)成分和力學(xué)性能

試驗(yàn)中試板的化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1～表3。

表1 27SiMn鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 27SiMn鋼板的調(diào)質(zhì)態(tài)力學(xué)性能

表2 27SiMn鋼板的正火態(tài)力學(xué)性能

4 焊接性分析

從化學(xué)成分上看，27SiMn鋼wC＞0.25%，且同時(shí)含有Si、Mn兩種元素，因此增強(qiáng)了鋼中碳化物的形成能力，在使其具有良好塑、韌性能的同時(shí)，也增加了鋼的淬硬性和焊接接頭的冷裂紋敏感性[1]。

由于試驗(yàn)中27SiMn鋼材料超出了當(dāng)下應(yīng)用比較廣的國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的和日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的碳當(dāng)量的使用范圍，因此選用美國(guó)焊接學(xué)會(huì)（AWS）提出的公式進(jìn)行計(jì)算[2]，27SiMn鋼的碳當(dāng)量為

因27SiMn鋼的CE＞0.4%，故焊接性較差，同時(shí)焊接熱影響區(qū)具有較大的淬硬傾向，且焊接接頭對(duì)冷裂紋比較敏感。因此，需要采取焊前預(yù)熱，焊后后熱處理、退火處理等工藝，才能保證焊接質(zhì)量。

5 焊接工藝的確定

（1）焊接方法 目前我公司用到的焊接方法主要有氬弧焊、氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊和埋弧焊等。通過對(duì)比以上幾種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)可知：氬弧焊生產(chǎn)效率低，對(duì)坡口尺寸和處理要求高；焊條電弧焊生產(chǎn)效率較低，對(duì)焊工技能水平要求較高；氣體保護(hù)焊既具有較高的生產(chǎn)效率，又對(duì)鉚裝坡口尺寸和焊工的技能水平要求較低。因此，結(jié)合本研究的產(chǎn)品特點(diǎn)，且產(chǎn)品內(nèi)部還有很多筋板需要焊接的實(shí)際情況，最終選擇熔化極氣體保護(hù)焊。

（2）焊接材料 考慮正火鋼板抗拉強(qiáng)度為550～850MPa、調(diào)質(zhì)鋼板抗拉強(qiáng)度≥800MPa的要求，選用牌號(hào)為ER69-1、φ1.2mm的氣體保護(hù)焊絲。該焊絲不僅含有Si、Mn等元素，還含有較高的Ni元素，能改善焊接性，提高焊縫的塑韌性。ER69-1焊絲的化學(xué)成分見表4，力學(xué)性能見表5。

表4 ER69-1焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 ER69-1焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能

（3）焊前預(yù)熱 通過對(duì)27SiMn鋼焊接性的分析，得知其焊接性較差，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，根據(jù)鋼板碳當(dāng)量和板厚，確定27SiMn鋼的預(yù)熱溫度為150℃。同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中板厚較厚、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、周圍環(huán)境惡劣等多重因素影響，為了保證預(yù)熱的可靠性，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度約為200℃。

（4）焊接參數(shù) 根據(jù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[3]覆蓋范圍，采用板厚為40mm的正火+正火（平焊）、正火+正火（立焊）、正火+調(diào)質(zhì)（平焊）共3組焊接工藝評(píng)定。不同焊接位置的焊接參數(shù)見表6。

表6 不同焊接位置的焊接參數(shù)

由于選用的保護(hù)氣體為富氬狀態(tài)，不利于熔敷金屬的流動(dòng)，容易產(chǎn)生氣孔和未熔合等缺陷，因此焊工在每道焊縫焊接完成后必須進(jìn)行打磨清理。同時(shí)，控制層間溫度為200～250℃。

（5）焊后后熱處理 為了消除焊縫冷裂紋傾向，產(chǎn)品焊接完成后還需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，無(wú)法立即進(jìn)行焊后消除應(yīng)力的退火處理，因此需增加焊后消氫后熱處理。根據(jù)最低后熱處理參考經(jīng)驗(yàn)公式[4]，可確定最低后熱溫度為148℃。同時(shí)結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)形式，確認(rèn)后熱溫度為200℃，保溫2h。

（6）焊后熱處理 工件后續(xù)需要進(jìn)行機(jī)械加工后再裝配其他零件，因此需要進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理。考慮鍛件調(diào)質(zhì)的回火溫度為500℃，最終確定正火+調(diào)質(zhì)狀態(tài)的焊后熱處理工藝為（480±15）℃、保溫7h后，隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷，正火+正火狀態(tài)的焊后熱處理工藝為（545±15）℃、保溫7h后，隨爐冷卻到150～200℃出爐空冷。

6 焊接工藝評(píng)定

3組試板分別按照工藝要求完成焊接、焊后后熱處理、無(wú)損檢測(cè)和焊后熱處理，部分關(guān)鍵過程如圖3～圖6所示。

圖3 焊前試板預(yù)熱

圖4 平焊焊接

圖5 立焊焊接

圖6 焊接過程測(cè)溫

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》要求制作3組試板，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，其中拉伸試樣2個(gè)、側(cè)彎試樣4個(gè)、沖擊試樣6個(gè)，性能檢測(cè)結(jié)果見表7。

由表7可知，1#、2#正火態(tài)的焊接試板，由于母材強(qiáng)度為661MPa，選用的焊絲抗拉強(qiáng)度為730MPa，因此拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期：斷裂發(fā)生在母材上；同時(shí)抗拉強(qiáng)度為651～656MPa，也與母材的強(qiáng)度非常接近。另外，由于焊絲在－50℃下的平均沖擊吸收能量約為75J，遠(yuǎn)大于母材20℃時(shí)的50J，因此焊縫的沖擊吸收能量在20℃時(shí)較高，而立焊的熱輸入比平焊要大，因此沖擊吸收能量反之要??；而熱影響區(qū)的沖擊吸收能量數(shù)值也在焊縫和母材沖擊吸收能量之間，完全符合預(yù)期效果。至于4件側(cè)彎試樣有1件出現(xiàn)1條1mm的裂紋，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求的“側(cè)彎不能出現(xiàn)單條超過3mm以上的裂紋”合格指標(biāo)，該側(cè)彎微小裂紋的出現(xiàn)應(yīng)該與ER69-1焊絲使用富氬氣體進(jìn)行焊接不利于熔敷金屬的流動(dòng)，容易產(chǎn)生氣孔和未熔合等缺陷有關(guān)，實(shí)際工程焊接時(shí)需要特別注意。

表7 性能檢測(cè)結(jié)果

由于3#試板是正火試板與調(diào)質(zhì)試板進(jìn)行對(duì)接，兩種狀態(tài)的母材性能有較大差異，調(diào)質(zhì)態(tài)母材抗拉強(qiáng)度比正火態(tài)高約200MPa，所以焊接試板的拉伸試驗(yàn)斷裂在正火母材上；至于抗拉強(qiáng)度只有610MPa，與正火母材理論相差約40MPa，應(yīng)該是試板在原鋼板上切割方向?qū)е碌钠?；而焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收能量的數(shù)值比項(xiàng)目要求的≥39J高出許多，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目指標(biāo)。

7 焊接效果

通過上述焊接工藝的研究，制定了27SiMn小橫梁和上橫梁的焊接工藝規(guī)程，焊接參數(shù)見表8，其中全部為正火鋼板的小橫梁焊后進(jìn)行（545±15）℃、保溫7h的去應(yīng)力退火處理，有調(diào)質(zhì)軸頭的上橫梁焊后進(jìn)行（480±15）℃、保溫7h的去應(yīng)力退火處理。

表8 27SiMn鋼小橫梁和上橫梁焊接參數(shù)

根據(jù)以上焊接工藝，目前已經(jīng)完成了該項(xiàng)目12件小橫梁和12件上橫梁的焊接生產(chǎn)，關(guān)鍵焊縫全部通過了NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分 超聲檢測(cè)》Ⅰ級(jí)和NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分 磁粉檢測(cè)》Ⅰ級(jí)檢測(cè)[5]，并得到了用戶的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

8 結(jié)束語(yǔ)

27SiMn鋼中厚板材料具有一定的特殊性，其焊接性較差，但通過采取焊前預(yù)熱、焊道間打磨清理、控制層間溫度、合適的焊接參數(shù)和焊后后熱處理等措施，可以達(dá)到相關(guān)工程產(chǎn)品的焊接要求。該工藝對(duì)27SiMn鋼中厚板類似工程項(xiàng)目的焊接，具有一定的借鑒意義。