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        30CrMnSiA焊接件的熱表處理控制

        2022-06-27 04:48:12黃紅武
        熱處理技術(shù)與裝備 2022年1期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        毛 喆,黃紅武

        (航空工業(yè)鄭飛公司,河南 鄭州 450005)

        對(duì)于30CrMnSiA焊接件,要求焊接后最終熱處理強(qiáng)度σb為1175±100 MPa,表面處理通常采用鍍鋅8~12 μm進(jìn)行鈍化。在生產(chǎn)中,常因?qū)岜硖幚砜刂撇坏轿欢鴮?dǎo)致制件出現(xiàn)故障,結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)際,本文對(duì)30CrMnSiA焊接件的熱表處理控制作出了規(guī)定。

        1 30CrMnSiA材料

        1.1 化學(xué)成分

        30CrMnSiA材料化學(xué)成分見表1。

        表1 30CrMnSiA材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        1.2 焊接性分析

        通常焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學(xué)成分是相關(guān)的,常用化學(xué)成分間接地評(píng)估鋼材冷裂紋的敏感性[1]。碳當(dāng)量法是最常用的估算方法,即把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的公式如下:

        將表1中各元素按上限帶入該公式,計(jì)算可得30CrMnSiA材料的碳當(dāng)量為0.78。可見30CrMnSiA材料在焊接時(shí)易淬硬,焊接性能一般,需進(jìn)行預(yù)熱從而防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

        1.3 焊接殘留應(yīng)力

        焊接過程中,由于焊接件在不均勻溫度場的作用下會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,在焊接件冷卻后,雖然溫度場消失,但還有殘留的內(nèi)應(yīng)力存在,這種殘留的內(nèi)應(yīng)力俗稱焊接殘留應(yīng)力。導(dǎo)致焊接殘留應(yīng)力的來源有兩個(gè)方面:

        a)熱應(yīng)力。焊接過程中不均勻溫度場引發(fā)的制件塑性變形,冷卻后變形不能完全恢復(fù),產(chǎn)生應(yīng)力。同時(shí)制件焊接后,在冷卻過程中,各部位冷速不一致也會(huì)導(dǎo)致制件存在殘留應(yīng)力。

        b)組織應(yīng)力。30CrMnSiA材料焊接后,制件焊接區(qū)域冷卻后組織有珠光體、鐵素體和殘留奧氏體,對(duì)于薄板制件還存在一定的馬氏體組織。這些組織的比容不同會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。

        2 熱處理制度

        2.1 退火

        30CrMnSiA材料焊接完成后的殘留應(yīng)力應(yīng)予以消除,以避免焊接件在室溫放置過程中出現(xiàn)變形或開裂。生產(chǎn)中最常用和最高效的消除焊接應(yīng)力的方式為退火,即通過加熱的方式使焊接制件進(jìn)行應(yīng)力消除。

        2.1.1焊接與退火間隔時(shí)間

        焊接完成后與退火的間隔時(shí)間越短,殘留應(yīng)力對(duì)制件的影響時(shí)間就越少,制件開裂或變形的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)降低。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定制件焊接后和熱處理前要有間隔時(shí)間的要求,但并沒有對(duì)具體的間隔時(shí)間做出規(guī)定。如:GJB 481—88《焊接質(zhì)量控制要求》中9.7條規(guī)定:“有熱處理質(zhì)量要求的焊接件,必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行熱處理”。HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》中5.3.4.2規(guī)定:“…為防止焊接后裂紋和變形,應(yīng)及時(shí)退火”。對(duì)于30CrMnSiA材料的焊接件,焊接方式不同所產(chǎn)生的焊接殘留應(yīng)力亦不相同。因30CrMnSiA制件在氣焊時(shí)容易產(chǎn)生裂紋[2],故而對(duì)采取氣焊的焊接件應(yīng)在4 h內(nèi)進(jìn)行退火,其他焊接方式的制件焊接和退火的時(shí)間間隔可控制在48 h內(nèi)。對(duì)于焊縫較多的大制件,可采用焊接和退火交叉進(jìn)行,即焊接一部分就進(jìn)行退火,退火后繼續(xù)焊接,焊完接著退火。

        2.1.2退火參數(shù)

        30CrMnSiA焊接件一般采取低溫退火的方式進(jìn)行,應(yīng)力的消除與退火溫度和時(shí)間有關(guān)。研究表明,在450 ℃退火只有50%應(yīng)力得到消除,而要使內(nèi)應(yīng)力完全消除,需要在600 ℃退火15 h或者650 ℃退火1 h[3]。因此,通常要求退火溫度為650~680 ℃。在生產(chǎn)中常采用空氣電阻爐,但這種情況會(huì)造成制件在退火過程中氧化。反應(yīng)方程式如下:

        2Fe+O2=2FeO

        (1)

        4Fe+3O2=2Fe2O3

        (2)

        3Fe+2O2=Fe3O4

        (3)

        在570 ℃以下,生產(chǎn)的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成,二者比較致密,可以保護(hù)制件進(jìn)一步氧化。當(dāng)超過570 ℃時(shí),則會(huì)有FeO生成,且FeO在氧化膜最內(nèi)層,因其不致密,會(huì)破壞整體氧化膜的穩(wěn)定性,使制件的氧化過程繼續(xù)進(jìn)行,生成氧化皮,隨著時(shí)間的延長,氧化皮的厚度也不斷增加。氧化皮的存在使制件尺寸減少,并且會(huì)出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。若焊接件采用真空爐進(jìn)行退火,因真空爐為輻射加熱,加熱時(shí)間長,且需要隨爐降溫,退火工藝時(shí)間長,影響生產(chǎn)效率,一般不采納。

        航空工業(yè)鄭飛公司對(duì)30CrMnSiA焊接件一般采用電爐加熱至550±20 ℃保溫1 h后空冷的退火工藝規(guī)范。在550 ℃溫度下,高于30CrMnSiA材料的再結(jié)晶溫度,焊接件可通過再結(jié)晶使應(yīng)力消除。雖然焊接件的應(yīng)力不能完全得到消除,但可去除70%的應(yīng)力,可保證焊接件在后續(xù)加工和停放過程中,不會(huì)出現(xiàn)變形或開裂等現(xiàn)象。而焊接件退火、加工后還需進(jìn)行最終的淬火熱處理,使部分殘留焊接應(yīng)力在淬火加熱過程中發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,冷卻后得到馬氏體組織,經(jīng)高溫回火后為索氏體組織。在這一過程中,焊接所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力得到消除。經(jīng)多年生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證,采用550±20 ℃保溫1 h退火工藝可有效地防止30CrMnSiA焊接件的變形和開裂,并且在退火過程中可避免制件表面產(chǎn)生FeO膜,只生成氧化膜,對(duì)制件精度和表面質(zhì)量影響甚微。

        2.2 淬火、回火

        30CrMnSiA焊件要求熱處理強(qiáng)度σb為1175±100 MPa,熱處理制度為淬火+回火,其中淬火溫度為890±10 ℃,油冷;回火溫度為520±20 ℃,水冷。30CrMnSiA焊接完成后,制件有部分尺寸后續(xù)無加工余量,則要求在淬火熱處理時(shí)需防止制件氧化、脫碳。HB 5354—1994《熱處理工藝質(zhì)量控制》中6.8條規(guī)定:“焊接件、鑄件、鍍銅件、銅合金件以及粉末冶金件,一般不允許在鹽浴爐中加熱”。原因在于焊接件若采用鹽浴爐淬火,焊縫處的殘鹽難清理徹底,殘鹽主要是NaCl和KCl,氯離子半徑小,具有很強(qiáng)的穿透性,能穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng);同時(shí),氯離子含有一定的水合能,易被吸附在金屬表面,并將金屬表面的氧排掉,把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物,使鈍化態(tài)表面變成活潑表面,造成制件腐蝕[4]。以前采取電爐進(jìn)行淬火處理,為了防止高溫下制件氧化、脫碳,常采取木炭、鐵屑進(jìn)行防護(hù),操作繁瑣且質(zhì)量不穩(wěn)定,常出現(xiàn)制件因氧化嚴(yán)重或脫碳層過深的問題造成制件報(bào)廢。隨著真空爐的普及,對(duì)30CrMnSiA焊接件進(jìn)行真空淬火,可有效避免制件在加熱過程中出現(xiàn)氧化、脫碳現(xiàn)象?;鼗饻囟葹?20±20℃,電爐回火后制件表面有輕微氧化,不會(huì)生產(chǎn)氧化皮,吹砂法可輕易去除。故對(duì)于30CrMnSiA焊接件的熱處理采取真空淬火、電爐回火的方式進(jìn)行。

        2.2.1真空淬火零件裝爐方式

        真空淬火爐因在真空狀態(tài)下加熱,對(duì)制件的熱能傳遞主要依靠輻射的方式進(jìn)行。輻射傳遞熱能有一定的方向性,熱源輻射到正對(duì)的零件部位,使該部位先加熱,在通過工件自身對(duì)其他部位進(jìn)行熱傳遞。制件擺放密集或互相遮擋會(huì)明顯影響加熱速度,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成部分制件按工藝時(shí)間保溫后,達(dá)不到淬火溫度從而未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致淬火后硬度不足。因此在進(jìn)行零件裝爐時(shí),制件應(yīng)針對(duì)熱源整齊擺放且避免相互遮擋,保證各制件加熱均勻。

        2.2.2真空淬火油冷卻時(shí)加壓

        淬火冷卻過程分蒸汽膜、沸騰和對(duì)流三個(gè)階段,制件從真空爐熱室轉(zhuǎn)移到冷室入油瞬間,四周的油被加熱汽化,在制件表面形成蒸汽膜,后續(xù)蒸汽膜在油的冷卻下破裂,油在工件表面沸騰,工件冷速加大,待制件冷至真空淬火油沸點(diǎn)時(shí),則采用對(duì)流的方式進(jìn)行冷卻。對(duì)于30CrMnSiA制件淬火,要求快速冷卻通過C曲線“鼻尖”以保證過冷奧氏體能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。因?yàn)檎羝?dǎo)熱性差,阻礙油與制件的熱傳導(dǎo),因此在冷卻過程中,蒸汽膜階段的時(shí)間要短。真空淬火為使淬火油不污染真空系統(tǒng),所用真空淬火油飽和蒸汽壓低,即低壓下蒸發(fā)少。這就決定了真空狀態(tài)下蒸汽膜階段保持時(shí)間更長。30CrMnSiA材料雖含有Cr、Mn等合金元素,但不包含能顯著提高制件淬透性的Ni、Mo等元素,直接在真空淬火油中進(jìn)行冷卻,會(huì)使制件在冷卻過程中,冷速小于臨界冷卻速度,與C曲線相交,過冷奧氏體提前發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,淬火后不能全部得到馬氏體組織,使制件淬火后硬度低[5]。根據(jù)蘭納德-瓊斯理論,分子間的排斥作用與距離(r)的12次方成反比,而吸引作用與距離(r)的6次方成反比[6]??芍慊鹄鋮s時(shí)增大壓力可使氣體的摩爾體積減小,即分子間距減小,使得分子間引力增加,使蒸汽膜進(jìn)一步變薄,縮短了傳熱慢的蒸汽膜階段。因此,為了保證30CrMnSiA制件真空淬火冷卻后得到馬氏體組織,在冷卻時(shí),可向真空爐的冷室回充氮?dú)庖栽黾託鈮旱?×104Pa以上,以保證淬火質(zhì)量。

        3 表面處理

        對(duì)于30CrMnSiA焊接件的鍍鋅鈍化,按標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 5068—92《電鍍鋅、電鍍鎘工藝》進(jìn)行操作,電鍍前制件表面應(yīng)無焊接的剩余物、熔渣和焊瘤,尤其焊縫處應(yīng)無氣孔和虛焊等缺陷。電鍍鋅主要工序流程為:消除應(yīng)力→電解除油→弱浸蝕→中和→電鍍鋅→吹干→除氫→活化→出光→鈍化→吹干。

        30CrMnSiA焊接件和機(jī)加制件電鍍鋅過程基本相似,主要存在以下兩點(diǎn)差異。

        3.1 焊縫發(fā)暗處理

        焊接件在電鍍后,焊縫會(huì)因焊藥殘留導(dǎo)致焊縫處鍍鋅層發(fā)暗,HB 5035—1992《鋅鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》中規(guī)定焊接件焊縫處的鍍鋅層發(fā)黑、發(fā)暗為允許缺陷。為保證制件的防腐性,應(yīng)對(duì)焊縫發(fā)暗、發(fā)黑處涂抹H06-2鋅黃環(huán)氧酯底漆或TB06-9鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆。

        3.2 點(diǎn)焊制件鍍鋅

        對(duì)于點(diǎn)焊的制件,制件存在板縫,在加工過程中板縫內(nèi)會(huì)存在油污,在表面處理前電解除油過程中,油污從板縫中流出,使制件表面被污染,電鍍鋅時(shí)鍍層將會(huì)產(chǎn)生發(fā)花、鍍層起泡等弊病,而且還會(huì)對(duì)槽液造成污染。對(duì)于此類零件,電鍍前先將制件放置電爐中300 ℃保溫4 h以上,將板縫處的油污烘干碳化,然后對(duì)焊縫處進(jìn)行吹砂,再進(jìn)行電解除油等工序。在電鍍完成后,要在板縫處涂H06-2或TB06-9漆進(jìn)行防腐處理,在涂漆時(shí)應(yīng)將制件各板縫開口處用油漆封閉,將滲入板縫的殘留槽液與空氣進(jìn)行隔離,且需防止槽液滲出,與鍍層作用生成斑點(diǎn)狀的腐蝕產(chǎn)物[7]。

        4 結(jié)語

        對(duì)30CrMnSiA焊接件的熱表處理,應(yīng)采取以下措施進(jìn)行控制:

        1)退火與焊接間隔時(shí)間一般控制在48 h以內(nèi),特殊零件控制在4 h以內(nèi);

        2)退火溫度為550±20 ℃,可消除焊接殘余應(yīng)力而導(dǎo)致的制件變形或開裂;

        3)淬火采取真空淬火,在真空淬火時(shí)主要零件在爐內(nèi)的擺放方式應(yīng)滿足各制件受熱均勻,在油冷時(shí)采取冷室回充氮?dú)獾姆绞絹硖岣?0CrMnSiA焊接件的淬透性;

        4)在電鍍鋅后,要對(duì)焊縫發(fā)暗、發(fā)黑處涂漆進(jìn)行防腐;

        5)對(duì)于點(diǎn)焊制件的板縫,在電鍍鋅前要先進(jìn)行烘油處理,電鍍鋅完成后要用油漆對(duì)板縫開口部位進(jìn)行封閉。

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