摘要：基于掘進機懸臂段采用鍛造筒體與板材法蘭焊接結構的設計要求，本文通過材質的焊接性能分析、理論計算、實際工藝試驗，對合理有效的焊接工藝方法和工藝參數(shù)進行研究，旨在降低焊縫的冷裂紋敏感性，獲得滿足使用需求的焊接接頭，以供參考。

關鍵詞：中碳調質鋼；焊接工藝；冷裂紋

DOI：10.12433/zgkjtz.20233442

掘進機一般由截割機構、裝運機構、行走機構、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及輔助裝置（如除塵裝置、安全裝置、遙控監(jiān)測裝置）等組成。其中，截割機構是掘進機系統(tǒng)中的重要工作部件，截割機構的驅動方式由交流電動機驅動，在傳動系統(tǒng)中一般設齒形聯(lián)軸節(jié)，不設機械式過載保護裝置，經(jīng)兩級行星減速器帶動主軸前端的截割頭。

掘進機在作業(yè)過程中，截割頭需要足夠的掏槽推進力和擺動力。掘進機的懸臂一端連接著電機架體，另一端連接截割頭體，是控制截割半徑參數(shù)和傳遞切割應力的主要受力構件，內部安裝軸承配合截割動力傳動。因此，懸臂法蘭承受的載荷大，工作環(huán)境震動頻繁，連接焊縫需要較高的綜合力學性能。

生產(chǎn)中為了減小懸臂筒體加工難度并有效提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將懸臂筒設計為兩部分，焊接在一起，形成一個整體。焊接一般采用電弧焊、氣保焊等方法。焊條電弧焊簡單，易于操作，但工藝穩(wěn)定性差，焊縫表面粗糙，且焊接速度慢、熱源不集中，熱影響區(qū)較大。焊接接頭組織粗大，接頭殘余應力、變形大。而氣保焊可以彌補焊條電弧焊的不足，具有焊接速度快、熱源集中及效率高等優(yōu)點。本文通過材料焊接性分析、焊接工藝參數(shù)選定、焊接過程控制的生產(chǎn)實踐，總結符合實際生產(chǎn)中42CrMo筒體與Q325－A法蘭連接焊縫的焊接工藝和工藝步驟，以此滿足現(xiàn)階段工廠對于追求高效生產(chǎn)和高效質量的要求。

一、焊接性分析

（一）材質成分分析

懸臂外筒體是由筒體和法蘭板焊接而成，其中，法蘭的材質為l6Mn合金鋼，筒體的材質為42CrMo合金鋼。因此，筒體環(huán)焊縫焊接屬于異種材料焊接，42CrMo屬于中碳調質鋼，16Mn為低碳合金鋼，根據(jù)國際焊接學會所推薦的碳當量公式為：

由式（1）計算得出42CrMo的碳當量在0.67%～0.887%。

當（C）eq＞0.5時，焊接接頭淬硬傾向大，易出現(xiàn)冷裂紋，其接頭淬硬、冷裂傾向大，焊接性很差。因此，需制定嚴格的工藝流程和標準，焊接時需采取一定的措施。42CrMo化學成分如表1所示。

（二）工藝焊接性分析

42CrMo由于含碳量高、合金元素含量多，焊接后焊縫及熱影響區(qū)存在脆化傾向。對焊接應力和組織應力的塑韌性變差。

焊后熱影響區(qū)很容易產(chǎn)生硬度很高的馬氏體。隨著焊后溫度的降低焊縫金屬組織中奧氏體發(fā)生轉變，焊縫中的氫原子因溶解度下降而析出，很容易產(chǎn)生氫致冷裂紋。

焊接應力由于懸臂筒體和法蘭鋼板的厚度較大，焊接時拘束度較大，焊接時會產(chǎn)生較大的焊接拉應力。

二、焊接工藝參數(shù)

（一）焊接方法

42CrMo筒體在正火狀態(tài)下焊接，不需要考慮焊接熱影響區(qū)軟化問題。焊接時，應采用熱量集中的焊接方法，這類方法有利于減小焊接熱影響區(qū)寬度，提高焊接接頭的力學性能。同時，中碳調質鋼應采用較小的焊接線能量，降低熱影響區(qū)淬火區(qū)的脆化程度，并采用預熱、后熱等措施，提高抗冷裂性能和組織性能?？紤]到經(jīng)濟性、方便性，本研究決定采用氣體保護焊，采用（80%Ar+20%CO2）混合氣體保護焊，單純的CO2氣保焊飛濺大，焊縫成型不良。單純的CO2氣體保護焊接存在飛濺大、焊縫成形不良、氧化性較強等缺點。Ar屬于惰性氣體，不溶于液態(tài)金屬；電離時電位低，電弧穩(wěn)定；密度比空氣大，熱導率小、比熱容小，保護效果好。采用混合氣可優(yōu)化熔滴過渡型式，有效細化熔滴、減小飛濺、加強多層焊道金屬間的熔合度，改善焊縫成形質。需要注意的是，在焊接過程中，應嚴格控制焊接電流及焊接速度。

（二）焊接材料

42CrMo與Q345在材質上屬于異種材料焊接，焊縫應具有良好的塑性和韌性。焊接材料應采用低碳合金系統(tǒng)，盡量降低焊縫金屬的S、P雜質含量，確保焊縫金屬的韌性、塑性和強度，提高焊縫金屬的抗裂性。對于焊后需要熱處理的構件，焊縫金屬的化學成分應與基體金屬相近。同時，根據(jù)焊縫受力條件、性能要求及焊后熱處理情況選擇焊接材料。焊縫采用低強度匹配，選用焊絲ER50－6，焊絲直徑1.2mm。滿足上述要求即可進行焊絲生產(chǎn)，不需另行采購。

（三）預熱溫度計算

預熱和焊后熱處理是中碳調質鋼的重要焊接工藝措施。是否預熱以及預熱溫度應根據(jù)焊件結構和生產(chǎn)條件而定，除了拘束度小、構造簡單的薄壁殼體或焊件不用預熱外，一般情況下，中碳調質鋼焊接時，都要采取預熱或及時后熱。

42CrMo焊接后易出現(xiàn)冷裂紋。焊前進行預熱，能有效減緩焊縫區(qū)域的溫度梯度，降低焊縫區(qū)域硬度。根據(jù)預熱溫度經(jīng)驗得出以下公式：

式中，To為預熱溫度；[C]為成分碳當量；取[C]=0.68，碳當量近似于成分碳當量，但是值略少。

計算得到To為230℃，實際選用溫度略高于計算溫度，所以預熱溫度選擇在250℃，焊前對焊接區(qū)100～150mm內采取預熱250℃。

（四）焊后熱處理方案的選擇

對于冷裂紋傾向較大的高強度鋼焊后進行后熱處理。為了使焊縫金屬中擴散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)的氫含量，后熱處理溫度一般應250～350℃，保溫2～6h后空冷。在實際焊接生產(chǎn)中，采用較高溫度的去應力退火處理，使焊縫和熱影響區(qū)的擴散氫含量及內應力降低，避免出現(xiàn)延遲裂紋。

（五）焊接電流與電壓

焊接電流過大會使電弧對熔池沖擊力增大，電弧不穩(wěn)定，并使焊縫成形變壞。焊接電流太小，焊接電弧不穩(wěn)定，會造成焊縫成形不良。因此，焊接電流應根據(jù)焊件厚度、坡口形式、焊絲直徑和所要求的熔滴過渡形式來選擇，并與一定的電弧電壓相匹配。電壓過小導致電弧太短，就會造成瞬時短路。這將對氣體保護效果有影響。由于空氣卷入而易生成氣孔或吸收氮氣而使焊縫金屬硬化。焊絲端部與熔池短路而引起不穩(wěn)定，引起較大的飛濺和不良的焊縫成形。相反，如果電壓過大，電弧過長易發(fā)生飄移，從而影響熔深、焊道的均勻性和氣體的保護效果。引起電弧對焊絲端頭熔滴的排斥，產(chǎn)生飛濺。

（六）焊接速度

在焊件厚度、焊接電流及電弧電壓等其他條件確定的情況下，增加焊接速度，降低焊縫熔深及熔寬；焊縫單位長度上的焊絲熔敷量減小，焊縫余高將減小。焊接速度過高可能產(chǎn)生咬邊。要根據(jù)焊縫成形及焊接電流確定合適的焊接速度。在選擇焊接參數(shù)時，應根據(jù)材料性質選擇保護氣體和焊絲種類，再根據(jù)焊件厚度、坡口形式選擇焊接電流、焊絲直徑，由熔滴過渡形式確定并配以合適的電弧電壓，其他參數(shù)的選擇應以確保焊接過程穩(wěn)定及焊縫質量為原則。另外，在焊接過程中，應合理調整參數(shù)，以便獲得良好的焊縫成形。

經(jīng)過上述分析，本研究決定采用以下焊接工藝方案：第一，焊前將焊接區(qū)100mm內預熱250℃。第二，采用碳鋼焊絲ER50－6，焊絲直徑1.2mm。第三，采用直流反接，混合氣體保護焊，焊接時盡量降低熔合比。焊接工藝參數(shù)如表2所示。第四，焊后立即采用石棉被保溫處理。選擇550℃的后退火溫度，保溫3h。

三、焊接過程控制

（一）焊前準備

焊前準備主要包括生產(chǎn)準備、原料準備和備料加工。鋼材的焊前加工過程，即對制造焊接結構的鋼材按照工藝要求進行一系列加工。

控制要點包括：確認待焊零件材質；檢查單件下料的幾何尺寸，保證待焊切割面和坡口的表面質量；禁止使用外包裝破損焊絲；焊接氣體控制含水量，超過要求必須更換或調整氣源，此做法是嚴格控制進入焊縫中H含量，避免造成氫致裂紋；確保焊接環(huán)境滿足氣保焊的焊接需求。

（二）焊中控制

焊中控制主要包括裝配和焊接。裝配與焊接充分體現(xiàn)焊接結構生產(chǎn)的特點，是兩個既不相同又密不可分的工序，包括邊緣清理、裝配（包括預裝配）、焊接。絕大多數(shù)焊接結構要經(jīng)過多次裝配與焊接才能制成，有的在工廠只完成部分裝配與焊接和預裝配，使用現(xiàn)場需要再進行最后的裝配與焊接。裝配與焊接順序可分為整裝裝焊、部件裝配焊接—總裝配焊接、交替裝配焊接三種類型，主要按產(chǎn)品結構的復雜程度、變形大小和生產(chǎn)批量選定。裝配與焊接過程中，時常需穿插其他加工，例如，機械加工、預熱及焊后熱處理、零部件的矯形等，貫穿整個生產(chǎn)過程的檢驗工序也穿插其間。

控制要點包括：調整焊接參數(shù)，使用滿足工藝需求的焊接參數(shù)范圍；工件放入預熱井式爐中加熱到預熱溫度；所有待焊零件用角磨機打磨待焊區(qū)域，徹底清除焊接部位的油污、水、銹等雜質；兩件組對時，為保證定位焊縫的強度，可適當增大定位焊縫及其長度。定位焊縫間距可達100～150mm，長度不小于50mm；不容許擦傷筒體母材，引弧時，應在法蘭坡口上；采用多層多道焊接，控制焊接順序進行焊接；焊道根部需要打磨清根；焊接過程中，應使用測溫筆檢測層間溫度；控制焊接變形。焊接時，每條焊道的引弧、收弧處要錯開，收弧時填滿弧坑。焊接過程中，要保持層間溫度不低于250℃。在多層多道焊接中，后一焊道對前一焊道起到熱處理的作用，最后一焊層需熔敷一層退火焊道，以此改善焊縫組織，提高抗裂性。

（三）焊后處理

焊后熱處理是焊接工藝的重要組成部分，與焊件材料的種類、型號、板厚、所選用的焊接工藝及對接頭性能的要求密切相關，要保證焊件使用特性和壽命的關鍵工序。

控制要點：局部焊縫完成后進行石棉被覆蓋；焊縫全部完成后，立刻進入熱處理爐作550℃去應力處理。

（四）檢驗

檢驗工序貫穿整個生產(chǎn)過程，檢驗工序從原材料檢驗，從入庫的復驗開始，接著在生產(chǎn)加工每道工序采用不同的工藝進行不同內容的檢驗，最后對制成品進行質量檢驗。質量檢驗可分為焊接結構的外形尺寸檢查、焊縫的外觀檢查、焊接接頭的無損檢查、焊接接頭的密封性檢查、結構整體的耐壓檢查等。

控制要點：在42CrMo母材側熱影響區(qū)厚度進行硬度檢測，各點維氏硬度未超過380；在焊縫表面進行100%磁粉探傷；清查每條焊道焊，仔細檢查有無氣孔、裂紋。一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，徹底清除后按上述要求重焊。

四、結語

第一，42CrMo由于含碳量高，淬硬性比低碳鋼高很多，熱處理后達到很高的強度和硬度，但韌性相對較低，給焊接帶來了很大困難。熱影響區(qū)容易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，含碳量越高，淬硬性越大，冷裂紋傾向也越大。為了提高抗裂性，應盡量降低焊接接頭的含氫量，并采用焊前預熱和焊后及時熱處理。為了降低焊接接頭的應力腐蝕開裂傾向，應采用熱量集中的焊接方法和較小的焊接線能量，避免焊件表面的焊接缺陷或劃傷。

第二，含碳量高合金元素多，鋼的淬硬傾向大，馬氏體轉變溫度（Ms）低，因而在焊接熱影響區(qū)淬火區(qū)產(chǎn)生大量淬硬的馬氏體組織（尤其是高碳、粗大的馬氏體），會導致熱影響區(qū)嚴重脆化。防止熱影響區(qū)脆化的工藝措施主要是采用小線能量，同時采取預熱、緩冷和后熱等方法，使冷卻速度放緩。

第三，焊前為調質狀態(tài)的鋼材焊接時，被加熱到調質處理時的回火溫度以上區(qū)域時，焊接熱影響區(qū)將出現(xiàn)強度、硬度低于母材的軟化區(qū)。如果焊后不再進行調質處理，該軟化區(qū)可能成為降低接頭區(qū)強度的薄弱區(qū)。中碳調質鋼的強度級別越高時，軟化問題越突出。焊接線能量越小，加熱或冷卻速度越快，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度越窄，因此，焊接熱源越集中對減少軟化越有利。

第四，42CrMo最好在退火（或正火）狀態(tài)下焊接，再進行整體調質處理，通過焊后調質處理改善焊縫及熱影響區(qū)的性能。選擇焊接材料的要求是不產(chǎn)生冷、熱裂紋，而且焊縫金屬與母材在同一熱處理工藝下調質處理，能獲得相同性能的接頭。焊接工藝參數(shù)的確定主要是確保在調質前不出現(xiàn)裂紋，例如，采用較高的預熱溫度200～300℃和層間溫度、焊后立即進行熱處理等。對于必須在調質狀態(tài)下焊接，而且焊后不能再進行調質處理的焊接結構件，主要問題是防止焊接裂紋和避免熱影響區(qū)軟化。焊接時，應將預熱溫度、層間溫度，中間熱處理和焊后熱處理的溫度控制在比母材淬火后的回火溫度低50℃，采用盡可能小的焊接線能量。由于焊后不再進行調質處理，焊縫金屬成分可以與母材有差別，為了防止焊接冷裂紋，可以選用塑韌性較好的奧氏體焊條。

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作者簡介：姜朝輝（1983），男，黑龍江省佳木斯市人，中級工程師，學士，主要研究方向為焊接工藝研究及工裝設計。