中碳调质钢30CrNi3焊接工艺及生产应用

2013-08-06薛根奇张国平陈思远

电焊机 2013年7期

薛根奇，张国平，陈思远

(1.河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001；2.平顶山学院，河南平顶山 467000）

0 前言

密封杆为特高压断路器的重要元件，其作用为断路器开断的动力传动轴。为满足产品的使用要求，选用材料需有优良的淬透性、高强度、高韧性、低冷变形塑性、良好的切削加工性等，并且对材料的综合机械性能和工艺性能要求高。30CrNi3具有优良的淬透性，较高的强度和韧性，较低的冷变形塑性，良好的切削加工性，综合机械性能和工艺性能良好，但焊接性差，热裂纹敏感性和冷感性均较大，热处理过程中无回火脆性倾向，常用于受扭转或冲击载荷较高并且淬透性要求较高的轴类工具，如传动轴、齿轮、曲轴、蜗杆等，也可用作键、螺栓、螺母、连杆等，一般均在调质情况下使用。对于中碳调质钢34CrNi3MoA、30CrNiMoA的焊接和补焊国内外相关学者有一定的研究[1-7]，对30CrNi3A的热处理规范也有研究[8]，但对30CrNi3的焊接研究及生产应用较少。

1 焊接性分析

30CrNi3为中碳调质钢，材料的化学成分见表1，热处理规范：淬火820℃油冷；回火500℃，水冷，机械性能见表2。

表1 30CrNi3化学成分Tab.1 Chemical composition of 30CrNi3 %

表2 30CrNi3机械性能Tab.2 Mechanical properties of 30CrNi3

1.1 焊接冷裂纹分析

材料的焊接冷裂敏感程度取决于材料的淬硬倾向，由于30CrNi3合金元素高，强度级别高，淬硬倾向明显，焊接时具有冷裂纹倾向。常用CE（国际碳当量公式）、Ceq（日本碳当量公式）、Pcm（合金元素的裂纹敏裂系数）来评价材料焊接冷裂纹倾向[9]。CE、Ceq超过 0.60%，Pcm超过 0.40%以上时，钢的冷裂倾向逐渐增加，淬硬倾向随之增加。

将30CrNi3化学成分的最高值分别代入CE、Ceq、Pcm，计算结果 CE=0.822%＞0.6%，Ceq=0.82%＞0.6%，Pcm=0.44%＞0.4%，30CrNi3 具有较大的淬硬倾向，焊接接头热影响区易出现淬硬马氏体组织，接头具有一定的冷裂倾向，焊接性差，焊接时必须采取必要的措施，焊前预热、焊后热处理或缓冷可防止冷裂纹的产生。

1.2 焊接热裂纹敏感性分析

30CrNi3为中碳调质钢，合金元素及含碳量都较高，合金的液-固相区间较大，焊接冷却过程过中会产生偏析，具有热裂纹倾向。合金钢的热裂纹倾向一般采用热裂纹指数 Hes评定，若 Hes＞4.0，则说明该钢种在某种工艺条件下会产生热裂纹，热裂纹指数公式为

将30CrNi3的化学成分代入式（4），计算得Hes=2.37＜4.0。由此可知，30CrNi3 钢热裂纹敏感性一般，只要焊接过程中采取合适的焊丝（一定的含Mn量，较低的S、P、H含量）和正确的焊接工艺可以控制热裂纹。为了防止产生热裂纹，采用Mn、Si较高的焊材，减少母材的熔合比，增大焊缝成形系数（焊缝宽度与焊缝高度之比）。焊条中的质量分数应控制在0.15%以下，并且控制 S、P 的质量分数为0.030%～0.035%，在焊接时注意保证良好的焊缝成形，焊接收弧时要保证填满弧坑。

1.3 再热裂纹敏感指数分析

焊件在一定的温度范围内再次加热，产生的裂纹为再热裂纹，通常发生在焊缝熔合线附近的粗晶区，以合金元素含量评价钢的再热裂纹敏感性[10]

式中 ΔG＞2再热裂纹敏感，2＞ΔG＞1.5时再热裂纹敏感性一般，ΔG＜1.5时再热裂纹不敏感。

计算可得，30CrNi3 的 ΔG=1.3～2.2，对再热裂纹有一定敏感性。预热及后热可防止再热裂纹产生，使用较低强度的焊材可提高其塑性变形能力。

1.4 热影响区软化

在调质状态下焊接时存在热影响区的软化，在退火状态下焊接，焊接后进行热处理，可不考虑热影响区的软化，对于补焊局部补焊不再热处理，存在软化现象。

综上所述，30CrNi3钢焊接时容易产生热裂纹、冷裂纹和热影响区的软化等缺陷，制定焊接工艺时要选择合适的焊接方法和焊接材料，确定合理的预热温度和层间温度，选择合理的规范和方法控制热影响区的软化程度，焊后进行消除回火。

2 焊接工艺试验

2.1 试验材料和焊接方法

采用φ130 mm棒材经锻压成板材，830℃保温120～180 min，保温结束后随炉冷至300℃以下出炉空冷退火处理，加工平板，采用的特种焊条J857CrNi焊芯化学成分见表3。结合母材化学成分和机械性能，确定焊接工艺方案：焊前预热350℃，TIG焊打底，焊丝采用J857CrNi焊条焊芯，焊条电弧焊填充及盖面，保持层间温度300℃±20℃，焊接后热450℃，缓冷。

2.2 试验设备、试验工件尺寸及焊接接头形式

TIG焊选用松下TX315TIG焊机，焊条电弧焊选用ZX300直流焊机。试件规格500mm×120mm×20mm，焊接接头形式和焊接层次如图1所示。

表3 J857CrNi焊条化学成分%Tab.3 Chemical composition of J857CrNi welding rod

图1 坡口形式和焊接层次Fig.1 Form of groove and welding level

2.3 焊接工艺参数及技术措施

每层的具体焊接工艺参数如表4所示。

表4 焊接规范参数Tab.4 Welding parameters

焊接过程中采用的技术措施：

（1）由于30CrNi3具有较强的淬硬倾向和冷裂倾向，需要严格控制焊缝金属的氢含量，J857CrNi焊条为碱性焊条对铁锈、水分、油污较敏感，焊条350℃烘干1～1.5 h。焊前应对坡口周围进行处理，彻底清除油污、锈迹、水分，焊接过程中焊条放在保温筒中注意防潮。

（2）焊前预热300℃～350℃，第一层TIG打底不加或加少量焊丝，焊丝采用J857CrNi焊丝；第二、三层(填充)、第四层（盖面）采用焊条电弧焊，层间温度控制在350℃，采用J857CrNi焊条，焊后将工件加热到500℃后埋入沙堆中缓冷。

（3）打底焊保证根部焊透，焊接背面注意清根。

（4）用焊条填充焊时注意控制焊接缺陷，应保证坡口两侧完全熔合，焊接时避免重复加热，每层焊缝的接头处应错开，中间填充层控制在4 mm以下，盖面时避免咬边，确保焊缝向母材圆滑过渡。

3 试验结果和分析

3.1 外观检查

焊缝表面经目视检测无气孔、夹渣、裂纹等缺陷，根据 JB/T 4730.5-2005《承压设备无损检测》渗透检测进行着色渗透检测，渗透检测图片如图2所示，检测结果符合JB/T 4730.5-2005Ⅰ级质量要求。

图2 渗透检测Fig.2 Penetrant testing picture

3.2 焊缝内部质量检测及分析

按GB/T 3323-2005《钢熔化焊对接接头射线照相及质量分级》要求，对焊接试件进行X射线实时成像检测，检测成像如图3所示。内部质量良好，无焊接缺陷。射线检测结果符合GB/T 3323-2005Ⅰ级的质量要求。

图3 射线实时成像检测Fig.3 Ray inspection real-time imaging pictures

3.3 焊接接头力学性能试验结果及分析。

对焊接试件制作机械性试样，在焊态下进行拉伸及弯曲试验，在调质状态（840℃保温130 min，油冷，保温过程碳势0.32%。淬火后600℃～620℃回火，保温120～150 min）下进行拉伸试验，试验结果如表5所示。

表5 拉伸及弯曲试验结果Tab.5 Tensile test and the bending test results

焊态下焊接接头的平均抗拉强度为790.5 MPa，调质状态下焊接接头的平均抗拉强度为989.5 MPa，机械性能符合GB/T 3077-1999结构钢规定的要求。

4 生产应用

试验获得的焊接工艺规范参数在特高压封闭电器断路器密封杆上的焊接应用，密封杆在断路器中起到开断弧动力传递，并对SF6气体密封。密封杆材料为30CrNi3，一端螺纹结构旋入的两端封闭的中空结构，如图4所示。为保证焊接及调质过程中的透气性，单件上加工透气孔，在退火状态下焊接。

图4 密封杆结构Fig.4 Sealed rod structure diagram

焊接工艺技术措施：焊接预热300℃，第一层TIG打底重熔或加少量焊丝，焊丝采用J857CrNi焊芯，第二层、三层、四层（盖面）采用焊条电弧焊，层间温度300℃，焊条 J857CrNi，由于焊接处无热处理炉，焊后将工件加热到350℃入沙中缓冷，焊接工艺参数见表4，焊接效果如图5所示。

图5 密封杆焊接效果Fig.5 Welding effect diagram of 30CrNi3

焊缝表面清理后目视及渗透检测，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，符合 JB/T 4730.5-2005《承压设备无损检测》渗透检测，Ⅰ级质量要求。

焊件调质处理硬度要求（840℃保温130 min，油冷，保温过程w（C）=0.32%。淬火后600℃～620℃回火，保温 120～150 min）：HB=248～302，实测硬度 268，调质处理后对透气孔补焊封堵，透气孔封堵局部工艺预热100℃，避免温度过高而软化，用TIG焊补焊透气孔，原焊缝热影响区无软化，硬度达到HB248以上，透气孔补焊对附近的焊缝硬度影响不大。补焊后目视及渗透检测后没有发现任何缺陷。