层间温度对高强钢焊缝热影响区强度的影响

2014-08-05陈新旭范如源

电焊机 2014年5期

陈新旭，范如源

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621900)

0 前言

30CrMnSiA是一种典型的Cr－Mu－Si系统的中碳调质钢，化学成分和力学性能如表1、表2所示。因为它不含过多贵金属Ni，调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性好，加工性良好，加工变形微小，抗疲劳性能好。大量用于轮轴、齿轮、链轮、活塞类汽车和飞机等各种特殊耐磨零配件。中物院机械制造工艺研究所产品所用30CrMnSiA材料焊后不能调质处理，必须在焊前调质，焊后只退火。为满足要求，既要防止冷、热裂纹，又要防止热影响区软化，本研究通过大量焊接试验，优化了焊接工艺过程，满足设计要求。

表1 30CrMnSiA化学成份%

1 焊接性分析

30CrMnSiA属于中碳调质钢，这种钢在退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体，根据美国焊接学会AWS推荐的碳当量公式:

式中各合金元素的百分比含量取中间值;P的含量由于小于等于 0.05%而不计入。计算出30CrMnSiA的碳当量为0.73%。由于碳当量值较大，且淬透性较大，裂纹倾向大，焊接性能较差，对焊接材料的选择和温度都很敏感。

表2 30CrMnSiA力学性能

中碳调质钢最好在退火(或正火)状态下焊接，焊后再整体调质处理来改善热影响区性能，这时主要考虑防止裂纹问题。选择焊接材料的要求是保证不产生冷、热裂纹，焊缝金属与母材在同一规范下调质，能获得相同性能的接头。选择焊接工艺的原则是保证在调质前不出现裂纹，如用较高的预热温度(200℃ ～350℃)和层间温度，焊后立即进行消氢处理，防止冷裂。

如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能调质处理，这时焊接的主要问题是防止裂纹和避免热影响区软化。

2 热影响区软化形成原因

热影响区软化是指焊后其强度、硬度低于母材的现象，主要出现在焊前经过淬火+回火的钢中，软化部位在回火区(加热温度为to～AC1的部位)。钢经过淬火处理后，在回火过程中随回火温度升高强度和硬度逐渐下降，在回火区焊接加热温度超过了焊前回火温度，相当于提高了回火温度，强度必然低于焊前。软化区从AC3开始，到AC1点达到最低值，然后逐渐回升，到to达到与母材相等。焊前回火温度越低，强度下降的幅度越大(图1中曲线A、B)。母材焊前是退火状态，不存在软化现象(图中曲线C)。加热温度超过AC3的部位，加热时发生相变重结晶，焊前热处理效果消失。焊前热处理状态对这个部位的性能没有影响。

图1 调质钢焊接热影响区硬度分布示意

3 焊接试验工艺过程

因产品特殊原因，焊后不能调质处理，必须焊前调质，硬度达到HB220～260，在调质状态下焊接，焊后仅退火。设计要求焊后焊接试板的抗拉强度应不低于母材抗拉强度的90%，否则为不合格，所以焊接用试板和母材试样在拉伸试验前所有热处理规范相同，即同炉同规范处理。焊接试验用焊接试板和母材试样如图2所示。

图2 焊接试板和母材试样

3.1 焊前调质热处理规范

分为三个阶段:第一阶段将材料加热到650℃退火处理，随炉冷却;第二阶段经880℃淬火处理，油淬;第三阶段经650℃回火处理，随炉冷却。

3.2 试板的焊接工艺

因为工件形状特殊，其他焊接方法无法施焊，所以采用焊条电弧焊，焊机为ESAB AristoArc400型逆变式直流电弧焊机。

采用CHE857焊条焊接。CHE857焊条是低氢钠型药皮的低合金钢焊条，焊条焊前须经350℃烘焙1 h。直流反接;全位置焊;主要用于焊接抗拉强度约830 MPa的低合金钢结构。

试件焊前经300℃预热1 h，对接平焊，焊缝内部质量经X射线探伤达到GB3323二级及以上要求。焊接时允许修磨，背面可以补焊。焊接参数如表3所示。焊缝钝边1.5 mm，间隙2 mm，压紧在焊接垫板上施焊。

表3 焊接参数

为保证焊缝质量，严格清理层间，每层焊完后都必须打磨光滑，再进行焊接。正面焊缝焊完后，打磨背面至与母材齐平，如有缺陷，进行补焊。

4 不同层间温度对焊缝强度的影响

冬季环境温度低，焊接停止后温差较大，工件散热较快。工件在焊接过程中，为保证焊接质量，层间必须打磨，打磨过程中由于角磨机的散热风作用于工件，以及打磨所用的时间，打磨后工件温度降低。

为保证试验的真实性，试件分两轮四件施焊，热处理规范相同，焊后放到温箱随炉冷却。第一轮1#、3#及母材同炉热处理;第二轮2#、4#及母材同炉热处理。1#、2#层间温度控制在100℃ ～200℃(即正常焊接、打磨后工件层间温度);3#、4#每层焊后加热到300℃并保温1 h再施焊。

4.1 拉伸试验

在每件工件上取三根拉伸试样(试样A、B、C)进行拉伸试验。拉伸试样尺寸如图3所示，焊缝位于试样中部。

图3 拉伸试样尺寸

经试验得出，层间温度为100℃ ～200℃时，其抗拉强度为母材的82.8%(表4中1#、2#试件“与母材强度比例”的平均值)，低于技术要求的90%，不合格。层间温度为300℃时，其抗拉强度为母材的97.85%(表3中3#、4#试件“与母材强度比例”的平均值)，合格。具体数据如表4所示。

表4 试件抗拉强度

4.2 金相组织观察

在每个试样的热影响区切取金相试样，对软化区进行显微组织观察。各取500倍金相照片，并分析组织。第一轮1#、3#试件金相照片如图4所示，第二轮2#、4#试件金相照片如图5所示。

3#、4#试件为层间温度300℃的试样，金相照片显示为正常的回火索氏体组织，这种组织强度较高;2#试件组织主要为回火索氏体+少量铁素体+针状马氏体组织，该组织强度较前者有所降低;而1#试件组织呈现出回火索氏体+块状铁素体+珠光体体组织，与母材区别较大，这种组织强度低于前面两种。这些组织性能与抗拉强度值相符。