AISI4130材料的焊接工艺研究和经验交流

摘 要：石油、天然气钻采设备常用AISI 4130低合金钢作为井口设备本体、法兰连接件、阀门零件、紧固件等零部件的制造材料，制造过程中常遇到焊接工序且对焊接质量要求非常高。通过对该材料的焊接参数分析和工艺研究，指出影响焊接质量的主要因素。对焊接过程中存在的问题进行举例介绍，并交流解决经验。

关键词：AISI 4130；焊接；工艺研究

引言

AISI 4130因其调质处理后具有较高的综合力学性能，为国内外广泛使用的低合金钢材料，常见于主轴、本体、齿轮、紧固件及阀门零件等诸多产品的制造中，笔者所在公司也将其大量应用在石油、天然气钻采设备零部件的制造，在制造过程中经常遇到焊接工序，如节流阀阀体与直角法兰的焊接、适配器的管对管焊接以及零件补焊返修等，这些产品对焊接工艺质量的要求非常高，焊后不得有明显缺陷且必须通过严格的无损检测（探伤）。为此，对此种材料的焊接工艺进行研究，并对焊接过程中碰到的问题举例介绍和经验交流。

1 焊接主要缺陷和对策

1.1 冷裂纹产生倾向

因合金钢材料的焊接裂纹产生主要是冷裂纹，而热裂纹主要发生在奥氏体不锈钢、镍合金和铝合金中，因此需重点分析冷裂纹的产生情况。按碳当量法计算CE（AWS）值来评估钢材冷裂纹倾向以及材料焊接性，碳当量及板厚关系如图1所示[1]：

CE（AWS）=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+（Cu/13+P/12） （%）

（其中Cu含量<0.5%，P含量<0.05%时不计入该公式）

经计算，CE（AWS）值为0.679，按图1评估得出材料焊接性较差，裂纹敏感性较高，易产生冷裂纹；同时，根据图1还可以看出，随着板厚（即材料壁厚）的增加，焊接性愈来愈差。

1.2 对策

由于AISI 4130材料碳含量较高，合金元素含量多，在快速冷却时，从奥氏体转变为马氏体的起始温度Ms低（4130材料Ms为370℃），焊接后的热影响区产生马氏体难以产生回火效应，从而导致材料硬度高，对氢致冷裂纹的敏感性很大。为了防止氢致冷裂紋产生，除尽量采用低氢或超低氢焊接材料外，还应采用焊前预热和焊后及时热处理[2]。

2 焊材的选择

根据4130材料的焊接性和实践经验，建议选用J707焊材，J707是低氢钠型药皮的低合金高强度钢焊条，焊接时采用直流反接，可进行全方位焊接，必要时，工件在焊前进行预热和焊后回火处理，J707焊材相关参数如下：

熔敷金属化学成分（%）如表2所示。

熔敷金属力学性能如表3所示。

J707焊材用于一般4130材料的焊接，如果材料有低温冲击要求，则建议使用J707Ni，其具有良好的低温韧性和抗裂性能，参数如下：

熔敷金属化学成分（%）如表4所示。

表4

熔敷金属力学性能如表5所示。

表5

上述焊条（J707和J707Ni）焊前需经350℃烘焙，随烘随用，烘干后的焊条应立即存放在低温干燥的焊条保温筒内，随用随取。经笔者计算和实践证明，上述焊条在硬度方面完全符合NACE MR0175标准的要求（硬度值≤HRC22）[3]。

3 焊前预热和焊后热处理

3.1 焊前预热

防止氢致冷裂纹产生，除了补焊件挖补深度不深的零件不用预热外，其余情况下4130材料焊接必需进行预热。根据上述裂纹产生原因，理想的预热温度及道间温度应比冷却时马氏体开始较变的温度（Ms：370℃）高20℃，即Ms+20℃=390℃；同样，焊后也应在此温度保持2小时，以保证焊缝及热影响区全部转变为马氏体组织，同时也使焊缝里的氢能较充分的扩散逸出，有效防止氢致冷裂纹。

3.2 焊后热处理

预热及道间温度比冷却时马氏体开始转变温度Ms低时，为防止氢致冷裂纹产生，应采用焊后热处理措施，即工件立即加热到高于Ms点10～40℃，在此温度保温约1～2小时，使尚未转变的那部分奥氏体转变为韧性较好的贝氏体，然后冷却至室温。

如果焊接以后工件可以立即进行去应力热处理，应将工件立即冷却至马氏体转变终了的温度Mf点以下，并保持一段时间，使尚未转变的那部分奥氏体也转变成马氏体，随后工件立即进行去应力热处理。经过去应力热处理的工件，再冷却至室温时就基本不会产生氢致冷裂纹的情况。

4 焊接过程中遇到的问题和解决经验

4.1 工件内腔贯通补焊难题

笔者所在单位初期焊接4130材料的零件时，由于未吃透4130材料的焊接性能，造成焊后经常出现焊接缺陷而需要局部补焊，然后在返工补焊的过程中常将补焊部位造成内腔贯通，当采用内腔填塞铁块等方式进行衬垫并实施补焊后，再加工工件内腔时非常困难，经常造成刀具损坏。

后经技术人员提出，使用陶瓷衬垫，经现场实践验证后，效果不错：在贯通部位使用陶瓷衬垫，然后进行补焊，补焊后直接手工将陶瓷衬垫去除，再对工件进行精加工，有效解决了上述难题。

4.2 焊缝表面细小裂纹

笔者在现场制造过程中发现，很多零件焊接后UT探伤检测时是合格的，而在焊缝外表面MT时却发现有许多细小裂纹，裂纹经打磨后可以全部去除，并且打磨深度很浅。后经查阅相关资料确定此为气孔裂纹，对低碳刚和低合金钢，在大多数情况下，氢气孔会出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，气孔的四周有光滑的内壁，这是由于氢气是在液态金属和枝晶界面上浓聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔。该气孔产生原因可能是多方面的，例如，焊条药皮，熔渣氧化、水份、工艺等，但这些因素要逐一排查和解决难度很大。为此，笔者所在团队另辟蹊径，采取焊接时直接多焊一层焊缝的方法，然后再将多焊的一层用机加工方法加工掉，这样带有气孔裂纹的表层去除后即可获得高质量的焊缝。

5 结束语

AISI 4130材料应用广泛但焊接性不甚理想，而用于井口设备本体、法兰连接件、阀门零件等重要产品中时却对焊接质量有很高的要求，一旦产生焊接裂纹等缺陷都将对后续现场使用时带来巨大的安全隐患。

为获得符合产品要求的焊接工艺效果，制造者必须从焊接母材特性、焊材的选择、焊前准备、焊接工艺过程设定、焊后热处理和焊后工件易加工性等诸多方面考虑、分析、研究和实践。文章结合理论和实践经验进行交流及分享，希望对广大同行有所裨益。

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2卷材料的焊接[M].北京：机械工业出版社.

[2]乔云萍.低碳钢与低合金钢焊接工艺[J].焊接质量控制与管理，2012，41（1）：43-45.

[3]ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-3：2009/Cir.1-2011，石油和天然气工业-含H2S的石油和天然气生产环境中适用的材料第3部分：抗裂耐蚀合金和其它合金材料[S].

作者简介：裘伟斌（1978-），男，浙江绍兴人，大专学历，工艺工程师，目前就职于苏州道森油气工程有限公司，长期从事机械制造工艺设计和研究工作，实践经验丰富。