45钢和Q235金属的焊接工艺分析

赵渊博

（江苏安全技术职业学院， 江苏 徐州 221011）

1 45钢和Q235焊接的概述

45钢是非常优质的碳素结构钢，具有良好的使用性能和工艺性能，在机械行业中应用广泛，主要用作机械零件，如轴类、齿轮、高强度螺栓等。45钢是含炭量在0.45%的碳素结构钢，属于中碳钢，其金属力学性能表现为强度高，但韧性差。45钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性、韧性较好，适用于制造较重要的机械零件。Q235属于普通结构钢，属工程用钢，主要应用于作钢构件，如角钢、槽钢、工字钢、钢板等。45钢和Q235具有良好的金属性能及广泛的应用场合，就此分析研究45钢和Q235焊接工艺及其焊接性，在焊接生产中具有重要的意义[1]。

2 45钢和Q235的主要缺陷及控制措施

45钢作为中碳钢，焊接性较差，焊接过程中易出现缺陷。Q235的焊接性能好，因为Q235是结构钢，属工程用钢，含碳量低，是良好的焊接母材。本次实验的焊接缺陷主要为裂纹、气孔、夹杂、形状缺陷、飞溅、未熔合和未焊透等。

材料中如果有合金材料的话，这里可不作考虑，选取介于两种母材之间或依据较差材料选取。

焊接质量必须从五方面控制。

1）焊接工艺：正确的工艺是保障质量的基本条件。

2）焊工技术水平：专门考核合格（证件），一定的经验积累。

3）焊接设备：设备必须合格。

4）材料：焊条、焊丝、保护气体纯度等质量必须合格。

5）焊后检验：如果确实是非常重要的部件，需要不惜工本保证质量，那就对焊缝进行无损检验，确保无焊接缺陷。

3 实验材料及方法

3.1 实验材料和设备

本试验所用轴材料45和辐板Q235。轴45供货状态为调质，辐板Q235为热轧状态。基于轴45的化学成分及力学性能，本试验所用的焊丝为ER49-1和ER55-G。本实验所用的CO2保护焊焊机型号，PANA—AUTO KRⅡ350，采用实心焊丝是ER50-6。药芯焊丝是H08Mn2SiA或者H10MnSi都可以。

3.2 实验方法

本试验采用CO2气体保护电弧焊进行焊接。二氧化碳气体保护焊是20世纪50年代初期发展起来的一种焊接技术，已经发展成为一种重要的焊接方法。与其他电弧焊方法相比有更强的适应性、更高的效率、更好的经济性以及更容易获得满足使用性能的焊接接头。45钢与Q235的二氧化碳气体保护焊接对环境的要求比较严格，要求在无风的环境下进行，一旦有风力存在，则会出现气孔的缺陷，另外虽然二氧化碳气体保护焊接的速度比较快，但对焊工的操作水平要求较高，根据规范45钢与Q235两种材质是不同的，因此要焊接时需要做焊接工艺评定。

4 实验结果及分析

4.1 焊接工艺

本试验结合企业生产实际，采用具有适用范围广、生产率高、焊接成本低等特点的二氧化碳气体保护焊进行焊接。

本试验的试验焊缝采用单道焊，拘束焊缝采用多道焊。根据国际碳当量[27]公式：EC=[ω(C）+ω（Mn）]/6+[ω（Cr）+ω（Mo）+ω（V）]/5+[ω（Ni）+ω（Cu）]/15。当EC＜0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；计算得45的碳当量为0.63%。由于碳当量比较大，所以焊接的时候需要预热到250℃，多道焊时需要控制层间温度，层间温度控制在250℃以上，避免产生淬硬组织。焊后试件有焊接残余应力，需要消除应力处理，消除应力处理的工艺为：试验焊缝焊接完后，维持250℃以上后马上热处理（550℃去应力退火，保温3 h,随炉缓冷200℃出炉）。用焊丝ER49-1的层间温度比焊丝ER55-G的层间温度高，说明焊丝ER49-1的焊接性比焊丝ER55-G的焊接性差。如表1和表2所示是焊接条件与碳当量的关系。试验采用CO2气体保护焊，保护气体为80%Ar+20%CO2，电源是直流反接[2]。

表2 试样力学性能参数

4.2 力学性能试验

在经过渗透探伤的小铁研试样截取四块单件做拉伸试验，其中每个试样取两块，在拉伸试验机上将切下的试样进行拉伸，然后在电子扫描镜下观察其断口的形貌，分析其断裂机理，以此来评价拘束焊缝的拉伸性能。

备注:30-7和30-10试样焊接材料为ER49，32-7和32-10试样的焊接材料为ER55。由上面的试验结果可以明显发现，从拉伸断口的外观形貌来看，在拉伸过程中，主要是在母材Q235和Q235侧的熔合线处断裂，断裂为韧性断裂，断口形貌为韧窝状，有少部分为河流花样，说明Q235的强度比较低，塑性和韧性比较好。用焊丝ER49焊接的接头的拉伸力的平均值为139.4 kN，抗拉强度平均值为387.5 MPa，弹性模量的平均值为2 736.9，用焊丝ER55-G焊接的接头拉伸力的平均值为169.36 kN，抗拉强度平均值为446.8 MPa，弹性模量的平均值为3 839.55。综上所述为焊丝ER55-G焊接轴45和辐板Q235的接头的拉伸性能比[3]。

5 结论

1）根据母材45和Q235的化学成分分析，从其碳当量来看，45的碳当量为0.63%。碳当量比较大，焊接性比较差，为了避免焊后出现裂纹，需要焊前预热250℃，焊后进行550℃去应力退火处理。Q235焊接性好，但是由于异种钢焊接的特点，需要按照焊接性比较差的45去制定焊接工艺参数。

2）从焊丝ER49-1和焊丝ER55-G的化学成分和力学性能来看，焊丝ER55-G的含Mn和Cr量比焊丝ER49-1的高。ER55-G的力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击功等）比ER49-1要好。

3）焊丝ER55-G焊接的接头和焊丝ER49-1焊接的接头相比有如下特点：接头的显微组织比较细小，焊缝的组织以铁素体和珠光体为主，拉伸性能、弯曲性能、抗拉强度等力学性能好。

4）焊接接头的硬度分布规律：热影响区的硬度变化范围比较大，硬度值高，特别是熔合线由于元素扩散等缘故，其硬度值很高，焊缝的硬度分布相对比较均匀。

5）焊丝ER55-G和焊丝ER49-1的焊接性都比较好，焊接的小铁研都没有出现裂纹，但从拉伸试验、弯曲试验、金相试验等来看，前者更适合于焊接轴45和辐板Q235。因此，在工业生产过程中，焊接45和Q235要优先考虑选用ER55-G。