铸钢件疏松组织热影响区裂纹形成机理和补焊研究

宋永辉 梁建莉

1．东方汽轮机有限公司 四川德阳 618000 2．四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000

本文将探讨的是某燃机气缸精加工后发现贯穿性裂纹缺陷。主体缺陷补焊后在焊缝热影响区又检测到细微分叉形裂纹，消缺深度较浅。补焊后又在新焊缝的热影响区出现新裂纹，反复多次[1]。通过逐条分析热影响区裂纹成因，制定了严密的补焊工艺措施，最终实现缺陷成功补焊。

1 主体缺陷

机床消缺体积：上口130mm×120mm，下口130mm×50mm，深度最大170mm，穿透部位50×50mm。

图1 缺陷位置及消缺形貌

2 气缸材质及力学性能

气缸材质化学成分及力学性能见表1。

按国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算得出，碳当量≤0．52，淬硬倾向较低。

从材料力学性能分析，材质塑性较好，有较好的抗裂性。

综上所述，从化学成分和力学性能两方面分析，气缸材质焊接性良好。

表1 母材化学成分（Wt.%）及机械性能

3 主体缺陷补焊工艺

（1）打磨修整坡口，背部垫同材质垫板，装焊防变形工艺拉筋。

（2）局部预热100-150℃，采用GTAW 对坡口壁全面打底一层对机床消缺的棱角、锐边进行圆滑，然后采用GMAW 进行填充焊接；堆焊厚度超10mm 后，对每层焊缝采用大号风枪和扁铲进行锤击；

（3）焊后进行350℃×4 小时的消氢处理。

4 热影响区裂纹缺陷

主体裂纹缺陷按照上述工艺返修后，焊缝经PT 检验，无线性显示。但在补焊焊缝邻近母材热影响区发现细微分叉型裂纹显示，裂纹沿焊缝熔合线分布，消缺深度约8mm。消缺并采用GTAW 补焊，又在新焊缝热影响区再次开裂，如此反复多次。

5 热影响区裂纹原因分析

5.1 材质疏松

（1）肉眼观察热影响区裂纹开口较窄，但进行着色检查，红色显示逐渐变宽，呈带状，且反红颜色逐渐加深。

（2）据实施补焊焊工反映，主体缺陷打底层焊接时有反泡现象。

（3）缺陷部位为毛坯壁厚最大处，也是铸造冒口所在。

据上述三点判断，缺陷部位母材组织疏松严重。

5.2 残余应力大

气缸已精加工，为避免热处理变形风险，前期多次补焊返修均未做去应力热处理，母材表面拉应力水平较高。

5.3 接头高匹配

根据ASMEIIC 篇，气缸前期补焊选用AWSA5．18ER70S-3 焊丝，焊缝力学性能见表2。

通过对比可发现，焊缝强度等级较母材高，接头为高匹配。且焊缝致密而母材疏松，母材为薄弱点，首先开裂。

表2 焊材力学性能

5.4 热影响区组织脆弱

母材材质为低碳钢，属于不易淬火钢。热影响区为过热粗晶组织，塑性和韧度明显下降，是焊接接头中最薄弱点。

5.5 拘束应力大

从结构分析，裂纹位于槽底与槽壁夹角处，此部位气缸拘束应力大，焊缝应力集中严重。

5.6 补焊处散热快

因热影响区裂纹消缺体积较小，前期补焊采用火焰烤枪局部预热，热量较集中，温度梯度大，散热快，热收缩应力大，使母材表面拉应力水平进一步恶化。

5.7 GTAW 熔深浅

热影响区裂纹消缺体积小且靠近精加工表面，为避免飞溅，前期补焊采用GTAW 焊接。相较SMAW 焊接而言，GTAW 焊接热输入小，熔深较浅。

我们知道，焊接应力主要由热应力和相变应力组成。热应力是指焊接热循环引起接头温度场变化产生的应力，相变应力是指焊缝金属在凝固后冷却过程中由γ 相变为δ 相体积变化产生的应力[2]。

结合本案例进行分析，由于工件进行100-150℃预热，焊接热循环引起的温度场变化可以忽略。而相变应力仅与焊道体积相关。

以单道焊缝进行分析，假设有2 条体积相等（焊道宽度、焊道长度、焊道形状完全相同）焊道，那么焊接收缩力F 一定，熔深h越浅，受力截面积S=l×h（l 为焊道长度）越小，应力σ=F/S 越高。

多道焊同理，应力σ 与熔深h 为反比例关系。可见，GTAW焊接造成的较浅熔深导致热影响区受力截面较小，热影响区所受焊接应力较大。

5.8 热影响区开裂原因分析小结

综上所述，材质疏松导致母材强度下降，热影响区过热粗晶组织导致塑性韧性下降，前期大面积补焊的残余应力，工件结构引起的拘束应力，局部加热引起的热收缩应力，补焊焊缝的收缩应力，低熔深引起的较小受力截面等多种不利因素的有机叠加导致了热影响区开裂[3]。

6 热影响区裂纹补焊工艺

针对上述分析的热影响区裂纹诱因，逐项制定工艺措施如下：

6.1 锤击夯实母材

消缺后，采用风枪、尖形铲头，充分锤击消缺坡口表面，直至坡口表面呈密集、均匀的蜂窝状麻点，达到夯实母材的目的；同时可将表面拉应力变为压应力。

6.2 大范围预热

焊前对气缸待焊区域正反面进行充分预热，缓慢升温并扩大加热区域，最大程度地减小拘束应力。

6.3 选取低匹配焊材

采用较母材强度等级略低的GB/T5117E4315 焊条（力学性能见表2）进行补焊，接头低匹配，以期获得与疏松母材强度相当的致密焊缝，将应力均匀分布在母材和焊缝上。

6.4 采取SMAW 焊接

采用熔深较深的SMAW 焊接方法进行补焊，适当增大焊接电流，降低电弧电压，同时短弧焊接，增加焊缝熔深，从而增大受力截面积，降低应力水平。

6.5 控制热输入

采用小规范快速焊减小热输入，在保证坡口侧壁熔合良好的前提下，尽量不摆动，分层分道施焊。

6.6 跟踪锤击

每道焊接完毕，立即用风枪密集、充分锤击焊缝，降低焊缝收缩应力。

6.7 大范围后热、缓冷

焊后，对补焊处及邻近100mm 范围进行后热处理并包裹石棉布缓冷，严格控制降温速度，使热收缩应力在较大范围内均匀化。

按上述方案严格实施，缺陷最终补焊合格。

7 结语

（1）该铸造气缸材质焊接性良好，造成焊后开裂的主要原因是母材显微组织疏松；补焊未做去应力热处理，使补焊区域残余应力水平进一步恶化，造成母材表面拉应力水平高。

（2）对材质疏松引起的裂纹，应从夯实母材，降低拘束度，降低温度梯度，降低接头匹配等级，增加焊缝熔深，减小焊接应力等方面入手，制定补焊方案。