20号钢与45号钢焊接工艺的改进

□ 周宗义 □陈雷洲 □胡正德

江苏精亚集团 江苏江阴 214426

1 研究背景

焊接结构在海洋工程、交通、航空航天、化工、机械等工业部门得到广泛应用。在焊接生产过程中,焊接工艺起至关重要的作用,决定产品的焊接质量[1-2]。

针对中心轴两端插入管体的焊接问题,轴为45号钢,管体为20号钢。焊接时,焊接技师一般采用普通的Q235A结构钢焊接工艺方法。焊接结束后,发现熔敷金属出现裂纹。中心轴是整个机组中的关键部件，需要承受轴向扭转力,焊接裂纹会大大缩短零件寿命。笔者就此问题展开异种钢材焊接工艺改进，工艺改进的关键点在于焊前预热、焊后去应力缓冷处理及焊接水平。

生产过程中,焊接一般是Q235A低碳结构钢之间的焊接,或者Q235A低碳结构钢和20号低碳钢之间的焊接。低碳钢由于含碳量低,锰、硅含量低,因此一般不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织,焊接后接头的塑性和冲击韧度良好。所以低碳钢焊接时,一般不需要预热，层间温度和后热不作控制,焊后也不需要热处理,焊接性能优良。而20号钢与45号钢之间的焊接,属于中碳钢和低碳钢之间的焊接,焊接性能较差。焊接之后,当组织因素和应力水平相同时,焊缝中氢的含量是产生裂纹的决定性因素[3]。

2 异种钢材焊接分析

20号钢和45号钢之间的焊接与同种钢材之间的焊接相比，主要区别在于异种钢材母材因热熔化后,母材在熔敷金属的两侧熔化不均匀。

异种钢材的焊接具有四个特点。

(1) 化学成分和组织不均匀。在焊接加热过程中,两侧的母材熔化量不同，与熔敷金属相融合的成分发生变化。焊接结构不仅与母材有关，还与填充金属有关。焊接时,使用牌号为J422的酸性焊条,此焊条不适合用于中碳钢的焊接,原因是酸性焊条中含硫量和含氢量高,大大增加了热、冷裂性倾向。另一方面,在焊接热循环的影响下,焊接接头处各区域组织不同,在个别区域内还会产生复杂组织结构[4]，如焊缝和近缝区可能产生硬脆的马氏体组织。

(2) 性能的不均匀性。当焊接部分发生钢材成分和金相组织变化时,会带来性能上的不同,各种变化可能会成倍数关系变化,特别是焊缝两侧的热影响区，其冲击值的变化更大,高温影响下的性能，如持久强度、蠕变强度变化也很大。中心轴在实际运行中受持续的扭力作用,焊接45号钢时,如果焊接材料的选择和焊接过程控制不好,产生的马氏体组织在振动或疲劳载荷下,会产生冷裂纹。

(3) 应力场分布不均。异种钢材的成分和组织不同,在焊接过程中,由于焊接钢材的热膨胀系数和导热系数不同,在组织力和热应力的叠加作用下,产生应力峰值,如果没有焊后热处理,那么极有可能导致焊接部位断裂。

(4) 焊接后热处理。异种钢材焊接后,如果处理不恰当,会严重损坏异种钢材接头处的力学性能,甚至会引起开裂[5]。此次20号钢和45号钢属于同类异种钢焊接,一侧母材强度较低,所需的焊后热处理温度也较低,而另一侧母材强度及合金元素含量较高,如果温度选择不当,那么会使强度降低。材料强度高的接头处,要求焊后热处理温度高,但同时会使材料强度低的一侧母材强度降低过度。

3 焊接工艺改进

3.1 工艺要求

20号钢与45号钢的特性不同。20号钢含碳量为0.2%,属于低碳钢类型,焊接性能良好。45号钢属于优质碳素结构钢,属机械用钢,焊接性能较差。在焊接这两种不同钢材时,需要根据中心轴的使用工况、材料的可焊性及焊接后的变形来分析制订工艺。中心轴工艺要求如图1所示。

中心轴在整个机组中是关键部件，且受较大的扭力。设计焊接方案时,采用塞焊和V形焊两种焊接方法,以防止零件在运转过程中发生脱焊现象。

3.2 焊条选择

随着强度的升高，钢材的塑性、韧性相应降低，接头部分的抗裂性能随之变化,所以选择相适用的焊条尤为重要[6]。

焊条有酸性与碱性的区别,试验时，采用牌号为J422、J423、J507的三种结构钢焊条,依次进行焊接试验,试验结果对比见表1。

表1 焊接试验结果对比

根据试验结果，选定适合20号钢与45号钢焊接的J507焊条,直径为3～4 mm。根据焊条的具体使用方法,使用烘箱350～400 ℃预热1～2 h,保温温度为100～150 ℃,放入保温桶随用随取。

3.3 焊机选择

根据J507碱性焊条的使用要求,选择直流焊机，采用直流反接电源。焊条直径为3～4 mm时,焊机电流调整为90～130 A比较合适。

3.4 焊接注意点

(1) 焊前处理。碱性焊条对油污、水气及铁锈较敏感,焊接前不去除，则易产生气泡,导致焊接的效果不如酸性焊条。所以焊接前需要打磨焊接处两侧20 mm范围,去除油污、水气及铁锈。

(2) 预热。预热有利于降低中碳钢热影响区的硬度,防止产生冷裂纹,是焊接中针对碳钢的主要工艺措施。预热还能改善焊接接头的塑性,减小焊后残余应力。通常35号钢和45号钢的预热温度为150～250 ℃,当含碳量高或因厚度和刚度增大,裂纹倾向增大时,可将预热温度提高至 250～400 ℃ 。若焊件体积太大,整体预热有困难,则可进行局部预热,局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200 mm。中心轴预热温度为150 ℃,采用火焰加热的方式,加热范围为焊接坡口处两侧100 mm范围。

(3) 坡口形式。将焊件尽量开成 U 形坡口进行焊接,U形坡口如图2所示。图2中，a为材料厚度，b为0～3 mm,p为1～3 mm,R为6～8 mm,β为1°～8°。如果铸件有缺陷,那么铲挖出的坡口外形应圆滑,目的是减小母材熔入焊缝金属中的比例,以降低焊缝中的含碳量,防止裂纹产生。

(4) 焊接工艺参数。由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例高达30%左右,因此第一层焊缝焊接时应该尽量采用小电流,减慢焊接的速度,以减小母材的熔深。

3.5 焊后热处理

焊后对焊件应立即进行消除应力的热处理,特别是对于有一定厚度的焊件、高刚性结构件，以及高动载荷或冲击载荷下工作的焊件而言，消除应力更为重要。消除应力的热处理可以采用回火处理,回火温度为600～650 ℃。对于中心轴而言,不需要回火处理,采用缓冷的方式进行热处理就可以消除应力。

▲图1 中心轴工艺要求

▲图2 U形坡口

焊接完成后,立即将零件埋入鸡毛灰、蛭石粉、珍珠岩粉或石灰粉等保温介质中,缓慢冷却1～2 h,同时视情况进行消氢处理,完成整个工件的热处理工作。

4 结束语

笔者对20号钢与45号钢焊接时出现的问题进行分析,制订合理的焊接工艺，以提高生产质量。在低碳钢和中碳钢焊接时,出现冷裂纹是主要的问题。为了减少裂纹的出现,宜采用以中碳钢的焊接工艺特点为主的工艺方法,并采用碱性焊条焊接,焊接后用榔头敲击及采用缓冷,防止冷裂纹产生。

通过实践,确认改进后的工艺合理,可以使用现有工具完成20号钢与45号钢异种钢材的焊接,符合现代企业在不降低产品质量的前提下降本、节支的要求,提高了企业的竞争力[7-10]。