34Cr2Ni2Mo与35CrMoV钢厚板超窄间隙MAG焊接接头组织性能分析

2018-03-19郭嘉琳张富巨庞昊红张国栋

电焊机 2018年2期

郭嘉琳，张富巨，3，庞昊红，张国栋

（1.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072；2.中南钻石股份有限公司，河南南阳473264；3.武汉纳瑞格智能设备有限公司，湖北武汉430223）

0 前言

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV钢均属于高强度中碳低合金结构钢。34Cr2Ni2Mo钢具有优良的强韧综合性能，在调质后常应用于重载荷的轴和齿轮类零件。35CrMoV钢具有优良的淬透性，通常经过调质处理后应用于高温（500℃以下）、高应力工作状态的重要零件。在非调质态下焊接的难度略低于调质状态下焊接，关键在于保证焊接接头的强度和韧性。根据IIW推荐的碳当量计算公式可知，这两种钢的碳当量值均远高于0.5，焊接的裂纹倾向大，焊接性差[1-2]。

这类大厚板中碳低合金钢的传统焊接工艺通常为采用低碳含量的焊材，高预热温度（300～400℃）并进行焊后热处理以避免焊接裂纹的发生。采用小线能量焊接工艺可有效减少焊缝及过热区在高温停留时间，形成强韧兼优的细晶组织，是焊接高淬透性、高强钢的可行选择[3-4]。

超窄间隙MAG焊由于具有更高的焊接生产率和焊接接头承载能力、更低的焊接残余应力、超低的焊接生产成本，是焊接该类厚板及特厚板的较好选择[5-6]。为研究超窄间隙MAG焊工艺技术的广泛应用特性，本研究尝试在250℃低温预热（与通常工艺比较），层间温度200～220℃、焊后保温缓冷的工艺条件下，对100 mm厚34Cr2Ni2Mo和35CrMoV钢板进行超窄间隙MAG对接焊。焊后按国家标准对焊缝接头进行理化检验、抗拉试验、弯曲试验、冲击试验和硬度测量，并分析试验结果。

1 焊接材料及坡口尺寸

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV钢属于中碳低合金结构钢，其主要化学成分如表1所示。为防止出现热裂纹，选择低碳、低强的T Union GM 100焊丝，其主要化学成分如表1所示。

表1 焊接材料的化学成分%

焊件为两块不同材料的100 mm大厚板对接。采用双U型超窄间隙坡口，坡口尺寸如图1所示，单侧坡口面角设为1°，根部对接间隙为0。

图1 超窄间隙焊接坡口尺寸（R=3.5 mm）

2 焊接工艺参数

主要的焊接工艺参数如表2所示。第一道焊缝为打底焊，采用较低热输入的同时加上特殊的小幅电弧摆动，在根部间隙6~7 mm、钝边高度2±0.5 mm条件下实现全熔透自由成型工艺下的单面焊双面成型；在填充层焊缝中，采用7~9 kJ/cm焊接热输入，立向下两侧同时焊接以获得几乎为零的可见焊接变形和对称的应力分布。焊接电源采用Fornius的TPS-5000，保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量20 L/min。

表2 主要焊接工艺参数

3 焊缝接头的宏观分析及硬度分布

取焊件厚度方向的中部横切面，冷加工方法切割为尺寸100 mm×65 mm×10 mm的金相试样，磨平、抛光截面后使用4%的硝酸酒精腐蚀获得焊缝接头的金相样品。焊接接头宏观照片如图2所示，焊接接头的焊缝层间和与侧壁间熔合良好，焊缝宽度8~9 mm。逐层焊缝厚度均匀，说明工艺参数稳定均匀；热影响区的宽度尺寸均匀，说明热量向两侧壁扩散均匀稳定；母材焊接热影响区很窄，平均宽度在2.5 mm以下，说明较低的热输入使得对母材的损伤范围很小。

图2 焊接接头宏观金相

在焊件厚度方向的中部测量微观硬度，结果如图3所示。焊缝区硬度分布均匀，平均硬度300 HV，略高于34Cr2Ni2Mo侧母材的294 HV和35CrMoV侧母材的275HV。两侧热影响区的硬度分别为443HV和433 HV，高于焊缝区和母材，最高值为566 HV，出现在34Cr2Ni2Mo侧靠近熔合线附近的过热区。由于焊接线能量较小，热影响区很窄，两侧的最高硬度区（对应的过热区）的尺寸也非常小；在34Cr2Ni2Mo侧热影响区内有约1 mm的区域硬度基本稳定在约400HV，此处对应为正火区，在35CrMoV侧热影响区内，硬度逐步下降，说明组织变化均匀。

图3 焊缝接头横向硬度分布

由图3还可知，HAZ的过热区的微区硬度均在400 HV以上，说明该区组织的100%体积分数为马氏体组织。按t8/5小于HAZ组织全部为马氏体时的t8/5热影响区最高硬度公式计算[7]，该区对应的最高硬度在570 HV以上，较低预热温度下的超窄间隙MAG焊接头未超过最高允许硬度。

4 焊接接头的微观组织分析

34Cr2Ni2Mo侧和35CrMoV侧的焊接接头完整的微观组织如图4、图5所示。两侧母材的金相组织（见图4a和图5f）主要由贝氏体组成，晶粒较大，不是调质组织。两侧的正火区（见图4c和图5d）均是细板条马氏体和粒状贝氏体组织，晶粒十分细小，强韧性较母材均有较大的提高。两侧的过热区（见图4d和图5c）均很窄，在观察过程中几乎与熔合线在同一视场，由板条马氏体组成，晶粒较母材略有增大。焊缝区（见图4f和图5a）均为等轴晶+柱状晶的铸态组织，晶粒十分细小，细晶强化作用能提高低碳焊材形成的焊缝区强度。焊缝区和HAZ的细晶粒是超窄间隙MAG焊接头焊态的特点，它得益于较低的线能量、极小的熔池尺寸和基体极快的散热能力，焊接接头在高温区停留时间很短，奥氏体晶粒来不及长大。

5 焊接接头的力学性能

对焊接接头进行拉伸试验，试验数据如表3所示。试样11断裂在34Cr2Ni2Mo侧HAZ，断口照片如图6所示，在焊缝中部有层间夹渣，导致在此处断裂，更为彻底的清渣能避免该夹渣缺陷的产生。试样12断裂在母材，如图7所示，表明在未出现焊缝夹渣缺陷时焊接接头的强度高于母材。焊接接头的弯曲试验表明，接头在具有高强度的同时具备一定的塑性储备。