T－1钢与ZG310－570异种金属焊接工艺研究

2015-12-31宋应为王文先

机械工程与自动化 2015年1期

宋应为，王文先，石青

（1.太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024；2.山西太重北特机械设备制造有限公司，山西太原 030024）

0 引言

风洞柔板是风洞的重要组成部分。柔板初始状态为平板，在机械力的作用下变形到预定曲面，承受气流载荷，连接柔板的底座为铸件，两者间需采用焊接的连接方式。本文对柔板材料与铸钢连接的异种钢焊接接头的焊接性、焊接工艺及接头的各项性能进行了分析，得出最佳的工艺参数，并指导生产制造。

1 T－1与ZG310－570异种钢焊接的工艺要点

1.1 焊接接头的型式及特征

柔板尺寸为（11 000×1 200×22）mm，最大变形挠度为800mm。由于柔板主体既要有较高的强度又要有足够的韧性，故材料选用抗拉强度大于800MPa的T－1钢；由于铸钢件力学性能的各向异性并不显著，且此部位需要流线型造型，因此与柔板连接的底座选择铸钢件，为满足强度要求选用14mm厚的ZG310－570；采用T型接头、单V型坡口、焊接位置为平角焊的接头形式。

1.2 基材的焊接性分析

T－1钢是一种低合金高强钢，其抗拉强度大于800 MPa，并含有一定量的合金元素及微合金化元素。其焊接性不同于碳钢，主要体现在热影响区组织与性能的变化对焊接热输入比较敏感和淬硬倾向大，易产生冷裂纹［1］。ZG310－570是一种中碳钢，淬硬倾向较大，在热影响区容易产生低塑性的马氏体组织，当焊件刚性较大或焊接材料、工艺参数选择不当时，容易产生冷裂纹。两种基材的化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 两种基材的化学成分（质量分数） %

表2 两种基材的力学性能

根据国际焊接学会推荐的碳当量CE（IIW）计算公式和日本JIS标准（适用规定：低碳调质低合金高强钢）T－1钢的碳当量计算公式，计算得出ZG310－570铸钢的碳当量为0.81，T－1钢的碳当量为0.53。这说明这两种钢材焊接时易于淬硬，若焊接工艺选用不当，热影响区易形成硬而脆的马氏体组织，使接头的塑韧性下降，耐应力腐蚀性能恶化，产生冷裂纹的倾向增加。因此需预热，且需采用较小的热输入。

1.3 焊丝和焊接方法的选择

T－1和ZG310－570组织分类都属于珠光体钢，它们的热物理性能没有很大差别，仅是合金化程度不同。为获得优质的焊接接头，一般按照异种钢合金化程度较高的钢来选择焊接方法和制定焊接工艺。碳（或碳当量）是决定珠光体钢在焊接时淬火倾向的主要因素，一般应按异种钢中碳（或碳当量）最少的钢来选择焊接材料。其焊前预热或焊后热处理的工艺参数按异种钢合金化程度较高者选用［2］。由于低碳调质钢焊后一般不进行热处理，故选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下具有接近母材的力学性能。但在特殊情况下，如结构刚度或拘束度很大、冷裂纹难以避免时，必须选择熔敷金属强度比母材稍低的焊接材料作填充金属。综上所述，焊丝选用ER50－6，其化学成分如表3所示。

因T－1钢为调质状态，只要加热温度超过回火温度，其性能就会发生变化。因此焊接时因热作用使热影响区的局部强度和韧性下降是不可避免的。强度级别越高，这个问题越突出，所以对焊后不再进行调质处理的柔板应选择能量密度较大的焊接方法，如熔化极气体保护焊［3］。

表3 焊丝的化学成分（质量分数） %

1.4 T－1钢的抗裂试验、预热温度和层间温度的确定

因T－1钢的合金化程度较高，所以抗裂试验、预热温度和层间温度的确定由T－1钢决定。又因T－1钢易出现冷裂纹，因此采用“斜Y型坡口焊接裂纹试验方法”测试T－1钢最低预热温度和最高层间温度。

将T－1板加工至选用厚度，焊丝选用ER50－6，直径为Φ1.2mm，保护气体为CO2，电流为240A，电压为32V，焊接速度为28cm/min。试验选取预热温度为120℃，未出现裂纹。实际工作中采用预热温度＞130℃。为防止组织发生变化，预热温度不得大于220℃，层间温度也应控制在＜220℃。施焊过程中未发现裂纹。

1.5 T－1与ZG310－570异种钢的焊接工艺

焊前采用火焰预热，预热温度最小为100℃，焊接时层间温度控制在最大200℃，采用纯度大于99%的CO2混合气体保护焊焊接，流量为15L/min～20 L/min。焊丝为ER50－6，焊接的打底电流为120A～150A，电压为18V～20V，焊接速度为10cm/min～15cm/min；填充盖面电流为240A～270A，电压为25V～27V，焊接速度为30cm/min～50cm/min。采用多层多道焊。