42CrMo与Q345B焊接工艺的制定及焊接性能分析

来源:用户上传      作者: 周凯

　　摘要对Q345B与42CrMo合金钢的焊接性能进行了研究分析。以中间罐小车提升部件为例，进行了Q345B与42CrMo的焊接性研究及试验，并制订了合理的焊接工艺措施。采用A506打底，ER55-6填充的组合焊接方法，配合合理的工艺方法及工艺参数，获得了性能优良的焊接接头
　　关键词42CrMo；焊接性；焊接裂纹；焊接工艺
　　中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0026-02
　　本公司为SMS DEMAG公司生产的中间罐小车提升柱部件，结构图如下。轴头材料为调质后的42CrMo合金钢，筒身材料为Q345B。该部件的工作环境温度较高，并且需要承受较大的冲击载荷，轴头需要承受交变应力。焊缝需符合GB/T11345-1989标准的Ⅱ级要求，因此合理地选择焊接材料及焊接工艺是保证焊缝具有优良力学性能的关键。
　　
　　1母材的焊接性能分析
　　1.1 Q345B的焊接性分析
　　表1Q345B的化学成分（%）
　　C Si Mn S P V Nb Ti Al
　　0.15 0.32 1.48 0.011 0.003 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 0.032
　　
　　Q345B碳当量Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.49＞0.45
　　经计算合金钢Q345B具有一定的淬硬倾向，在焊接需要前对工件进行适当的预热，即可可有效地防止了裂纹的产生。因此在工艺制定时应主要考虑中碳调质钢42CrMo的焊接工艺。
　　1.2 42CrMo的焊接性分析
　　42CrMo碳当量Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.9117
　　42CrMo热裂纹敏感系数Hcs=C*（S+P+Si/25+Ni/100）*1000/（3Mn+Cr+Mo+V）=9.56
　　42CrMo中的合金元素含量高，焊道在凝固结晶的时候，结晶温度区间跨度大，偏析倾向严重，容易在焊缝金属中形成热裂纹。结合计算的42CrMo热裂纹敏感系数Hcs=9.56，得出结论42CrMo具有较强的热裂纹倾向。
　　42CrMo钢的Ms点低，在母材的热影响区易产生淬硬组织，并且工件愈厚，淬硬倾向愈大，在工件冷却过程中淬硬区易产生冷裂纹。结合计算的42CrMo的碳当量=0.9，得出结论42CrMo具有较强的冷裂纹倾向。
　　42CrMo与Q345B的焊接处为坡口较大的环焊缝，两种材料的线膨胀系数也不同，造成焊缝拘束度较高，焊接后焊缝中存在较高的残余应力。这样就容易在焊根、焊趾等应力集中区域形成缺陷。
　　由此推断，调质钢42CrMo在焊接时易产生热裂纹和冷裂纹等缺陷，在制定焊接工艺的时候要特别注意避免产生这些缺陷。
　　242CrMo和Q345B 焊接工艺的制定
　　根据上述两种母材的焊接性分析，42CrMo具有高淬硬倾向，焊接冷、热裂倾向严重。并且Ms较低，焊接时较易形成含碳量高、硬度大的马氏体组织，导致过热区出现脆化现象。而Q345B综合力学性能良好，塑性和焊接性良好。基于以上分析，选材的原则如下：所选焊接材料的焊接性应以满足42CrMo的焊接为主，焊接材料的强度高于Q345B的强度即可。
　　2.1 焊接方法及材料的选择
　　提升柱筒身内部空间狭小，坡口为双面坡口，为保证筒身内部的焊缝根部能够焊透，减小近缝区的应力集中。对打底焊道采用奥氏体不锈钢焊条A507进行焊接，保证焊缝根部形成塑性及韧性较好的奥氏体焊缝组织。中间填充及盖面焊缝采用ф1.2的ER55-G焊丝，形成韧性较强的，抗冷裂型较好的焊缝组织。
　　2.2 工艺方案的制定
　　1）焊接前清除焊接区的水、锈、油污等杂质。
　　2）焊接前对轴头区域进行预热300~350℃。充分预热1小时，有效的减慢焊缝及热影响区的冷却速度，加速焊接区氢的逸出。
　　3）打底焊接采用Ф3.2直径的奥氏体不锈钢焊条A507，焊前烘干250~300℃。采用直流反接，焊接电流90~110 A，电压20~25 V，焊接时候采用单道焊，不需摆动。
　　4）填充和盖面焊接采用80%CO2+20%Ar气体保护焊。电流230~280 A，电压28~38 V，层间温度控制在300℃。采用多层多道焊，每层焊道厚度要尽可能的薄。焊道与焊道之间过渡应平缓。焊道的引弧、收弧处错开30 mm以上。
　　5）焊后立即进行退火处理600~650℃，时间4小时。通过及时的退火处理可以避免42CrMo在焊后冷却的时候，在热影响区产生溶氢能力极差的马氏体。防止在热影响区聚集成“富氢”带，从而形成氢致冷裂纹。
　　
　　2.3 焊接工艺验证
　　按以上方案制作工艺试块，并进行力学性能试验，试验结果如下。
　　表342CrMo与Q345B 焊接接头拉伸试验结果
　　试样编号 σs / MPa σb / MPa 断裂位置
　　1 345 510 母材（Q345B侧）
　　2 350 518 母材（Q345B侧）
　　
　　表442CrMo与Q345B焊接接头横向侧弯试验结果
　　试样编号 试验类型 试验结果
　　3 横向侧弯，180° 无裂纹，合格
　　4 横向侧弯，180° 无裂纹，合格
　　5 横向侧弯，180° 无裂纹，合格
　　6 横向侧弯，180° 无裂纹，合格
　　
　　检测结果表明，焊缝的抗拉强度高于力学性能较低的Q345B母材。弯曲试样在弯曲180°的情况下均为合格。这说明焊缝质量可靠，拟定的焊接工艺合理有效。
　　2.4 实际应用
　　按上述工艺制作的提升柱，焊接完24小时后进行表面100%磁粉探伤，未发现焊缝表面有裂纹、气孔等缺陷；采用超声波100%探伤，焊缝符合GB/T11345-1989 标准的Ⅱ级要求。得到了西马克公司的认可。
　　3结束语
　　对于42CrMo与Q345B的焊接， 通过填充高韧性的A506焊条和高强度ER55-6焊丝，可有效的降低了焊缝金属的氢致裂纹敏感性，确保了焊缝的强度。通过采取焊前预热、焊后及时热处理的方法，加速了焊接区域氢的逸出，有效的避免了焊接区域的硬化、脆化及冷裂纹等问题。通过以上的相关措施使得整个焊接区域的缺陷得到有效的控制。从而获得了力学性能优良的焊接接头。
　　
　　
　　
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