異種鋼焊接接頭的焊縫熔深的控制

陳長江

摘要:文章主要介紹了利用不銹鋼材料的特殊性能,采用熔化極氣體保護(hù)焊焊接方法,制作軌道交通部件工作試件過程中,如何選用焊接參數(shù),控制焊接接頭的焊縫熔深,將不銹鋼材料與碳鋼材料焊接在一起,達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特殊功能、降低產(chǎn)品成本、檢驗(yàn)焊工的工作技能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理性的目的。

關(guān)鍵詞:焊接材料;焊接參數(shù);焊接工藝;焊縫熔深中圖分類號:TG456

中圖分類號:TG316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0119-01

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者往往會根據(jù)需要將不銹鋼材料與碳鋼材料焊接在一起,這樣既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的某種特殊功能,同時(shí)也降低了產(chǎn)品成本。譬如,在電力機(jī)車的主變壓器油箱里,主變壓器油箱體是采用Q345E鋼板,而主變壓器的安裝座則采用了1Cr18Ni9Ti不銹鋼板;又如,電力機(jī)車機(jī)械間的各種設(shè)備柜和機(jī)車前頭的排障器的接地座均是采用0Cr18Ni9的棒材,而柜體則是Q235B鋼板。如今,在各個(gè)領(lǐng)域中,利用不銹鋼材料具有耐腐蝕性能、力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、低溫強(qiáng)度等)、物理性能(密度、比熱容、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率、磁導(dǎo)率、彈性系數(shù)等)、工藝性能(成形性能、焊接性能、切削性能等)以及金相(相組成、組織結(jié)構(gòu)等)等特點(diǎn)越來越受到廣泛的應(yīng)用。

近年來,軌道車輛的焊接逐步推行了德國DIN 6700標(biāo)準(zhǔn)、歐洲EN 15085標(biāo)準(zhǔn)的焊接體系,一些非標(biāo)準(zhǔn)的焊接接頭必須通過工作試件的形式來認(rèn)可焊工的技能或者結(jié)構(gòu)的合理性,因而,制作該類工作試件是必不可少的。

在眾多焊接方法中,熔化極氣體保護(hù)焊(簡稱MAG焊)因其電流密度大,熱量集中,熔敷率高,焊接速度快、容易引弧等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、車輛的結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼的焊接生產(chǎn)中,同時(shí)還適合于機(jī)器人化焊接生產(chǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于手工電弧焊、鎢極氬弧焊等焊接方法,電力機(jī)車的設(shè)備柜的接地座與柜體的焊接(如圖1)就是采用了熔化極氣體保護(hù)焊,根據(jù)焊接冶金成分和材料強(qiáng)度選擇原則,該類接頭應(yīng)選用不銹鋼焊絲作為焊接材料,牌號為ER309L,焊接氣體則選用98%Ar+2%O2。

以接地座的工作試件為例,如圖2,其中底板為Q235B碳鋼,底板尺寸為12 mm×150 mm×150 mm,螺座直徑為φ25 mm,高度35 mm,焊縫厚度為a4,焊接參數(shù)見表1。

根據(jù)工作試件宏觀金相檢測結(jié)果來看,作為底板的碳鋼件的熔深則非常小,而不銹鋼螺座則出現(xiàn)較大熔深。為了保證焊接質(zhì)量,保證焊接接頭強(qiáng)度滿足要求,因而螺座與底板的焊縫熔深都必須滿足熔深要求,下面就以兩種材料的焊接性能及存在的焊接操作問題進(jìn)行原因分析,并據(jù)此制定具體的焊接工藝措施,然后焊接工作試件并對此進(jìn)行宏觀金相檢測。

1焊接性能分析

1.1焊接材料

0Cr18Ni9不銹鋼和Q235B碳鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2、3所示。

從以上表格可以看出,0Cr18Ni9(1Cr18Ni9Ti)不銹鋼和Q235B(Q345E)碳鋼化學(xué)成分差異很大,因此它們的焊接屬于異種鋼焊接,要在該熔焊的條件下獲得滿意的焊接接頭存在許多問題。

1.2原因分析

①熱導(dǎo)率和比熱容的差異。金屬的熱導(dǎo)率和比熱容強(qiáng)烈地影響著被焊材料的熔化、熔池的形成,以及焊接區(qū)溫度場和焊縫的凝固結(jié)晶。0Cr18Ni9不銹鋼熱導(dǎo)率較Q235碳鋼低,約為Q235B碳鋼的一半,這么大的差異可使兩者的熔化不同步,熔池形成和金屬結(jié)合不良,導(dǎo)致焊縫結(jié)晶條件變壞,焊縫性能和成形不良,從而影響焊縫熔深。

②基于上述原因,焊槍的焊接角度、焊接位置也有一定影響。實(shí)際操作過程中,焊絲末端確實(shí)是對準(zhǔn)兩工件的直角頂點(diǎn),從而造成螺座與底板的焊縫熔深不一致。

2焊接工藝措施

①正確選擇操作工藝方法。將焊槍從直角頂點(diǎn)遠(yuǎn)離螺座圓弧面平移一段距離,即仍然保持45°不變,但焊絲的接觸點(diǎn)在距直角頂點(diǎn)1.5～2.5mm處,使電弧稍集中在碳鋼母材側(cè),確保兩母材金屬受熱均勻一致,從而保證了焊接接頭熔深一致。見圖3。

②對碳鋼進(jìn)行預(yù)熱操作。焊前對碳鋼板預(yù)熱也能彌補(bǔ)兩種材料因熱導(dǎo)率不一致引起的焊縫熔深不一致,預(yù)熱溫度一般為100～200°,預(yù)熱溫度過高,會導(dǎo)致焊縫的冷卻速度變慢,有可能引起焊接接頭晶粒邊界碳化物的析出和形成鐵素體組織,大大地降低接頭的沖擊韌性。預(yù)熱溫度過低,則起不到預(yù)熱的作用,無法防止焊縫熔深不一致的形成。對于多層焊,則應(yīng)考慮層間溫度,讓前一層焊縫冷卻至100～200℃后再焊下一道焊縫。

③采用合理的焊接參數(shù)。為防止在實(shí)際應(yīng)用中由于焊縫的一側(cè)晶體粗大而產(chǎn)生脆化和裂紋,還要選用小的熱輸入,小的焊接電流,較大的焊接電壓,較快的焊接速度,小直徑焊條或焊絲等,具體調(diào)整后的焊接工藝參數(shù)如表4。

按以上調(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行焊接的螺座的工作試件的宏觀金相如圖4所示,由此看出,底板的熔深已大大增加。

3結(jié) 語

對于0Cr18Ni9不銹鋼與Q235B碳鋼的異種鋼焊接,通過選擇合理的操作工藝,選取合適的焊前預(yù)熱溫度、焊接電流及速度等焊接工藝參數(shù),就能獲得良好的焊接效果,滿足焊縫熔深要求。

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