58SiMn鋼手工氬弧焊接常見缺陷及其控制

李勝鑫

(豫西工業(yè)集團有限公司，河南 南陽 474678)

0 前言

58SiMn鋼作為主要部件的材料選擇在產(chǎn)品設(shè)計中占據(jù)主導地位。但該類材料焊接加工性差，容易產(chǎn)生缺陷，而且通常在材料熱處理后進行焊接施工，這對其焊接工藝以及滿足產(chǎn)品的力學性能提出了更高的要求。研究接頭的焊接缺陷形式并加以控制對于焊接在彈藥產(chǎn)品制造中的推廣應(yīng)用有著重要意義。

58SiMn鋼的化學成分如表1所示，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，是適合我國資源情況開發(fā)的鋼種，可代替部分鉻鋼、鉻鎳鋼。在58SiMn鋼中，Si和Mn都能溶于α相中，起固溶強化的作用。Si和Mn配合還能有效提高鋼的淬透性，油淬臨界直徑可達40～60 mm。Si除了提高淬透性外，另一個突出作用是能使淬火后馬氏體回火脆性溫度移向高溫，使得這種鋼可以在較低的溫度下回火，從而獲得較高的強度；Cr也是強碳化物形成元素，加入鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力。另外，碳當量大于0.6%。C是鋼獲得強度的主要來源，鋼的硬度也與含碳量有直接關(guān)系，含碳量越高，硬度越高，并且高于調(diào)質(zhì)鋼的含碳量，屬于彈簧鋼的范疇。與調(diào)質(zhì)鋼42SiMn相比較，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗螅?8SiMn具有較高的屈服極限、強度極限和疲勞極限，但是韌性很低，適合制造強度要求高而韌性要求低的零件[1-2]。根據(jù)生產(chǎn)要求，焊接前加工過程為退火→機加工→回火→機加工，保持高硬度、高強度的特性指標，同時避免焊接后熱影響區(qū)對產(chǎn)品自身性能指標造成的不利影響。

表1 58SiMn鋼的主要化學成分%

1 氬弧焊特點[3]

（1）氬氣保護性能優(yōu)良，不必配制相應(yīng)的焊劑或熔劑，基本是金屬熔池結(jié)晶的簡單過程。因此，能獲得較為純凈及高質(zhì)量的焊縫。

（2）電弧受氬氣流的冷卻作用，電弧的熱量集中，且氬弧的溫度很高，故熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小。

（3）幾乎所有的金屬材料都可以進行氬弧焊。隨著高強鋼、高合金鋼的日益增加，一般的氣焊、電弧焊方法很難達到所要求的焊接質(zhì)量，所以氬弧焊的焊接技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

（4）焊接過程穩(wěn)定、電弧能量參數(shù)可精確控制。氬氣是單原子分子，穩(wěn)定性好，在高溫下不分解、不吸熱、熱導率很小。因此，電弧的熱量損失少，電弧一旦引燃，就能夠穩(wěn)定燃燒；另一方面，鎢棒本身不會產(chǎn)生熔滴過渡，弧長變化干擾因素相對較少，有助于電弧穩(wěn)定燃燒。

（5）焊接質(zhì)量好。氬氣是一種惰性氣體，它既不溶于液態(tài)金屬，也不與金屬發(fā)生任何化學反應(yīng)；而氬的原子量較大，有效阻止氧、氮等侵入焊縫金屬。

2 58SiMn鋼氬弧焊常見缺陷和成因[4]

2.1 焊接熱影響區(qū)的脆化和軟化

（1）58SiMn鋼由于含碳量高、合金元素多，鋼有相當大的淬透性，Ms點低，因而在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)內(nèi)很容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體（尤其是高碳粗大馬氏體），導致嚴重脆化。

（2）58SiMn鋼焊接前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，熱影響區(qū)被加熱到超過鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度區(qū)域，將出現(xiàn)強度、硬度低于母材的軟化區(qū)，調(diào)質(zhì)鋼的強度級別越高，軟化就越嚴重。

2.2 裂紋

（1）58SiMn鋼含碳量高、合金元素多，在450℃以下的溫度區(qū)間過冷奧氏體具有更大的穩(wěn)定性所致，近縫區(qū)容易出現(xiàn)硬脆的高碳馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂紋傾向，同樣淬硬傾向越大，冷裂傾向越大，冷裂敏感性同樣提高。為了提高抗裂性，還應(yīng)降低焊接接頭的游離態(tài)氫含量。

（2）58SiMn鋼的碳和硅元素含量較高，焊縫凝固結(jié)晶時，液固結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析傾向也較大，焊接時具有較大的熱裂紋敏感性。

2.3 氣孔

（1）58SiMn鋼在焊接前接頭的鐵銹等清理不潔凈，同時母材本身的碳含量高，游離態(tài)氫的含量高。所以氣孔是該材料焊接的常見缺陷。

（2）58SiMn鋼在焊縫中碳含量超標及鐵銹清理不凈時，反應(yīng)生成的CO氣體也可導致產(chǎn)生氣孔。

（3）焊接線能量的影響。隨著焊接電流和焊接速度的增加，電弧溫度升高，氫的分解度增大；保護氣體流量的變化，發(fā)生紊亂等，導致氣孔有增加的傾向。

（4）氬氣的純度、保護的手段、外部雜質(zhì)附著及吸附的氣體或環(huán)境溫度變化等也會產(chǎn)生焊縫氣孔。

2.4 夾雜

鎢極脫落或焊前未清理干凈雜質(zhì)會造成焊接接頭夾雜。58SiMn鋼氬弧焊造成夾鎢主要原因：（1）鎢極在焊接時與熔池接觸形成短路，由于鎢極本身的載流能力有限，使用過程中超過限定值電流時脫落；（2）鎢極在高溫條件下經(jīng)歷一定時間燒蝕后，脆斷自然脫落，掉入熔池，或違規(guī)采用超過鎢極載流能力而造成燒損脫落。大批量焊接生產(chǎn)時，夾雜具有一定的周期性和偶然性。

3 控制缺陷的措施

（1）嚴格執(zhí)行焊接工藝評定。嚴格母材、填充材料的化學成分檢驗，母材中的H、O含量必須在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)。

（2）用純度為99.96%的氬氣作為保護氣體，并保證低的氬氣露點。

（3）嚴格執(zhí)行母材和填充材料焊前的鐵銹、氧化鐵皮、水分、油污、膠粘劑等污物清理，保證母材接頭30 mm范圍內(nèi)無污物，立即施焊(注意保持待焊件的清潔，從清理到焊接的時間不超過2 h以上)。

（4）定期打磨鎢極，同時避免鎢極與熔池接觸，鎢極端部出現(xiàn)球狀和灼燒狀后應(yīng)立即沿鎢極軸向打磨成圓臺狀。嚴格執(zhí)行焊接工藝，杜絕過載焊接，造成鎢極脫落產(chǎn)生夾鎢。

（5）避免在溫度低、濕度較大的工作環(huán)境中實施焊接。否則，應(yīng)采取預熱除濕處理。

（6）正確選擇焊接工藝參數(shù)。

a.選擇焊縫強度為母材強度85%以上的低匹配焊縫。填充材料采用低C低Si的焊絲，如H18CrMoA，可作為打底焊使用。

b.盡可能選擇較大的線能量并延長熔池的停留時間，即大電流、快焊速、小線能量的焊接，便于氣體逸出。焊接厚度5 mm以下的焊縫可以采用大電流單道焊一次性焊完；焊接厚度5 mm以上的焊縫應(yīng)采用多道焊。必須保證打底焊焊透（尤其在異種鋼焊接，特別是塞焊時），不能出現(xiàn)未焊合。多道焊時，打底焊采取鎢極載流上限進行不填絲焊接，一方面起到先期預熱的作用，而后促使接縫底部充分熔合。并保證填滿弧坑和良好的焊接成形，特別注意多層焊時第一層的弧坑中心和焊縫的凹陷部位。每層焊完焊接下一層前，應(yīng)用錘敲擊焊縫，使焊縫層間溫度冷卻至250℃再進行焊接。實際焊接生產(chǎn)中在先期焊接前進行預熱，溫度80℃（主要考慮到手工焊接的因素不宜過高），焊接母材上直徑φ10、厚度10 mm的塞焊孔時，打底焊采用鎢極直徑φ2.5mm，不填絲（填絲影響電弧的可到程度），焊接電流280～320 A，保證孔底部四周充分熔合，焊縫有效厚度3～5 mm，然后不等充分冷卻，立即進行填充焊和蓋面焊，填充焊絲，焊接電流230～260A，蓋面焊余高0.5～1 mm，盡量避免焊件表面的焊接缺陷和劃傷，合理控制焊縫余高。焊縫超出孔邊緣1～2 mm，打底焊和蓋面焊不用圓頭錘敲擊。

c.TIG焊時，氣孔傾向?qū)ζ驴诒砻嫜趸ぶ形降乃直容^敏感，為此適量加大焊接電流，較快的焊接速度，減小線能量，縮短熔池存在時間，產(chǎn)生射流過渡，熱量集中，減少熱影響區(qū)，加大熔滴的過渡頻率和速度，降低氫的分壓和熔滴與空氣的接觸時間，防止氫的熔入和氣泡的形成。

d.選擇合適的氣體流量，過大的氣體流量會增加焊縫的冷卻速度，同時盡可能采用短弧焊接，增加保護氣體的可靠性。流量合適后，焊縫焊后冷卻完畢應(yīng)為銀灰色為最佳。

e.焊接后盡快（熱影響區(qū)溫度不低于100℃）進行去應(yīng)力回火（≤250℃，7～8 h），如停放過長，應(yīng)采取有效的保溫措施。

4 結(jié)論

結(jié)合實踐生產(chǎn)，氬弧焊能夠滿足58SiMn鋼的焊接，對于焊接出現(xiàn)的缺陷問題，只要從材料成分本身出發(fā)同時結(jié)合氬弧焊特點采取針對性的措施，能夠克服58SiMn鋼的焊接難點，從而最大程度上避免焊接缺陷。

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[1]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：346-353.

[2]于 玲，蘇 君.58SiMn鋼雙杯形等溫擠壓成形金屬流動規(guī)律研究[J].熱加工工藝，2008，37(3)：60.

[3]史耀武.中國材料工程大典(第22卷)材料焊接工程(上)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：337.

[4]周振豐.焊接冶金學(金屬焊接性)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：333-339.