27SiMn鋼與45鋼的焊接性能試驗

張 毅，楊明軒

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充637000）

27SiMn鋼與45鋼的焊接性能試驗

張 毅，楊明軒

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充637000）

液壓缸和柱常用27SiMn鋼，缸底、耳環(huán)、油口管接頭等常用45鋼。液壓油缸的缸體與缸頭、缸體與缸底端面間，缸體與耳環(huán)、耳環(huán)與鉸軸間，缸體與油口接頭等均需要焊接組裝，而27SiMn鋼與45鋼的焊裝屬異種鋼焊接。為獲得良好的焊接接頭，采用CO2氣體保護焊、低氫低碳合金焊材，精選焊接工藝參數(shù)、焊前預(yù)熱、焊后緩冷的焊接工藝。對焊后試件進行試驗及工藝評定，無氣孔、無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，進行拉伸和彎曲試驗，其力學(xué)性能合格。結(jié)果表明：采用合理的焊接工藝，異種鋼27SiMn與45的焊接性能優(yōu)良，完全滿足液壓油缸的工作要求。

27SiMn鋼；45鋼；液壓缸筒；焊接性能

0 前言

液壓油缸在工程機械、起重運輸機械和機床等行業(yè)獲得廣泛使用，是一個非常重要的部件。根據(jù)國標(biāo)GB/T17396-2009規(guī)定，液壓支柱用熱軋無縫鋼管可選用20、35、45優(yōu)質(zhì)碳鋼，也可選合金鋼，如27SiMn等。根據(jù)額定工作壓力，有輕壓（2.5～6.3MPa）、中壓（10～14 MPa）和高壓（25～31 MPa）油缸。對額定工作壓力為16 MPa的工程油缸，缸體采用27SiMn鋼，缸底和耳環(huán)等采用45鋼，通過焊接組裝。由于異種鋼在物理性能和化學(xué)成分上存在差異，焊縫及熱影響區(qū)容易出現(xiàn)硬度高、脆性高、韌性較低的組織和性能，可能導(dǎo)致液壓缸失效破壞。為提高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及可靠性，保證液壓缸良好的工作，需要研究27SiMn鋼與45鋼的焊接性能。

1 對接焊縫

外缸筒如圖1所示，焊接部位較多，其中缸體與缸頭、缸體與缸底為對接環(huán)焊縫，采用單面（外圓）施焊而成。由于焊縫質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是對接環(huán)焊縫最為關(guān)鍵，既要承受液壓介質(zhì)均勻的周向力，又要承受軸向力，焊縫金屬和熱影響區(qū)必須要有較高的強度和足夠高的沖擊韌性，而焊縫處一旦出現(xiàn)漏液及缸體開裂將造成嚴重安全事故，因此要求焊接接頭無裂紋、夾渣等缺陷，故焊接是油缸生產(chǎn)制造過程中最關(guān)鍵工序之一[1]。

1—缸頭（護套）；2—缸筒；3—耳軸套；4—耳軸；5—缸底；6—焊槍；7—管接頭圖1 某液壓油缸外缸筒焊接示意

2 焊接技術(shù)

27SiMn鋼熱處理工藝：920℃±20℃保溫1.5 h，水淬，450℃±50℃回火，冷卻劑為油或水，硬度為HBW240～280。45鋼熱處理工藝：正火850℃，淬火840℃，回火600℃，焊后要求焊縫與母材強度接近[2]。

2.1 27SiMn鋼與45鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

依據(jù)國標(biāo)GB/T3077-1999、GB/T699-2015和GB/T17396-2009，27SiMn鋼與45鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 鋼的化學(xué)成分％

表2 鋼材（管）的力學(xué)性能

2.2 27SiMn鋼與45鋼的焊接性能

27SiMn無縫鋼管具有良好的機械性能，內(nèi)外表面質(zhì)量光滑、壁厚均勻，有較高的強度和良好的韌性，能承受高壓、抵御沖擊碰撞，但焊接性較差，存在缺口敏感性，焊縫處易斷裂和開裂[3]。

45鋼屬中碳鋼，焊接性較差，若焊接材料的選擇和焊接過程控制不好，則焊縫和近縫區(qū)可能產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，導(dǎo)致接頭使用性能下降，在振動或疲勞載荷下容易破壞，也易誘發(fā)冷裂紋。

2.2.1 鋼的焊接性評價

焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向與鋼的化學(xué)成分直接相關(guān)，而碳的影響最為明顯。為粗略估算低合金高強度鋼冷裂敏感性的高低，將鋼中（包括碳在內(nèi)）對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當(dāng)含量（碳當(dāng)量），對確定預(yù)熱、焊后熱處理、線能量等焊接工藝有重要作用，因此，碳當(dāng)量（Ceq）常用于評價鋼的焊接性。

27SiMn鋼碳當(dāng)量Ceq=0.574％～0.737％，大于臨界值0.45％，45鋼屬中碳鋼。兩者的淬硬性均大，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生裂紋，焊接工藝性差，因此，要確保獲得良好的焊接質(zhì)量，必須采取合適的焊接工藝。

2.2.2 焊接工藝

（1）焊接試件。采用材質(zhì)為27SiMn與45的無縫鋼管對焊，鋼管尺寸φ96×8，坡口角度60°，鈍邊1 mm，間隙2 mm，如圖2所示。

（2）CO2氣體保護焊。保護氣體為φ（Ar）80％+ φ（CO2）20％，保護氣體流量12～18 L/min，焊絲伸出

長度10～15mm，因焊接液壓油缸環(huán)焊縫可連續(xù)送絲，效率高。

圖2 焊接試件

（3）焊接材料。異種鋼焊接的關(guān)鍵是正確選擇焊接材料，由于焊縫和熔合區(qū)的化學(xué)成分和金相組織不均勻，物理性能也發(fā)生了變化，為確保焊接質(zhì)量，應(yīng)采用低氫低碳合金焊材。因此，選用直徑φ1.2 mm的猴王MK·G60-ⅠER60-G氣保焊絲。MK·G60-Ⅰ屬于微合金強化氣保焊絲，可采用CO2或φ（Ar）80％ +φ（CO2）20％氣體保護焊，焊接工藝性能良好，焊縫韌性好，適合于600 MPa級低碳鋼及低合金中高強度鋼結(jié)構(gòu)的焊接，因?qū)俚蜌浜附樱虼?，對冷裂紋敏感的27SiMn鋼很適用[4]。

MK·G60-ⅠER60-G氣保焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3所示。

表3 MK·G60-ⅠER60-G氣保焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能％

（4）工藝參數(shù)。在焊接第一層焊縫時，必須將焊口兩側(cè)100mm范圍用氧-乙炔焰預(yù)熱，溫度240℃±10℃，然后焊接，層間溫度250℃～350℃，在最后一層焊接時要保證接頭熔合良好，必須搭接焊縫，焊完后用石棉布包裹緩冷，隨后進行消除應(yīng)力的回火處理，回火溫度約600℃，保溫時間取決于工件厚度，最后隨爐冷卻[2-3]。其他焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝及參數(shù)

3 焊接工藝評定和試驗

3.1 焊后試件

焊后試件如圖3所示，經(jīng)過線切割后的試件切片如圖4所示。

圖3 焊后試件

3.2 焊后試驗及工藝評定

（1）表面清理。用汽油清洗焊接坡口及兩側(cè)附近油污（禁用酸洗），吹干，吹砂清除氧化物，每焊完一遍，用砂輪機打磨焊道，去除焊道的飛濺物和熔

渣，使焊縫表面呈凹狀。

圖4 經(jīng)線切割后的試件切片

（2）焊后檢查和試驗。

a.作外觀檢查。利用低倍放大鏡檢察焊縫表面氣孔、裂紋等，用肉眼檢察焊縫表面咬邊、焊瘤等，用焊接檢驗尺測量焊縫余高、凹陷等缺陷，均符合質(zhì)量要求；檢測焊件的變形，也在許可范圍內(nèi)。

b.X射線探傷。按國標(biāo)GB/T3323-2005規(guī)定，對試件做雙壁單影法檢查，焊縫內(nèi)裂紋、未熔合、未焊透及條狀夾渣，經(jīng)查驗，均達到了Ⅰ級焊縫標(biāo)準。

c.拉伸試驗和彎曲試驗。異種鋼焊接要求接頭的抗拉強度不低于兩種母材中抗拉強度較低材料的最低允許值，該焊接接頭的抗拉強度略大于45鋼，滿足強度要求，拉伸斷裂部位在焊縫處，如表5所示。經(jīng)對試件做彎曲試驗，彎曲180°，背彎、面彎彎頭直徑為4倍壁厚，如圖5所示，無裂紋。接頭力學(xué)性能均合格。

圖5 焊后試件拉伸和彎曲試驗

表5 焊接接頭拉伸試驗

（3）工件的液壓試驗。按設(shè)計要求，試驗壓力為公稱（額定）壓力的1.25～1.50倍水壓，因此，對額定工作壓力16 MPa的液壓缸一般加20 MPa的試驗壓力，保壓40 min，檢查焊縫是否有泄露。經(jīng)檢查無泄露，液壓試驗合格。

4 結(jié)論

27SiMn鋼管是制造液壓油缸體廣泛選用的材料，而液壓缸的其他結(jié)構(gòu)常用45鋼制造，因此需要研究異種鋼27SiMn與45的焊接工藝。采用CO2氣體保護焊對油缸筒體和缸底的環(huán)縫進行焊接試驗。通過焊前預(yù)熱、焊后緩冷的工藝，避免了馬氏體的生成，降低了熱影響區(qū)的淬硬性，焊后進行消氫處理，加速氫的擴散和逸出，可有效防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。在對焊后試件進行試驗和工藝評定中得知，焊縫成形好，焊縫熱影響區(qū)小，焊接變形小，表面及內(nèi)部缺陷少，探傷合格率高，經(jīng)力學(xué)性能試驗，塑性良好，強度達到設(shè)計要求，經(jīng)兩年多的實際使用，尚無因焊縫斷裂而返修的產(chǎn)品。

[1]楊明軒，劉秋皓.工程液壓油缸外缸筒焊接技術(shù)與工裝設(shè)計[J].電焊機，2014，44（9）：72-76.

[2]印波，邱望.27SiMn焊接工藝的研究[J].機械，2010，37（11）：72-75.

[3]賈建濤，鄭淑娟，姜學(xué)壽.27SiMn鋼焊接工藝參數(shù)的研究[J].中國水運，2010，12（10）：146-148.

[4]鄭國政.CO2自動焊在液壓缸生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].山西科技，2010，25（4）：80-81，83.

Welding performance test on 27SiMn and 45 steel

ZHANG Yi，YANG Mingxuan
（Nanchong Professional Technic College，Nanchong 637000，China）

Hydraulic cylinder and column is commonly used 27SiMn Steel，cylinder bottom，earrings，oil outlet pipe joints，and other commonlyused 45 steel.Cylinder bodyofthe hydraulic cylinder and cylinder head，cylinder bodyand the bottomface to face；cylinder and earrings，earrings and the hinge shaft；cylinder and the oil inlet connector need the welding assembly，and welding of 27SiMn and 45 steel is dissimilar steel welding.In order toobtain good welded joints,adopt CO2gas shielded arc welding，lowhydrogen carbon lowalloywelding consumables，selection ofweldingprocess parameters,preheatingbefore welding,weldingtechnologyofslowcoolingafter welding.Through the welded specimens are used to assess test and process，free of porosity and crack，no lack of fusion，incomplete penetration defects，by tensile and bending test,its mechanical performance is qualified.The results showthat the welding performance of dissimilar steel 27SiMn and 45 is excellent，which can satisfythe requirement ofhydraulic cylinder.

27SiMn steel；45 steel；hydraulic cylinder；welding performance

TG457.11

B

1001－2303（2016）07－0101-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.23

2016-07-01

張毅（1972—），男，四川南充人，講師，學(xué)士，主要從事機電一體化的研究工作。