34Cr2Ni2Mo與35CrMoV鋼厚板超窄間隙MAG焊接接頭組織性能分析

郭嘉琳 ，張富巨 ，3，龐昊紅 ，張國棟

（1.武漢大學 動力與機械學院，湖北武漢430072；2.中南鉆石股份有限公司，河南 南陽473264；3.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

0 前言

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼均屬于高強度中碳低合金結構鋼。34Cr2Ni2Mo鋼具有優(yōu)良的強韌綜合性能，在調質后常應用于重載荷的軸和齒輪類零件。35CrMoV鋼具有優(yōu)良的淬透性，通常經過調質處理后應用于高溫（500℃以下）、高應力工作狀態(tài)的重要零件。在非調質態(tài)下焊接的難度略低于調質狀態(tài)下焊接，關鍵在于保證焊接接頭的強度和韌性。根據IIW推薦的碳當量計算公式可知，這兩種鋼的碳當量值均遠高于0.5，焊接的裂紋傾向大，焊接性差[1-2]。

這類大厚板中碳低合金鋼的傳統(tǒng)焊接工藝通常為采用低碳含量的焊材，高預熱溫度（300～400℃）并進行焊后熱處理以避免焊接裂紋的發(fā)生。采用小線能量焊接工藝可有效減少焊縫及過熱區(qū)在高溫停留時間，形成強韌兼優(yōu)的細晶組織，是焊接高淬透性、高強鋼的可行選擇[3-4]。

超窄間隙MAG焊由于具有更高的焊接生產率和焊接接頭承載能力、更低的焊接殘余應力、超低的焊接生產成本，是焊接該類厚板及特厚板的較好選擇[5-6]。為研究超窄間隙MAG焊工藝技術的廣泛應用特性，本研究嘗試在250℃低溫預熱（與通常工藝比較），層間溫度200～220℃、焊后保溫緩冷的工藝條件下，對100 mm厚34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼板進行超窄間隙MAG對接焊。焊后按國家標準對焊縫接頭進行理化檢驗、抗拉試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度測量，并分析試驗結果。

1 焊接材料及坡口尺寸

34Cr2Ni2Mo和35CrMoV鋼屬于中碳低合金結構鋼，其主要化學成分如表1所示。為防止出現熱裂紋，選擇低碳、低強的T Union GM 100焊絲，其主要化學成分如表1所示。

表1 焊接材料的化學成分%

焊件為兩塊不同材料的100 mm大厚板對接。采用雙U型超窄間隙坡口，坡口尺寸如圖1所示，單側坡口面角設為1°，根部對接間隙為0。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸（R=3.5 mm）

2 焊接工藝參數

主要的焊接工藝參數如表2所示。第一道焊縫為打底焊，采用較低熱輸入的同時加上特殊的小幅電弧擺動，在根部間隙6~7 mm、鈍邊高度2±0.5 mm條件下實現全熔透自由成型工藝下的單面焊雙面成型；在填充層焊縫中，采用7~9 kJ/cm焊接熱輸入，立向下兩側同時焊接以獲得幾乎為零的可見焊接變形和對稱的應力分布。焊接電源采用Fornius的TPS-5000，保護氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20 L/min。

表2 主要焊接工藝參數

3 焊縫接頭的宏觀分析及硬度分布

取焊件厚度方向的中部橫切面，冷加工方法切割為尺寸100 mm×65 mm×10 mm的金相試樣，磨平、拋光截面后使用4%的硝酸酒精腐蝕獲得焊縫接頭的金相樣品。焊接接頭宏觀照片如圖2所示，焊接接頭的焊縫層間和與側壁間熔合良好，焊縫寬度8~9 mm。逐層焊縫厚度均勻，說明工藝參數穩(wěn)定均勻；熱影響區(qū)的寬度尺寸均勻，說明熱量向兩側壁擴散均勻穩(wěn)定；母材焊接熱影響區(qū)很窄，平均寬度在2.5 mm以下，說明較低的熱輸入使得對母材的損傷范圍很小。

圖2 焊接接頭宏觀金相

在焊件厚度方向的中部測量微觀硬度，結果如圖3所示。焊縫區(qū)硬度分布均勻，平均硬度300 HV，略高于34Cr2Ni2Mo側母材的294 HV和35CrMoV側母材的275HV。兩側熱影響區(qū)的硬度分別為443HV和433 HV，高于焊縫區(qū)和母材，最高值為566 HV，出現在34Cr2Ni2Mo側靠近熔合線附近的過熱區(qū)。由于焊接線能量較小，熱影響區(qū)很窄，兩側的最高硬度區(qū)（對應的過熱區(qū)）的尺寸也非常小；在34Cr2Ni2Mo側熱影響區(qū)內有約1 mm的區(qū)域硬度基本穩(wěn)定在約400HV，此處對應為正火區(qū)，在35CrMoV側熱影響區(qū)內，硬度逐步下降，說明組織變化均勻。

圖3 焊縫接頭橫向硬度分布

由圖3還可知，HAZ的過熱區(qū)的微區(qū)硬度均在400 HV以上，說明該區(qū)組織的100%體積分數為馬氏體組織。按t8/5小于HAZ組織全部為馬氏體時的t8/5熱影響區(qū)最高硬度公式計算[7]，該區(qū)對應的最高硬度在570 HV以上，較低預熱溫度下的超窄間隙MAG焊接頭未超過最高允許硬度。

4 焊接接頭的微觀組織分析

34Cr2Ni2Mo側和35CrMoV側的焊接接頭完整的微觀組織如圖4、圖5所示。兩側母材的金相組織（見圖4a和圖5f）主要由貝氏體組成，晶粒較大，不是調質組織。兩側的正火區(qū)（見圖4c和圖5d）均是細板條馬氏體和粒狀貝氏體組織，晶粒十分細小，強韌性較母材均有較大的提高。兩側的過熱區(qū)（見圖4d和圖5c）均很窄，在觀察過程中幾乎與熔合線在同一視場，由板條馬氏體組成，晶粒較母材略有增大。焊縫區(qū)（見圖4f和圖5a）均為等軸晶+柱狀晶的鑄態(tài)組織，晶粒十分細小，細晶強化作用能提高低碳焊材形成的焊縫區(qū)強度。焊縫區(qū)和HAZ的細晶粒是超窄間隙MAG焊接頭焊態(tài)的特點，它得益于較低的線能量、極小的熔池尺寸和基體極快的散熱能力，焊接接頭在高溫區(qū)停留時間很短，奧氏體晶粒來不及長大。

5 焊接接頭的力學性能

對焊接接頭進行拉伸試驗，試驗數據如表3所示。試樣11斷裂在34Cr2Ni2Mo側HAZ，斷口照片如圖6所示，在焊縫中部有層間夾渣，導致在此處斷裂，更為徹底的清渣能避免該夾渣缺陷的產生。試樣12斷裂在母材，如圖7所示，表明在未出現焊縫夾渣缺陷時焊接接頭的強度高于母材。焊接接頭的彎曲試驗表明，接頭在具有高強度的同時具備一定的塑性儲備。

表3 超窄間隙MAG焊焊態(tài)接頭拉伸試驗結果

對焊接接頭的焊縫中心、熱影響區(qū)和母材區(qū)分別進行了3組V型缺口夏比擺錘沖擊試驗，試驗數據如表4所示。在室溫29℃的環(huán)境下，熱影響區(qū)和焊縫中心區(qū)的沖擊吸收功大大超過了母材。母材的沖擊吸收功的試驗結果也印證了母材并不是調質狀態(tài)。

圖4 焊接接頭34Cr2Ni2Mo側各區(qū)微觀組織

圖5 焊接接頭35CrMoV側各區(qū)微觀組織

6 結論

（1）較低熱輸入的超窄間隙MAG立向焊接工藝技術能成功實現34Cr2Ni2Mo與35CrMoV異種鋼接頭的自動化焊接，焊縫層間和與側壁間冶金熔合良好，熱影響區(qū)未出現軟化和脆化組織，其力學性能優(yōu)于母材。

（2）采用低碳多元合金強化焊絲下的超窄間隙MAG焊工藝技術，通常可獲得強韌兼優(yōu)的焊接接頭，主要得益于較低熱輸入下的焊縫和HAZ組織的細化。

圖6 試樣11#斷口

圖7 試樣12#斷口

表4 窄間隙MAG焊焊態(tài)接頭沖擊試驗結果

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]張文越.焊接冶金學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[3]郭嘉琳，萬文峰，張富巨，等.預熱溫度對35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭性能的影響[J].電焊機，2017，47（11）：31-34.

[4]郭嘉琳，萬文峰，張富巨，等.35CrMo調質鋼超窄間隙MAG焊接頭組織分析[J].電焊機，2017，47（9）：24-27.

[5]張富巨，郭嘉琳，張國棟，等.厚板常用弧焊工藝的技術和經濟特性比較，電焊機，2017，47（5）：144-149.

[6]張富巨，郭嘉琳，張國棟.三種窄間隙焊接技術的特性比較與應用選擇[J].電焊機，2017，47（6）：23-28.