45鋼和Q235金屬的焊接工藝分析

趙淵博

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 江蘇 徐州 221011）

1 45鋼和Q235焊接的概述

45鋼是非常優(yōu)質(zhì)的碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的使用性能和工藝性能，在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用廣泛，主要用作機(jī)械零件，如軸類、齒輪、高強(qiáng)度螺栓等。45鋼是含炭量在0.45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于中碳鋼，其金屬力學(xué)性能表現(xiàn)為強(qiáng)度高，但韌性差。45鋼中有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量較少，化學(xué)成分控制得也較嚴(yán)格，塑性、韌性較好，適用于制造較重要的機(jī)械零件。Q235屬于普通結(jié)構(gòu)鋼，屬工程用鋼，主要應(yīng)用于作鋼構(gòu)件，如角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼板等。45鋼和Q235具有良好的金屬性能及廣泛的應(yīng)用場合，就此分析研究45鋼和Q235焊接工藝及其焊接性，在焊接生產(chǎn)中具有重要的意義[1]。

2 45鋼和Q235的主要缺陷及控制措施

45鋼作為中碳鋼，焊接性較差，焊接過程中易出現(xiàn)缺陷。Q235的焊接性能好，因?yàn)镼235是結(jié)構(gòu)鋼，屬工程用鋼，含碳量低，是良好的焊接母材。本次實(shí)驗(yàn)的焊接缺陷主要為裂紋、氣孔、夾雜、形狀缺陷、飛濺、未熔合和未焊透等。

材料中如果有合金材料的話，這里可不作考慮，選取介于兩種母材之間或依據(jù)較差材料選取。

焊接質(zhì)量必須從五方面控制。

1）焊接工藝：正確的工藝是保障質(zhì)量的基本條件。

2）焊工技術(shù)水平：專門考核合格（證件），一定的經(jīng)驗(yàn)積累。

3）焊接設(shè)備：設(shè)備必須合格。

4）材料：焊條、焊絲、保護(hù)氣體純度等質(zhì)量必須合格。

5）焊后檢驗(yàn)：如果確實(shí)是非常重要的部件，需要不惜工本保證質(zhì)量，那就對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢驗(yàn)，確保無焊接缺陷。

3 實(shí)驗(yàn)材料及方法

3.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本試驗(yàn)所用軸材料45和輻板Q235。軸45供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，輻板Q235為熱軋狀態(tài)?；谳S45的化學(xué)成分及力學(xué)性能，本試驗(yàn)所用的焊絲為ER49-1和ER55-G。本實(shí)驗(yàn)所用的CO2保護(hù)焊焊機(jī)型號(hào)，PANA—AUTO KRⅡ350，采用實(shí)心焊絲是ER50-6。藥芯焊絲是H08Mn2SiA或者H10MnSi都可以。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用CO2氣體保護(hù)電弧焊進(jìn)行焊接。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是20世紀(jì)50年代初期發(fā)展起來的一種焊接技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的焊接方法。與其他電弧焊方法相比有更強(qiáng)的適應(yīng)性、更高的效率、更好的經(jīng)濟(jì)性以及更容易獲得滿足使用性能的焊接接頭。45鋼與Q235的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接對(duì)環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，要求在無風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行，一旦有風(fēng)力存在，則會(huì)出現(xiàn)氣孔的缺陷，另外雖然二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接的速度比較快，但對(duì)焊工的操作水平要求較高，根據(jù)規(guī)范45鋼與Q235兩種材質(zhì)是不同的，因此要焊接時(shí)需要做焊接工藝評(píng)定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 焊接工藝

本試驗(yàn)結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，采用具有適用范圍廣、生產(chǎn)率高、焊接成本低等特點(diǎn)的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接。

本試驗(yàn)的試驗(yàn)焊縫采用單道焊，拘束焊縫采用多道焊。根據(jù)國際碳當(dāng)量[27]公式：EC=[ω(C）+ω（Mn）]/6+[ω（Cr）+ω（Mo）+ω（V）]/5+[ω（Ni）+ω（Cu）]/15。當(dāng)EC＜0.4%時(shí)，淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需要預(yù)熱；計(jì)算得45的碳當(dāng)量為0.63%。由于碳當(dāng)量比較大，所以焊接的時(shí)候需要預(yù)熱到250℃，多道焊時(shí)需要控制層間溫度，層間溫度控制在250℃以上，避免產(chǎn)生淬硬組織。焊后試件有焊接殘余應(yīng)力，需要消除應(yīng)力處理，消除應(yīng)力處理的工藝為：試驗(yàn)焊縫焊接完后，維持250℃以上后馬上熱處理（550℃去應(yīng)力退火，保溫3 h,隨爐緩冷200℃出爐）。用焊絲ER49-1的層間溫度比焊絲ER55-G的層間溫度高，說明焊絲ER49-1的焊接性比焊絲ER55-G的焊接性差。如表1和表2所示是焊接條件與碳當(dāng)量的關(guān)系。試驗(yàn)采用CO2氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，電源是直流反接[2]。

表2 試樣力學(xué)性能參數(shù)

4.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

在經(jīng)過滲透探傷的小鐵研試樣截取四塊單件做拉伸試驗(yàn)，其中每個(gè)試樣取兩塊，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上將切下的試樣進(jìn)行拉伸，然后在電子掃描鏡下觀察其斷口的形貌，分析其斷裂機(jī)理，以此來評(píng)價(jià)拘束焊縫的拉伸性能。

備注:30-7和30-10試樣焊接材料為ER49，32-7和32-10試樣的焊接材料為ER55。由上面的試驗(yàn)結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，從拉伸斷口的外觀形貌來看，在拉伸過程中，主要是在母材Q235和Q235側(cè)的熔合線處斷裂，斷裂為韌性斷裂，斷口形貌為韌窩狀，有少部分為河流花樣，說明Q235的強(qiáng)度比較低，塑性和韌性比較好。用焊絲ER49焊接的接頭的拉伸力的平均值為139.4 kN，抗拉強(qiáng)度平均值為387.5 MPa，彈性模量的平均值為2 736.9，用焊絲ER55-G焊接的接頭拉伸力的平均值為169.36 kN，抗拉強(qiáng)度平均值為446.8 MPa，彈性模量的平均值為3 839.55。綜上所述為焊絲ER55-G焊接軸45和輻板Q235的接頭的拉伸性能比[3]。

5 結(jié)論

1）根據(jù)母材45和Q235的化學(xué)成分分析，從其碳當(dāng)量來看，45的碳當(dāng)量為0.63%。碳當(dāng)量比較大，焊接性比較差，為了避免焊后出現(xiàn)裂紋，需要焊前預(yù)熱250℃，焊后進(jìn)行550℃去應(yīng)力退火處理。Q235焊接性好，但是由于異種鋼焊接的特點(diǎn)，需要按照焊接性比較差的45去制定焊接工藝參數(shù)。

2）從焊絲ER49-1和焊絲ER55-G的化學(xué)成分和力學(xué)性能來看，焊絲ER55-G的含Mn和Cr量比焊絲ER49-1的高。ER55-G的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊功等）比ER49-1要好。

3）焊絲ER55-G焊接的接頭和焊絲ER49-1焊接的接頭相比有如下特點(diǎn)：接頭的顯微組織比較細(xì)小，焊縫的組織以鐵素體和珠光體為主，拉伸性能、彎曲性能、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能好。

4）焊接接頭的硬度分布規(guī)律：熱影響區(qū)的硬度變化范圍比較大，硬度值高，特別是熔合線由于元素?cái)U(kuò)散等緣故，其硬度值很高，焊縫的硬度分布相對(duì)比較均勻。

5）焊絲ER55-G和焊絲ER49-1的焊接性都比較好，焊接的小鐵研都沒有出現(xiàn)裂紋，但從拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、金相試驗(yàn)等來看，前者更適合于焊接軸45和輻板Q235。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，焊接45和Q235要優(yōu)先考慮選用ER55-G。