熱軋42crmo精密無縫鋼管焊接性能分析
42CrMo鋼系中碳調質高強鋼，鋼的Ceq值高達 0.893%，可焊性較差。由于母材金屬中含碳量高，在焊接過程中，母材金屬的一部分要熔化到焊縫金屬中去，致使焊層金屬含碳量增高，焊縫凝固結晶時，結晶溫度區間大，偏析傾向也較大，加之含硫雜質和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋。特別是在收尾處，裂紋更為敏感。熱裂紋的特征是裂紋垂直于焊縫魚鱗狀波紋，呈現不明顯的鋸齒形，但也有沿焊縫金屬與基體金屬交界處發展產生。為防止產生熱裂紋，要求采用低碳鋼焊絲，一般焊絲中含碳量在0.15%以下。
42CrMo鋼淬硬傾向性大，母材金屬熱影響區容易產生低塑性的淬硬組織，Ms點又低，因而在淬火區產生大量脆硬的馬氏體，導致嚴重脆化，工件愈厚，則淬硬傾向愈大。該焊件剛性大，若焊條或焊接工藝選用不當，在焊件冷卻至300℃以下時，容易沿熱影響區的淬硬區產生冷裂紋。42CrMo鋼的焊接冷裂紋一般是在焊后冷卻過程中，在Ms點附近或200～300℃的溫度區間產生的。冷裂紋的起源多發生在具有缺口效應焊接熱影響區或有物理化學不均勻的氫聚集的局部地帶。冷裂紋有時焊后立即出現，有時經過一段時間才出現。而延遲裂紋的危害性更為嚴重，實踐證明，鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的氫含量及其分布，以及焊接接頭的拘束應力狀態是產生延遲裂紋的三大主要因素。焊接接頭的淬硬傾向主要取決于鋼種的化學成分，其次是結構形式，焊接工藝和冷卻條件等。可以采取焊后后熱和緩冷等辦法來調整冷卻時間。適當延長臨界冷卻時間C′f ，可降低鋼的淬硬傾向。
2 焊接工藝
2.1 焊接材料的選擇
高強鋼焊接接頭的含氫量越高，則裂紋傾向越大。當局部地區的含氫量達到某一臨界值時，開始出現裂紋；之后隨含氫量的增加，裂紋尺寸和數量也在不斷增加。產生延遲裂紋時的臨界含氫量與預熱溫度、剛度條件以及冷卻條件等有關。
焊接時，焊接材料中的水分，焊件坡口表面的油污、鐵銹、以及空氣濕度等都是焊縫金屬中富氫的主要原因。一般情況下母材和焊絲中氫量極少，可以忽略不計。焊條藥皮中水分越高，則焊縫中的擴散氫含量越高。在焊接過程中，由于電弧的高溫作用，氫分解為原子或離子狀態，并大量溶解在熔池中。在隨后冷卻凝固的過程中，由于溶解度急劇降低，一部分氫極力向外溢出，而仍有一部分氫殘留在焊縫內部，使焊縫中的氫處于過飽和狀態。焊縫中的氫含量與焊條的類型、烘干條件及焊后的冷卻速度等有關。含碳量較高的鋼種對裂紋和氫脆有較大的敏感性，所以焊縫金屬的含碳量一般應低于母材，使焊縫的裂紋傾向低于母材。針對42CrMo鋼的焊接性能及齒輪軸的工作特點，選用J507焊條，直徑為5mm。J507焊條強度雖有些不足，但采用這種低匹配焊條施焊，對降低焊接時冷裂傾向是有利的，而且J507焊條的強度與原圖紙要求材質35CrMo的強度相當。
2.2 預熱及層間溫度的選擇
為了有效地防止42CrMo高強度鋼焊接冷裂紋的產生，預熱是非常必要的。預熱可以減緩焊接接頭的冷卻速度，適當延長800～500℃的冷卻時間，從而減少或避免淬火組織，同時也有利于氫的逸出。
預熱溫度的確定，主要與焊縫金屬中的擴散氫含量、坡口形式、母材化學成分、焊接構件的拘束度大小等因素有關。對預熱溫度To的估算有多種：
由碳當量法公式：
To=360·Ceq (1)
求得To為321℃。
由中碳鋼預熱公式：
To=550·(C-0.12)+0.4h (2)
式中C——母材含碳量，％
h——母材厚度，mm。
求得To為206℃。
由下列公式：
To=324 Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72h-214 （3）
式中 Pcm——化學成分的冷裂紋敏感指數，％，
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10=0.585；
[H]——熔敷金屬中擴散氫含量，mL/100g；
σb——母材抗拉強度，MPa。
求得To為258℃。
參照以上求出的預熱溫度，最后確定采用整體預熱(應用車間井式加熱爐)，預熱溫度為400℃。
有的部分采用多層焊時，由于次層對前層有消氫作用，能改善前層焊縫和熱影響區的淬硬組織。但如果不嚴格控制后熱和層間溫度，則會因氫量的逐層累積導致延遲裂紋的傾向更大。為了滿足不致產生裂紋的施工條件，即焊接層的實際冷卻時間t100應大于產生裂紋的臨界冷卻時間tcr。在整個施焊過程中，用履帶式加熱器進行保溫，使層間溫度控制在(350±20)℃的范圍內。
2.3 后熱溫度的確定
焊后及時進行熱處理可減少或消除焊接殘余內應力，改善焊層的顯微組織，并可加速焊縫中的氫向外擴散。
后熱對中碳調質鋼的熱影響區和焊縫組織還具有韌化效果。為了使焊縫金屬中擴散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區中的氫含量，工件一般應在焊后立即進行消氫處理。在實際焊接生產中常采用較高溫度的去應力退火處理，可使焊層和熱影響區的擴散氫含量及內應力降至很低的水平，從而達到避免出現延遲裂紋的目的。為此，選擇及時進行600～650℃的焊后去應力退火處理工藝。
2.4 焊接工藝的評定
為了驗證上述工藝參數是否合適，以該42CrMo齒輪軸的調質夾頭作試件，進行堆焊裂紋試驗。預熱溫度為400℃，焊后進行600～650℃去應力退火處理試驗，試件放置48h后進行磁粉探傷檢查，未發現裂紋。依據GB2652-89堆焊金屬拉伸試驗法，在調質夾頭上截取拉伸試樣，測得σb為95MPa，σs為90MPa；依據GB2654-89堆焊金屬硬度試驗法，在調質夾頭上將焊層表面磨光，測得硬度為HB200。上述力學性能數據，與原圖紙要求材質35CrMo的強度相當，證明所選工藝參數是合理的。
2.5 焊接過程應注意的問題
(1)焊前嚴格清除工件表面的油污、鐵銹、水漬和毛刺。
(2)將工件整體裝入井式加熱爐中預熱，預熱溫度為400℃，升溫速度80℃/h，保溫4h。
(3)焊條使用前經350～400℃烘干，保溫2h，然后放入保溫筒內，隨用隨取。
(4)采用直流反接(即工件接負極)，焊接電流180～220A，電流電壓23～25V，焊接速度180～190mm/min。
(5)在施焊過程中采用履帶式加熱器保溫，由兩名焊工在兩側對稱施焊，整個焊接過程連續進行，中途不得中斷，并力求縮短各層(道)焊縫的焊接間隔時間，選用靈敏度高、精度好的測量儀監測溫度變化，控制層間溫度在(350±20)℃的范圍內。在不產生裂紋的情況下，每個焊層盡量簿，一般不大于焊條直徑，每條焊道的引弧、收弧處要錯開，收弧時填滿弧坑。對每層焊道進行認真檢查，對已產生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，再重新進行焊接。
(6)為了減小焊接應力，用錘頭圓角為1.0～1.5mm的風鏟逐層錘擊焊道表面，相鄰兩焊層間的錘擊方向要相反。
(7)整個工件堆焊完畢后，在工件冷卻至350℃以前置于400℃的井式爐中，升溫至600～650℃，保溫4h，隨爐冷卻至150℃后取出空冷。升溫速度為80℃/h。去應力退火工藝如圖2所示。
(8)去應力退火后,對堆焊表面進行磁粉探傷檢查,未發現裂紋等缺陷,機械加工后也未發現裂紋。
圖2 焊件去應力退火工藝曲線
熱軋42crmo精密無縫鋼管焊接工藝
3 結 論
3.1 采用手工電弧焊方法對42CrMo中碳調質鋼進行堆焊，首先要選擇合適的焊接材料。實踐證明，選用力學性能綜合指標均較母材力學性能指標低的焊條，能夠獲得較為理想的結果。采用合理的焊接工藝施焊，可以使堆焊質量達到原設計要求。
3.2為防止熱軋42crmo精密無縫鋼管的冷裂紋，焊前應進行預熱，控制好層間溫度和后熱處理是工藝的關鍵。為了保證焊接層具備一定的沖擊韌性值，應選擇合適的焊接線能量。
3.3 對中碳調質鋼預熱溫度的估算，借用公式進行計算，只能作為參考。在實際焊接過程中，要作一些工藝試驗和修正，使預熱溫度和層間溫度不得低于計算值；后熱處理的關鍵在于及時進行。
