42CrMo锯片支撑环的焊接

攀钢(集团)公司机制分公司 （四川攀枝花 617063） 廖学勇

锯片内环是轨梁厂用于锯床的关键设备，结构如图1所示，是在高荷载和高温度、高冲击力等环境下使用。公司制作的锯片内环，原设计为整体锻制，材质为中碳调质高强钢42CrMo，由于公司设备能力所限，整体锻制困难，故不得不分为两部分制作，然后用焊条电弧焊将两部分焊接在一起。焊后要求对焊缝进行超声波探伤，符合GB11345—1989 I级质量要求。由于锯片内环材质较特殊，且拼接处板厚度较大（66mm），故焊接质量不容易保证，这些都需要在焊接工艺和焊接方法上有所改进。

图1

1. 42CrMo锯片支撑环焊接性能分析

（1）成分分析 42CrMo钢化学成分如表1所示。

表1 42CrMo钢化学成分（质量分数） （%）

钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其淬硬及冷裂敏感性。焊接应力、钢材的淬硬及冷裂敏感性是产生冷裂的主要原因，常用它判定材料焊接性的好坏，对淬硬及冷裂倾向通常采用碳当量法来分析。一般淬硬倾向随着碳当量增加而加大，因为随着碳当量的增加结晶区间也随之增加，这就增加了裂纹的敏感性；同时焊缝强度也增加，使焊缝硬化，塑韧性降低，容易产生裂纹等缺陷。

根据国际焊接学会推荐的碳当量公式可以算出，42CrMo钢的碳当量为0.7%~0.85%，焊接性较差。由于母材金属中含碳量高，在焊接过程中，母材金属的一部分要熔化到焊缝金属中去，致使焊层金属含碳量增高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大，加之含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹。特别是在收尾处，裂纹更为敏感。热裂纹的特征是裂纹垂直于焊缝鱼鳞状波纹，呈现不明显的锯齿形，但也有沿焊缝金属与基体金属交界处发展产生的热裂纹。

42CrMo钢淬硬倾向性大，母材金属热影响区容易产生低塑性的淬硬组织，Ms点又低，因而在淬火区产生大量脆硬的马氏体，导致严重脆化，工件越厚，则淬硬倾向越大。该焊件刚性大，若焊条或焊接工艺选用不当，在焊件冷却至300℃以下时，容易沿热影响区的淬硬区产生冷裂纹。42CrMo钢的焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，在Ms点附近或200～300℃的温度区间产生的。焊接接头的淬硬倾向首先主要取决于钢种的化学成分，其次是结构形式、焊接工艺和冷却条件等，可以采取焊后后热和缓冷等办法来调整冷却时间。适当延长临界冷却时间，可降低钢的淬硬倾向。

（2）应力分析 应力是由结构中的原子间结合距离失衡引起的，它们会相互叠加、聚集，从而引起应力集中，产生巨大的破坏作用力，导致裂纹等缺陷。锯片内环应力来源有：①在焊接热循环作用下，受热温度不均产生的应力。②焊缝金属由液态凝固，冷却到常温固态，冷却过程中产生的收缩应力。锯片内环结构为厚板结构，焊缝应力巨大，可采取预热措施来减小应力和焊后热处理来消除应力。

（3）氢的影响 焊缝中的氢在冷却过程中析出，由于氢原子体积小，它可以穿过焊缝原子间隙在晶界处发生聚集。如果氢含量超标，这些聚集的氢就会破坏焊缝晶界结合，产生氢致延迟裂纹。一般来说氢的来源有：①坡口及坡口附近的油污。②焊条的水分或油污。③潮湿的空气。可通过焊后热处理来消除氢的影响。

2. 焊接工艺

（1）焊接方法的选择 结合单位设备情况和生产实际选择焊条电弧焊，它具有成本低、抗气孔能力强、操作灵活，可进行全位置焊接和工艺成熟的特点。

（2）焊接材料的选择 由于42CrMo钢碳当量高，易产生裂纹，为了增加焊缝的抗裂性，可采用抗裂性较高的焊条进行施焊。另外，由于42CrMo的抗拉强度为1080MPa，所以选择J857CrNi（E8515-G）焊条，抗拉强度相当于830MPa，强度比母材略低，焊材的抗裂性能也较好。

（3）拼接坡口设计 由于设备能力所限，所以不能整体锻制，需要进行拼接。虽然拼接及坡口方式的选择简单，但对于此结构来说是相当重要的，它严重影响焊接质量。三种拼接方式如图2所示，图2a加工容易。图2b、c焊接量少且应力集中程度小。图2b坡口两侧为斜面，有利于碳弧气刨清根、处理焊接缺陷时易排渣。由于该产品的焊接是质量控制的重点，所以选择图2b更合理一些。

图2

（4）难点及解决 由于42CrMo钢碳当量大，淬硬倾向大，加之产品厚度大，应力大，所以防止裂纹产生是此产品的难点。解决办法：①对产品进行预热，预热温度和层间温度必须在270℃以上。考虑到散热面积大，温度可能不均匀，造成局部温度过低的情况，可增加预热温度和层间温度控制在300℃左右。预热方法可制作φ600mm的煤气加热环（见图2两圈以上），置于产品下面进行加热。②在施焊过程中要对拼接坡口用石棉进行保温。③加强过程的监控和记录，每隔10min对焊缝层间温度进行检查，低于260℃时必须进行再加热，每焊完一层对焊缝进行自检，发现问题及时处理。④焊后进行热处理，去除焊缝中残余氢和焊接应力，按照图3要求进行退火。

图3 退火曲线

（5）焊接参数选择 参照JB4708—2000进行焊接工艺评定试验，确定的焊接参数如表2所示。

表2 焊接参数

（6）焊接顺序 采用两人对称同时施焊，焊接方向按图4a进行。焊完正面的打底层后翻转，对锯片内环的反面用碳弧气刨进行清根，确认清除反面缺陷后，紧接着在反面焊接打底层和一部分中间层，正反面交替焊接，以减少焊接变形，直至焊接完成。焊接坡口及焊层如图4b所示。

图4

（7）注意事项 ①焊前严格清除工件表面的油污、铁锈、水渍和毛刺。②焊条使用前经350～400℃烘干，保温2h，然后放入保温筒内，随用随取。③每层每道焊缝焊完后要用风枪锤击，彻底去除药皮，并将焊道清理干净，检查焊缝，如发现缺陷，立刻用碳弧气刨或砂轮机将缺陷清理干净，打磨合格并重新预热后方可以焊接。④每道焊缝从开始焊后，中间尽可能不要停留时间太长。⑤焊后立即进行热处理，去除焊缝中残余氢和焊接应力。

（8）检测 焊缝进行超声波探伤检查，符合GB11345—1989（I级）标准为合格，通过检测未发现超标缺陷。

3. 结语

（1）实践证明，对于42CrMo中碳调质钢的拼焊，只有选择合理的焊接材料和焊接工艺，才能够获得较为理想的结果。

（2）为防止裂纹，焊前应进行预热，控制好层间温度和焊后热处理是工艺的关键。