35CRMO钢焊接工艺试验

罗永剑，周友龙，赵艳丽，张 锴，姬生星

（西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

0 前言

35CrMo钢属于中碳调质钢，成分相当于国外ASTM4130钢，其调制后的抗拉强度大于等于985MPa，屈服强度大于等于835MPa，冲击韧性大于等于63J。该钢种在火力发电、石油化工、航空、航天、造船等领域得到一定的应用。35CrMo钢中的合金元素以铬和钼为主，铬元素的主要作用是提高钢的淬透性。铬溶于Fe3C后，可以使碳化物具有很强的稳定性，阻止碳化物的分解和减缓碳在铁素体中的扩散，有效防止石墨化。钼是其中主要的强化元素，钼优先进入固溶体使其强化，提高钢的热强性，降低热脆敏感性[1]。

1 试验方法

试验用母材为35CrMo钢，板厚16 mm，35CrMo钢的化学成分如表1所示。

1号试样采用的焊条为CHE857XX，2号试样采用的焊条为CHE757XX。焊前采用氧-乙炔焰进行预热，预热温度150℃～280℃。坡口型式采用X形。接头简图见图1，焊接参数见表2。

图1 试样的焊接接头简图

试验采用焊条电弧焊，焊后进行560℃的高温回火处理。对焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击、硬度和金相试验。在WD-E系列精密型微控电子式万能试验机上进行拉伸和弯曲试验，使用GX40观察接头的微观金相组织，使用HV-10维氏硬度计检测维氏硬度。

表1 35CrMo钢的化学成分%

表2 1#试样的焊接参数

2 试验结果和分析

2.1 焊接接头力学性能

焊接接头力学性能数据如表3所示，用CHE857XX焊接的试样的抗拉强度比用CHE757XX焊接的要高。两组试验中，焊缝的冲击值都比热影响区高，两种焊接接头的强度均满足相关的技术要求。

表3 焊接接头的力学性能试验验结果

2.2 接头硬度分布

调质钢在调制状态下焊接时，热影响区被加热到超过回火温度的区域将出现强度、硬度低于母材的软化现象[2]，1#和2#焊接接头的硬度分布如图2、图3所示。

图3 2号试样硬度分布曲线

用CHE857XX焊接的试样硬度比CHE757XX焊接的试样要高。这是由于焊丝中的化学成分对焊缝的力学性能和组织的影响。焊条CHE857XX和CHE757XX都是低氢型焊条，前者比后者含有更多的Cr和V元素，后者含有较多的Ni元素。Cr元素能提高材料的淬透性、强度和硬度，V元素能显著改善低碳合金钢的焊接性，这两种元素都很容易与碳结合，从而形成更多的强化相，使得焊缝的硬度较高。Ni元素能提高钢的强度而不降低其韧性。

两组试验中，焊缝上部的硬度都比焊缝中部的要高一些，这是因为前一道焊缝受到后一道焊缝的热输入影响，前道发生一定程度的软化。

2.3 焊接接头显微组织分析

2.3.1 焊接接头组织转变

同一焊接接头的焊缝和热影响区的冷却速度是不同的，从而影响到接头各个区域的组织状况也不同。从焊接接头连续冷却组织转变图即CCT图可以比较直观地预测和解释焊接接头出现的各种组织状况，如图4所示。

图435CrMo钢的CCT曲线

由图4可知，35CrMo钢的相变温度为700℃～800℃，当冷却时间大于104s时，主要形成的组织是铁素体+珠光体；而当冷却时间在103～104s时，主要形成的组织是铁素体+贝氏体；当冷却时间在102～103s时，形成的组织以贝氏体为主；当冷却时间小于102s时，会形成淬硬的马氏体。在焊接过程中，一般冷却速度都比较快，冷却速度的范围大概在10～104s之间，其中焊接热影响区的粗晶区的冷却速度很快，介于10～102s，很容易形成淬硬马氏体，而部分相变区的冷却速度在103～104s之间，这样冷却下来形成以贝氏体+少量铁素体为主的组织，当焊接试样在560℃回火处理时，此时整个接头的组织都会发生转变，而且在转变后的组织中，淬硬组织已基本消失，取而代之的是回火马氏体或回火贝氏体组织，这些组织的塑性和韧性都要明显高于淬硬马氏体组织的性能，因此在焊接此类材料时，应尽可能使接头的金相中含有较多的粒状贝氏体或回火马氏体等。

2.3.2 不同焊丝对接头组织和性能的影响

焊缝的金相组织取决于母材和填充金属（焊条）的比例（熔合比）及焊接工艺条件。用不同的焊材焊接同种母材，接头金相组织是有差别的，从而对焊缝的性能有一定影响，如图5、图6所示。

图5 1#上部焊缝区组织（200×）

1#、2#上部焊缝硬度曲线如图7所示。由图7可知，1#上部焊缝处的硬度要明显高于2#上部焊缝和母材的硬度。1#焊缝硬度约为365 HV，2#焊缝的硬度与母材相当。1#试样热影响区软化区的硬度要高于2#软化区。从组织上看：1#焊缝组织为贝氏体+少量回火索氏体；而2#焊缝组织主要为贝氏体，且晶粒因为焊接线能量稍大造成组织粗大，并且使得热影响区软化程度更严重。

图6 2#上部焊缝区组织（200×）

图7 1#、2#上部焊道硬度

综合可以得出，采用CHE857CrNi焊接的试样，焊缝的硬度与母材差别很大；采用CHE757Ni焊接的试样，其焊缝硬度与母材相当，而且软化区的硬度远低于母材。1#中的碳化物强化相比2#的要多，这是提高其力学性能的重要因素。

3 结论

（1）采用焊丝CHE857XX焊接的试样，其接头的抗拉强度和冲击功都高于用焊丝CHE75XX焊接的试样。焊缝的硬度要比用焊丝CHE757XX焊接的试样高。

（2）对于各组试验来说，由于采用多道焊，后道焊接会对前一道焊接有一定的热影响，所以焊缝上部的硬度要高于焊缝中部。

（3）造成两种焊接接头性能不同的原因之一是焊接材料不同，更重要是焊接接头冷却速度不同。

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[1]于启湛，史春元.耐热金属的焊接[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]王 勇，王引真.材料冶金学与成型工艺[M].北京：石油大学出版社，2005.