预热温度对35CrMo调质钢超窄间隙MAG焊接头性能的影响

郭嘉琳，万文峰，张富巨，3，张国栋

（1.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072；2.林肯电气管理（上海）有限公司，上海201907；3.武汉纳瑞格智能设备有限公司，湖北武汉430223）

预热温度对35CrMo调质钢超窄间隙MAG焊接头性能的影响

郭嘉琳1，万文峰2，张富巨1，3，张国栋1

（1.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072；2.林肯电气管理（上海）有限公司，上海201907；3.武汉纳瑞格智能设备有限公司，湖北武汉430223）

35CrMo钢是一种常用的中碳低合金钢，其碳当量较高，焊接接头具有较大的冷裂纹倾向和热影响区性能恶化的可能性。对比两种不同预热温度下较低热输入超窄间隙MAG焊接头的微观组织和硬度分布，发现小幅度提高预热温度能小幅提高焊缝区和热影响区的强度，接头各区未出现异常组织，且完全避免了不完全正火区的软化。

超窄间隙焊接；MAG焊；35CrMo；预热温度

0 前言

35CrMo钢是一种常用的中碳低合金钢，通常经过调质处理后使用，其屈服强度Re>537 MPa，抗拉强度Rm>689 MPa。由于35CrMo钢的碳当量接近0.7，焊接时冷裂纹倾向大，热影响区极容易发生脆化和软化现象[1-2]。焊接预热、层间温度控制和焊后热处理是焊接这类高碳当量钢种常用的避免裂纹产生、保证焊接质量的技术手段[3-4]，其核心技术在于控制焊接接头的高温停留时间和冷却速度。

前期工作中[5]尝试了在60～80℃低温预热、无层温控制和焊后热处理的工艺条件下，对78 mm厚调质态35CrMo钢进行环缝超窄间隙MAG对接焊，并观察和分析焊接接头的微观组织、抗拉强度和硬度分布。本研究在保证其他焊接条件不变的情况下，提高预热温度至200℃，无层间温度控制，焊后保温缓冷，然后对焊接接头进行微观组织分析和微观硬度测量。通过对比这两种不同的工艺条件，分析预热温度对35CrMo调质钢超窄间隙MAG焊接头性能的影响。

1 焊接材料及工艺条件

35CrMo钢属于中碳低合金结构钢，其主要化学成分如表1所示。材料供货状态为调质态，选用直径1.2 mm的ER50-6焊丝，主要化学成分见表2。

表1 35CrMo钢化学成分%

表2 焊丝ER50-6化学成分%

焊接工件是外径355 mm，壁厚78.5 mm的大径厚壁管，采用超窄间隙U型坡口加工，坡口尺寸如图1所示。坡口的根部间隙7 mm，侧壁倾角0.9°，管道外表面坡口间隙9.2 mm。

图1 超窄间隙焊接坡口尺寸

采用多层单道焊接方式，主要焊接工艺参数如表3所示。为了进行对比，主要工艺参数与前期工作[5]保持一致，填充焊道的热输入约为14.5 kJ/cm，打底焊道采用较低的焊接热输入是因为该焊道为自由成型方式下单面焊双面成型。焊接电源采用Fornius的 TPS-5000，保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量为20 L/min。

表3 主要焊接工艺参数

2 接头微观组织

在焊件圆周方向任取一与焊缝轴线垂直的横切面，用机械冷切割方法切出75 mm×75 mm×10 mm的金相试样，将截面磨平、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀获得焊缝接头的金相样品。

焊接接头微观组织如图2所示。

图2 高温预热条件下焊接接头各区微观组织

焊缝区的微观组织为典型的等轴晶（见图2a）+柱状晶（见图2b）的铸态组织，晶粒细小；晶内均为细小的针状铁素体。热影响区内依次出现由细小板条马氏体构成的过热区（见图2c），极细小铁素体+极细小珠光体组成的正火区（见图2d），细小铁素体+细小珠光体+块状铁素体组成的不完全正火区（见图2e）。母材为35CrMo钢的调制态组织（见图2f），全区未发现异常组织。

低温预热和高温预热条件下，焊接接头过热区的微观组织如图3所示。对比发现，较高温预热条件下的过热区晶粒尺寸（见图3a）明显大于低温预热条件下的过热区晶粒尺寸（见图3b），虽然提高预热温度会增加热影响区内金属在高温区的停留时间，预热温度越高奥氏体晶粒尺寸越大，但本试验中较高预热温度下仍为细晶组织。

图3 两种预热温度条件下过热区微观组织对比

3 焊接接头硬度分布与对比

在焊件厚度方向的中部位置，测量较高温预热条件下焊接接头各微区的硬度，结果如图4a所示。焊缝区硬度分布较均匀，平均硬度为284 HV，略低于母材平均硬度293 HV。热影响区硬度高于焊缝区和母材区，最高值为420 HV，出现在距离焊缝中心6.4 mm处。

对比低温预热条件下焊缝接头各区的硬度分布（见图4b），发现随着预热温度的小幅提高，焊缝宽度和热影响区宽度均有所增加，焊缝区硬度有所提高，过热区硬度增大，正火区的硬度保持稳定。该结果与晶粒尺寸的很小变化无关，可能与预热温度小幅度升高导致焊缝区和热影响区产生了某些微细或精细组织有关，有待于进一步研究。

4 预热温度对接头性能的影响

由上述焊接接头的组织分析和微区硬度分析可知，小幅度提高预热温度，焊缝区和热影响区的强度均有所提高。对35CrMo低合金调质高强钢而言，有三方面的影响：一是焊缝区强度的提高，使低强匹配的焊丝条件下，非平衡组织下的焊缝强度与平衡组织的母材更接近，既达到了焊缝与母材近等强匹配，又增大了焊缝区的塑韧性储备，无疑是利好技术措施；二是小幅度提高预热温度，降低了焊接热影响区的冷却速度，避免高淬透性钢过热区只产生低温转变，而产生完全的中温转变或中低温混合转变（即B转变或B+M混合转变），有利于降低过热区的脆化；三是小幅度提高预热温度，较大幅度地降低了焊接残余应力，这对防止塑韧性储备低的过热脆化区出现拘束裂纹十分有效。依据Hall-Petch公式，晶粒尺寸与高温停留时间成正比，与强度成反比，本试验中小幅度提高预热温度未见明显晶粒长大，表明观测到的强度提高并非晶粒尺寸所致，而是组织或精细结构原因。

图4 两种不同预热温度的焊接接头硬度分布

5 结论

（1）较高预热温度条件下较低热输入、无层温控制的超窄间隙MAG焊新工艺技术，能成功焊接淬透性高的中碳低合金调质35CrMo钢，接头的焊缝区和热影响区仍为细晶组织，焊缝区和热影响区的强度小幅度提高。

（2）相对60～80℃的低预热温度，在较高预热温度（200℃）下，焊缝区和热影响区的强度小幅度提高，不是晶粒尺寸的原因，应是微小和精细的组织变化所致。

（3）35CrMo调质高强钢采用200℃预热、较低热输入的超窄间隙MAG焊工艺，可以有效防止不完全正火区的软化。

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]张文越.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1995.

[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]D.拉达伊.焊接热效应[M].北京：机械工业出版社，1997.

[5]郭嘉琳，万文峰，张富巨.35CrMo调质钢超窄间隙MAG焊接头组织分析[J].电焊机，2017，47（9）：24-27.

Effect of preheating temperature on the performance of 35CrMo tempered and quenched steel welded joint by UNG-MAG

GUO Jialin1，WAN Wenfeng2，ZHANG Fuju1，3，ZHANG Guodong1
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Lincoln Electric Company，Shanghai 201907，China；3.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

35CrMo steel，a common medium-carbon low-alloy steel，has a larger tendency of cooling crack and a probability of performance deterioration in HAZ because of high carbon equivalent.In this paper，we compared microstructures and distribution of hardness between two welded joints which had been preheating from two different temperatures.It was found that a small increase of preheating temperature could increase the strength of weld zone and heat affected zone slightly，and no abnormal microstructure was found in all joints，and the softening of incomplete normalizing zone was completely avoided.

UNG welding；MAG welding；35CrMo；preheating temperature

TG407

A

1001－2303（2017）11－0031-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.06

本文参考文献引用格式：郭嘉琳，万文峰，张富巨，等.预热温度对35CrMo调质钢超窄间隙MAG焊接头性能的影响[J].电焊机，2017，47（11）：31-34.

2017-09-15

国家自然科学基金资助项目（51305308）

郭嘉琳（1978—），男，讲师，博士，主要从事焊接过程数字模拟及优化、窄间隙焊接等方面的研究。E-mail：guojialin2005@126.com。