中碳调质铸钢焊接接头焊后消应力处理研究

郑春雷 杨永强 欧阳建国 李 川

(1.燕山大学材料学院材料综合实验教学示范中心，河北066004；2.巨力索具股份有限公司河北省吊索具工程技术研究中心，河北072550；3.中信戴卡股份有限公司工程技术研究院，河北066011)

G34CrMo4是一种欧标材质的中碳调质铸钢，化学成分与国标材质ZG35Cr1Mo相当，表1为两种材质的化学成分对比分析。该材质广泛应用在高强度浇注接头上，由于其强度高，极大地减轻了锚具的自重，为锚具轻量化生产提供了保障。由于铸钢在铸造过程及调质过程中产生了双重应力，加上本身的铸造缺陷，调质处理后很容易在产品表面形成裂纹等缺陷，需要进行焊接修补。本文通过模拟补焊两组锚具试板，一组进行焊后消应力处理，一组不进行焊后消应力处理，最后对试验数据进行对比。

1 母材的可焊性分析

本试验用G34CrMo4钢主要化学成分见表2。

表1 G34CrMo4钢及ZG35Cr1Mo钢化学成分对比(质量分数，%)Table1 Comparison of chemical composition of G34CrMo4 steel and ZG35Cr1Mo steel(mass fraction,%)

表2 G34CrMo4钢主要化学成分(质量分数，%)Table 2 Main chemical composition of G34CrMo4 steel(mass fraction,%)

由表2可见，G34CrMo4为中碳调质铸钢，为了保证淬透性和提高抗回火性，加入了一定数量的Cr、Mo等合金元素，强度主要还是取决于较高的含碳量，用国际焊接协会(IIW)推荐的碳当量公式来计算，本试验用钢的碳当量CE高达0.63，可焊性较差。此钢种淬硬倾向十分明显，冷裂倾向较为严重，并且马氏体中含碳量较高，对冷裂纹的敏感性较大，尤其在焊接热影响区的过热区容易产生高碳马氏体，造成焊接热影响过热区的脆化现象。通常情况下，该钢种需要在退火状态下进行焊接，焊接完成后再进行调质处理，使得整个焊接接头的性能达到使用要求。本试验用锚具材料已经调质完毕，必须在调质状态下进行焊接，这样会产生焊接后热影响区软化的问题，该区域的强度和硬度均低于正常调质状态的母材，将会成为焊接接头的薄弱区域。因此在制定焊接工艺时，需要综合考虑预热温度、焊后热处理和焊接线能量的选择[1-8]。

2 焊接工艺

2.1 焊接材料的选择

试验所用焊接材料的力学性能见表3，选取的实芯焊丝与母材等强度匹配，焊材型号为ER76-G(GB/T 8110—2008)。

表3 母材和焊材的力学性能对比Table 3 Comparison of mechanical propertiesof base metal and welding material

2.2 保护气体的选择

由于80%Ar+20%CO2混合器保护，焊缝成型好、焊接飞溅少并能减少对熔敷金属合金元素的烧损，在高强度钢中普遍使用，估选用此气体作为保护气体。

2.3 预热温度

预热温度的确定方法有焊接性试验法、公式法和查表法。焊接性试验比较系统，但是缺乏对线能量的考虑，查表法和公式法都是通过大量试验总结得出，并在焊接性试验的基础上，将焊接线能量作为选择预热温度的重要变量。经比较，本文采用公式法来确定预热温度，公式如下：

Tp=697CE+160tan(d/35)+62×HD0.35+

(53CE-32)Q-328

式中，CE—碳当量；d—试板厚度；HD—焊缝扩散氢含量；Q—焊接线能量。

(1)选择产品最大板厚作为试板厚度，d=100 mm。

(2)G34CrMo4的含碳量大于0.25，国际焊接协会的碳当量计算公式已经不适合使用，对于中碳调质铸钢应当使用下列公式来计算碳当量：

得出该钢的CE=0.43。

(3)EN 1011-2:2001中注明实芯焊丝的扩散氢等级为HD=5 ml/100 g。

(4)焊接线能量按照最小数值选，定为Q=0.5 kJ/mm。

将上述数值代入，得出预热温度Tp=235℃。

方便起见，焊接前预热温度选为250℃。

2.4 焊接工艺参数

较低的焊接热输入在焊接此类材料时对冲击韧性有改善作用。因为大的热输入将会产生宽的、组织粗大的热影响区，增大热影响区脆化、软化和热裂纹倾向。焊接工艺参数见表4。

表4 焊接工艺参数Table 4 Welding parameter

2.5 焊后消应力退火

本次试验焊制了两组试板，其中一组焊后进行了消应力退火处理，另一组施焊焊后自然冷却。两组试板可进行性能对比，从而验证焊后消应力退火在中碳调质铸钢中的必要性。

EN 10293:2015等相关标准中规定，焊后消应力退火温度要低于铸钢本体回火温度30～50℃，故消应力退火温度定为620℃，加热和冷却速率为100～150℃/h，进炉和出炉温度为350℃。焊后消应力退火工艺曲线见图1。

图1 焊后热处理曲线Figure 1 Post-weld heat treatment curve

3 焊后检验

3.1 无损检测

为验证焊缝的表面和内部缺陷，两组分别进行了磁粉检测和超声检测，没有发现超标缺陷，验收等级均符合要求。

3.2 力学性能检测

(1)焊接接头拉伸试验结果

未进行消应力退火的试板焊接接头的抗拉强度平均值为732 MPa，进行消应力退火后试板的抗拉强度平均值为721 MPa，可见经过消应力退火后试板的强度略有下降，但是强度仍高于铸钢母材的抗拉强度最小值，两组试板均合格。

(2)侧弯试验结果

2组试板的侧弯试样的弯曲面均无开口缺陷，均合格。

(3)冲击试验结果

冲击试验结果见表5，2组试板的焊缝及两侧热影响区冲击吸收能量均≥35 J，均合格。焊后消应力处理后，冲击吸收能量数值均有大幅度增长，其中热影响区冲击吸收能量44%，焊缝冲击吸收能量63%。

表5 焊接接头冲击试验结果Table 5 Results of impact test of welded joints

表6 焊接接头硬度试验结果Table 6 Hardness test results of welded joints

图2 母材金相组织Figure 2 Metallographic structure of base metal

图3 焊缝金相组织Figure 3 Metallographic structure of weld seam

图4 熔合线金相组织Figure 4 Metallographic structure of fusion line

(4)硬度检测结果

两组试板的焊接接头的硬度结果见表6。可见焊后消应力处理后，整个焊接接头的硬度数值均有显著下降，尤其是热影响区，硬度数值下降30.53%，母材和焊缝区域硬度数值分别下降8.24%和10.26%。

(5)金相结果

图2～图4分别为未进行消应力处理和进行过消应力处理后的母材、焊缝及熔合线附近的微观金相组织，母材处的组织为回火索氏体和铁素体，焊缝处的组织为铁素体和珠光体，熔合线附近的组织为索氏体、粒状贝氏体、铁素体和少量珠光体。可见，焊后进行消应力处理以后，碳化物析出变得均匀，且长大，从组织上论证了消应力退火后会使焊接接头硬度降低，韧性变好。

4 结论

中碳调质铸钢G34CrMo4的焊接接头经过焊后消应力退火后，与焊后直接冷却的试板进行对比，可见碳化物析出变得均匀且长大，拉伸性能没有明显变化，但是冲击和硬度指标均有了明显改善。尤其是焊接热影响区，冲击吸收能量值增长44%，硬度数值下降30.53%。证实该中碳调质铸钢焊后进行消应力处理是必要的。