42CrMo筒体与Q345法兰盘焊接工艺研究

摘要：基于掘进机悬臂段采用锻造筒体与板材法兰焊接结构的设计要求，本文通过材质的焊接性能分析、理论计算、实际工艺试验，对合理有效的焊接工艺方法和工艺参数进行研究，旨在降低焊缝的冷裂纹敏感性，获得满足使用需求的焊接接头，以供参考。

关键词：中碳调质钢；焊接工艺；冷裂纹

DOI：10.12433/zgkjtz.20233442

掘进机一般由截割机构、装运机构、行走机构、液压系统、电控系统及辅助装置（如除尘装置、安全装置、遥控监测装置）等组成。其中，截割机构是掘进机系统中的重要工作部件，截割机构的驱动方式由交流电动机驱动，在传动系统中一般设齿形联轴节，不设机械式过载保护装置，经两级行星减速器带动主轴前端的截割头。

掘进机在作业过程中，截割头需要足够的掏槽推进力和摆动力。掘进机的悬臂一端连接着电机架体，另一端连接截割头体，是控制截割半径参数和传递切割应力的主要受力构件，内部安装轴承配合截割动力传动。因此，悬臂法兰承受的载荷大，工作环境震动频繁，连接焊缝需要较高的综合力学性能。

生产中为了减小悬臂筒体加工难度并有效提高生产效率，经常将悬臂筒设计为两部分，焊接在一起，形成一个整体。焊接一般采用电弧焊、气保焊等方法。焊条电弧焊简单，易于操作，但工艺稳定性差，焊缝表面粗糙，且焊接速度慢、热源不集中，热影响区较大。焊接接头组织粗大，接头残余应力、变形大。而气保焊可以弥补焊条电弧焊的不足，具有焊接速度快、热源集中及效率高等优点。本文通过材料焊接性分析、焊接工艺参数选定、焊接过程控制的生产实践，总结符合实际生产中42CrMo筒体与Q325－A法兰连接焊缝的焊接工艺和工艺步骤，以此满足现阶段工厂对于追求高效生产和高效质量的要求。

一、焊接性分析

（一）材质成分分析

悬臂外筒体是由筒体和法兰板焊接而成，其中，法兰的材质为l6Mn合金钢，筒体的材质为42CrMo合金钢。因此，筒体环焊缝焊接属于异种材料焊接，42CrMo属于中碳调质钢，16Mn为低碳合金钢，根据国际焊接学会所推荐的碳当量公式为：

由式（1）计算得出42CrMo的碳当量在0.67%～0.887%。

当（C）eq＞0.5时，焊接接头淬硬倾向大，易出现冷裂纹，其接头淬硬、冷裂倾向大，焊接性很差。因此，需制定严格的工艺流程和标准，焊接时需采取一定的措施。42CrMo化学成分如表1所示。

（二）工艺焊接性分析

42CrMo由于含碳量高、合金元素含量多，焊接后焊缝及热影响区存在脆化倾向。对焊接应力和组织应力的塑韧性变差。

焊后热影响区很容易产生硬度很高的马氏体。随着焊后温度的降低焊缝金属组织中奥氏体发生转变，焊缝中的氢原子因溶解度下降而析出，很容易产生氢致冷裂纹。

焊接应力由于悬臂筒体和法兰钢板的厚度较大，焊接时拘束度较大，焊接时会产生较大的焊接拉应力。

二、焊接工艺参数

（一）焊接方法

42CrMo筒体在正火状态下焊接，不需要考虑焊接热影响区软化问题。焊接时，应采用热量集中的焊接方法，这类方法有利于减小焊接热影响区宽度，提高焊接接头的力学性能。同时，中碳调质钢应采用较小的焊接线能量，降低热影响区淬火区的脆化程度，并采用预热、后热等措施，提高抗冷裂性能和组织性能。考虑到经济性、方便性，本研究决定采用气体保护焊，采用（80%Ar+20%CO2）混合气体保护焊，单纯的CO2气保焊飞溅大，焊缝成型不良。单纯的CO2气体保护焊接存在飞溅大、焊缝成形不良、氧化性较强等缺点。Ar属于惰性气体，不溶于液态金属；电离时电位低，电弧稳定；密度比空气大，热导率小、比热容小，保护效果好。采用混合气可优化熔滴过渡型式，有效细化熔滴、减小飞溅、加强多层焊道金属间的熔合度，改善焊缝成形质。需要注意的是，在焊接过程中，应严格控制焊接电流及焊接速度。

（二）焊接材料

42CrMo与Q345在材质上属于异种材料焊接，焊缝应具有良好的塑性和韧性。焊接材料应采用低碳合金系统，尽量降低焊缝金属的S、P杂质含量，确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。对于焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与基体金属相近。同时，根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选择焊接材料。焊缝采用低强度匹配，选用焊丝ER50－6，焊丝直径1.2mm。满足上述要求即可进行焊丝生产，不需另行采购。

（三）预热温度计算

预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要焊接工艺措施。是否预热以及预热温度应根据焊件结构和生产条件而定，除了拘束度小、构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，一般情况下，中碳调质钢焊接时，都要采取预热或及时后热。

42CrMo焊接后易出现冷裂纹。焊前进行预热，能有效减缓焊缝区域的温度梯度，降低焊缝区域硬度。根据预热温度经验得出以下公式：

式中，To为预热温度；[C]为成分碳当量；取[C]=0.68，碳当量近似于成分碳当量，但是值略少。

计算得到To为230℃，实际选用温度略高于计算温度，所以预热温度选择在250℃，焊前对焊接区100～150mm内采取预热250℃。

（四）焊后热处理方案的选择

对于冷裂纹倾向较大的高强度钢焊后进行后热处理。为了使焊缝金属中扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区的氢含量，后热处理温度一般应250～350℃，保温2～6h后空冷。在实际焊接生产中，采用较高温度的去应力退火处理，使焊缝和热影响区的扩散氢含量及内应力降低，避免出现延迟裂纹。

（五）焊接电流与电压

焊接电流过大会使电弧对熔池冲击力增大，电弧不稳定，并使焊缝成形变坏。焊接电流太小，焊接电弧不稳定，会造成焊缝成形不良。因此，焊接电流应根据焊件厚度、坡口形式、焊丝直径和所要求的熔滴过渡形式来选择，并与一定的电弧电压相匹配。电压过小导致电弧太短，就会造成瞬时短路。这将对气体保护效果有影响。由于空气卷入而易生成气孔或吸收氮气而使焊缝金属硬化。焊丝端部与熔池短路而引起不稳定，引起较大的飞溅和不良的焊缝成形。相反，如果电压过大，电弧过长易发生飘移，从而影响熔深、焊道的均匀性和气体的保护效果。引起电弧对焊丝端头熔滴的排斥，产生飞溅。

（六）焊接速度

在焊件厚度、焊接电流及电弧电压等其他条件确定的情况下，增加焊接速度，降低焊缝熔深及熔宽；焊缝单位长度上的焊丝熔敷量减小，焊缝余高将减小。焊接速度过高可能产生咬边。要根据焊缝成形及焊接电流确定合适的焊接速度。在选择焊接参数时，应根据材料性质选择保护气体和焊丝种类，再根据焊件厚度、坡口形式选择焊接电流、焊丝直径，由熔滴过渡形式确定并配以合适的电弧电压，其他参数的选择应以确保焊接过程稳定及焊缝质量为原则。另外，在焊接过程中，应合理调整参数，以便获得良好的焊缝成形。

经过上述分析，本研究决定采用以下焊接工艺方案：第一，焊前将焊接区100mm内预热250℃。第二，采用碳钢焊丝ER50－6，焊丝直径1.2mm。第三，采用直流反接，混合气体保护焊，焊接时尽量降低熔合比。焊接工艺参数如表2所示。第四，焊后立即采用石棉被保温处理。选择550℃的后退火温度，保温3h。

三、焊接过程控制

（一）焊前准备

焊前准备主要包括生产准备、原料准备和备料加工。钢材的焊前加工过程，即对制造焊接结构的钢材按照工艺要求进行一系列加工。

控制要点包括：确认待焊零件材质；检查单件下料的几何尺寸，保证待焊切割面和坡口的表面质量；禁止使用外包装破损焊丝；焊接气体控制含水量，超过要求必须更换或调整气源，此做法是严格控制进入焊缝中H含量，避免造成氢致裂纹；确保焊接环境满足气保焊的焊接需求。

（二）焊中控制

焊中控制主要包括装配和焊接。装配与焊接充分体现焊接结构生产的特点，是两个既不相同又密不可分的工序，包括边缘清理、装配（包括预装配）、焊接。绝大多数焊接结构要经过多次装配与焊接才能制成，有的在工厂只完成部分装配与焊接和预装配，使用现场需要再进行最后的装配与焊接。装配与焊接顺序可分为整装装焊、部件装配焊接—总装配焊接、交替装配焊接三种类型，主要按产品结构的复杂程度、变形大小和生产批量选定。装配与焊接过程中，时常需穿插其他加工，例如，机械加工、预热及焊后热处理、零部件的矫形等，贯穿整个生产过程的检验工序也穿插其间。

控制要点包括：调整焊接参数，使用满足工艺需求的焊接参数范围；工件放入预热井式炉中加热到预热温度；所有待焊零件用角磨机打磨待焊区域，彻底清除焊接部位的油污、水、锈等杂质；两件组对时，为保证定位焊缝的强度，可适当增大定位焊缝及其长度。定位焊缝间距可达100～150mm，长度不小于50mm；不容许擦伤筒体母材，引弧时，应在法兰坡口上；采用多层多道焊接，控制焊接顺序进行焊接；焊道根部需要打磨清根；焊接过程中，应使用测温笔检测层间温度；控制焊接变形。焊接时，每条焊道的引弧、收弧处要错开，收弧时填满弧坑。焊接过程中，要保持层间温度不低于250℃。在多层多道焊接中，后一焊道对前一焊道起到热处理的作用，最后一焊层需熔敷一层退火焊道，以此改善焊缝组织，提高抗裂性。

（三）焊后处理

焊后热处理是焊接工艺的重要组成部分，与焊件材料的种类、型号、板厚、所选用的焊接工艺及对接头性能的要求密切相关，要保证焊件使用特性和寿命的关键工序。

控制要点：局部焊缝完成后进行石棉被覆盖；焊缝全部完成后，立刻进入热处理炉作550℃去应力处理。

（四）检验

检验工序贯穿整个生产过程，检验工序从原材料检验，从入库的复验开始，接着在生产加工每道工序采用不同的工艺进行不同内容的检验，最后对制成品进行质量检验。质量检验可分为焊接结构的外形尺寸检查、焊缝的外观检查、焊接接头的无损检查、焊接接头的密封性检查、结构整体的耐压检查等。

控制要点：在42CrMo母材侧热影响区厚度进行硬度检测，各点维氏硬度未超过380；在焊缝表面进行100%磁粉探伤；清查每条焊道焊，仔细检查有无气孔、裂纹。一旦发现缺陷，彻底清除后按上述要求重焊。

四、结语

第一，42CrMo由于含碳量高，淬硬性比低碳钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大困难。热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，含碳量越高，淬硬性越大，冷裂纹倾向也越大。为了提高抗裂性，应尽量降低焊接接头的含氢量，并采用焊前预热和焊后及时热处理。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接线能量，避免焊件表面的焊接缺陷或划伤。

第二，含碳量高合金元素多，钢的淬硬倾向大，马氏体转变温度（Ms）低，因而在焊接热影响区淬火区产生大量淬硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），会导致热影响区严重脆化。防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小线能量，同时采取预热、缓冷和后热等方法，使冷却速度放缓。

第三，焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到调质处理时的回火温度以上区域时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为降低接头区强度的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。焊接线能量越小，加热或冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄，因此，焊接热源越集中对减少软化越有利。

第四，42CrMo最好在退火（或正火）状态下焊接，再进行整体调质处理，通过焊后调质处理改善焊缝及热影响区的性能。选择焊接材料的要求是不产生冷、热裂纹，而且焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的接头。焊接工艺参数的确定主要是确保在调质前不出现裂纹，例如，采用较高的预热温度200～300℃和层间温度、焊后立即进行热处理等。对于必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。焊接时，应将预热温度、层间温度，中间热处理和焊后热处理的温度控制在比母材淬火后的回火温度低50℃，采用尽可能小的焊接线能量。由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可以与母材有差别，为了防止焊接冷裂纹，可以选用塑韧性较好的奥氏体焊条。

参考文献：

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作者简介：姜朝辉（1983），男，黑龙江省佳木斯市人，中级工程师，学士，主要研究方向为焊接工艺研究及工装设计。