浅谈42CrMo与Q345B焊接难点分析及操作技巧

浅谈42CrMo与Q345B焊接难点分析及操作技巧

代义明 ,许文虎

中车常州车辆有限公司  江苏常州213011

摘要：42CrMo中碳调制钢具有良好的强度、韧性以及淬火变形小的特点，常用于载荷较大的工程机械受力结构件中。但是当对其与其他金属材料焊接时，焊接性低劣的特点则显现无疑。本文以42CrMo与Q345B焊接工艺为研究对象，对其焊接难点进行分析。

关键词：中碳调制钢、淬透性、热裂纹、冷裂纹

引言：我公司承接的某地下工程设备，在主要承载受力件部位，是由42CrMo、30CrMo、Q345B等材质构成，其配件厚均超过20mm。根据ISO 15614焊接工艺评定覆盖原则，本文以42CrMo与Q345B焊接为研究对象进行操作技术及工艺分析。

一、母材焊接性能分析：

1. 42CrMo焊接性分析

42CrMo 中碳调质高强钢，其化学成分如表1所示。由此可以看出碳当量 Ceq 为0. 91 。热裂纹敏感系数 Hcs=9.56。42CrMo 中的合金元素含量高 ，焊道在凝固结晶的时候 ，结晶温度区间跨度大 ，偏析倾向严重 ，容易在焊缝金属中形成热裂 纹。结合计算的 42CrMo 热裂纹敏感系数 Hcs=9.56，得出结论 42CrMo 具有较强的热裂纹倾 向。42CrMo 钢的 Ms 点低 ，在母材的热影响区易产生淬硬组织 ，并且工件愈厚 ，淬硬倾向愈大 ，在工件冷却过程中淬硬区易产生冷裂纹。结合计算的 42CrMo 的碳当量 =0.9，得出结论 42CrMo 具有较强的冷裂纹倾向。

表 142CrMo 的化学成分（%）

2.Q345B焊接性分析

表 2 为合金钢 Q345B 的化学成分。Q345B 碳当量 Ce=0.49 ＞ 0.45， 具有一定的淬硬倾向 ，在焊接需要前对工件进行适当的预热 ，即可可有效地防止了裂纹的产生。焊接性能相对良好。

表 2    Q345B 的化学成分（%）w/!

结合上述，42CrMo 有强烈的高淬硬倾向，且焊接冷裂性十分明显。但是，Ms不是很高。焊接时，马氏体组织中的含碳量也不少， 此时过热区非常可能会脆化。Q345B 在力学性能上占了优势，有不错的焊接性。根据上述分析，需遵从下列选材标准: 材料焊接性必须符合 42CrMo，焊接强度≥Q345B 的强度。

    二、焊接工艺及操作

1. 焊材选择 

在选择焊接材料时，我们需对焊材的力学性及化学成分进行多方面评估，在既能保证Q345B的屈服强度，又能满足42CrMo的可焊性，我们选择了抗裂性能较好的E71T -1 药芯焊丝进行焊接，其化学成分见表3，力学性能见表4。因42CrMo中Cr含量相对较高，虽然Cr元素可以提高回火的稳定性、强度和塑性，但是产生热裂纹的可能性依然很大。同时因合金成分较高，在焊缝区及热影响区易形成粗大马氏体，因此增大淬硬倾向，产生冷裂纹及延迟性裂纹可能性增大。而E71T-1 型药芯焊丝中含有较高的Mn、Ni、AL等元素，可以有效提高焊缝脱氧、脱硫能力，Ni可以增强焊缝金属韧性，以此减少热裂纹、冷裂纹产生。同时E71T -1 药芯焊丝添加了天然金红石，来造渣、稳弧、成型和改善全位置焊接工艺。因此选择E71T -1 药芯焊丝是较为适合的焊材。

表 3   焊丝化学成分

表 4 焊丝力学性能

2. 过程控制

2.2.1 施焊前需清理焊缝两侧30mm油污、铁屑、铁锈等杂质，防止污染焊缝。

2.2.2 焊丝和焊件，在焊接前要防止玷污。查看焊接设备或仪表是否正常。

2.2.3 焊接接头形式见图1,焊接参数选择见表5。选用99.9%的CO2作为保护气体

图1 焊接接头形式及焊层焊道

表5 焊接规范

2.2.4 打底层焊时，采用直接短路接触法引弧，由于采用平特性的弧焊电源，空载电压较低，造成引弧困难，因引弧时不要与焊件接触太紧。调节干伸长度10-15mm,使焊丝端头与焊件保持2-3mm的距离。如焊丝端部有粗大的球形头，需用焊钳剪掉。在焊接过程中要认真观察熔池的形状、熔孔的大小及铁水与熔渣的分离情况，还应注意观察焊接过程是否正常（如偏弧、极性正确与否等）。熔池一般保持椭圆形为宜（圆形时温度已高）。熔孔过大时，背面焊缝余量过高，易形成焊瘤或烧穿；熔孔过小时，容易出现未焊透或夹渣现象（弯曲试验时易开裂）。焊接时一定要保持熔池清晰，熔渣与铁水要分开，否则易产生未焊透及夹渣等缺陷。

　　焊接过程中电弧要一直在铁水的前面，利用电弧推力将铁水吹向熔池后方，这样既能保证熔深又能保证熔渣与铁水很好地分离，减少产生夹渣和气孔的可能性。当铁水与熔渣分不清时，要及时调整焊丝的角度（即焊丝角度向焊接方向倾斜），并且要压低电弧，直至铁水与熔渣分清，然后进行正常焊接。

　　焊接时熔池形状由椭圆形向圆形发展，熔池变大，并出现下塌的感觉。如不断添加铁水，焊层也会加高，同时还会出现较大的熔孔，此时说明熔池温度过高，应迅速灭弧，并减慢焊接频率，等熔池温度降低后，再恢复正常的焊接。

　　在电弧的高温和推力的作用下，坡口根部熔化并击穿形成熔孔。施焊过程中要严格控制熔池的形状，尽量保持大小一致，并随时观察熔池的变化及坡口根部的熔化情况。熔孔的大小决定焊缝背面的宽度和余高，通常熔孔的直径是间隙的1.5倍为好。焊接过程中如发现熔孔过大，表明熔池温度过高，应迅速灭弧，并适当延长熄弧的时间，以降低熔池温度，然后恢复正常焊接。若熔孔太小则可减慢焊接速度，当出现合适的熔孔时方能进行正常焊接。

　　影响焊缝成形、焊层高低的主要因素有：焊接速度的快慢、焊丝倾角、熔孔大小的变化、电弧的长短及焊接位置等。平焊位时，焊缝正面焊层不易增高，而焊缝背面焊层容易偏高。同时还应控制熔孔不宜过大，避免铁水下坠，这样才能使焊缝背面与母材平齐或略低，符合要求。

2.2.5 焊接中，需注意的是，因结构件用途较为特殊，焊角尺寸较大，在焊接时禁止摆动，防止在摆焊过程中增大热应力带了应变，从而导致焊缝的冷裂倾向。每道焊层不能＞5mm。同时在截面时，应在焊缝中间结盖耐磨层，如图2所示。

图2 结面耐磨层示意图

3. 预热温度及层间温度控制

为了避免 42CrMo 高强钢出现明显的焊接冷裂纹，需提前做好预热。该步骤能够延缓冷却 800 ～ 500 ℃ ，防止出现淬火组织。另外，能促进氢的快速逸出。预热温度，受扩散氢含量、母材成分、坡口质量以拘束度大小等诸多因素的限制。根据中碳钢预热公式:To = 550·( C － 0． 12) + 0． 4h，可得出To = 206-270 ℃。因此在焊接过程中，层间温度也不应大于260℃。

2.4 焊后热处理

退火空炉温度400度，每小时升温50-70度，根据板厚选择保温时间，小于30保温1.5h。30-50保温2h,大于50保温3h,保温后随炉冷却至250℃。热处理曲线图见图3

图3 热处理曲线图

三、结束语：

对于 42CrMo 与 Q345B 的焊接 ， 通过填E71T-1药芯焊丝 ，可有效的降低了焊缝金属的氢致裂纹敏感性 ，确保了焊缝的强度。通过采取焊前预热、焊后及时热处理的方法 ，加速了焊接区域氢的逸出 ，有效的避免了焊接区域的硬化、脆化及冷裂纹等问题。通过以上的相关措施使得整个焊接区域的缺陷得到有效的控制，从而获得了力学性能优良的焊接接头。总结出一套适用于中碳调制钢的焊接操作方法，为我公司焊接技术奠定基础，以指导后续类似产品的焊接工艺。