２００９年１１月 国防技术基础 第１１期 ３５ ＣｒＭｎＳｉＡ材料的ＴＩＧ焊接技术 刘立成左莹璐 谷彦军 （中国兵器工业集团公司第６２４厂） 摘要：通过对超高强钢３５ＣｒＭｎＳｉＡ厚壁管的ＴＩＧ焊接工艺技术的研究探索、分析及一系列的 试验。掌握了３５ＣｒＭｎＳｉＡ材料的焊接要点，解决了３５ＣｒＭｎＳｉＡ的焊接技术难题，在合理的规范参数 和必要的焊接工艺措施下获得了满意的焊接接头质量，应用到重要的焊接结构中。 关键词：超高强钢ＴＩＧ焊接焊前预热后热除氢 随着高新产品的研制，超高强钢３５ＣｒＭｎＳｉＡ材 料逐渐应用于焊接结构中。在电力、航天、航空等 领域３０ＣｒＭｎｓｉＡ、３０ＣｉＭｎＳｉＮｉ２Ａ、３０Ｃｒ３ＳｉＮｉＭｏＶ及 要高能热量集中的焊接方法焊接的构件，普遍采 用钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊、真空电子 束焊接等方法。经过分析结合实际结构以及不同 焊接方法的特点，进行相关的试验，确定自动 美国的Ｄ６ＡＣ、４３４０、４１４０等应用比较普遍。航 天领域使用过３５ＣｒＭｎＳｉＡ这种材料也只能整体 机械加工成型，螺纹连接，材料浪费大，加工困 难，造价高。近年来兵器工业在某些型号高强度 产品焊接结构上开始应用。产品在高强度条件下 ＴＩＧ焊接方法作为试验的基础。因为等离子弧焊 接焊结构比较大，厚件大坡口，焊很难达到 坡口的根部，受到结构的，认为不适合。激 光焊、真空电子束设备比较昂贵，在焊接研究阶 段不具备条件。针对３５ＣｒＭｎＳｉＡ采用自动ＴＩＧ焊 接方法进行试验研究，能够满足要求的焊接接头。 １．焊接设备 使用，其中以３５ＣｒＭｎＳｉＡ厚壁管焊接是一项重 要的连接结构方式，管件直径￣１５０～ ００，管 件厚度在２０～３５ｍｍ之间，要求单面焊接双面 成形。 目前，国内外资料没有焊接结构使用３５ＣｒＭｎＳｉＡ 材料的记载，焊接技术上没有成熟的经验可以 采用自动环纵ＴＩＧ焊成套设备（焊接电源、 机头、引弧及稳弧装置、焊、供气系统、水冷 系统、程序控制装置、自动焊转动装置）。 （１）焊接电源 借鉴，资料对３０ＣｒＭｎＳｉＡ、３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ、Ｄ６ＡＣ、 ３０ｃｒ３ ｓｉＮｉＭ０ＶＡ等材料的焊接以及相匹配的焊接 材料介绍的比较多。在探索、试验中发现， ３５ＣｒＭｎＳｉＡ对热的敏感性、脆硬倾向非常强，对 热量的输入要求的非常严格，尤其在含碳量一定 的情况下，硫、磷杂质的含量高，焊接范围窄， 焊接电流调整宽度变窄，要在较小电流工作段上 具有陡降（恒流）外特性直流电源。 （２）焊 ①喷出的保护气体具有良好的流动状态和一 定的挺度； ②焊可选气冷式或水冷式，可根据使用情 况确定，冷却要充分气冷式简单； ③喷嘴直径的选择很主要，内径和钨极直径 经验公式为： Ｄ ＝（２．５～３．５）ｄ 进行，否则，产生热裂纹倾向大。对焊接质量的 影响很大。同时，也要重视氢的存在，解决这些 问题是保证焊接质量的首要问题。 ３５ＣｒＭｎＳｉＡ需要热量集中、高能量的焊接方 法，减少热影响区的范围。在科研和生产中，需 式中：Ｄ 一喷嘴通道内径（ｍｍ）； ｄ 一钨极直径（ｍｍ）。 ５７ ３５ ＣｒＭｎＳｉＡ材料的ＴＩＧ焊接技术 大厚件，深坡口选择小直径，焊接时焊嘴可 伸到坡口内，多道焊能保证焊嘴充分接近坡口 面，使得母材充分熔合； ④喷嘴和钨极间要有良好的绝缘； ⑤焊应具备良好的导电性； ⑥装卸钨极方便、夹持可靠、钨极伸出长度 控制准确。 （３）机头 ①三维调节装置； ②送丝装置； ③要具备足够的刚性。 （４）自动焊转动装置 ①无级变速； ②动力头和托架相对位置调节灵活，且定位 可靠。 ２．电极和焊接保护 （１）电极材料钨极； （２）电极直径 ．２～ （ｍｍ）； （３）保护气体氩气，纯度不低于９９．９％； （４）焊对熔池和熔池周围自身喷出气体保 护。 ３．焊接环境 （１）试验时，室内温度不低于１５℃； （２）不能在有空气直吹的室内。 ４．焊前准备 （１）尺寸规格 直径￣１５０～￣４００ｍｍ；壁厚１９～３０ｍｍ。 （２）焊接接头的坡口形式 通过对焊接接头的调整，匹配焊接反复试 验，在单面焊接双面成型要求的情况下，对Ｙ、 ｕ进行试验，对对接问隙和装配错变量控制困 难。导致焊缝成型不理想，经过反复试验采取直 口式ｕ形坡口。便于装配，克服了错边量对焊 接的影响，背面焊缝成型不受装配问隙的影响。 尽管焊件直径和厚度不同，可是接头形式是 相同的，采用带有装配止口的ｕ型坡口，焊口 系机械加工出的直边坡口，比较规整（见图１）。 （３）坡口制备 采用机械加工方法去除多余金属，以图２的 零件加工尺寸要求为例。 ５８ Ｉ ４：ｌ — 厂 — ｛＼ ＇＼＼ ｆｌ ／／ ／＿７］ ＼ Ｉ／／／Ｉ ＼ ＼＼ ｌ ／ 』 ＼ ＼ ＼ —、／／ ， ／ 【 Ｊ ＼— 、 ＼Ｉ 图１接头形式示意图 图２坡口形式示意图 （４）焊前清理 ①在专用清洗设备里，利用中性金属清洗剂 整体清洗工件内外表面，清洗干净后立即去掉水 分； ②定位焊前，用丙酮或酒精再次擦试坡口及 坡口两侧大于１００ｍｍ内内外表面，必须清除一 切污物，然后用洁净布擦干净。 焊接３５ＣｒＭｎＳｉＡ时，焊接质量很大程度上 取决对母材和填充焊丝焊前清理。焊缝中氢的含 量很大程度上取决焊件和焊丝表面的杂质。凡经 丙酮和酒精擦试过焊件和焊丝需在当天焊完。否 则需重新清理。 ５．焊接工艺路线及工艺参数 （１）焊接工艺路线 预热一装配一定位焊一预热一焊接一后热除 氢 （２）工艺参数 ①预热：预热温度８０￣Ｃ～１００￣Ｃ，保温不低 于１ｈ； ２００９年１１月 国防技术基础 第１１期 ②装配：在专用装配夹具上装配，止口插接 到位，保证同轴度； 焊丝牌号：ＨＳ一８０、Ｈ３０ＣｒＭｎＳｉＡ； 焊丝直径：ＨＳ一８０焊丝 １．２ｍｍ；Ｈ３０ＣｒＭｎＳｉＡ 焊丝 １．６ｍｍ； ③定位焊：在装配夹具上直接定位焊，保证 焊件转动灵活。另外，还可避免人为造成的误差 及焊件太热伤害操作者。 钨极直径： ．０ｎｕｎ； 层间温度：不低于２００ｏＣ； ＨＳ一８０用于封底焊接（为了解决坡口根部 ・焊接要求：小直径焊件周边均匀焊接４ 段，大直径周边均匀焊接６段，对称焊接，焊缝 焊接裂纹，使用强度低的焊丝），焊接工艺参数 长度４０ｍｍ～６０ｍｍ．保证定位焊缝熔透； ・焊接方法：手工ＴＩＧ焊接； ・极性：正极性； ・焊接工艺参数 焊丝牌号：ＨＳ一８０； 焊丝直径： １．２； 钨极直径： ３．２； 定位焊工艺参数见表１。 ④预热：预热温度２６Ｏ℃～３００￣Ｃ，保温时 问不低于２ｈ； ⑤焊接：调整支撑轮和动力头同轴度，保证 焊件转动平稳。起弧点不能和定位焊缝重合。工 件、焊、导丝嘴相对位置见图３。 ４ 图３工件、焊、导丝嘴位置示意图 ｌ一焊件２一导丝嘴３一焊丝４一钨极５一焊６一焊道 ・焊接要求：单面焊接双面成形； ・焊接方法：自动ＴＩＧ焊接； ・极性：正极性； ・焊接工艺参数 见表２。 Ｈ３０ＣｒＭｎＳｉＡ焊接及盖面焊接（增强焊缝强 度，使用强度高的焊丝），焊接工艺参数见表３。 表１ 焊接电流 焊接电压 焊接速度 送丝速度 气体流量 （Ａ） （Ｖ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （Ｌ／ｍｉｎ） １３０～１７０ １６～１８ １０～１３ ８０～１２０ ８～ｌ６ 表２ 焊接电流 焊接电压 焊接速度 送丝速度 气体流量 （Ａ） （Ｖ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （Ｌ／ｒａｉｎ） １５０～２４０ ｌ２—１４ １２～１４ １４０～２６０ ２０～２２ 表３ 焊接电流 焊接电压 焊接速度 送丝速度 气体流量 （Ａ） （Ｖ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （ｃｍ／ｍｉｎ） （Ｌ／ｍｉｎ） ２４０～３ｏｏ １３～ｌ５ １２～１４ １ｏ０～２８０ ２０～２２ ⑥后热除氢：后热除氢温度３００ｏＣ～３５０ｏＣ， 保温时间不低于２ｈ。在焊接过程中，液态金属吸 收的大量氢，其中有一部分在熔池结晶过程中可 以逸出。但是，由于熔池的结晶速度很大，还有 相当多的氢来不及逸出，而被留在固体焊缝金属 中。氢的危害作用大体分为两大类：一类是暂态 现象，包括引起脆性、白点、硬度升高等。这类 现象的特点，经过时效或后期热处理可以消除。 另一类是永久现象，包括氢气孔、产生纤维斑点 和冷裂纹等。这类现象一旦出现不可能消除的。 鉴于氢在焊缝中的有害作用，除了清除焊件 和焊丝表面上增加焊缝含氢的杂质外，焊后除氢 ５９ ３５ ＣｒＭｎＳｉＡ材料的ＴＩＧ焊接技术 处理是重要手段。 ６．检验 线或坡口边沿，不留死角，充分熔合； （５）超高强钢脆化倾向大，热敏感性强， 焊接时防止裂纹产生采用小线能量输入，有利于 （１）外观检验 焊后经正、背面焊缝外观质量检查，焊缝成 型良好，没有未熔合、咬边、表面裂纹及气孔， 焊缝和母材圆滑过度。 减少粗晶淬火区的高温停留时间，降低奥氏体的 过热长晶和稳定性，从而降低淬火区的脆化程 度； （６）填满弧坑，避免弧坑裂纹； （７）焊缝与母材要圆滑过度，减少裂纹和 （２）ｘ光探伤检查 焊缝经过ｘ光探伤检查，质量符合ＪＢ／Ｔ ４７３０—２００５《承压设备无损检测第２部分射线 检测》焊缝探伤标准规定Ｉ级。 ７．焊接接头性能 焊件是在热处理改善机械性能条件下使用， 热处理工艺：淬火后回火。淬火温度９００￣Ｃ，保 温９０ｍｉｎ，油冷。回火温度２３０％，保温１２０ｍｉｎ， 水冷。经过大量的试件试验和产品跟随试件性能 检测，其机械性能如下： （１）焊缝 ・硬度：ＨＲＣ４７～４９； ・拉伸强度：ｃｒｂ＞￣１６２０Ｍｐａ； ・冲击韧性：Ａｋｕ￣＞３８Ｊ； ・延伸率：８％～１０％。 （２）母材 ・硬度：ＨＲＣ５０～５１； ・拉伸强度：ｔｒｂ＞￣１８７０Ｍｐａ； ・冲击韧性：Ａｋｕ￣＞３６Ｊ； ・延伸率：７％～９％。 ８．注意事项 （１）为了提高焊缝的抗裂性，采用低合金 系统焊接材料，焊后要是经受热处理改变性能 时，焊缝金属中的合金成分应与基本金属相近。 焊接结构有强度要求时，要选择等强度匹配的焊 丝； （２）特别仔细清理焊件坡口周围及焊丝表 面的油和锈等杂质； （３）在退火状态下焊接，超高强钢焊后， 热影响区所出现的脆硬马氏体组织，严重降低焊 接接头的韧性和塑性，所以要在退火状态下焊 接； （４）超高强钢未熔合是不允许的，厚件采 用多层多道焊接时，钨极要接近上道焊道的熔合 ６０ 脆性断裂的裂源。如有未熔合、咬边等缺陷，用 不填充焊丝ＴＩＧ方法重熔处理； （８）超高强钢后热要及时，是焊缝中的氢 充分逸出，减少冷裂纹的产生。同时，消除氢引 起钢的塑性严重下降的现象。 ９．结论 （１）所设计的焊接接头坡口形式合理，经 过试验和生产验证满足单面焊接双面成型的技术 要求。可以获得质量良好的焊缝。 （２）从外观检查、ｘ射线探伤检验、机械 性能的结果来看，选用的焊接工艺参数是合理 的，满足产品设计要求。 （３）３５ＣｒＭｎＳｉＡ材料ＴＩＧ焊接技术成熟，能 保证单面焊接双面成型技术要求。同时，相比设 备简单、价格便宜、应用广泛，对焊工的操作熟 练程度要求较低，质量稳定，是一项值得大力推 广的先进焊接工艺。 （本文作者通讯地址：哈尔滨市１３５信箱军研中 心，邮编：１５００３０）
