低温环境下低合金钢铸造件的焊接性能研究

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：低温钢铸钢件由于碳含量低，其淬硬倾向和冷裂倾向小，因此具有良好的焊接性，低温钢铸钢件的焊接过程中关键是要避免焊缝金属及近缝区形成粗晶组织而降低材料的低温韧性。热输入量越小，焊缝金属的低温冲击韧性就越高。因此，要采用小的热输入，焊接电流不宜过大，层间温度小于300℃。这样引弧既可使已冷却的弧坑得到预热，又能使最初突然冷却的熔滴或原来剧冷的焊缝金属重新熔化，以减少气孔的产生。

低温钢铸钢件由于碳含量低，其淬硬倾向和冷裂倾向小，因此具有良好的焊接性，低温钢铸钢件的焊接过程中关键是要避免焊缝金属及近缝区形成粗晶组织而降低材料的低温韧性。为了保证焊缝和粗晶区的低温韧性，改善焊缝缺口的韧性和防止焊接裂纹的发生，在铸钢件的焊接或补焊过程要求严格控制焊接时的热输入量。热输入量越小，焊缝金属的低温冲击韧性就越高。因此，要采用小的热输入，焊接电流不宜过大，层间温度小于300℃。

一般说来，在低温钢的焊接中，倘若母材和焊接材料中的P与S等含量很低的话，不管约束条件如何苛刻，都不至于引起高温裂纹。在补焊中比较常见的缺陷是弧坑裂纹和出现在焊缝末端的裂纹，这主要是由于引弧急热激冷、变形较大或者存在硫偏析带而引起的，因此焊接过程要注意检查弧坑，若发现有细微裂纹，在再次焊接前必须用砂轮把它打磨掉。

在所有低温钢中，3.5Ni钢的铸钢件较多。

（1）防止高温裂纹3.5Ni钢在所有低温钢中产生高温裂纹危险性最大，为了防止高温裂纹，可采取以下措施：

1）注意铸钢件与焊接材料的化学成分，适当控制C、S与P的含量，注意调整Ni、Mn的添加量。

2）控制焊接条件与焊道形状，一般情况下，断面呈梨形的焊道会助长裂纹倾向。所以应当适当地选定坡口形状与焊接电流，以控制焊道形状。

3）控制焊接热输入量，电弧焊是低温钢最常用的焊接方法，它可在各种焊接位置上施焊。其焊接热输入量为18～30kJ／cm；钨极氩弧焊（TIG焊）通常都是手工操作，其焊接热输入量局限在9～15kJ／cm范围内。熔化极氩弧焊（MIG焊）是目前低温钢焊接中应用最广的自动或半自动焊接方法。它的焊接热输入量为23～40kJ／cm；CO₂保护焊所焊成的接头韧性较低，所以在低温钢焊接中不予采用。

（2）去除残余应力3.5Ni钢回火脆化倾向较大，为了去除残余应力而进行焊后热处理也不能再满足要求，用4.5%Ni-0.2%Mo系焊丝熔焊成的焊缝金属，回火脆化倾向就要小得多，采用这种焊丝就可避免上述困难。

（3）预热焊接厚度不超过50mm而约束条件又不很严酷的低温钢件时，只要环境温度≥20℃，一般都不必预热。由于预热会减慢焊后的冷却速度，所以对于像铝脱氧钢和2.5Ni、3.5Ni钢那样对冷却速度的影响十分敏感的低温钢种来讲，预热温度限制在100℃以下，而9Ni钢则要预热到120～150℃。

（4）焊接操作焊条电弧焊时，含镍焊条的镍含量越高，熔深就越难保证，熔融的金属流动性就越差，因此在焊接上虽不能说有多大的困难，但对焊条的这些特性应当熟悉。焊条电弧焊时必须随时注意限制热输入量，因此在施焊时焊条一般不横向摆动或者只是微小地横向摆动；同时适当地加快焊条的移动速度，这样可以达到令人满意的效果。为了避免产生弧坑裂纹，应当避免频繁地熄弧。特别是在根部焊道的末端，焊弧尤其不应当突然熄灭，以免形成一个很深凹的弧坑，而这常是裂纹的起因。可用焊条将弧坑引向焊道的侧面，同时相应地加快一些移动速度，慢慢减少熔池尺寸，然后再熄弧，可避免这种现象。引弧的方法对焊道成形有着极大的影响，在低温钢焊接中建议采用“倒回引弧法”，也就是说，电弧在弧坑前端边缘上引燃，然后迅速地返回到弧坑后方，再倒回弧坑微微摆动焊条继续进行焊接。这样引弧既可使已冷却的弧坑得到预热，又能使最初突然冷却的熔滴或原来剧冷的焊缝金属重新熔化，以减少气孔的产生。

（5）焊后热处理对于已经淬火＋回火处理的材料，焊后热处理的加热温度不得超过600℃，对已经正火处理的材料，加热温度则不得高于650℃，否则即使加热后再用水冷也会大幅度降低材料的缺口韧性。冷却最好采用空冷。按照美国机械工程师学会（ASME）锅炉和受压容器规范设计制造的低温钢受压容器，去应力处理时的加热温度：5Ni钢取620℃，3.5Ni钢取590℃，9Ni钢取570℃。

低温环境下低合金钢铸造件的焊接性能研究

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