馬永春

(天津市天重江天重工有限公司，天津300400)

托輪是我公司主要的水泥件產(chǎn)品。托輪在回轉(zhuǎn)窯使用過程中起到支撐和轉(zhuǎn)動傳輸作用，要承受很大的高溫和交變載荷。由于托輪質(zhì)量要求非常嚴格，所以鑄造后期的焊接修補就顯得極為重要。如果焊補質(zhì)量不好，托輪運行過程中出現(xiàn)開裂甚至脫落，就會造成很大的經(jīng)濟損失。

1 ZG42CrMo托輪的焊接性分析

托輪材質(zhì)為ZG42CrMo，屬于低合金高強鋼。由于托輪截面厚大，且托輪材質(zhì)淬硬性很強，所以在焊后很容易得到馬氏體組織，降低了焊接熱影響區(qū)部位的韌性和塑性，在焊接應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋，給焊接帶來很大困難。

根據(jù)JB/T6402—2006規(guī)定，ZG42CrMo托輪的化學(xué)成分見表1，調(diào)質(zhì)后性能要求值見表2。

表1 ZG42CrMo托輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical composition of ZG42CrMo supporting roller (mass fraction,%)

表2 ZG42CrMo托輪調(diào)質(zhì)后性能要求Table 2 The mechanical property of ZG42CrMo supporting roller after quenching and tempering

ZG42CrMo托輪屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、熱影響區(qū)脆化和軟化[1、2]。

在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接時，主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化。高碳馬氏體引起的熱影響區(qū)脆化和硬化，可以通過焊后回火來解決。而高溫回火區(qū)軟化引起的強度下降，在焊后不能進行調(diào)質(zhì)處理的情況下是無法挽救的。因此，在制定焊接工藝時要注意防止裂紋和避免軟化。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法和焊接材料

托輪上常出現(xiàn)形狀不規(guī)則且深淺不一的缺陷。在焊接方法上我們選擇可以靈活操作的手工電弧焊，焊接材料選擇J707堿性低氫焊條，焊條直徑為?2.5 mm、?3.2 mm和?4 mm。J707焊條化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)分別見表3和表4。

表3 J707焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 The chemical composition of electrode J707(mass fraction,%)

表4 J707焊條力學(xué)性能Table 4 The mechanical property of electrode J707

為了將熱影響區(qū)軟化降到最低，焊接時用?2.5 mm焊條打底，然后用?3.2 mm和?4 mm焊條焊肉。用細焊條打底還可以減少母材向焊縫中過渡碳，有利于形成塑性焊縫組織。

2.2 預(yù)熱及層間溫度

預(yù)熱可以減小母材的淬硬傾向，減緩焊接接頭的冷卻速度，有利于焊接部位形成塑性組織，同時有利于焊縫氫的逸出，有效防止氫致冷裂紋。

對于中碳調(diào)質(zhì)鋼預(yù)熱溫度的計算，主要有以下兩種方法：

按照國際焊接學(xué)會碳當量法公式[3]：

To=360·CE

式中CE——碳當量。求得To約為290℃。

按照日本焊接協(xié)會碳當量法公式[3]：

To=360·Ceq

式中Ceq——碳當量。求得TO約為300℃。

另據(jù)資料顯示，中碳調(diào)質(zhì)鋼理想的預(yù)熱溫度應(yīng)高于Ms點20℃[4]，ZG42CrMo材質(zhì)的Ms點在330℃左右[5]。

參照以上結(jié)果，最后將托輪預(yù)熱溫度選定為350℃，焊前采用臺車爐進行整體預(yù)熱。

托輪鑄造缺陷主要為砂眼和裂紋等，缺陷挖除后普遍比較深，焊接時需要采用多層多道焊。多層焊時次層對前層焊道的回火作用能改善前層焊縫組織的淬硬傾向，但層間溫度控制不當會造成焊縫含氫量增加，從而導(dǎo)致延遲裂紋的產(chǎn)生。在托輪焊接過程中，采用煤氣管道輔助加熱焊口周圍，將層間溫度控制在330℃左右。

2.3 焊后熱處理

為避免產(chǎn)生延遲裂紋，托輪在焊后需要立即進爐進行去應(yīng)力處理，溫度以低于調(diào)質(zhì)回火溫度30℃為宜，我公司選擇550～600℃的回火工藝。

2.4 焊接工藝評定

參照上述工藝參數(shù)，以ZG42CrMo托輪相同材質(zhì)作試件，進行焊接工藝評定試驗。試板尺寸為500 mm×400 mm×100 mm，坡口見圖1。焊接時預(yù)熱至350℃，焊后進行580℃去應(yīng)力處理。待試件冷卻放置24h后，超聲檢測和磁粉檢測均未發(fā)現(xiàn)裂紋。力學(xué)性能方面：抗拉強度Rm=710 MPa，屈服強度Re=620 MPa，延伸率A=22.5%，沖擊AKV≥80 J。彎曲試驗結(jié)果顯示無開放性裂紋。焊層表面拋光后，測得硬度為213 HBW。上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)符合ZG42CrMo材質(zhì)的技術(shù)要求。

焊接后母材、焊縫、熔合區(qū)顯微組織見圖2～圖4。由圖可知，母材和熱影響區(qū)組織為珠光體和鐵素體，焊縫組織為細小珠光體和鐵素體，焊接部位沒有形成馬氏體等淬硬組織，這樣就可以避免裂紋的產(chǎn)生。

圖1 焊接試板坡口圖Figure 1 Welding groove of test plate

圖2 母材組織(500×)Figure 2 The structure of base material(500×)

圖3 母材和熱影響區(qū)組織(500×)Figure 3 The structure of base material and heat affect zone(500×)

圖4 焊縫組織(500×)Figure 4 The structure of welding area(500×)

2.5 托輪焊接

為了檢驗焊接工藝評定的準確性，粗加工后選擇3個托輪進行焊接，缺陷位于托輪周身及冒口面，焊后回火溫度為580～590℃。托輪參數(shù)見表5。

托輪回火出爐冷卻后，打磨并拋光焊口，進行超聲檢測和磁粉檢測。無損檢測后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕焊口表面，清晰顯示熔合線后對托輪母材、熱影響區(qū)和焊縫進行硬度檢測，硬度檢測采用瑞士equotip里氏硬度計。檢測結(jié)果見表6。

表5 待焊托輪參數(shù)Table 5 The parameter of supporting roller to be welded

表6 托輪焊口檢測結(jié)果Table 6 The test results of supporting roller weld

檢測結(jié)果顯示，托輪1 的2#缺陷存在裂紋且熱影響區(qū)硬度值很高。圖5是裂紋部位的顯微鏡檢測結(jié)果。從圖5可以看出，焊接區(qū)域裂紋部位存在隱針馬氏體組織。

圖5 焊接區(qū)域隱針馬氏體組織(500×)Figure 5 The acicular martensite structure in welding area(500×)

經(jīng)過分析，隱針馬氏體是由于焊接時焊口冷卻速度過快而產(chǎn)生的。托輪1直徑較大，預(yù)熱出爐后表面溫度能夠達到工藝要求，但實際內(nèi)部溫度不足，焊接時產(chǎn)生的熱量被內(nèi)部快速吸走，導(dǎo)致焊口冷卻速度過快，從托輪1焊縫處硬度值高于其他處也可以得到驗證。另外，2#缺陷處于冒口面，碳元素偏析會使焊口淬硬傾向加大，增加裂紋產(chǎn)生幾率。返修時應(yīng)提高預(yù)熱溫度和該溫度下的保溫時間。

托輪1返修：用砂輪去除2#缺陷裂紋，磁粉檢測顯示無缺陷后整體進爐預(yù)熱，出爐溫度為400℃，焊前打磨焊口處灰塵等雜物，焊后立即進爐進行回火處理。冷卻后磁粉和超聲檢測合格，金相組織為細小鐵素體和珠光體。

參照以上檢測結(jié)果，我們改進了焊接工藝，根據(jù)不同尺寸的托輪適當提高預(yù)熱溫度和保溫時間。后續(xù)托輪焊后沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷。最后得到以下結(jié)論：

(1)偏析會造成冒口面含碳量增加和淬硬性增強，焊接此處缺陷時應(yīng)該選擇高預(yù)熱溫度和小焊接線能量。

(2)托輪缺陷越小的部位焊后硬度值越高，焊后組織沖擊韌性越低。當托輪工作面出現(xiàn)小缺

陷時，應(yīng)提高預(yù)熱溫度，防止焊后出現(xiàn)低塑性組織，這樣可以避免托輪在使用過程中由于擠壓而造成焊口脫落。

3 結(jié)論

(1)采用手工電弧焊方法，使用J707焊條焊接ZG42CrMo托輪，只要選擇合理的焊接工藝施焊，焊縫質(zhì)量能夠達到母材性能要求。

(2)為保證托輪在焊后滿足使用要求，焊前應(yīng)對托輪進行預(yù)熱。預(yù)熱時采用碳當量公式計算出來的預(yù)熱溫度僅作參考，實際操作時應(yīng)根據(jù)鑄件大小和缺陷所處的不同位置選擇合適的預(yù)熱溫度。同時，為了使焊口具有一定的沖擊韌性，還應(yīng)選擇合適的焊接線能量。

[1] 周振豐.焊接冶金學(xué).北京:機械工業(yè)出版社，1996.

[2] 李榮雪.金屬材料焊接工藝.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3] 張文鉞.焊接冶金學(xué). 北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4] 杜國華.新編焊接工藝500問. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.