姚春臣 王海云 徐 劼 曾 立 曹俊敏 常 海 劉天宇

(1．江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411207; 2．湖南科技工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207);3．湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

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T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼薄壁件焊接工藝試驗(yàn)

姚春臣1王海云1徐 劼1曾 立2曹俊敏3常 海1劉天宇1

(1．江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411207; 2．湖南科技工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207);3．湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

為了確保T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼薄壁筒形壓力容器的焊接質(zhì)量和可靠性，制備薄壁片狀、筒形焊接試件及角焊縫焊接試件進(jìn)行了鎢極氬弧焊焊接工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，T250鋼具有良好的焊接性，薄壁件鎢極氬弧焊不易出現(xiàn)冷裂紋，焊前不需預(yù)熱，焊后不需進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理；焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接電流，防止出現(xiàn)焊接缺陷；焊接后，焊接接頭的強(qiáng)度不高，需要通過(guò)時(shí)效或固溶+時(shí)效處理才能達(dá)到超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度，其時(shí)效工序不可忽視。

馬氏體時(shí)效鋼 薄壁件 壓力容器 氬弧焊 時(shí)效

0 序 言

馬氏體時(shí)效鋼是在超低碳鐵鎳馬氏體基體上利用某些金屬間化合物的沉淀析出進(jìn)行強(qiáng)化的一類特殊類型的超高強(qiáng)度鋼，具有非常優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合[1]。馬氏體時(shí)效鋼在固溶狀態(tài)下強(qiáng)度、硬度較低，便于成形和切削加工，待加工完畢之后再通過(guò)時(shí)效處理可獲得較高的強(qiáng)度和硬度。所以利用馬氏體時(shí)效鋼時(shí)效強(qiáng)化的特點(diǎn)，采用馬氏體時(shí)效鋼制造淬火易變形的某些薄壁件，是解決其熱處理變形的有效途徑之一[2]。在馬氏體時(shí)效鋼中，無(wú)鈷的比含鈷的價(jià)格便宜很多，所以無(wú)鈷的馬氏體時(shí)效鋼在精密模具和機(jī)械零件中的應(yīng)用越來(lái)越多。T250是無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼中的一種，時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度可以滿足不低于1 760 MPa的要求，所以選用了T250鋼試制一種薄壁焊接件壓力容器。為了確保T250鋼壓力容器的質(zhì)量，預(yù)先作了T250鋼薄壁件的鎢極氬弧焊焊接工藝試驗(yàn)。

1 制備焊接試件

1.1 試驗(yàn)用材料

焊接試件的原材料采用國(guó)產(chǎn)的T250鋼棒料。其直徑為200 mm。原材料進(jìn)廠驗(yàn)收實(shí)測(cè)的化學(xué)成分見(jiàn)表1。其化學(xué)成分符合國(guó)內(nèi)有關(guān)馬氏體時(shí)效鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 T250鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 制備焊接試件

首先從直徑200 mm的T250 圓鋼上截取了橫向片狀試件，試件經(jīng)車(chē)磨加工成2塊厚度為2.3 mm的薄圓片，然后經(jīng)線切割成2對(duì)片狀焊接試件及2對(duì)小試片(利用邊角余料)。試件材料的熱處理狀態(tài)為固溶狀態(tài)(原材料供應(yīng)狀態(tài))。均未開(kāi)坡口，即為I形坡口。

然后采用T250圓鋼經(jīng)鍛造、旋壓、固溶處理和切削加工，制備了2對(duì)筒形對(duì)接焊接試件。試件的壁厚約為2.2 mm。材料狀態(tài)為固溶狀態(tài)。坡口形式也為I形。還制備了用于角焊縫焊接試驗(yàn)的條狀試樣。

2 焊接試驗(yàn)

2.1 片狀試件的對(duì)接焊

對(duì)焊接試件進(jìn)行焊前清理之后，采用鎢極氬弧焊對(duì)試件進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊機(jī)為唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司出產(chǎn)的1臺(tái)鎢極脈沖氬弧焊機(jī)。

先對(duì)1號(hào)小試片(利用邊角余料)進(jìn)行試焊。對(duì)其兩端進(jìn)行定位點(diǎn)焊，電流為140～145 A。點(diǎn)焊后，焊其對(duì)接焊縫，電流130 A，結(jié)果燒穿。后將電流調(diào)小到105 A，才能正常焊接。但試件上留下了燒穿的孔洞。然后焊2號(hào)小試片(利用邊角余料)，兩頭定位點(diǎn)焊電流105 A，焊接對(duì)接焊縫電流105 A。

利用邊角余料材料的小試件試焊之后，再焊接2對(duì)較大的片狀焊接試片。其編號(hào)為3號(hào)片狀試件和4號(hào)片狀試件。

焊接3號(hào)片狀試件時(shí)，焊接電流為105 A，焊接速度約為200 mm/min。焊接中發(fā)現(xiàn)試件正面凹陷，背面下榻，故減小焊接電流到100 A。

焊接4號(hào)片狀試件時(shí)的焊接電流為100 A。焊接速度約為200 mm/min。

因文獻(xiàn)[1]介紹馬氏體時(shí)效鋼具有良好的焊接性，無(wú)論固溶或時(shí)效，焊前均不需要預(yù)熱，焊后無(wú)需熱處理，所以上述試片焊前沒(méi)有進(jìn)行預(yù)熱，焊后沒(méi)有進(jìn)行后熱和消除應(yīng)力退火。

2.2 筒形試件的對(duì)接焊

筒形試件的焊接是在一種帶有旋轉(zhuǎn)裝置的鎢極氬弧焊設(shè)備上進(jìn)行。

1號(hào)筒形試件的焊接電流為95～100 A。焊接速度為250 mm/min。焊接1圈。

2號(hào)筒形試件的焊接電流為85～90 A。焊接速度為250 mm/min。焊完1圈之后發(fā)現(xiàn)局部未焊透，故又加焊了1圈。

筒形試件焊前沒(méi)有預(yù)熱，焊后也沒(méi)有進(jìn)行后熱和消除應(yīng)力退火。

2.3 角焊縫焊接試驗(yàn)

T250鋼薄壁件的角焊縫焊接試驗(yàn)仍采用鎢極脈沖氬弧焊。焊機(jī)仍為唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司出產(chǎn)的鎢極脈沖氬弧焊機(jī)。試件采用條狀試件和筒形焊接試件。

焊接電流起初采用90～100 A，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電流偏大，改為72～80 A后，焊縫成形良好。焊接前后沒(méi)進(jìn)行預(yù)熱、后熱和消除應(yīng)力退火。

2.4 焊接試件的X射線檢驗(yàn)

試件焊接后，有意放置了7天。然后才對(duì)2件筒形試件和3號(hào)、4號(hào)片狀試件進(jìn)行了X射線檢測(cè)。其檢測(cè)結(jié)果為：

(1)2件筒形試件均無(wú)裂紋，符合其筒形件的焊接質(zhì)量要求。

(2)3號(hào)片狀試件兩端定位焊處未焊透，中部焊縫凹陷較大處有長(zhǎng)約7～8 mm裂紋。

(3)4號(hào)片狀試件焊縫無(wú)裂紋缺陷。

3 試件的熱處理及其力學(xué)性能對(duì)比

3.1 筒形試件的熱處理

在沒(méi)有焊接外部零件的2號(hào)筒形試件上切取加工帶有焊縫的拉伸試樣。將其中3件試樣進(jìn)行了時(shí)效處理。其熱處理工藝為：真空回火爐，480 ℃保溫4 h，快冷。

同爐熱處理的還有經(jīng)過(guò)旋壓和固溶處理之后沒(méi)有進(jìn)行焊接的母材拉伸試樣。

3.2 力學(xué)性能對(duì)比

該項(xiàng)試驗(yàn)中筒形焊接試件及其母材(筒形旋壓件經(jīng)固溶處理)的力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表2。

陸游詩(shī)歌中的“古琴”意蘊(yùn)非常豐富，不僅涉及斫琴、彈琴、聽(tīng)琴、修琴、典琴、贖琴等多方面，而且其詩(shī)中的“琴”經(jīng)常與其他意象相伴而生，構(gòu)成新的意象，如“琴劍”“琴書(shū)”“琴樽”等。而在這些構(gòu)成的新意象中，“琴書(shū)”與“琴劍”在陸游詩(shī)中出現(xiàn)的頻率較高，而且這兩個(gè)意象本身的內(nèi)涵也較為豐富，因此筆者下文即以“琴書(shū)”意象和“琴劍”意象為例，進(jìn)一步探究陸游詩(shī)中“古琴”書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容。

表2 試件的力學(xué)性能對(duì)比

表2中的硬度值為在拉伸之前試樣兩端夾持部位的硬度平均值。焊接試樣拉斷的斷口均位于試樣的焊縫部位。

4 討 論

4.1 T250鋼的焊接性

低碳中合金調(diào)質(zhì)鋼對(duì)焊接熱循環(huán)較為敏感，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接裂紋等問(wèn)題。對(duì)于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，焊接過(guò)程所要解決的一個(gè)主要問(wèn)題就是防止焊后冷裂紋的產(chǎn)生，需要采取預(yù)熱和后熱措施防止冷裂紋。

在該項(xiàng)焊接試驗(yàn)中，無(wú)論是片狀試件還是筒形試件、條狀試件，無(wú)論是對(duì)接焊還是角接，全都不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后后熱、退火，但在外觀檢驗(yàn)、X射線檢驗(yàn)、滲透檢驗(yàn)都未發(fā)現(xiàn)冷裂紋。這表明T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼與一般低碳中合金調(diào)質(zhì)鋼、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金超高強(qiáng)度鋼不同，具有良好的焊接性，不需要進(jìn)行一般高強(qiáng)鋼、低合金超高強(qiáng)度鋼焊接所必須進(jìn)行的預(yù)熱和及時(shí)退火。

高效優(yōu)質(zhì)、低能耗和低成本是高強(qiáng)鋼焊接的發(fā)展方向。T250鋼焊接不需要預(yù)熱、后熱和消除應(yīng)力退火，可以在生產(chǎn)中省去很多麻煩，可以降低焊接能耗和生產(chǎn)成本，與高強(qiáng)鋼焊接的發(fā)展方向很適應(yīng)。

4.2 應(yīng)注意控制焊接電流

T250鋼雖然不易出現(xiàn)冷裂紋，但焊接電流偏大時(shí)，焊縫中也容易出現(xiàn)裂紋。在該項(xiàng)焊接試驗(yàn)中，片狀試件的對(duì)接、筒形試件的對(duì)接及角接都出現(xiàn)焊接缺陷。起初，操作人員都是憑以往焊接低合金鋼的經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)的焊接電流，適當(dāng)減小電流之后，焊接試驗(yàn)才符合質(zhì)量要求的情況。表明按以往的經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)的電流偏大，采用鎢極氬弧焊焊接T250鋼時(shí)，其焊接電流應(yīng)比一般低合金超高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)的焊接電流略小一些為好。

從表2可見(jiàn)，固溶狀態(tài)的T250鋼焊接后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大約在900 MPa左右，與調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)；經(jīng)時(shí)效熱處理之后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 400 MPa以上。這是馬氏體時(shí)效鋼時(shí)效強(qiáng)化的特點(diǎn)，與一般高強(qiáng)鋼、低合金超高強(qiáng)度鋼完全不同。由此可見(jiàn)，T250鋼焊接后的時(shí)效，關(guān)系到母材和焊接接頭的強(qiáng)度，不可忽視。

4.4 焊接接頭系數(shù)

從表2可見(jiàn)，在該項(xiàng)焊接試驗(yàn)中，固溶狀態(tài)的T250鋼焊接后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與母材的抗拉強(qiáng)度之比為0.83；焊接后時(shí)效強(qiáng)化之后的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與母材時(shí)效強(qiáng)化后的抗拉強(qiáng)度之比為0.75。其焊接接頭系數(shù)較低，也可能與試樣表面沒(méi)有加工平整、焊縫部位存在凹陷有關(guān)。雖然對(duì)于準(zhǔn)備試制的筒形件壓力容器而言，承壓時(shí)筒形件所受的軸向應(yīng)力只是切向應(yīng)力的50%，筒形件軸向?qū)雍缚p的焊接接頭系數(shù)為0.75，遠(yuǎn)大于50%，其壓力容器不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量和安全問(wèn)題，但還是需要改進(jìn)完善焊接工藝，努力提高焊接接頭系數(shù)，使其達(dá)到GB150.1《壓力容器第1部分：通用要求》標(biāo)準(zhǔn)中所要求的φ=0.9 mm。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)上述焊接試驗(yàn)的情況和討論分析的意見(jiàn)，改進(jìn)和完善了T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼薄壁筒形壓力容器焊接及熱處理工藝，解決了產(chǎn)品試制中的焊接及其焊后熱處理技術(shù)問(wèn)題。

例如，薄壁筒形焊件的對(duì)接，焊接電流采用95～100 A；角接焊件的焊接電流采用70～80 A。焊后質(zhì)量檢驗(yàn)均符合產(chǎn)品要求。各種焊件焊接前均不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行后熱和退火，方便了操作，簡(jiǎn)化了管理。

焊接經(jīng)時(shí)效強(qiáng)化處理之后，其材料強(qiáng)度、焊接接頭強(qiáng)度、產(chǎn)品水壓爆破試驗(yàn)強(qiáng)度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品驗(yàn)收規(guī)范的要求，從而順利完成了產(chǎn)品試制任務(wù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼具有良好的焊接性，薄壁件鎢極氬弧焊不易出現(xiàn)冷裂紋，焊前不需預(yù)熱，焊后不需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

(2)T250無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼薄壁件焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接電流，防止因電流偏大而出現(xiàn)的焊接熱裂紋、咬邊等缺陷。

(3)T250鋼焊接后，通過(guò)時(shí)效才能達(dá)到超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度，其時(shí)效工序不可忽視。

[1] 干 勇, 田志凌, 董 瀚, 等. 鋼鐵材料手冊(cè)[下] [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[2] 姚春臣, 王海云, 劉贊輝, 等. T250馬氏體時(shí)效鋼筒形件真空固溶時(shí)效工藝試驗(yàn)[J]. 金屬加工(熱加工), 2015,(Z2): 100-102.

2017-01-18

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助(2015CK3024)

TG457.11

姚春臣，1953年出生，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師。主要從事材料及熱處理、焊接、航天工程等專業(yè)技術(shù)工作。