42CrMo與Q345D鍛焊齒輪焊接工藝研究

劉須收，吳建英，程 濤

（中信重工機(jī)械股份有限公司焊接工藝研究所，河南 洛陽471039）

42CrMo與Q345D鍛焊齒輪焊接工藝研究

劉須收，吳建英，程 濤

（中信重工機(jī)械股份有限公司焊接工藝研究所，河南 洛陽471039）

為了提高42CrMo與Q345D異種鋼的焊接質(zhì)量以及焊接接頭與母材的匹配度，對42CrMo與Q345D鍛焊齒輪進(jìn)行了埋弧焊接試驗及焊接工藝評定。中碳調(diào)質(zhì)鋼42CrMo綜合性能好，用于鍛焊齒輪的齒圈中，而Q345D鋼具有較好的低溫（-20℃）沖擊特性，同時具有一定的強(qiáng)度，用于腹板。評定結(jié)果顯示，焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊等檢測結(jié)果均滿足AWS D1.1：2010標(biāo)準(zhǔn)要求；焊縫及熱影響區(qū)均未出現(xiàn)馬氏體、魏氏組織等異常組織。研究表明，選擇合適的焊接材料及焊接工藝，并嚴(yán)格控制熱輸入，可獲得良好的焊接接頭，從而達(dá)到與母材強(qiáng)度的良好匹配，降低焊接裂紋傾向；該試驗形成的焊接工藝指導(dǎo)書，可用于指導(dǎo)車間焊接生產(chǎn)。

焊接；鍛焊齒輪；42CrMo；Q345D；焊接材料；焊接工藝評定

鑄造齒輪存在生產(chǎn)周期長、原材料利用率低、成本高等缺點，且在鑄造過程中易出現(xiàn)疏松、夾渣和包沙等鑄造缺陷，從而導(dǎo)致齒輪在使用過程中易出現(xiàn)斷齒等問題。近年來，鍛焊結(jié)構(gòu)齒輪的出現(xiàn)[1]，已成為世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造大齒輪的一種生產(chǎn)手段，并將逐步淘汰目前大型齒輪制造中沿用的整體鑄造結(jié)構(gòu)齒輪。

42CrMo為中碳調(diào)質(zhì)鋼，由于其自身具有較高的強(qiáng)度、硬度，且具有一定的沖擊韌性，被廣泛應(yīng)用于調(diào)質(zhì)齒圈中。Q345D屬于Q345系列的鋼種[2]，屬于低合金高強(qiáng)鋼，具有較好的低溫沖擊特性[3-5]，在鍛焊齒輪中是作為腹板的優(yōu)質(zhì)材料。近年來，中信重工機(jī)械股份有限公司將42CrMo進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，并進(jìn)行鍛造，然后應(yīng)用到鍛焊齒輪的齒圈中，將Q345D應(yīng)用到焊接齒輪的腹板中。由于42CrMo鋼的碳當(dāng)量高[6-8]，焊接性較差[9-11]，為降低42CrMo焊接裂紋的風(fēng)險，通常先在42CrMo上堆焊過渡層[12]，然后再與腹板進(jìn)行焊接。本研究提出一種新的焊接方法，不堆焊過渡層，直接進(jìn)行42CrMo與Q345D的焊接，并采用AWS D1.1/D1.1M：2010國際標(biāo)準(zhǔn)[13]對焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評定，根據(jù)評定結(jié)果給出鍛焊齒輪焊接工藝指導(dǎo)書WPS文件，用于指導(dǎo)鍛焊齒輪的焊接制造。

1 試驗前期準(zhǔn)備

1.1 焊接性分析

試驗?zāi)覆?2CrMo及Q345D的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 42CrMo和Q345D試驗用鋼化學(xué)成分

表2 42CrMo和Q345D試驗用鋼的力學(xué)性能

根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)計算公式

計算可知，42CrMo碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)分別為0.67%～0.88%和0.44%～0.54%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界值0.40%和0.20%，具有較高的淬硬和冷裂紋敏感傾向。如果工藝不合理，可能在焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生大量的馬氏體，導(dǎo)致其嚴(yán)重脆化，從而增大焊接接頭的冷裂紋傾向。

1.2 焊接方法及焊接材料

由于埋弧焊焊接具有效率高、工人勞動強(qiáng)度小、焊接環(huán)境好等諸多優(yōu)點，本焊接試驗采用埋弧焊進(jìn)行焊接。參照表2，并結(jié)合焊縫與母材等強(qiáng)度的原則，選擇焊絲牌號為H10Mn2，焊劑牌號為SJ101，其性能見表3。焊劑焊前按照廠家提供的材質(zhì)書進(jìn)行烘干處理，烘干溫度400℃，保溫90 min。

表3 焊接材料力學(xué)性能

1.3 焊接坡口形式及焊接規(guī)范

按照國際上通用且權(quán)威性極高的的焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》設(shè)計焊接坡口，如圖1所示，焊接規(guī)范參數(shù)見表4。反面碳弧氣刨清根和打磨至密實金屬。

圖1 焊接試樣坡口形式

表4 焊接規(guī)范參數(shù)

2 焊接難點控制

2.1 預(yù)熱溫度的確定

由于42CrMo鋼的碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)高，易產(chǎn)生焊接裂紋，因此焊前必須預(yù)熱，其目的是為了降低焊接接頭的冷卻速度，減少馬氏體產(chǎn)生的幾率，從而改善焊接接頭組織，以降低產(chǎn)生冷裂紋的幾率。根據(jù)預(yù)熱溫度經(jīng)驗公式T=碳當(dāng)量×360℃可知，42CrMo預(yù)熱溫度為241～317℃，為保證焊接接頭不出現(xiàn)焊接裂紋、降低工人勞動強(qiáng)度，本次焊接試驗選擇預(yù)熱溫度為250℃。

2.3 焊后緩冷

焊后立即用石棉布包裹焊接試樣，以降低焊接接頭的冷卻速度，從而減少馬氏體產(chǎn)生的幾率，降低冷裂紋傾向。

2.4 焊接效果

采用焊絲H10Mn2和焊劑HJ431對試樣進(jìn)行焊接，焊縫成形美觀，未出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，UT、MT檢測滿足AWS D1.1:2010標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

3 焊接工藝評定

3.1 縮截面拉伸試驗

按照AWS D1.1:2010國際標(biāo)準(zhǔn)制作縮截面板狀拉伸試樣，并采用ASTM A370進(jìn)行拉伸試驗。試驗結(jié)果見表5，試樣照片如圖2所示。

表5 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

圖2 拉伸試樣

由表5可知，焊接接頭強(qiáng)度與母材匹配，且高于母材規(guī)定的最低值470 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 導(dǎo)向彎曲試驗

按照AWSD1.1:2010標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗，試驗結(jié)果見表6，試樣照片如圖3所示。

表6 導(dǎo)向彎曲試驗結(jié)果

圖3 彎曲試樣

由表6可知，焊接接頭彎曲試樣表面未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 夏比沖擊試驗

按照AWS D1.1:2010標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭進(jìn)行夏比沖擊試驗，試樣尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm，試驗結(jié)果見表7。

由表7可知，焊縫及熱影區(qū)的沖擊吸收功均高于母材規(guī)定的最低值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 金相分析

對焊接接頭（焊縫、熱影響區(qū)及母材）分別進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4可知，母材Q345D室溫組織為珠光體+鐵素體雙相組織，其中鐵素體為白色塊狀，黑色為珠光體，鐵素體比例約占80%，晶粒度為8級。母材Q345D側(cè)熱影響區(qū)組織分布不均勻，其中粗晶區(qū)組織為貝氏體+鐵素體，貝氏體形態(tài)為羽毛狀，屬于上貝氏體，它是由許多從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的條狀鐵素體和在相鄰鐵素體條間存在的斷續(xù)的、短桿狀的滲碳體組成，鐵素體為塊狀，晶粒度為8級；熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)組織為珠光體+鐵素體，晶粒非常細(xì)小，晶粒度達(dá)到10級。

圖4 Q345D母材及其熱影響區(qū)顯微組織 500×

圖5 42CrMo母材及其熱影響區(qū)顯微組織 500×

圖6 焊縫金相組織 500×

由圖5可知，母材42CrMo室溫組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度為7級。42CrMo側(cè)熱影響區(qū)組織分布不均勻，其中粗晶區(qū)組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度達(dá)到5級，細(xì)晶區(qū)組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度達(dá)到10級。

由圖6可知，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，其中貝氏體形態(tài)與Q345D側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)不同，屬于下貝氏體。

4 結(jié) 論

（1）采用埋弧焊焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼42CrMo與低合金高強(qiáng)鋼Q345D鍛焊齒輪，通過選擇合適的焊接材料及合理的焊接工藝，并嚴(yán)格控制熱輸入，獲得了良好的焊接接頭，MT、UT檢測滿足AWS D1.1:2010標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）通過AWS D1.1:2010標(biāo)準(zhǔn)對中碳調(diào)質(zhì)鋼42CrMo與低合金高強(qiáng)鋼Q345D鍛焊齒輪焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評定，其拉伸、彎曲、沖擊試驗均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

（3）通過對中碳調(diào)質(zhì)鋼42CrMo與低合金高強(qiáng)鋼Q345D鍛焊齒輪焊接接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)分別進(jìn)行金相組織分析，焊縫及熱影響區(qū)（包括42CrMo及Q345D側(cè)）均未出現(xiàn)馬氏體、魏氏組織等異常組織，焊接工藝及熱輸入合理，達(dá)到了預(yù)期效果。

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Welding Process Research on 42CrMo and Q345D Forge Welding Gear

LIU Xushou,WU Jianying,CHENG Tao
（Welding Technology Institute,Citic heavy Industry Machinery Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China）

In order to improve the welding quality of dissimilar steel 42CrMo and Q345D,as well as the matching degree of welded joint and base metal,it conducted submerged arc welding test and welding procedure qualification for 42CrMo and Q345D forge welding gear.The comprehensive performance of medium carbon quenched and tempered steel 42CrMo is good,which was used for forge welding gear ring;Q345D steel has good low temperature(-20℃)impact characteristics,at the same time has a certain strength,was used for the ventral shield.The qualification results showed that the welded joint tensile,bending and impact test results all can meet the requirements of AWS D1.1：2010 standard;abnormal structure did not appear in weld and heat affected zone,such as martensite,widmanstatten structure and others.Research results indicated that choosing the appropriate welding material and welding process,and strictly control the heat input,can obtain the good welded joint,so as to achieve a good match with the strength of base metal,reduce the welding crack tendency.The welding process instruction formed through this test can be used to guide the welding production.

welding;forge welding gear;42CrMo;Q345D;welding material;welding procedure qualification

TG441

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.011

劉須收（1983—），男，碩士，主要從事焊接工藝評定、新材料、新產(chǎn)品的開發(fā)及研究工作。

2016-07-06

黃蔚莉