50SiMnVB与35CrMnSiA钢TIG焊接技术

李胜鑫

（豫西工业集团有限公司，河南 南阳 474678）

0 前言

豫西工业集团有限公司研制的35CrMnSiA、50SiMnVB等一系列超高强钢，具有热敏感性强、脆硬倾向高，对热输入要求严格等特点，尤其在含碳量一定的情况下，硫、磷的含量较高，焊接范围窄，要求采用热量集中、能量高，热影响区小的方法来焊接工件。经分析与实际相结合确定采用自动TIG焊接方法进行试验研究。

1 35CrMnSiA和50SiMnVB异种钢性能分析

50SiMnVB钢是55SiMnVB钢的改良钢种，综合力学性能良好，属于兵器行业新材料。50SiMnVB钢强度高、韧性较高，已广泛应用于国防工业[1]。

1.1 35CrMnSiA化学成分和性能

35CrMnSiA钢属低合金超高强度钢，化学成分如表1所示。其淬透性较高，对热的敏感性、脆硬倾向非常强，对热量的输入要求严格，尤其在含碳量一定的情况下，硫、磷等杂质含量高，焊接范围窄，焊接电流调整宽度变窄，必须在较小电流工作段上进行，否则热裂纹倾向大。35CrMnSiA需要热量集中、能量高的焊接方法，以减少热影响区的范围[2]。

表1 35CrMnSiA钢的主要化学成分 %

1.2 50SiMnVB钢的化学成分和性能

50SiMnVB合金钢化学成分如表2所示。C是50SiMnVB钢获得强度的主要来源，钢的硬度也与含碳量有直接关系，含碳量越高，硬度越高。其他合金元素Si、Mn、Cr的主要作用是提高淬透性。此外，Mn起固溶强化和细化晶粒的作用；Si除了提高淬透性外，另一个突出作用是能使淬火后马氏体回火脆性温度移向高温，使得这种钢可以在较低的温度下回火，从而获得较高的强度；Cr也是强碳化物形成元素，加入钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。除上述合金元素以外，还加入了微合金化元素V，它能细化组织的晶粒，提高钢的强度、韧性、耐磨性；B在钢中的主要用途是增加钢的淬透性，从而节约其他稀缺、贵重的合金元素[3]。

表2 50SiMnVB钢的主要化学成分 %

1.3 35CrMnSiA和50SiMnVB钢焊接特点[4]

（1）C的扩散迁移及对高温性能的影响。因焊接接头处于高温中，且35CrMnSiA和50SiMnVB钢中的碳化物形成种类和含量不尽相同，尤其是C含量不同。在高温条件下，Cr作为强烈形成碳化物的元素，促使w（Cr）低的钢中C向w（Cr）高的焊缝金属中扩散迁移。为减少碳迁移现象或碳迁移过渡层的宽度，要求焊缝中有能增大碳活度系数的元素（如Mo、Ni），焊缝中有一定量Mo可较好地减少碳迁移的现象。

（2）过渡层形成及熔合区塑性降低。由于熔池边缘的液态金属温度较低，流动性较差，且液态停留时间较短，机械搅拌作用较弱，导致熔化的母材不能与填充金属充分混合，从而这部分焊缝中母材所占比例较大。因此在毗邻马氏体一侧熔合线的焊缝金属中，都形成一层与内部焊缝金属硬度不同的过渡层。过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加、塑性显著降低，从而降低了焊接结构的可靠性。

（3）高温造成母材金属的软化。该工件要求母材在热处理后的条件下进行焊接，其中35CrMnSiA热处理硬度要求41～45 HRC；50SiMnVB硬度要求37～41 HRC。由于高温条件下，温度过高造成热热影响区中母材金属出现回火或退火现象，形成软化现象。通常在部分淬火区软化严重。但软化是相对的：母材焊前为退火状态，焊后无软化；母材焊前为淬火+高温回火，则软化程度较低；母材焊前为淬火+低温回火，则软化程度最大。也就是说焊前母材强化程度越大，焊后的软化程度越大。为了减少软化和软化区宽度问题，采用小焊接线能量的多层焊，并保持一定的层间温度。

（4）工件之间密封。采用胶粘剂联接，该胶粘剂熔点950℃，耐热温度在600℃以上粘接强度保持80%，耐寒温度-183℃，胶层不溶于水，耐油，不耐酸碱，基本为绝缘体。在100℃下固化，调配使用方便，耐热可达600℃，具有较高的套接粘接和槽接粘接强度，但平面粘接性能较差，性脆、耐酸碱介质性能亦差。胶吸水性强，胶粘剂如粘在手上，用水冲洗即净。工件（见图1）在实际生产过程中，在胶结处焊接（尤其是在冬天温差大的情况）时，焊缝成形出现裂纹和大量气孔。为了避免焊接缺陷，在图1连接处采用阶梯式结构并开坡口并且采取预热（必要时，台阶处可加入耐火石棉）。

图1 试样示意

（5）残余应力的影响。由于产品设计的需要，两工件之间需加入钨等类型的高温合金。35CrMnSiA、50SiMnVB和钨合金材料的热膨胀系数和热导性不同，造成在焊接过程中受热不均匀、冷却不均匀，即使通过焊后热处理，焊接接头中的残余应力也难以消除。异种钢焊接接头不均匀的热收缩会重新产生残余应力，往往是有弊的。采用低碳低硅的焊丝，热量相对集中，能低稀释率的氩弧焊进行焊接。

2 35CrMnSiA和50SiMnVB钢的焊接工艺

2.1 焊接材料

选用 φ1.2 mm的 H18CrMoA 焊丝，φ1.6mm 的H30CrMnSiA焊丝，钨极直径3.2 mm。钨极端部磨成锥台形。

2.2 焊前准备

坡口加工角度偏向50SiMnVB钢一侧，如图1所示。先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；再用酒精擦拭坡口及其两侧大于100 mm内外表面，必须清除一切污物。

2.3 焊前预热

先对坡口处进行80℃～100℃的预热，观察胶结处无变化后再进行200℃～250℃的预热处理，预热应均匀和缓冷，稍微偏向50SiMnVB钢。严格控制层间温度小于等于250℃。

2.4 焊接工艺参数

焊接热输入越大，母材熔入焊缝越多，熔合比越大，同时热影响区越宽。热影响区增大，焊接残余应力也增大，易导致裂纹。焊接时，应采用相对较小的焊接参数进行小电流、快速、多层多道焊。由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%，所以第一层焊缝焊接时应尽量采用小电流和相对慢的焊接速度，以减小母材熔深。焊接工艺参数如表3所示。

表3 焊接工艺参数

2.5 焊接

自动氩弧焊前，调整好焊丝与焊枪的位置，保证焊件转动平稳。每次起弧点与避免与上次接头重合。焊接时，电弧偏向50SiMnVB钢一侧。工件、焊枪、导丝嘴相对位置如图2所示[5]。

图2 焊接位置示意

2.6 焊后热处理

焊后焊缝及热影响区处，尤其机加工时在熔合线处出现让刀的现象，需采用局部回火方式，回火温度600℃～650℃，满足机加工要求。

2.7 后热消氢

后热消氢温度200℃～250℃，保温时间不低于2 h。将局部热处理工件及时装入料筐送入连续低温回火炉进行后热。

3 施焊要点

（1）焊前清理坡口内外两侧的油污、锈迹等杂质。

（2）减少焊缝的热输入，采用薄焊道多层焊接，可减少熔深和降低稀释率。预热时，仔细观察胶结处变化，保证打底焊接的质量，出现焊接质量不合格时应及时铲除或重熔。电弧应远离钨合金一侧，减少因热膨胀系数的影响因素。

（3）采用低合金焊接材料，焊后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，选择等强度匹配焊丝。

（4）填满弧坑，避免弧坑裂纹。后热要及时，使焊缝中的氢充分逸出，减少冷裂纹的产生。

4 常见缺陷产生原因和预防

（1）控制层间温度、预热温度和冷却速度等，采用小规范多层次焊接并注意焊接角度。降低热影响区脆化和软化现象。

（2）焊枪摆动的幅度和频率不当，焊缝两边停留时间不均匀等原因，会造成盖面焊产生咬边。

（3）收弧处易产生裂纹等缺陷，收弧时应回焊填满弧坑或重熔。

5 结论

（1）根据35CrMnSiA和50SiMnVB钢的焊接特性，保证接头的焊接质量，打底焊尽量采用低碳、低硅焊丝。

（2）采取预热措施，预热温度200℃～250℃，防止冷裂纹、降低焊缝冷却速度和接头拘束度。采用热输入集中的TIG多层多道焊接，并严格控制热输入，能够满足产品性能要求。

（3）焊后热处理及消氢处理是保证焊缝综合性能和满足后续加工的关键。

[1]崔 琳.50SiMnVB钢件底表面裂纹分析[J].山西机械，1998（1）：25.

[2]刘立成，左莹璐，谷彦军.35CrMnSiA材料的TIG焊接技术[J].国防技术基础，2009（11）：57.

[3]许天已.钢铁热处理实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]史耀武.中国材料工程大典[M].北京：化学工业出版业，2005.

[5]王文翰.焊接技术手册[M].郑州：河南科学技术出版社，2001.