42CrMo与Q345D锻焊齿轮焊接工艺研究

刘须收，吴建英，程 涛

（中信重工机械股份有限公司焊接工艺研究所，河南 洛阳471039）

42CrMo与Q345D锻焊齿轮焊接工艺研究

刘须收，吴建英，程 涛

（中信重工机械股份有限公司焊接工艺研究所，河南 洛阳471039）

为了提高42CrMo与Q345D异种钢的焊接质量以及焊接接头与母材的匹配度，对42CrMo与Q345D锻焊齿轮进行了埋弧焊接试验及焊接工艺评定。中碳调质钢42CrMo综合性能好，用于锻焊齿轮的齿圈中，而Q345D钢具有较好的低温（-20℃）冲击特性，同时具有一定的强度，用于腹板。评定结果显示，焊接接头拉伸、弯曲、冲击等检测结果均满足AWS D1.1：2010标准要求；焊缝及热影响区均未出现马氏体、魏氏组织等异常组织。研究表明，选择合适的焊接材料及焊接工艺，并严格控制热输入，可获得良好的焊接接头，从而达到与母材强度的良好匹配，降低焊接裂纹倾向；该试验形成的焊接工艺指导书，可用于指导车间焊接生产。

焊接；锻焊齿轮；42CrMo；Q345D；焊接材料；焊接工艺评定

铸造齿轮存在生产周期长、原材料利用率低、成本高等缺点，且在铸造过程中易出现疏松、夹渣和包沙等铸造缺陷，从而导致齿轮在使用过程中易出现断齿等问题。近年来，锻焊结构齿轮的出现[1]，已成为世界上工业发达国家制造大齿轮的一种生产手段，并将逐步淘汰目前大型齿轮制造中沿用的整体铸造结构齿轮。

42CrMo为中碳调质钢，由于其自身具有较高的强度、硬度，且具有一定的冲击韧性，被广泛应用于调质齿圈中。Q345D属于Q345系列的钢种[2]，属于低合金高强钢，具有较好的低温冲击特性[3-5]，在锻焊齿轮中是作为腹板的优质材料。近年来，中信重工机械股份有限公司将42CrMo进行调质处理，并进行锻造，然后应用到锻焊齿轮的齿圈中，将Q345D应用到焊接齿轮的腹板中。由于42CrMo钢的碳当量高[6-8]，焊接性较差[9-11]，为降低42CrMo焊接裂纹的风险，通常先在42CrMo上堆焊过渡层[12]，然后再与腹板进行焊接。本研究提出一种新的焊接方法，不堆焊过渡层，直接进行42CrMo与Q345D的焊接，并采用AWS D1.1/D1.1M：2010国际标准[13]对焊接接头进行焊接工艺评定，根据评定结果给出锻焊齿轮焊接工艺指导书WPS文件，用于指导锻焊齿轮的焊接制造。

1 试验前期准备

1.1 焊接性分析

试验母材42CrMo及Q345D的化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 42CrMo和Q345D试验用钢化学成分

表2 42CrMo和Q345D试验用钢的力学性能

根据国际焊接学会推荐的碳当量和冷裂纹敏感指数计算公式

计算可知，42CrMo碳当量及冷裂纹敏感指数分别为0.67%～0.88%和0.44%～0.54%，远远大于临界值0.40%和0.20%，具有较高的淬硬和冷裂纹敏感倾向。如果工艺不合理，可能在焊接热影响区产生大量的马氏体，导致其严重脆化，从而增大焊接接头的冷裂纹倾向。

1.2 焊接方法及焊接材料

由于埋弧焊焊接具有效率高、工人劳动强度小、焊接环境好等诸多优点，本焊接试验采用埋弧焊进行焊接。参照表2，并结合焊缝与母材等强度的原则，选择焊丝牌号为H10Mn2，焊剂牌号为SJ101，其性能见表3。焊剂焊前按照厂家提供的材质书进行烘干处理，烘干温度400℃，保温90 min。

表3 焊接材料力学性能

1.3 焊接坡口形式及焊接规范

按照国际上通用且权威性极高的的焊接工艺评定标准AWS D1.1《美国钢结构焊接规范》设计焊接坡口，如图1所示，焊接规范参数见表4。反面碳弧气刨清根和打磨至密实金属。

图1 焊接试样坡口形式

表4 焊接规范参数

2 焊接难点控制

2.1 预热温度的确定

由于42CrMo钢的碳当量及冷裂纹敏感指数高，易产生焊接裂纹，因此焊前必须预热，其目的是为了降低焊接接头的冷却速度，减少马氏体产生的几率，从而改善焊接接头组织，以降低产生冷裂纹的几率。根据预热温度经验公式T=碳当量×360℃可知，42CrMo预热温度为241～317℃，为保证焊接接头不出现焊接裂纹、降低工人劳动强度，本次焊接试验选择预热温度为250℃。

2.3 焊后缓冷

焊后立即用石棉布包裹焊接试样，以降低焊接接头的冷却速度，从而减少马氏体产生的几率，降低冷裂纹倾向。

2.4 焊接效果

采用焊丝H10Mn2和焊剂HJ431对试样进行焊接，焊缝成形美观，未出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，UT、MT检测满足AWS D1.1:2010标准要求，达到了预期效果。

3 焊接工艺评定

3.1 缩截面拉伸试验

按照AWS D1.1:2010国际标准制作缩截面板状拉伸试样，并采用ASTM A370进行拉伸试验。试验结果见表5，试样照片如图2所示。

表5 焊接接头拉伸试验结果

图2 拉伸试样

由表5可知，焊接接头强度与母材匹配，且高于母材规定的最低值470 MPa，符合标准要求。

3.2 导向弯曲试验

按照AWSD1.1:2010标准对焊接接头进行导向弯曲试验，试验结果见表6，试样照片如图3所示。

表6 导向弯曲试验结果

图3 弯曲试样

由表6可知，焊接接头弯曲试样表面未出现裂纹、气孔等缺陷，符合标准要求。

3.3 夏比冲击试验

按照AWS D1.1:2010标准对焊接接头进行夏比冲击试验，试样尺寸均为10 mm×10 mm×55 mm，试验结果见表7。

由表7可知，焊缝及热影区的冲击吸收功均高于母材规定的最低值，符合标准要求。

3.4 金相分析

对焊接接头（焊缝、热影响区及母材）分别进行金相组织分析，结果如图4～图6所示。

由图4可知，母材Q345D室温组织为珠光体+铁素体双相组织，其中铁素体为白色块状，黑色为珠光体，铁素体比例约占80%，晶粒度为8级。母材Q345D侧热影响区组织分布不均匀，其中粗晶区组织为贝氏体+铁素体，贝氏体形态为羽毛状，属于上贝氏体，它是由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的、短杆状的渗碳体组成，铁素体为块状，晶粒度为8级；热影响区细晶区组织为珠光体+铁素体，晶粒非常细小，晶粒度达到10级。

图4 Q345D母材及其热影响区显微组织 500×

图5 42CrMo母材及其热影响区显微组织 500×

图6 焊缝金相组织 500×

由图5可知，母材42CrMo室温组织为回火索氏体+贝氏体，晶粒度为7级。42CrMo侧热影响区组织分布不均匀，其中粗晶区组织为回火索氏体+贝氏体，晶粒度达到5级，细晶区组织为回火索氏体+贝氏体，晶粒度达到10级。

由图6可知，焊缝组织为贝氏体+铁素体，其中贝氏体形态与Q345D侧热影响区粗晶区不同，属于下贝氏体。

4 结 论

（1）采用埋弧焊焊接中碳调质钢42CrMo与低合金高强钢Q345D锻焊齿轮，通过选择合适的焊接材料及合理的焊接工艺，并严格控制热输入，获得了良好的焊接接头，MT、UT检测满足AWS D1.1:2010标准要求，达到了预期效果。

（2）通过AWS D1.1:2010标准对中碳调质钢42CrMo与低合金高强钢Q345D锻焊齿轮焊接接头进行焊接工艺评定，其拉伸、弯曲、冲击试验均满足标准要求，达到了预期效果。

（3）通过对中碳调质钢42CrMo与低合金高强钢Q345D锻焊齿轮焊接接头焊缝区及热影响区分别进行金相组织分析，焊缝及热影响区（包括42CrMo及Q345D侧）均未出现马氏体、魏氏组织等异常组织，焊接工艺及热输入合理，达到了预期效果。

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[2]李雪东，连尹，马振，等.25CrMo与Q345D焊接裂纹敏感性研究[J].焊接,2012（8）:34-37.

[3]向华，秦军，刘奉家.Q345E钢板低温冲击不合的原因分析与改进[J].宽厚板,2014（4）:43-46.

[4]王晶，栾兆亮.70 mm厚度Q345E钢板低温冲击吸收功[J].理化检验－物理分册,2013（8）:557-559.

[5]袁敏，包石磊，张洪才，等.化学成分与冷却速度对Q345E钢低温冲击性能的影响[J].金属热处理,2014（1）:34-37.

[6]王晓香.管线钢焊接常用的几种碳当量公式[J].焊管,2004（2）:71-73.

[7]郑磊.管线钢的碳含量和碳当量与焊接性的关系[J].焊管,2004（4）:72-73.

[8]曹继明.用碳当量CEN确定高强钢焊接预热温度[J].焊接,1995（1）:17-20.

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[10]杨怀林.ZG42CrMo大型铸钢轨道缺陷焊补工艺[J].特钢技术,2013（3）:40-41.

[11]赵朝辉，肖德政，侯小冲.回转窑托轮磨损缺陷焊接修复技术[J].金属加工,2014（6）:45-46.

[12]王宏正，于洪照.42CrMo合金钢齿轮的焊接[J].焊接,2001（11）:36-37.

[13]AWS D1.1/D1.1M：2010，美国钢结构焊接规范[S].

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

刘须收（1983—），男，硕士，主要从事焊接工艺评定、新材料、新产品的开发及研究工作。

2016-07-06

黄蔚莉