27SiMn钢中厚板焊接工艺研究

黄上甫，王梗蕊，富泉，吴自晟，郭亚峰

武汉重型机床集团有限公司 湖北武汉 430205

1 序言

27SiMn钢材料主要用于生产无缝钢管或圆钢，可制造工程机械用液压缸、旋挖钻机的钻杆、活塞杆等产品。因此，该类产品往往工作环境恶劣，需要承受较大的动载荷，要求母材必须具有较高的强度、足够的冲击韧度。目前，国内对27SiMn钢材料研究主要是针对力学性能和生产过程中热处理工艺展开，其中涉及到焊接工艺的研究极少，也主要以27SiMn钢管与一些其他钢种的异种钢焊接。此类异种钢焊接的要求一般采取“就低原则”，焊接工艺要求不高。

2 研究背景

某项目设备中的关键工件小横梁、上横梁是采用27SiMn中厚板焊接加工而成的箱型梁结构件，如图1、图2所示。上横梁中间箱型梁结构由40～75mm厚的27SiMn正火钢板焊接而成，两端头再采用27SiMn钢调质态的锻件焊接。此关键工件连接27SiMn钢的液压缸，根据使用工况用于驱动设备核心部件的调整变化，运动过程中承受动载荷。因为27SiMn钢焊接性较差，所以保证其焊接质量，成了决定该关键设备能否正常使用的重要因素。同时，该工件与27SiMn钢通常作为无缝钢管使用也有区别，因其既有正火状态的27SiMn中厚板焊接，也有调质状态的27SiMn锻件焊接。为此，开展对27SiMn钢中厚板焊接工艺的研究具有工程实用价值。

图1 小横梁结构

图2 上横梁结构

3 化学成分和力学性能

试验中试板的化学成分与力学性能分别见表1～表3。

表1 27SiMn钢板化学成分（质量分数） （%）

表3 27SiMn钢板的调质态力学性能

表2 27SiMn钢板的正火态力学性能

4 焊接性分析

从化学成分上看，27SiMn钢wC＞0.25%，且同时含有Si、Mn两种元素，因此增强了钢中碳化物的形成能力，在使其具有良好塑、韧性能的同时，也增加了钢的淬硬性和焊接接头的冷裂纹敏感性[1]。

由于试验中27SiMn钢材料超出了当下应用比较广的国际焊接协会推荐的和日本JIS标准所规定的碳当量的使用范围，因此选用美国焊接学会（AWS）提出的公式进行计算[2]，27SiMn钢的碳当量为

因27SiMn钢的CE＞0.4%，故焊接性较差，同时焊接热影响区具有较大的淬硬倾向，且焊接接头对冷裂纹比较敏感。因此，需要采取焊前预热，焊后后热处理、退火处理等工艺，才能保证焊接质量。

5 焊接工艺的确定

（1）焊接方法 目前我公司用到的焊接方法主要有氩弧焊、气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊等。通过对比以上几种焊接方法的优缺点可知：氩弧焊生产效率低，对坡口尺寸和处理要求高；焊条电弧焊生产效率较低，对焊工技能水平要求较高；气体保护焊既具有较高的生产效率，又对铆装坡口尺寸和焊工的技能水平要求较低。因此，结合本研究的产品特点，且产品内部还有很多筋板需要焊接的实际情况，最终选择熔化极气体保护焊。

（2）焊接材料 考虑正火钢板抗拉强度为550～850MPa、调质钢板抗拉强度≥800MPa的要求，选用牌号为ER69-1、φ1.2mm的气体保护焊丝。该焊丝不仅含有Si、Mn等元素，还含有较高的Ni元素，能改善焊接性，提高焊缝的塑韧性。ER69-1焊丝的化学成分见表4，力学性能见表5。

表4 ER69-1焊丝的化学成分（质量分数） （%）

表5 ER69-1焊丝的熔敷金属力学性能

（3）焊前预热 通过对27SiMn钢焊接性的分析，得知其焊接性较差，需要进行焊前预热，根据钢板碳当量和板厚，确定27SiMn钢的预热温度为150℃。同时考虑实际生产过程中板厚较厚、结构比较复杂、周围环境恶劣等多重因素影响，为了保证预热的可靠性，适当提高预热温度约为200℃。

（4）焊接参数 根据项目结构特点和NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[3]覆盖范围，采用板厚为40mm的正火+正火（平焊）、正火+正火（立焊）、正火+调质（平焊）共3组焊接工艺评定。不同焊接位置的焊接参数见表6。

表6 不同焊接位置的焊接参数

由于选用的保护气体为富氩状态，不利于熔敷金属的流动，容易产生气孔和未熔合等缺陷，因此焊工在每道焊缝焊接完成后必须进行打磨清理。同时，控制层间温度为200～250℃。

（5）焊后后热处理 为了消除焊缝冷裂纹倾向，产品焊接完成后还需要进行无损检测，无法立即进行焊后消除应力的退火处理，因此需增加焊后消氢后热处理。根据最低后热处理参考经验公式[4]，可确定最低后热温度为148℃。同时结合工件的结构形式，确认后热温度为200℃，保温2h。

（6）焊后热处理 工件后续需要进行机械加工后再装配其他零件，因此需要进行消除应力退火处理。考虑锻件调质的回火温度为500℃，最终确定正火+调质状态的焊后热处理工艺为（480±15）℃、保温7h后，随炉冷却到150～200℃出炉空冷，正火+正火状态的焊后热处理工艺为（545±15）℃、保温7h后，随炉冷却到150～200℃出炉空冷。

6 焊接工艺评定

3组试板分别按照工艺要求完成焊接、焊后后热处理、无损检测和焊后热处理，部分关键过程如图3～图6所示。

图3 焊前试板预热

图4 平焊焊接

图5 立焊焊接

图6 焊接过程测温

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》要求制作3组试板，分别进行拉伸试验、侧弯试验和冲击试验，其中拉伸试样2个、侧弯试样4个、冲击试样6个，性能检测结果见表7。

由表7可知，1#、2#正火态的焊接试板，由于母材强度为661MPa，选用的焊丝抗拉强度为730MPa，因此拉伸试验结果符合预期：断裂发生在母材上；同时抗拉强度为651～656MPa，也与母材的强度非常接近。另外，由于焊丝在－50℃下的平均冲击吸收能量约为75J，远大于母材20℃时的50J，因此焊缝的冲击吸收能量在20℃时较高，而立焊的热输入比平焊要大，因此冲击吸收能量反之要小；而热影响区的冲击吸收能量数值也在焊缝和母材冲击吸收能量之间，完全符合预期效果。至于4件侧弯试样有1件出现1条1mm的裂纹，完全符合标准要求的“侧弯不能出现单条超过3mm以上的裂纹”合格指标，该侧弯微小裂纹的出现应该与ER69-1焊丝使用富氩气体进行焊接不利于熔敷金属的流动，容易产生气孔和未熔合等缺陷有关，实际工程焊接时需要特别注意。

表7 性能检测结果

由于3#试板是正火试板与调质试板进行对接，两种状态的母材性能有较大差异，调质态母材抗拉强度比正火态高约200MPa，所以焊接试板的拉伸试验断裂在正火母材上；至于抗拉强度只有610MPa，与正火母材理论相差约40MPa，应该是试板在原钢板上切割方向导致的偏差；而焊缝和热影响区冲击吸收能量的数值比项目要求的≥39J高出许多，完全满足标准和项目指标。

7 焊接效果

通过上述焊接工艺的研究，制定了27SiMn小横梁和上横梁的焊接工艺规程，焊接参数见表8，其中全部为正火钢板的小横梁焊后进行（545±15）℃、保温7h的去应力退火处理，有调质轴头的上横梁焊后进行（480±15）℃、保温7h的去应力退火处理。

表8 27SiMn钢小横梁和上横梁焊接参数

根据以上焊接工艺，目前已经完成了该项目12件小横梁和12件上横梁的焊接生产，关键焊缝全部通过了NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分 超声检测》Ⅰ级和NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分 磁粉检测》Ⅰ级检测[5]，并得到了用户的现场确认。

8 结束语

27SiMn钢中厚板材料具有一定的特殊性，其焊接性较差，但通过采取焊前预热、焊道间打磨清理、控制层间温度、合适的焊接参数和焊后后热处理等措施，可以达到相关工程产品的焊接要求。该工艺对27SiMn钢中厚板类似工程项目的焊接，具有一定的借鉴意义。