淺談異種鋼焊縫裂紋消除方式的優化及再焊接

陳 敏，劉聞忠，陳羅剛

（中車長江車輛有限公司，湖北 武漢 430212）

0 引言

在日常貨車檢修工作中，經常會發現搖枕斜面磨耗板焊縫存在裂紋的現象，而如果在裂紋消除不徹底，或用再焊接的方式掩蓋焊縫裂紋時則會使焊縫再次開裂，甚至會迫使裂紋延展導致磨耗板產生裂紋。

例如，搖枕（八字面）磨耗板在焊接過程中因為焊條的運條方式不合規范導致產生焊縫缺陷（裂紋及成型缺陷）。焊縫裂紋如圖1 所示。

圖1 焊縫裂紋

又如，不銹鋼材質的磨耗板與鑄鋼材質的搖枕在焊接成型過程中，因為電流電壓不匹配和操作者的運條手法沒有完全達到工藝文件的要求，而造成焊縫沒有熔合的缺陷。焊縫未熔合如圖2 所示。

圖2 焊縫未熔合

1 裂紋原因

搖枕材質為鑄鋼件ZG230-450，斜面磨耗板為不銹鋼材質即（06Cr19Ni10），是奧氏體不銹鋼，這二者屬于異種鋼的焊接，異種鋼焊接接頭容易出現碳遷移。碳遷移會造成接頭高溫力學性能下降，焊接邊界兩側分別產生富碳區和貧碳區，是裂紋產生的根源。另外，焊接參數選擇不當，焊接過程中高溫的影響都會造成焊接應力導致裂紋的產生[1]。八字面磨耗板與搖枕鋼材的化學成分占比如表1 所示。

表1 八字面磨耗板與搖枕鋼材的化學成分占比

碳當量的計算公式：

當碳當量≤0.4%，焊接性好；當碳當量為0.4%～0.6%，焊接性稍差，焊前需適當預熱；當碳當量≥0.6%焊接性差，屬較難焊接材料，需采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方案實施焊接。通過計算，搖枕的碳當量為0.44%，有明顯的淬硬性傾向，當搖枕與八字面磨耗板進行焊接時，搖枕的焊接性能較差，焊前需進行預熱[2]。

2 裂紋的消除方式

裂紋及缺陷的消除方式一般采用角磨砂輪機、碳弧氣刨、等離子弧清除方式，其中，角磨砂輪機、碳弧氣刨是傳統方法，在日常中應用較為廣泛，等離子弧清根和消除裂紋是較新的方法。

2.1 砂輪磨削

（1）砂輪磨削的優點。①可以用于大部分金屬材料。②設備簡易方便，易于操作。③磨削后坡口表面光滑，無其他異物出現，為后續焊接工作提供便利。

（2）砂輪磨削的缺點。①由于手工打磨操控難度較高，受人體差異的影響較大，很難保證坡口尺寸和形狀的一致性。②砂輪磨削難以滿足自動化生產的需求，勞動強度大，噪聲高，磨削粉塵多，工作環境惡劣，對人身傷害較大，不利于工作人員長時間操作（尤其是在對不銹鋼焊縫進行打磨時，勞動強度更大）。③受砂輪弧度影響，部分裂紋位置難以達到。

2.2 碳弧氣刨

碳弧氣刨是利用碳極和金屬之間產生的高溫電流，在較短時間內把金屬局部加熱到熔化狀態，同時利用壓縮空氣產生的高速氣流把這些熔化金屬吹掉，從而實現對金屬母材進行刨削和切割的一種加工工藝方法。碳棒在碳弧氣刨時，作為電極，用作傳導電流和引燃電弧，常用的是鍍銅實心碳棒，鍍銅的目的是更好的傳導電流。外形有圓碳棒和扁碳棒兩種，圓碳棒主要是用于在焊縫背面清理焊根，扁碳棒刨槽較寬，可以用于開坡口，刨焊瘤或切割量較大的金屬[3]。圖3 為碳弧氣刨。

圖3 碳弧氣刨

（1）碳弧氣刨的優點。①適合于清除大量/大面積的金屬。②設備相對簡單，對于大部分焊接接頭有良好的可達性。

（2）碳弧氣刨的缺點。手工操作碳弧氣刨，清根后的焊縫往往寬窄不一，深淺不勻，形狀和尺寸的一致性很難得到保證，同時還產生大量煙塵，必須進行有效的通風除塵。碳弧氣刨清根時產生的噪聲和煙氣都對環境污染嚴重，不利于操作人員的身心健康和環保。刨后的不銹鋼表面容易產生結碳現像，必須將增碳層的表面全部打磨清除，費時費力，對焊縫質量和焊接效率有直接影響。而且碳弧氣刨所用碳棒，目前均使用瀝青作黏結劑，因此碳弧氣刨作業時，產生的有害氣體中含有毒性較大的有強致癌物的苯并芘等。再者，碳棒燒損快，需不斷調整碳棒伸出長度和更換碳棒，不能連續作業，導致工作效率低，操作成本高。

2.3 等離子氣刨

等離子在焊切領域的應用越來越廣泛，它是利用高溫在噴嘴處噴射出來的高速氣流離子化，從而形成導電體。當電流通過時，該氣體即形成高溫等離子電弧，電弧的熱量使工件切口處的金屬局部瞬間熔化（和蒸發），并借助高速等離子氣流的動力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法，且無滲碳現象伴隨，方便后繼焊接工作。

（1）等離子氣刨的優點。①可以用于任何金屬材料。刨后的溝槽，焊接前僅需少量或不需清理。由于刨后的表面清潔，無任何增碳，等離子氣刨特別適合于鋁和不銹鋼材料。②比碳弧氣刨噪聲低。③比碳弧氣刨時的煙塵發生量少。④由于刨后不增碳，焊前不需要打磨除碳。

（2）等離子氣刨的缺點。①可能需要額外的保護設備。②刨的深度和可達性受所用的等離子槍限制。③設備的可移動性差，消耗品更昂貴（鎢極、等離子噴嘴等）。④較高的操作電壓，更容易發生電擊傷害。等離子氣刨與碳弧氣刨的成本比較如表2 所示。

表2 等離子氣刨與碳弧氣刨的成本比較

3 裂紋消除后再焊接的技術要點

（1）焊接前必須將缺陷徹底清除，根據鑄鋼件缺陷類別，對焊接區缺陷可采用切削，碳弧氣刨、等離子氣刨或機械加工等方式清除。

（2）徹底清理焊接區及坡口周圍20mm 內的粘砂、油污、水漬、銹蝕等異物。

（3）焊前預熱，由于碳素鋼的熱傳導率比不銹鋼大得多，所以預熱溫度應該按碳素鋼來選，比單獨焊接同類碳素鋼的預熱溫度略低一些即可，通常焊接碳素鋼與奧氏體不銹鋼的預熱溫度選為100～150℃。

（4）在條件允許的情況下，盡可能將焊縫置于水平位置進行施焊。

（5）焊接時，運條動作盡量避免做振幅較大的橫向擺動，減少焊接熱輸入量。

（6）嚴格控制母材金屬的稀釋率，焊縫層數越多，熔合比越小，母材金屬受熱作用的時間越長，由于填充材料增加，使母材金屬稀釋率降低。鑄鋼件表面堆焊接時，焊道間的重疊量應大于焊道寬度的1/3。焊肉飽滿，焊接面的焊縫外觀平滑，無咬邊的缺陷，焊波均勻，飛濺較少。焊縫高度一般與鋼板接近，采用斷弧焊時，焊縫長度及間隔應均勻一致。焊接時要求焊縫高度不能小于母材（焊件）的厚度。不同厚度的母材（焊件）焊接時，焊縫高度不能小于最薄母材（焊件）厚度。為解決化學成分、力學性能和耐腐蝕性等問題，一定要遵循適當的焊接工藝過程，限制母材和不銹鋼磨耗板的熱輸入量。限制熱輸入會減低焊縫熔敷金屬在接頭低碳鋼部分的稀釋，反過來，卻有助于保持焊縫熔敷金屬的合金成分和它的耐腐蝕性。在某些不銹鋼焊接中，中等熱輸入量也能保護接頭不銹鋼一側的耐腐蝕性，避免其組織產生不希望有的相成分。例如，焊接300 系列奧氏體不銹鋼時，如果在800～1400°F 停留時間過長，會析出碳化物沉淀。減少該溫度區間的停留時間———選擇含碳量低的母材和填充金屬能防止類似問題產生。同時，使用穩定性高的填充金屬（ER321 或ER347）也能保證并且進一步防止碳化物析出[4]。

（7）焊后處理。由于焊接異種鋼時，兩種材料的熱膨脹和熱傳導系數不同，會引起一些困難。焊接過程中由于不銹鋼側熱量較高，導致其自然膨脹和收縮。相反，碳鋼由于具有良好的導熱性，因此，在焊接接頭冷卻時冷卻速度更快，結構收縮也更快。這勢必會造成異種鋼焊接時產生翹曲和錯位。當兩種母材金屬的熱膨脹和收縮差異所產生的內應力超過了任一種母材的強度時，就會引起開裂。焊接不銹鋼和碳鋼時，針對這兩個問題，要避免較高拘束度的焊接接頭，以免焊接接頭加熱和冷卻時產生的高應力。如果確實要焊接高拘束度焊接結構，采用中等熱輸入和預熱來延遲焊縫完成后接頭的冷卻速度。最后一道焊道完成后對接頭進行保溫也能減緩冷卻速度，防止熱應力開裂。

據下發的工藝文件，焊條選用標號為A307 的不銹鋼焊條，且須在烘箱內經250～300℃烘干1～2h。如果鑄鋼側厚度大于30mm 需預熱到100℃，但焊接層間溫度控制在150℃以下，焊接時盡量采用小直徑焊條，焊條熱量中心偏向不銹鋼側，無論何種不銹鋼與鑄鋼或碳鋼焊接，用標號為A307 的奧氏體不銹鋼焊條就可。為減小焊縫熔合比，減小熱輸入量，除了正確選擇焊條外，還要合理地控制焊接工藝參數，如采用小電流、短弧、快速焊、運條盡量不作橫向擺動等。直流反接，電弧穩定，飛濺少[5]。根據以上技術要點再次焊接后的實際情況如圖4 所示。

圖4 根據以上技術要點再次焊接后的實際情況

4 結語

如上分析，當異種鋼（不銹鋼與鑄鋼）出現焊縫裂紋時，在各方條件較為允許的情況之下，采用等離子氣刨的方式來消除裂紋是最經濟高效的，更能為裂紋消除后的再焊接提供一些便利。處理過后的焊縫表面應清理干凈，保持光滑。不得有焊瘤，凹坑等缺陷。焊接件接合處的錯位必須打磨平滑過渡。焊縫表面不應有氣孔、裂紋、夾渣、未熔合和未焊透的情況出現。