浅谈异种钢焊缝裂纹消除方式的优化及再焊接

陈 敏，刘闻忠，陈罗刚

（中车长江车辆有限公司，湖北 武汉 430212）

0 引言

在日常货车检修工作中，经常会发现摇枕斜面磨耗板焊缝存在裂纹的现象，而如果在裂纹消除不彻底，或用再焊接的方式掩盖焊缝裂纹时则会使焊缝再次开裂，甚至会迫使裂纹延展导致磨耗板产生裂纹。

例如，摇枕（八字面）磨耗板在焊接过程中因为焊条的运条方式不合规范导致产生焊缝缺陷（裂纹及成型缺陷）。焊缝裂纹如图1 所示。

图1 焊缝裂纹

又如，不锈钢材质的磨耗板与铸钢材质的摇枕在焊接成型过程中，因为电流电压不匹配和操作者的运条手法没有完全达到工艺文件的要求，而造成焊缝没有熔合的缺陷。焊缝未熔合如图2 所示。

图2 焊缝未熔合

1 裂纹原因

摇枕材质为铸钢件ZG230-450，斜面磨耗板为不锈钢材质即（06Cr19Ni10），是奥氏体不锈钢，这二者属于异种钢的焊接，异种钢焊接接头容易出现碳迁移。碳迁移会造成接头高温力学性能下降，焊接边界两侧分别产生富碳区和贫碳区，是裂纹产生的根源。另外，焊接参数选择不当，焊接过程中高温的影响都会造成焊接应力导致裂纹的产生[1]。八字面磨耗板与摇枕钢材的化学成分占比如表1 所示。

表1 八字面磨耗板与摇枕钢材的化学成分占比

碳当量的计算公式：

当碳当量≤0.4%，焊接性好；当碳当量为0.4%～0.6%，焊接性稍差，焊前需适当预热；当碳当量≥0.6%焊接性差，属较难焊接材料，需采用较高的预热温度和严格的工艺方案实施焊接。通过计算，摇枕的碳当量为0.44%，有明显的淬硬性倾向，当摇枕与八字面磨耗板进行焊接时，摇枕的焊接性能较差，焊前需进行预热[2]。

2 裂纹的消除方式

裂纹及缺陷的消除方式一般采用角磨砂轮机、碳弧气刨、等离子弧清除方式，其中，角磨砂轮机、碳弧气刨是传统方法，在日常中应用较为广泛，等离子弧清根和消除裂纹是较新的方法。

2.1 砂轮磨削

（1）砂轮磨削的优点。①可以用于大部分金属材料。②设备简易方便，易于操作。③磨削后坡口表面光滑，无其他异物出现，为后续焊接工作提供便利。

（2）砂轮磨削的缺点。①由于手工打磨操控难度较高，受人体差异的影响较大，很难保证坡口尺寸和形状的一致性。②砂轮磨削难以满足自动化生产的需求，劳动强度大，噪声高，磨削粉尘多，工作环境恶劣，对人身伤害较大，不利于工作人员长时间操作（尤其是在对不锈钢焊缝进行打磨时，劳动强度更大）。③受砂轮弧度影响，部分裂纹位置难以达到。

2.2 碳弧气刨

碳弧气刨是利用碳极和金属之间产生的高温电流，在较短时间内把金属局部加热到熔化状态，同时利用压缩空气产生的高速气流把这些熔化金属吹掉，从而实现对金属母材进行刨削和切割的一种加工工艺方法。碳棒在碳弧气刨时，作为电极，用作传导电流和引燃电弧，常用的是镀铜实心碳棒，镀铜的目的是更好的传导电流。外形有圆碳棒和扁碳棒两种，圆碳棒主要是用于在焊缝背面清理焊根，扁碳棒刨槽较宽，可以用于开坡口，刨焊瘤或切割量较大的金属[3]。图3 为碳弧气刨。

图3 碳弧气刨

（1）碳弧气刨的优点。①适合于清除大量/大面积的金属。②设备相对简单，对于大部分焊接接头有良好的可达性。

（2）碳弧气刨的缺点。手工操作碳弧气刨，清根后的焊缝往往宽窄不一，深浅不匀，形状和尺寸的一致性很难得到保证，同时还产生大量烟尘，必须进行有效的通风除尘。碳弧气刨清根时产生的噪声和烟气都对环境污染严重，不利于操作人员的身心健康和环保。刨后的不锈钢表面容易产生结碳现像，必须将增碳层的表面全部打磨清除，费时费力，对焊缝质量和焊接效率有直接影响。而且碳弧气刨所用碳棒，目前均使用沥青作黏结剂，因此碳弧气刨作业时，产生的有害气体中含有毒性较大的有强致癌物的苯并芘等。再者，碳棒烧损快，需不断调整碳棒伸出长度和更换碳棒，不能连续作业，导致工作效率低，操作成本高。

2.3 等离子气刨

等离子在焊切领域的应用越来越广泛，它是利用高温在喷嘴处喷射出来的高速气流离子化，从而形成导电体。当电流通过时，该气体即形成高温等离子电弧，电弧的热量使工件切口处的金属局部瞬间熔化（和蒸发），并借助高速等离子气流的动力排除熔融金属以形成切口的一种加工方法，且无渗碳现象伴随，方便后继焊接工作。

（1）等离子气刨的优点。①可以用于任何金属材料。刨后的沟槽，焊接前仅需少量或不需清理。由于刨后的表面清洁，无任何增碳，等离子气刨特别适合于铝和不锈钢材料。②比碳弧气刨噪声低。③比碳弧气刨时的烟尘发生量少。④由于刨后不增碳，焊前不需要打磨除碳。

（2）等离子气刨的缺点。①可能需要额外的保护设备。②刨的深度和可达性受所用的等离子枪限制。③设备的可移动性差，消耗品更昂贵（钨极、等离子喷嘴等）。④较高的操作电压，更容易发生电击伤害。等离子气刨与碳弧气刨的成本比较如表2 所示。

表2 等离子气刨与碳弧气刨的成本比较

3 裂纹消除后再焊接的技术要点

（1）焊接前必须将缺陷彻底清除，根据铸钢件缺陷类别，对焊接区缺陷可采用切削，碳弧气刨、等离子气刨或机械加工等方式清除。

（2）彻底清理焊接区及坡口周围20mm 内的粘砂、油污、水渍、锈蚀等异物。

（3）焊前预热，由于碳素钢的热传导率比不锈钢大得多，所以预热温度应该按碳素钢来选，比单独焊接同类碳素钢的预热温度略低一些即可，通常焊接碳素钢与奥氏体不锈钢的预热温度选为100～150℃。

（4）在条件允许的情況下，尽可能将焊缝置于水平位置进行施焊。

（5）焊接时，运条动作尽量避免做振幅较大的横向摆动，减少焊接热输入量。

（6）严格控制母材金属的稀释率，焊缝层数越多，熔合比越小，母材金属受热作用的时间越长，由于填充材料增加，使母材金属稀释率降低。铸钢件表面堆焊接时，焊道间的重叠量应大于焊道宽度的1/3。焊肉饱满，焊接面的焊缝外观平滑，无咬边的缺陷，焊波均匀，飞溅较少。焊缝高度一般与钢板接近，采用断弧焊时，焊缝长度及间隔应均匀一致。焊接时要求焊缝高度不能小于母材（焊件）的厚度。不同厚度的母材（焊件）焊接时，焊缝高度不能小于最薄母材（焊件）厚度。为解决化学成分、力学性能和耐腐蚀性等问题，一定要遵循适当的焊接工艺过程，限制母材和不锈钢磨耗板的热输入量。限制热输入会减低焊缝熔敷金属在接头低碳钢部分的稀释，反过来，却有助于保持焊缝熔敷金属的合金成分和它的耐腐蚀性。在某些不锈钢焊接中，中等热输入量也能保护接头不锈钢一侧的耐腐蚀性，避免其组织产生不希望有的相成分。例如，焊接300 系列奥氏体不锈钢时，如果在800～1400°F 停留时间过长，会析出碳化物沉淀。减少该温度区间的停留时间———选择含碳量低的母材和填充金属能防止类似问题产生。同时，使用稳定性高的填充金属（ER321 或ER347）也能保证并且进一步防止碳化物析出[4]。

（7）焊后处理。由于焊接异种钢时，两种材料的热膨胀和热传导系数不同，会引起一些困难。焊接过程中由于不锈钢侧热量较高，导致其自然膨胀和收缩。相反，碳钢由于具有良好的导热性，因此，在焊接接头冷却时冷却速度更快，结构收缩也更快。这势必会造成异种钢焊接时产生翘曲和错位。当两种母材金属的热膨胀和收缩差异所产生的内应力超过了任一种母材的强度时，就会引起开裂。焊接不锈钢和碳钢时，针对这两个问题，要避免较高拘束度的焊接接头，以免焊接接头加热和冷却时产生的高应力。如果确实要焊接高拘束度焊接结构，采用中等热输入和预热来延迟焊缝完成后接头的冷却速度。最后一道焊道完成后对接头进行保温也能减缓冷却速度，防止热应力开裂。

据下发的工艺文件，焊条选用标号为A307 的不锈钢焊条，且须在烘箱内经250～300℃烘干1～2h。如果铸钢侧厚度大于30mm 需预热到100℃，但焊接层间温度控制在150℃以下，焊接时尽量采用小直径焊条，焊条热量中心偏向不锈钢侧，无论何种不锈钢与铸钢或碳钢焊接，用标号为A307 的奥氏体不锈钢焊条就可。为减小焊缝熔合比，减小热输入量，除了正确选择焊条外，还要合理地控制焊接工艺参数，如采用小电流、短弧、快速焊、运条尽量不作横向摆动等。直流反接，电弧稳定，飞溅少[5]。根据以上技术要点再次焊接后的实际情况如图4 所示。

图4 根据以上技术要点再次焊接后的实际情况

4 结语

如上分析，当异种钢（不锈钢与铸钢）出现焊缝裂纹时，在各方条件较为允许的情况之下，采用等离子气刨的方式来消除裂纹是最经济高效的，更能为裂纹消除后的再焊接提供一些便利。处理过后的焊缝表面应清理干净，保持光滑。不得有焊瘤，凹坑等缺陷。焊接件接合处的錯位必须打磨平滑过渡。焊缝表面不应有气孔、裂纹、夹渣、未熔合和未焊透的情况出现。