高合金钢焊接工艺的研究

高合金钢焊接工艺的研究

曹传勇李虎虎于奉军

山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100

摘要：高合金工具钢如高速钢、Cr12型钢、基体钢等，其含碳量一般高达0.70%~1.65%，合金元素含量大于10%，液固相线间隔较大，凝固时易产生严重的成分偏析，热裂纹倾向也较大；高合金钢淬透性好易得到马氏体，故冷裂倾向也大；另由于熔化焊的熔合比不易控制，过渡层的形成以及由于线膨胀系数的差异而产生的应力，都使得高合金工具钢与其它材料间的焊接更加困难。

关键词：高合金钢；焊接；过烧；控制

1.前言

从节约高合金钢，并改善工模具综合性能的角度出发，某些工模具常改进设计为中碳结构钢（45钢等）或低合金中碳钢（40Cr等）与高合金工具钢的双金属结构或复合结构；而在一些特殊场合又需要高合金工具钢与硬质合金等连接。这些结构能充分发挥不同材料性能与经济上的优势互补而在工业上获得了广泛应用。

2.高合金工具钢的熔化焊

高合金工具钢采用常规熔化焊易产生裂纹，且变形大，因而熔化焊主要是采用电弧焊、埋弧焊、直流脉冲TIG焊等，用于工模具的堆焊修复和工具的堆焊制造。此外，还有一些采用高能密度焊的场合。

2.1堆焊

高合金工具钢轧辊常用堆焊方法制造和修复，其最突出的优点是可使轧辊辊身表面具有高硬度、高耐磨性等特点，而辊颈和辊身芯部具有一定的强度和韧性，而且能节约大量的资金。20世纪80年代哈尔滨焊接研究所研制了既有高耐磨性又有良好耐冷热疲劳性的CrWNiMnSi系轧辊堆焊材料。李午申等采用CAD技术研制出一种具有优良耐磨、耐蚀、耐热性的堆焊焊条，焊前不需预热且不产生裂纹，可改善劳动条件，降低工艺成本。我国在高合金模具钢堆焊专用材料研制方面取得了不少进展，如哈尔滨焊接研究所针对热作模具堆焊，研制了高耐磨性和高耐冷热疲劳性的CrNiWMoNb等堆焊材料；中国农机研究院等开发了镍马氏体时效钢堆焊丝材。文献报道了含复合稀土锶的高速钢堆焊焊条，其抗裂性能好，韧性和硬度高，采用此种高速钢焊条堆焊修复轧钢机导板，可大幅度提高导板使用寿命；Cr12MoV钢瓷砖模具改用45钢，刃口用此种高速钢焊条堆焊后，模具寿命是原模具的l~3倍，成本是其1/2左右，且模具失效后还可现场进行堆焊修复。文献还报道了Cr12型高碳高铬莱氏体钢模具的微区直流脉冲TIG堆焊补焊修复技术，整体工件在焊接修复过程处于冷态，热影响区很小，可避免工件变形。一汽集团技术中心对3Cr2W8V热作模具钢进行了激光熔焊Ni60A、Ni45B镍基自熔合金粉末的工艺试验，涂层平均硬度达HRC64，耐磨性比基体提高3.3倍以上。堆焊也可用于工具制造。文献将整体高速钢制造的圆拉刀和花键拉刀，改为在18Cr2Ni4W圆柱形坯料上堆焊一段或几段高速钢，降低了刀具成本。

2.2高能密度焊

高能密度焊是指功率密度大于105W/cm2的电子束焊和激光焊，它们具有加热集中、热输入低、效率高，焊接变形小，热影响区窄等特点。采用电子束焊的W18Cr4V（齿部）-50CrVA（背部）双金属锯条，比原整体高速钢锯条切割速度提高了3倍，使用寿命提高了20倍。文献还报道了电子束焊的工艺参数：加速电压75kV，束流25mA，焊接速度4m/min，第一聚焦电流500mA，第二聚焦电流455mA，偏压焊接室真空度6.67Pa。双金属锯条也可采用CO2激光焊接，如在激光器输出功率0.7kW，焊接速度2m/min工艺条件下，焊后经高温回火，焊缝剪切强度可达600MPa，达到电子束焊接的质量，而且还可克服电子束焊工艺复杂、能耗大、成本高的缺点。田乃良等采用5kW的恒流CO2激光器，聚焦透镜焦距100mm，聚焦光斑直径0.35mm，在功率2.5kW，焊接速度0.9m/min条件下，将硬质合金L135与高速钢W6Mo5Cr4V2进行熔焊，达到了冶金结合。

2.3电弧焊及其它方法

文献报道了采用焊前预热、焊后保温缓冷快速短弧多层焊工艺实现了W18Cr4V/65Mn钢的焊接，获得较好的接头质量；文献报道了采用超音雾化沉积装置，高速钢在坩埚中经真空感应熔化后，直接注入雾化装置，熔融合金浇入保温漏包并经漏嘴流出，在超音速惰性气体的作用下形成雾化锥，高速钢液滴经过一定时间的飞行后直接沉积在不锈钢板基体上。基本工艺参数如下：气氛为氮气保护预真空6Pa，氮气充气压力0.045MPa，雾化压力0.8MPa，钢液过热度150，喷射焊接距离190~195mm，沉积层厚度5~6mm。采用此种喷射成形技术，在适当的喷射距离和焊接温度下，成功实现了高速钢与不锈钢的大面积焊接，获得致密度达到99.96%的高密度焊接界面。

3.高合金过烧的有效措施

产生“过烧”的根本条件有2个：氧气和温度。能消除其中之一就能解决问题。管内充氩或混合气体是国内目前通行的办法，但是经常失败。这是因为采用“小室法”充氩用纸板作为堵板，当氩弧焊打底后预热时，纸板干燥、收缩。水平固定焊时纸板倾斜，垂直固定焊时纸板则可能脱落。小口径管子采用“小室法”用卫生纸堵或全系统充氩存在预热后纸团收缩或充氩流量不足的可能。因此，充氩或混合气体隔绝氧气可靠性差。那么，还有熔渣隔绝氧气和控制温度2个办法可供考虑。

3.1熔渣隔绝氧气

焊丝涂药就是在焊丝内或外面加少量熔渣，焊后熔渣熔化在焊缝外面形成一层薄薄的渣壳，能有效地隔绝氧气。这少量熔渣在焊接过程中既可有效地隔绝空气又不妨碍焊工观察熔池。我们采用河北电科院研制的YR91-1药芯焊丝打底、CM9Cb电焊条盖面焊接T91小口径管子取得了满意的结果。工艺性能、焊接接头机械性能都较好，焊缝成型及保护良好，药皮焊丝（TIG背面自保护焊丝）的性能与药芯焊丝相仿。实芯焊丝涂药就是在实芯焊丝外面薄薄地涂上1层膏状焊剂，焊接效果与药芯焊丝相近。

3.2控制根层焊缝温度

控制根层焊缝温度就是控制根层焊缝金属内表面温度，使之达不到燃烧温度。这主要通过以下3个方面：（1）增加根层焊缝金属厚度，一般要大于3mm；（2）降低预热温度，一般要不大于100℃，或不预热；（3）减小打底后第1层焊缝金属厚度，这就要求焊丝或焊条直径尽量小，一般要不大于2.5mm，且单层焊缝金属厚不大于焊条直径；电流尽量小，能保证熔化良好就可以了。上述参数的具体数值要通过工艺试验和工艺评定得到，工艺可靠性要通过焊工培训实现。这一工艺对于刚度不大的小口径管子已有不少单位用过；而刚度大的大口径厚壁管子，通过严谨的工艺试验和工艺评定亦应不成问题。内壁产生的氧化皮对质量和设备运行是没有危害的。锅炉受热面管子可以通过锅炉酸洗消除。

4.结束语

综上所述，高合金钢的焊接技术直接影响到钢性能的发挥。做好焊接工艺控制是我们要做的重要工作。

参考文献

[1]刘中青，刘凯.异种金属焊接技术指南[M].北京：机械工业出版社，2016

[2]杨蕴林，李志，文九巴，等.结构钢与工具钢的恒温超塑性固相焊接[J].焊接学报，2017，17（1）：31-38.

[3]杨蕴林.超塑技术在模具制造中的应用[J].兵器材料科学与工程，2016，19（1）：37-43.