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16Mn钢管与27SiMn钢管的焊接对比

　在对16Mn钢与27SiMn钢的焊接性进行分析探讨的基础上，采取焊前预热、选用较低强度焊条和焊后保温等措施，成功地进行了匀化床的异种材质端盖和床体的焊接。
　　主题词　钢结构　焊接　工艺　方法　效果

　　我厂为中国矿业大学制造的匀化床，其端盖采用16Mn钢、床体采用27SiMn钢(中碳合金钢)。由于27SiMn钢的焊接性差，保证床体的焊接质量就成为一个难点。通过对27SiMn钢进行分析，针对问题症结之所在，参考有关资料，根据现场实际情况制订了焊接工艺，并采取可靠的预热保温措施，圆满地解决了匀化床的焊接问题。

1　焊接性分析

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

Cu

P

S

含量(%)

0.22～0.32

1.10～1.40

1.10～1.40

≤0.30

≤0.30

≤0.30

≤0.035

≤0.035

　　该钢含碳量高，合金元素含量亦多。根据各合金元素含量其碳当量计算应依据美国焊接学会提供的公式：

　　Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)

　　通过计算可知，27SiMn钢的碳当量在0.58%～0.82%之间。碳当量如此之高，表明母材有相当大的淬硬性，如无特殊控制措施，则焊接裂纹很难避免；加之端盖(厚60mm)、床体(厚26mm)壁厚匀较厚，拘束度较大，易出现较大的拘束应力，这同样会造成焊接热影响区容易产生硬脆的高碳马氏体，发生脆化现象。

2　焊接工艺的确定
　　据以上分析，端盖与床体焊接的主要问题是设法避免焊接裂纹。为此，我们从降低热影响区的淬硬性，减少焊缝的扩散氢含量，以及降低焊接区的拘束应力等几个方面入手，制定了以下焊接工艺：
　　(1)针对27SiMn钢淬硬倾向很大的特点，我们采取小线能量施焊，同时采取预热、缓冷和后热措施。因为采用小线能量减少了高温停留时间，避免了奥氏体晶粒的过热，增加了奥氏体成分的不均匀性，从而降低了奥氏体的稳定性，并通过预热和缓冷来降低冷却速度，避免了马氏体的形成，以降低焊接热影响区的淬硬性。考虑现场的实际情况，将预热温度定为250～330℃。
　　(2)接头尺寸及焊接参数分别见图1和表2(使用直径4mm的E5015焊条、电源直流反接)。

图1　接头与坡口尺寸

表2　焊接参数

焊接顺序

电流(A)

电压(V)

根　焊

170～190

27～30

填充焊

170～190

27～30

盖面焊

150～170

25～30

　　(3)27SiMn钢的抗拉强度为980MPa，而16Mn钢的抗拉强度为470～590MPa。若按照等强度原则选择焊条，则会增加焊接接头的实际拘束应力，易导致焊接区出现裂纹，故选择了低匹配接头形式，选用了抗拉强度为490MPa的E5015焊条作为焊接材料。这样，既控制了焊缝的扩散氢含量，又有效地降低了焊接区的实际拘束应力，有效地控制了冷裂纹的出现。

3　施焊方法和效果
　　(1)焊条使用前应在烤箱内烘烤到350～400℃并保温1～2h，使用时放在保温筒内，随用随取。
　　(2)焊前应将端盖与床体接头坡口及边缘20mm以内的油、锈等杂物除净。
　　(3)用氧乙炔焰对工件进行预热范围为坡口两侧150～200mm。主要以预热床体为主，预热温度用数字式测温仪测量。
　　(4)达到预热温度要求时进行定位焊，定位焊采用钟点式定位焊顺序。
　　(5)定位焊后立即清除熔渣，测量工件的温度符合要求后立即施焊。焊后立即加温至350℃，然后用石棉毡裹住焊缝，后热保温1h以上。
　　为了验证焊接工艺，对3个床体焊件的焊缝进行了磁粉探伤，未发现裂纹。采用以上工艺生产的产品使用了4年以上，效果良好。