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蒡 3 9卷第 8期 2 0 0 2年 8月 壹 珏器 l 1 Vo 1 3 9 No 8 Au g u s t 2 0 0 2 堵 碳钢与无磁钢焊接工艺设计 李 静， 李忠顺， 曹凤辉 沈阳变压器有限责任公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 5 摘 要 阐述 了Q 2 3 5钢与2 0 Mn 2 3 A I 钢焊接裂纹 的产生机理和影响 因素． 提出了解决焊接裂纹 的5 - 艺h - 法和 关 键 词 变压 器 ； 焊接 ； 裂 纹 ； 工 艺 中国分类号 T M4 0 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 8 4 2 5 2 0 0 2 0 8 0 0 2 4 0 3 1前言 降低高电压 、 大容量变压器结构损耗的合 理 、 简 单 的方 法 是 在 变 压 器 漏 磁 密 度 集 中 的部 位 ，如 油 箱 出线部位 ， 采用无磁 钢板 做隔磁部件 。由于采用 1 8 8奥 氏 体 钢 不 仅 价 格 昂 贵 ， 且 加 工 费 用 高 ， 因 此 ， 目 前变 压 器制 造 中 已大 量 采 用 铁 锰 铝 系 无磁 钢 。 我公 司现在 应用 的 隔 磁 钢 板 材 料 是 2 0 Mn 2 3 A l 。 在 变 压 器 生产中 ，其应用 的形 式是 与油箱 的 Q 2 3 5钢板焊 接 连 接0 2 3 5钢 与 2 0 Mn 2 3 A 1 钢 的 焊 接 是 异 种 钢 焊 接 ， 焊 接 时 常 常 出 现 焊 接 裂 纹 ， 这 个 问题 一 直 影 响 着 变 哑器 油箱 的 密 封 性 能 本 文着 重 从 理 论 上 研 讨 此 异种钢焊接裂纹的产生机理和影响 因素 ，并提 出解 决 焊 接 裂 纹 的 初 步 工 艺 方 案 。 2 Q 2 3 5 钢与 2 0 Mn 2 3 A I 钢的可焊性分析 Q 2 3 5钢是普通碳 素钢 ， 具有相 当好 的可焊性 。 2 0 Mn 2 3 A l 钢 属 低 温 钢 ， 韧 性 好 ， 金 相 组 织 为 奥 氏体 ， 其本 身焊接不易产 生裂纹 和其 他缺陷 ， 具有较 好 的可 焊 性 一 那 么， 为什么 Q 2 3 5钢 与 2 0 Mn 2 3 A1 钢焊接会产 生焊 接 裂 纹 呢 我 们 从 以下 几 个 方 面 来 分 析 。 2 ． 1 焊缝 稀释 及 过 渡 层 形 成 92 3 5钢与 2 0 Mn 2 3 A1 钢 焊接 图 ，如 图 1所示 ， 接 头 由 0 2 3 5母 材 、 填 充 金 属 奥 氏 体 焊 条 、 部 分 图 1 Q2 3 5锕与 2 0 Mn 2 3 A I 钢 焊 接图 2 0 Mn 2 3 Al 母 材 金 属 组 成 。 由舍 夫 勒 组 织 图可 知 ，焊 缝 的化 学 成 分 决 定 着 焊缝 的组 织状 态 。例 如 ， 采 用奥 1 0 2焊 条 ， 焊 接 A3 钢 与 1 C r l 8 N i 9 T i 钢 时 ， 焊 缝 金 属 可 视 为 部 分 母 材 金 属 当量成分 为某一个 数值 ， 假 定母材熔 化量 相等 与焊 条填 充金 属 当量成分 为某一个数值 熔混 而 成 。 根 据 其 当量 成 分 可 在 舍 夫 勒 组 织 图 中 图 2 找 到填 充金 属 焊 条 的 焊 缝 组 织 。如 母 材 的熔 和 比为 3 0 ％ 4 0 ％时 ， 焊 缝 的 组 织 为 奥 氏 体 加 马 氏 体 ； 如 果 选 用 奥 3 0 7焊 条 填 充 金 属 改 变 ， 熔 和 比 为 4 0 ％ 、 则 焊 缝 为奥 氏 体 组 织 ；若 母 材 的 熔 和 比 为 3 0 ％时 ， 则焊缝 为含 2 ％铁素体的 双组织 。从 以上不难看 出， 只要 知道焊缝 的化学成 分并 分别 折算成 当量成 分 ， 就 可 以估 计 出焊 缝 的组 织 状 态 。从 而 判 断 出焊 接 裂 纹 的 可能 性 。 宝 2 U 昌 ． Z 艺 Lr m ％ Cr Mo 1 ． 5 Si 0． 5 Nb． ％ 图 2舍夫 勒组 织图 A 奥 氏体M 马氏体F 铁素体 Q 2 3 5钢母 材不含合金元 素或含量很低 ， 所 以它 对整个焊缝金属 的合金成 分具有 冲淡作用 亦 即稀 释 。 由于 Q 2 3 5母材对焊 缝的稀 释作 用 ， 使 焊缝的 维普资讯 第 H期 李 静 、 李 忠顺 、 曹凤辉 碳钢与 无磁 钢焊 接工艺 设计 2 5 奥 氏体化形成元素 C r 、 Ni 、 Mn等 不 足 当量 成分改 变 ， 结 果焊缝 出现 马 氏体组织 ， 从 而恶化 了接 头质 量 ． 引起焊接 裂纹 从 以上 所 述 得 出 ， 焊 缝 金 属 组 织 与 填 充 金 属 即 焊 条 成 分 和母 材 熔 和 比 有 密 切 关 系 。 在 焊 接 热 源 的 作 用 下 ，熔 化 的母 材 与填 充 金 属 相 互 混 合的 程度 在 熔 池 内 和边 缘 是 不 等 的 在熔 池 边缘 ． 熔化 的母材 和填充金 属不能充分地混合 ， 结果 在 这 一 部 分 焊缝 金 属 中 ， 母 材 所 占 比例 较 大 。 越靠 近 熔 和线 ， 母 材 所 占 比例 越 大 ， 与 焊 缝 内部 成 分 有 很 大 同 、 这样 ， 靠近熔 和线 处就形成 了“ 过渡层 ” 。这一 过渡层 由于 Q 2 3 5母材 稀释作用 ，常 常是 马 氏体 和 奥氏体加马氏体组 织。 由于马氏体组织 高硬度 、 高脆 性 ． 很 容易 导 致 接 头 的破 坏 断 裂 。从 以上 看 出 焊接接头熔 和线 过渡层 部位 是焊接裂纹易 发区 适 当增 大 焊 接 电 流 ，会 增 大 液 态 金 属 在 高 温 下 的 停 留 时 间 ，加 强熔 池 搅 拌 作 用 和熔 池 边 缘 金属 的 流 动 ， 使 过 渡 层 宽 度 减 小 提高焊缝 中奥氏体化元素 的含量可降低过渡 层的 影 响 2 ． 2熔 和 区 扩散 层 的形 成 焊接接头在高温时 ， 由于碳 等能在接头 中扩散 ， 所 以在熔 和区将形成 “ 扩散 层” 。碳从 Q 2 3 5碳钢 一 侧通过熔 和线向奥氏体焊缝扩散 ，结果在靠近熔 和 线 和 碳 钢 母 材 上形 成 了铁 素 体 脱 碳 层 而软 化 。 而 在 奥 氏体焊缝一侧 ， 则形成增碳 层 。 由于脱碳层 和增碳 层 变形阻力不 同， 将 引起应 力集 中， 从 而降低接头 强 度和 塑 性 ． 使 接 头 沿 熔 和 区 发 生 破 坏 甚 至 发 生 断 裂 。 有试验结果表 明 ， 影 响扩散的因素为 接 头 加 热 温 度 和 高 温 停 留 时 间 的影 响 单层焊缝 ． 即使采用 大线 能量焊接规范 ， 扩散层 也是很弱的 。而把焊接 接头重新加 热 5 0 0 c 左 右 ， 并保温一定时间 ． 扩散层 会加宽 。由此可见 ， 重复加 热 或 热 处 理 是 不 适 宜 的 。 化 学 成 分 的 影 响 焊 缝 中 的 碳 化 物 形 成 元 素 F e 、 Mn 、 C r 、 Mo等 越 多 ， 扩散层越宽 。 在焊缝 中存有碳化物形成元 素的情 况 下 ， 碳 钢 中含 碳 量 越高 ， 扩 散 层 的发 展 越 强 烈 。镍 是石墨化 元素 ， 它降低碳化 物的稳定性 ， 并削弱碳化 物形成元素对碳 的结合能力 ， 因而 ， 提 高焊缝 中镍 的 含量 ， 可 以减弱扩散层 。可 见 ， 提高焊缝 中的奥 氏体 化 能 力也 是一 种 抑 制熔 和 区扩 散 层 的有 效 手 段 。 2 ． 3焊 缝 接 头 应 力 状 态 及 结 晶 组 织 的 特 点 由于碳 钢组织 与奥 氏体组织线 膨胀 系数不 同 ， 焊接 时常常 产生很 大的应力 ，致使 焊缝 和熔和线附 近金 属受 压缩 作用 如 图 3 ， 焊接 时产 生 的应 力可 导 致 接 头 在 焊 缝 与母 材边 界 上 断 裂 。 应 该 指 出 ． 结 构 刚性拘束产生 的应力也 是结构断裂破坏 的一个 主要 因 素 。 图 3接 头 应 力 分 布 3焊接工艺的确定 通 过 以 上 可 焊 性 分 析 ，此 异 种 钢 的 焊 接 工 艺 可 以从 下 几方 面考 虑 3 ． 1 焊 接 方 法 的选 择 焊 接 此 异 种 钢 时 ， 除 应 考 虑 生 产 率 外 ， 还 应 考 虑 熔 和 比的影 响。 如前所 述 ， 熔 和 比对于母材对焊缝的 稀 释 有 着 重 要 的 影 响 。 焊 接 时 应 尽 量 减 少 熔 和 比 ， 以 降低 稀释作用 。虽 然影 响熔 和 比的因素有 多种 ， 但 是 ， 焊接方 法是主要 的。有试验结 果表 明 见 图 4 ． 在 可应用的焊 接方法范 围内 ，除了非熔 化极气体保 护 焊 方 法外 ， 手 工 电弧 焊 的 熔 和 比较 低 ， 且 钛 钙 型 药 皮的焊条更低 。 由于手工 电弧焊 的熔 和 比较小 ， 不受 工 件限制 ， 所 以可优先选择 手工 电弧焊接 的方法 3 ． 2焊 接 材料 的选 择 1 考 虑 Q 2 3 5母材对熔缝 的稀释作用及抑制熔 熔 合 比增 大 方 向 图 4焊 接方法 与熔 合 比 维普资讯 2 6 蚤r 圭 3 9 亳 和 区中 的扩散 ， 宜 选奥 氏体化 能 力强 的 高合 金焊 条 。 2 考 虑 避 免 焊 缝 出现 热 裂纹 ， 焊 条 的 含 镍 量 不 能 过 高 ， 且 要 含 有 铁 素 或 碳 化 物 形 成元 素 ， 以形 成 少 量 的 铁素 体或 碳 化 物 ， 破 坏 粗 大 的柱 状 晶组 织 。 4 焊 接工 艺 要点 1 选 择 与 制 定 焊 接 规 范 时 ， 应 选 择 小 直 径 焊 条 ， 小 电流 ， 高 电压 ， 快 速 焊 接 表 】 表 1焊 接 参 数 箱 盖或 壁厚／ mm 焊条 直径／ m m 焊 接 电流／ A 6 中4 1 3 0 1 7 0 1 3 0 1 7 0 8 4或 5 1 6 0 -21 O 1 2～1 6 中5 2 选 用 较 大 的焊 接 坡 口 图 5 。 图 5焊 接 坡 口 3 清理 焊 口 焊 前要彻底 清理 工件坡 口及 边 缘 ． 同时 将 焊 条 烘 干 4 焊 “ 隔 离 层 ” 。 在 正 式 多 层 焊 之前 ， 先 在 Q2 3 5 碳钢坡 口边缘 堆焊一层 奥 氏体 钢焊线 即用奥 3 0 2 焊 条 焊 接 。 如 图 6 。 隔 离 层 I室 I 6 5 采用 多焊层 、 多焊道 。 控制层 间温度在 2 0 0 ～ 3 0 0 ％ 以下 ， 多 层 焊 接 的根 部 焊 接 时 ， 选 用 奥 氏体 能 力较 强 的填 充 材 料 ， 如 奥 3 0 2焊 条 。 6 焊 接 每 层 后 要 锤 击 焊 缝 ， 以提 高 其 抗 热 裂 纹 能力 ， 焊缝余高 为 0 ～ l mm。 5结论 造成 变压 器油 箱 中 Q 2 3 5钢 与 2 0 Mn 2 3 A 1 钢焊 接处 裂纹 因素虽然很 多 ， 但填充金属 焊条 、 焊接线 能 量 焊 接 规 范 是 最 主要 的 。 因此 ， 碳 钢 与 无 磁 钢 焊 接 工 艺 的制 定 要 首 选 给 出正 确 的 焊 接 材 料 ，焊 接 参 数 及 程 序 。 参 考 文 献 l 1 ] 周振丰．金属熔焊原理及工艺 第 1 版 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版 社 ， 1 9 8 1 ． [ 2 ] 王 健安 ．金 属学 及热处 理 第 1版 [ M] ．北京 机 械工 业 出版 社 ，1 9 8 0 ． [ 3 ] 中国机械 工业学 会焊 接学 会．焊接 技术 手册 [ M] ．机械 工 业 出 版 社 ，1 9 9 2 ． De s i g n o f We l d i n g P r o c e s s o f Ca r b o n S t e e l a n d No n - Ma g n e t i c S t e e l LI J i n g ,LI Zh o n g- s h u n ,C AO Fe n g- h u i S h e n y a n g T r a n s f o r m e r C o ． ， L t d ． ，S h e n y a n g 1 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e f a c t o r s a n d p r i n c i p l e o f w e l d i n g c r a c k s o f Q2 3 5 a n d 2 0 Mn 2 3 A I s t e e l a r e d i s c u s s e d Tbe t e c h ni qu e s a n d me a s ur e s t o s o l v e we l di n g c r a c k s a r e pr e s e nt e d． Ke y w o r d s T r a n s f o r me r ,“We l d ,“C r a c k ；Pr o c e s s 收稿 日期 2 0 0 2 0 1 1 5 作 者简 介 李i 1 9 6 0 一 ． 女 ， 辽 宁省 辽 阳县人 ， 沈 阳变压 器有 限 责任 公 司工艺 处 高级 工 程师 ， 从事 变 压器 焊接 工 艺工作 ； 李忠顺 1 9 6 ， 男 ． 山东省沂水县人 ， 沈 阳变压器有限责任公司焊接车间高级工程师 ， 从事 变压器焊接工艺 工 作 ； 曹风辉 1 9 6 4 一 ， 男 ． 吉林 省 目 县 人 ． 沈 阳变压 器有 限责 任公 司焊接 车 间高级 工 程师 ，从 事焊 接工 艺 工 作 维普资讯