摘要：对单体液压支柱氮化焊接工艺与规程进行了系统的分析和研究，优化了产品生产工艺，取得了较好效果.
关键词：氮化；焊接；脆断；坡口焊缝
中图法分类号：TG115

The Effect of Nitrogen Treatment on the Organization and
Function of Welding Seams of Single Hydraulic Props

Xu Jing Chen Jianxin Li Gui
(Jixi Coal Special Purpose Equipment Plant)

Abstract：The paper provides a systematic analysis and study of nitrogen welding techniques and rules of single hydraulic props and offers an optimum operation with better results.
Keywords：nitrogen　treatment,welding,fragile　break,slope　cut

0　引言

　　为了提高钢的耐磨和防腐等性能，对矿用抗炮崩单体液压支柱表面要进行氮化处理.然而氮化对焊缝组织和性能（主要指韧性）有何影响，其机理如何，对工艺的要求不明确，有时，造成单体柱运输使用中产生脆性断裂等现象，出现严重后果。结合我厂产品，在27SiMn材料中用CO2气体保护焊和氮化，通过对比试验和金相分析，研究氮化和焊接的先后顺序及氮化对焊缝组织和性能的影响，对产品的工艺进行了相应的调整。

1　试验设备和材料

　　母材：27SiMn管材
　　焊丝：Ho8Mn2SiA　1.2
　　焊接设备：日本大阪产CPZX-500型半自动CO2气体保护焊机。
　　试验设备：WE-60液压式万能材料试验机，冲击试验机，金相显微镜。

2　试验方法

2.1模拟焊接工件进行破坏性试验

　　将6件试样（尺寸见图1,技术要求见表1）分别用CO2气体保护焊按相同的工艺参数进行焊接，并按要求进行相应的处理，将焊件以料缝为中心对称放置，支撑二点，然后在焊缝处施加压力p(见图2),对焊缝进行破坏性试验，其数据见表2

图1试件

图2焊缝处受力

表1工件试验方式

表2试验测得的破坏压力

按下列公式对焊缝进行实际破坏应力[1]计算：

式中：M=p/2.L/2,材料破坏弯矩；
　　　W—材料截面模数；
　　　D—焊缝外径；
　　　d—焊缝内径．
　　　计算结果和实验观察情况见表3。

表3各种试验方法测试结果对比

　　从实验结果分析，氮化时氨气分解的氮除与铁和合金元素形成固熔体氮化物之外，还有一部分游离态的氮原子，在焊接时析出，形成氮气，氮化后立即进行焊接，焊缝凝固速度快，氮气来不及析出而形成气孔，这是形成气孔的主要原因*也有一部分氮化物在高温电弧作用下分解出氮，而形成微量气孔.工件氮化后经较长时间存放或时效处理，游离态的氮基本上可以全部溢出，因而在焊接时仅有微量的气孔产生.当氮化层全部切掉后进行焊接时，因为氮气的来源被去除，因此，焊缝断面也就未发现气孔.以试验结果看，Ⅲ号件工艺比较理想，可以得到强度高韧性好的焊缝.

2.2冲击和拉伸试验

　　模拟产品工件进行热处理、焊接等工序，然后按标准制成拉伸试样、冲击试样各32个，按母材和焊缝两大类，分8个组进行拉伸和冲击试验．每组取4个试样的平均值，见表4、5．

表4不同工艺测得的母材数据

表5不同工艺测得的焊缝数据

通过表4、5数据分析可以看出：

　　(1)27SiMn管材冲击韧性提高10J/cm2,而抗拉强度影响不大．
　　(2)27SiMn管材调质、氮化水冷比空冷冲击韧性提高16J/cm2,而抗拉强度影响不大．
　　(3)先氮化、空冷、焊接比先焊接后氮化空冷冲击韧性提高5.3J/cm2,而抗拉强度提高56.7N/mm2
　　(4)调质、氮化、水冷、焊接比调质、焊接、氮化、水冷冲击韧性提高3.4J/cm2．

3　焊缝产生脆断的原因

　　首先，氮化是在51010℃，经15h,然后在空气中缓冷，正在高温回火脆性的温

度范围内*焊缝脆断基本上应属于高温回火脆性[2]所致．

　　其次，钢的化学成分是影响高温回火脆性的内在因素．钢中加入C、P、Cr、Mn等元素，对回火脆性影响较大，而现采用的Ho8Mn2SiA[3]焊丝，碳含量为0.11%,Mn含量为2%,而母材中也含有0.27%的C和1%的Mn．因此，从整体焊缝来看，也具备了出现高温回火脆性的必要条件．

　　再次，从焊缝断口（垂直于断口）金相试片可见，试片a裂缝附近晶粒粗大，即晶界减少*这样，可使杂质元素在晶界偏聚的浓度增高，晶界强度减弱并变脆．试样b断口为晶界断裂（即脆性断裂）．而从破坏性试验和冲击试验的数据分析可以看到，只要使焊缝减少在高温回火温度区间停留的时间，或者躲开此温度区间，焊缝的韧性就会增加．可以断定，脆断的原因是由于高温回火脆性造成的．

图3焊缝断口

4　改进措施与效果

　　为了有效地防止脆性断裂，必须克服在焊缝区发生高温回火脆性．因此，在编制工艺时应尽量避开此温度区间或缩短在此停留时间．工艺路线为调质、氮化、空冷、焊接的顺序．焊接坡口的加工，安排在氮化后进行．这样避免脆性组织的形成，以利于提高焊缝的韧性，杜绝脆断事故的发生．改变工艺路线后，未发现焊缝有脆断现象，用户反映良好．

5　结论

　　（1）氮化是在51010℃的炉温中进行的．脆断的原因是高温回火脆性造成的．
　　（2）合理的工艺路线是调质、氮化、空冷、焊接、机械加工．
　　（3）采用先氮化后焊接的工艺生产单体柱安全可靠，具有良好的经济效益和社会效益，有重要的推广应用价值．

第一作者简介：男,35岁，工程师
作者单位：徐靖　陈建新　李贵（鸡西煤矿专用设备厂）

参考文献

　1　东北工学院机械设计、机械制图教研室编。机械零件设计手册。北京：冶金工业出版社，1974。195
　2　刘云旭。金属热处理原理。北京：机械工业出版社，1984.246～250
　3　潘际銮主编。焊接手册（第一卷）。

曾惠林　黄福祥　闫 政

　　摘　要：　介绍了管道全位置自动焊接装置的组成和结构，分析了常用于管道焊接的自动焊接工艺和气体保护工艺的特点及存在的问题，提出了对焊过程中焊接小车的行走速度、送丝速度及焊枪左右振动频率的控制方法。

　　主题词：　管道；自动焊接技术；工艺

　　目前，管道施工已逐渐从手工焊接向全自动焊接方向发展，因此，管道全位置自动焊接装置的研制就具有十分重要的意义。管道全位置自动焊接就是指在管道相对固定的情况下，焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运动，从而实现自动焊接。一般而言，全位置自动焊接装置由焊接小车、行走轨道、自动控制系统等部分组成。研制全位置自动焊接装置的目的就是为了提高焊接质量和劳动生产率、减轻工人的劳动强度。

一、焊接小车

　　焊接小车是实现自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿管壁作圆周运动，是实现管口自动焊接的重要环节之一。焊接小车应具有外形美观、体积小、重量轻、操作方便等特点。它的核心部分是行走机构、送丝机构和焊枪摆动调节机构。行走机构由电机和齿轮传动机构组成，为使行走电机执行计算机控制单元发出的位置和速度指令，电机应带有测速反馈机构，以保证电机在管道环缝的各个位置准确对位，而且具有较好的速度跟踪功能。送丝机构必须确保送丝速度准确稳定，具有较小的转动惯量，动态性能较好，同时应具有足够的驱动转矩。而焊枪摆动调节机构应具有焊枪相对焊缝左右摆动、左右端停留、上下左右姿态可控、焊枪角度可以调节的功能。焊接小车的上述各个部分，均由计算机实现可编程的自动控制，程序启动后，焊接小车各个部分按照程序的逻辑顺序协调动作。在需要时也可由人工干预焊接过程，而此时程序可根据干预量自动调整焊接参数并执行。

二、焊接轨道

　　轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，也就影响到焊接质量。轨道应满足下列条件：

　　(1)装拆方便、易于定位；

　　(2)结构合理、重量较轻；

　　(3)有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。

　　国际上通常使用的轨道不外乎为柔性轨道和刚性轨道两种。所谓刚性轨道就是指轨道的本体刚度较大、不易变形，而柔性轨道则是相对刚性轨道而言。两种类型的轨道各自有各自的特点。刚性轨道定位准确、装卡后变形小，可以确保焊接小车行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小，但重量较大、装拆不方便。而柔性轨道装拆方便、重量较轻，精度没有刚性轨道高。

三、送丝方式

　　送丝的平稳程度直接影响焊接质量。送丝方式可以简单分为拉丝和推丝两种方式。由于拉丝时焊枪离送丝机的安装位置较近，焊接过程中焊丝离开送丝机后受到的阻力较小，因此可以保证送丝过程平稳，但送丝机和焊丝盘均须安装在焊接小车之上，增加了焊接小车的重量，给人工装拆增加了困难，重量增加还容易造成焊接小车行走不平稳。使用直径为0.8mm或1.0mm的小盘焊丝(重量约为5kg)减轻了焊接小车的重量和负载，又使得焊接过程容易控制，但对焊接效率有一定的影响。采用推丝方式时，将送丝机构安装于焊接小车之外，减小了焊接小车的体积和重量，可以使用大功率的送丝机和直径为1.2mm的大盘焊丝(重量约为20kg)，从而提高焊接效率。然而，由于推丝时送丝机离焊枪较远，两者之间须有送丝软管相连，当焊丝被连续推送到焊枪嘴处时，焊丝受到的摩擦阻力较大，而且，焊接过程中送丝软管的弯曲度对送丝的平稳程度有一定的影响，严重时造成送丝不畅，因此使用推丝时须充分考虑上述因素。

四、焊接工艺的选择

　　埋弧自动焊、气体保护焊、摩擦焊、电渣焊等焊接工艺在管道焊接方面均十分普及。目前，除采用手工焊接外，管道焊接较多的是采用埋弧自动焊接工艺和气体保护焊工艺。

　　埋弧自动焊有焊缝成型好、焊接效率高、焊接成本低等特点，对于管道施工而言，埋弧自动焊可用于双管联焊，简称“二接一”，即焊枪固定在某一位置，管子转动。显然长距离管道焊接时不可能让管子转动，因而“二接一”只能用于管子的预制。如果管道全位置自动焊采用埋弧焊工艺，那么焊接装置上必须配加焊剂的投放、承托与回收机构，使得焊接装置的结构变得较为复杂，给操作与装拆带来不便，而且增加了行走小车的负载，影响小车行走的平稳性。埋弧焊一般采用粗焊丝、大电流的焊接方式，用于全位置自动焊可能会由于熔敷率较高出现熔滴下垂、流动等焊接缺陷，影响焊缝的成型与质量，因此将埋弧焊应用于管道全位置自动焊接实现起来困难较大。

　　采用药芯焊丝加气体保护的焊接工艺，若是多遍成型，则每次焊缝表面清渣费工费时；若是强迫成型，则须配加一个与焊枪一起运动的成型铜滑块，并通入循环冷却水，可以大大提高焊接效率，这样一来不仅焊接装置的结构复杂，而且重量增加。因为药芯焊丝的价格较高，同时还要解决保护气体的气源，所以焊接成本较高。单一使用自保护焊丝，虽然节省了保护气体，但存在清渣困难问题。

　　采用实芯焊丝加气体保护的焊接工艺，若是多遍成型，则焊接过程可简单分为打底、填充、盖面三个阶段，无须对焊缝表面进行清理而直接进行下一道工序，但焊接速度相对强迫成型而言慢一些。保护气体一般为纯二氧化碳气体、二氧化碳和氩气或二氧化碳和氧气的混合气体。二氧化碳和氩气的混合气体可以使得焊接时的电弧燃烧稳定、飞溅较小，但在野外施工时氩气气源难寻、价格较高，从经济方面考虑，在焊接输油管道时，最好尽量使用纯二氧化碳作为保护气体。在有条件的地区施工，使用二氧化碳和氩气作为保护气体较为理想。

五、控制方式

　　在焊接过程中，焊接小车的行走速度、送丝速度以及焊枪的左右振动频率是三个主要的参数，焊枪的上下调节可以不考虑在内。用一条垂线将管子的圆周分为左右两个半圆，然后将两个半圆沿顺时针、逆时针方向等分，定出焊接节点。通过大量的试验可以在焊缝的每个节点处获取理想的焊接参数。例如，在选取了合适的焊接工艺之后，通过大量的试验确定出节点0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°处的理想的焊接电流、电压、送丝速度、小车行走速度、焊枪振动频率等一系列参数，然后将这些参数输入到计算机内进行自动拟合、运算，这样就实现了从0～180°的自动焊接。但实际焊接与试验时的数据不会完全相同，在焊接过程中可以根据实际情况调节焊接参数，如送丝速度、振动频率等参数。但这些参数的调节是相互关联的，送丝速度调节合适了，振动频率、焊车速度却不一定合适，只有通过一定时间的摸索才能将几个参数调节匹配。若采用另一种控制方法，情况则不大相同。将送丝速度、焊车行走速度、焊枪振动频率作为三个因变量，置于一个空间坐标系中，以时间作为自变量，以焊接电流、电压作为边界条件，最后得出送丝速度、焊接小车行走速度、焊枪振动频率之间的关系，即空间坐标方程。在实际焊接时，每一次调节均是上述三个参数同时调节，从而确保调节过程的准确性。

　　目前，国际上研究管道焊接装置的公司很多，如美国的CRC公司、德国的VENTZ公司、前苏联的巴顿焊接研究所、法国的梅萨公司、瑞典的伊萨公司等。这些公司在管道焊接装置的研究方面水平很高。法国的梅萨公司在小管径的管子焊接方面具有很高的技术水平，主要应用于航天航空工业、核工业的高精度焊接领域。该公司的自动焊接采用细丝TIG焊焊接工艺，具有相当高的焊接质量，但相对于MIG焊而言效率比较低。而美国的CRC公司、德国的VENTZ公司、巴顿焊接研究所却在大管径管道的的全位置焊接方面有比较深入的研究，主要采用MIG焊接工艺，利用计算机控制焊接的全过程，在确保焊接质量的情况下，焊接效率高，而且配套设施齐全。

　　面对日趋激烈的国际市场竞争，要想在管道焊接市场中占据一席之地，必须提高施工装备和技术水平，因此，研究管道全位置自动焊接装置对提高我国的管道施工水平具有十分重要的现实意义。

*065000，河北省廊坊市爱民西道90号；电话：( 0316 ) 2070467。

作者单位：中国石油天然气石油管道特种机具施工研究所

7、电焊机产品出口情况

“九五”期间至今年，电焊机行业的出口情况分别见表2和表3。从中可以看出，面对加入WTO的冲击,我国电焊机行业积极应对,瞄准国际市场,大力开展出口业务, 开拓国际市场。越来越多的企业以全球眼光捕捉市场信息，积极了解国际技术动态、国外同行信息、相关行业资讯等，并加强与外商联系，开拓国际市场。高效节能的逆变焊机、CO2/MIG/MAG焊机、 TIG焊机和专用成套焊接设备出口量逐年增长。

表2： 1996－2000年电焊机行业出口构成表

年份 产品类别 合计

交流弧焊机 直流弧焊机 旋转式 整流式 自动半自动焊机 电阻焊机 其它

数量(台) 出口额 (万元)

1996年 8446 135.7 878 496.8 568 227.5 310 269.3 1078 1108.8 5 30.5 　 289.8 10407 2061.6

1997年 8956 1390.5 608 410.2 319 162.4 289 247.8 620 717.0 3 14.2 8 555.8 10195 3087.8

1999年 9078 779 126 107 29 　 97 　 1079 829 25 64 101 265 10409 2044

2000年 14240 1586 1104 513 　 　 　 　 2840 1927 143 126 34 116 18361 4268

表3. 2001年～2004年电焊机行业企业出口情况表

年份 产品类别 合计

交弧焊机 直流焊机 自动半自动焊机 电阻焊机 专用特种及其他

数量 ( 台 ) 出口额 ( 万) 比上年 出口额(%)

2001年 35424 2701.2 143.2 6651 1867.3 1060.7 6013 1877.8 96.8 111 181 -22.4 183 216.3 438.2 48699 6843.6 60.35

2002年 23923 4195.1 55.3 1150 796 -57.4 9705 3645.7 94.1 173 655.1 267.5 418 329 52.1 35369 9620.9 44.58

2003年 69624 8609.23 105.22 887 514.9 -35.31 32327 6459.6 77.18 432 567.1 -13.43 493 1322 301.8 103763 17472.83 81.61

2004年 198111 9508.8 10.5 13512 2895.83 462.4 177421 12586.99 94.86 47277 4221 644.3 16728 1266.3 -4.2 453049 30478.92 74.4

近几年来，随着我国电焊机行业产品技术水平的提高和世界加工制造业往中国转移，电焊机产品的出口额也逐年上升。近百家企业的统计表明：2001年度出口额为6843.6万元，较上年度增长了60.35 % ；2002年度出口额为9620.9万元较上年度增长了44.58% ；2003年我国电焊机产品出口猛增，首次突破一亿元大关，为17472.38万元, 比上年度增长81.61%，出口产量为103763台，比上年增长193.4％，2004年继续保持出口势头，出口额达到30478.92万元（从海关统计的焊接设备及焊接设备零件10个关税号的出口总金额为2.07亿美元），比上年增长74.4％，而且直流焊机和电阻焊机的出口有了较大的增长。从以上统计数字可以看出，我国电焊机行业出口创汇情况有较大增幅，产品出口类型一改过去的交流弧焊机一统天下的局面，出口电焊机的档次有所提高，部分产品在国外有一定的竞争力。

8、电焊机企业的管理与改革

“九五”期间，我国电焊机企业大多为国有、集体或乡镇企业，随着市场经济的发展涌现出越来越多的非国有资本的企业。从近年各类企业的营运情况来看，国有企业因为包袱沉重、融资困难、技术落后等原因正在逐步减少市场份额，而非国有、多种经济成分组成的企业却显示出了强劲的发展态势。
以2003年统计企业为例，外资及合资的企业11家，员工人数1342人，其电焊机产值为 97012.6万元，占全行业焊机总产值的34.88 % ，利润19074.6万元，占全行业总利润53.57 %；股份制的60家，员工人数7710人，电焊机产值为12147.9 占43.85 % ，利润为 9365.2万元，占26.3 % 。二者合计电焊机产值占78.23 %，而利润占79.87 %。民营企业16 家，员工人数1632人，电焊机产值为 38717.3万元，占13.92 % ，利润为4600.7.5万元，占12.92 %。国有企业11家，员工人数2635人，电焊机产值为11286.7万元，只占4.06 %，利润为 166.1万元，只占0.33 %。 但在1996年国有企业24家，员工人数12847人，电焊机产值为26014.6万元，占28 %，股份制企业11 家，员工人数1344人，电焊机产值为10259.2万元，占11% 。1996年国有企业的产值还占到28 %，到了2003年已下降为4.06 % ，而员工人数占38.72 % 。国有企业人才人才济济，但在僵化的运行机制下他们的积极性、创造性无法得到充分的发挥。电焊机行业是属于竞争性的小行业，从长远的观点来看，国有资产从该行业的逐步退出是明智之举，利大于弊。因此积极进行产权体制改革，建立适应市场的新机制，为企业注入活力是必由之路。

二、电焊机行业存在的问题及发展趋势

未来我国焊接产业的发展趋势可以概括为一句话，即“发展高效、自动化、智能型、节能、环保型的焊接，并适应21世纪新型工程材料发展的趋势的焊接工艺、设备和耗材”。

a. 我国在创新性研究方面与先进发达国家相比相差很远，而较多的是跟踪性研究。中国的焊接产业要想实现可持续发展，就必须加强有关工艺理论和技术的研究，尤其是创新性研究，发展有中国自主知识产权的产品，提高企业的核心竞争力。

b. 目前国产产品的品质已经接近国际先进水平，但在细节上仍然有差距，尤其是高端市场，基本是进口产品的天下，国产产品只能在低端市场与进口产品竞争,这与产品质量不稳定有着很大的关系。

c. 产品的构成不合理也是目前国内存在的一个大问题。虽然近几年，国内产品结构有了变化，但通用产品的生产企业大部分仍然在中低水平左右徘徊，产品也是以仿制为主，结构和技术含量大同小异，性能和质量水平相近。特种产品国内基本上不能批量生产或在品质上相差很远。西气东输选用的美国的自保护药芯焊丝每公斤的售价达到60元左右，已经接近气保护不锈钢药芯焊丝的售价，其根源在于国内没有相应的产品与之竞争。因此，国内企业必须进一步提高产品品质，完善产品系列，才能更有效的提高企业核心竞争力，打入国际市场。

d. 自2002年下半年以来，矽钢片、钢材、铜材等主要原材料价格持续大幅度上涨，已给当前的企业生产经营造成很大困难，而这一趋势将可能会维持一段时间。受主要原材料价格上涨影响，企业生产成本继续增加，经济效益下滑，赢利空间减小，若仍然仅靠价格因素竞争，无利甚至负利率销售，片面强调市场占有率，将会严重危及企业的生存，也对整个行业不利。

e. 市场竞争不规范，一些未取得CCC认证产品厂家，偷工减料，不讲质量，低价倾销，造成市场混乱，严重冲击取证企业。希望政府有关部门加强市场监管，严厉打击无证销售行为，维护取证企业利益。

f. 随着国家紧缩性信贷政策的实施，企业贷款难度有所加大，特别是中小型民营企业融资难度更大。希望金融机构能适度放宽对中小型企业和民营经济的扶持。

曹良裕　魏战江

摘　要　 介绍了目前世界各国常用的碳当量公式及其适用的钢种、强度级别、化学成分范围及应用判据。
关键词　 碳当量　焊接裂纹　低合金高强度钢

　　钢的碳当量就是把钢中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量。通过对钢的碳当量和冷裂敏感指数的估算，可以初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。
　　50年代初，当时钢的强化主要采用碳锰，在预测钢的焊接性时，应用较广泛的碳当量公式主要有国际焊接学会(IIW)所推荐的公式和日本JIS标准规定的公式。
　　60年代以后，人们为改进钢的性能和焊接性，大力发展了低碳微量多合金之类的低合金高强度钢，同时又提出了许多新的碳当量计算公式。
　　由于各国所采用的试验方法和钢材的合金体系不尽相同，所以应搞清楚各国所使用的碳当量公式的来源、用途及应用范围等，以免应用不当。

1　国际焊接学会推荐的碳当量公式CE(IIW)：［1］

　CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+　　　　　　　　　　　　　　
(Ni+Cu)/15　(%)　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　(式中的元素符号均表示该元素的质量分数，下同。)
　　该式主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢(σb=500～900 MPa。当板厚小于20 mm，CE(IIW)＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；CE(IIW)=0.40%～0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热。

2　日本推荐的碳当量公式

2.1　日本JIS和WES标准规定的碳当量公式：［2］

Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+　　　　　　　　　　　　　
Mo/4+V/14　(%)　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　该式主要适用于低碳调质的低合金高强度钢(σb=500～1000 MPa)。
　　当板厚小于25 mm，手工焊线能量为17 kJ/cm时，确定的预热温度大致如下：
钢材σb=500 MPa,　Ceq(JIS)≈0.46%,　不预热
　　σb=600 MPa,　Ceq(JIS)≈0.52%,　预热75 ℃
　　σb=700 MPa,　Ceq(JIS)≈0.52%,　预热100 ℃
　　σb=800 MPa,　Ceq(JIS)≈0.62%,　预热150 ℃
　　(1)、(2)式均适用于含碳量偏高的钢种(C≥0.18%)，即C≤0.20%;Si≤0.55%;Mn≤1.5%;Cu≤0.50%;Ni≤2.5%;Cr≤1.25%;Mo≤0.70%;V≤0.1%;B≤0.006%。

2.2　Pcm公式
　　日本伊藤等人进行了大量试验后，提出了冷裂敏感指数(Pcm)的计算公式：

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+　　　　　　　　　　　　
Mo/15+V/10+5B　(%)　　　　　　　　　　　　　　　(3)

　　该式适用于C=0.07%～0.22%,σb=400～1000 MPa的低合金高强度钢。
　　适用化学成分范围：C 0.07%～0.22%;Si 0～0.60%;Mn 0.40%～1.40%;Cu 0～0.50%;Ni 0～1.20%;Cr 0～1.20%;Mo 0～0.70%;V 0～0.12%;Nb 0～0.04%;Ti 0～0.05%;B 0～0.005%。
　　伊藤等又根据Pcm、板厚h或拘束度(R)，建立了冷裂敏感性(Pw)、冷裂敏感指数(Pcm)及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式：

Pw=Pcm+［H］/60+h/600　　　　　　　　　　(3-1)
或Pw=Pcm+［H］/60+R/40000　　　　　　　　　(3-2)

式中，　［H］熔敷金属中扩散氢含量(ml/100g，甘油法)
　　　　　R接缝拉伸拘束度(kg/mm．mm)
　　　　　h板厚(mm)
　　　　　Pcm冷裂敏感指数
　　当Pw＞0时，即有产生裂纹的可能性。
　　利用(3-1)、(3-2)两公式可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度：

T0=1440Pw-392　(℃)

　　(3-1)、(3-2)两式适用条件：扩散氢含量［H］为1.0～5.0 ml/100g；板厚为19～50 mm；线能量为17～30 kJ/cm；化学成分范围同(3)式。
　　(3-1)、(3-2)两式不仅考虑了钢中化学成分的影响，还考虑到钢板厚度或拘束度，以及熔敷金属中含氢量，利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。

3.3　新日铁的碳当量公式
　　日本新日铁公司近年来为适应工程需要提出的新的碳当量公式：［5～6］

CE=C+A(C)｛Si/24+Mn/16+Cu/15+　　　　　　　　　　　
Ni/20+(Cr+Mo+V+Nb)/5+5B｝　(%)　　　　　　　　　(4)

　　该CE公式是新日铁公司近年提出的，适用于w(C)为0.034%～0.254%的钢种，是目前应用较广、精度较高的碳当量公式。
式中，　A(C)碳的适用系数
　　　A(C)=0.75+0.25tgh［20(C-0.12)］
　　A(C)与钢中含碳量的关系见表1。

表1　A(C)与钢中含碳量的关系

图1　日本新日铁CE、A(C)与碳含量的关系

图2　CE(IIW)和新日铁CE的对应关系

CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+　　　　　　　　　　　
Cu/13　(%)　　　　　　　　　　　　　　　(5)

　　当CE＜0.45%时，可不预热；当CE在0.45%～0.60%之间时，预热100～200 ℃；当CE＞0.60%时，预热200～370℃。
　　该式适用于碳钢和低合金高强度钢。

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+　　　　　　　　　　　　
(Si+Ni+Cu)/15　(%)　　　　　　　　　　　　(6)

　　该式考虑了钢中Si的影响，当CE＜0.35%时，通常不需预热和后热；当CE在0.35%～0.55%之间时，一般需预热；当CE＞0.55%时，可能既要预热，又要后热。

3.3　美国焊接学会(AWS)提出的碳当量公式：［4］

CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+　　　　　　　　　　　
Mo/4+Cu/13+P/2　(%)　　　　　　　　　　　　(7)

　　该式适用于碳钢和低合金钢，适用的化学成分范围如下：C＜0.60%;Mn＜1.6%;Ni＜3.3%;Cr＜1.0%;Mo＜0.6%;Cu 0.50%～1.0%;P 0.05%～0.15%(当Cu＜0.50%和P＜0.05%时可不计)。
　　碳当量及所对应的板厚的焊接性和施焊条件分别见图3和表2。

表2　钢的焊接性与施焊条件

图3　焊接性与板厚、碳当量的关系

　　由图3可查得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类钢的最佳施焊条件。

CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+　　　　　　　　　　　　　
(Ni+Cu)/15　(%)　　　　　　　　　　　　　　　(8)

　　碳当量、碳含量与钢的冷裂敏感性的关系见图4。

图4　碳当量、含碳量与冷裂敏感性的关系

　　如图4所示，按含碳量和碳当量的不同，可把钢的焊接性划分为易焊区(Ⅰ区)、可焊区(Ⅱ区)和难焊区(Ⅲ区)3个区域，含碳量为0.10%～0.12%以下的区域，为易焊区，含碳大于0.10%～0.12%，且碳当量CE＜0.49%的区域，为可焊区，含碳量大于0.10%～0.12%，碳当量CE＞0.49%的区域，为难焊区。

CE=C+Mn/6+Cr/3+V/5+Mo/4+　　　　　　　　　　　　
Ni/15+Cu/13+P/2　(%)　　　　　　　　　　　　(9)

　　前苏联用(9)式计算碳当量，认为一般低合金高强度钢，当CE≤0.45%时，焊接厚度为25 mm以下的钢板可不预热。此外，他们还从钢的合金元素总含量和碳当量对钢的焊接性作了评定，结果见表3。

表3　合金元素含量与焊接性的关系

CE=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+　　　　　　　　　　　　
Cu/13+P/2　(%)　　　　　　　　　　　　　　(10)

　　当碳当量≤0.35%且C≤0.22%时，碳钢和低合金高强度钢的焊接性良好。

CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Mo/4+　　　　　　　　　　　
V/5+Cu/13+Co/150　(%)　　　　　　　　　　　(11)

　　该式适用于下列化学成分范围的钢材：
　　C 0.1%～0.30%；Mn 0.26%～1.56%；Ni 0～5.38%;Cr 0～1.73%;Mo 0～0.64%;Cu 0～0.65%;V≤0.14%;Co 2.3%.
　　为了获得良好的焊接热影响区，应将碳当量限制在0.45%内。
　　一般可用碳当量预测某种钢种的焊接性，表4给出了碳当量公式中合金元素及系数的关系，通过碳当量的计算可以看出，当碳当量增加时，钢材的淬硬倾向增大，硬度增加，这时钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。

表4　碳当量公式中合金元素对应的系数

注：*表示乘以A(C)。

　　用上述的碳当量公式评定钢的焊接性时，大致有以下几种类型：第Ⅰ类只考虑到钢中化学成分的影响，根据碳当量数值的大小，确定是否需要预热或预热温度范围；第Ⅱ类除考虑到化学成分外，还考虑了熔敷金属扩散氢含量、试板的厚度或拘束度等因素，然后再计算防止开裂的预热温度；第Ⅲ类是根据碳当量和含碳量的大小把钢的焊接性划分为可焊、易焊和难焊3个区域，这3个区分别有不同的施焊要求，如对预热等的要求也不同。

曹良裕：男，59岁，高级工程师，主要从事焊接材料与工艺的研究。

作者单位：洛阳船舶材料研究所　洛阳471039

参考文献

　1　斯重遥等.焊接手册(第二卷).北京：机械工业出版社，1992.59～65
　2　铃木春义.钢材的焊接裂纹.梁桂芳译.北京：机械工业出版社，1981
　3　金属手册(第六卷).第九版.北京：机械工业出版社，1994
　4　吴世初.金属可焊试验方法.上海：上海科技文献出版社，1982.327～328
　5　付积和，孙玉林.焊接数据资料手册.北京：机械工业出版社，1994.12～14
　6　Yurioka N， et al. Welding Journal, 1983,62(6):1475～1535

1　前言

　　20Mn23Al钢属奥氏体钢无磁钢，在大型变压器中作拉杆使用，可避免漏磁场在钢中产生涡流热损耗。由于没有深入了解其可焊性问题，其利用率只有60%，造成很大浪费［1］。因此，研究合理可靠的焊接工艺，可高效利用无磁钢材，具有重要的经济意义。
　　20Mn23Al钢的主要合金元素是Mn和Al，其中Mn是奥氏体形成元素，但在低温或冷变形下，Fe－Mn合金的奥氏体并不稳定，当Mn的含量在15%～28%之间时，可能发生ε马氏体相变，ε马氏体是一种六角密堆结构，这是由于固溶体中Mn的含量较高时层错下降而产生的，ε马氏体会导致钢的冷脆性，为了提高Fe－Mn合金奥氏体钢组织的稳定性，一般可增加C的含量。另外可加入Al元素，可显著降低马氏体的相变温度，从而提高其低温性能，同时Al的加入也可降低Fe－Mn合金的加工硬化能力，可改善切削性能和冷加工性能［2］。由此可见，此钢在高温条件下为单一奥氏体组织，能保持良好的无磁性能，低温性能也很好，在变压器中作拉杆使用。
　　焊接20Mn23Al钢可能产生的问题是钢中的Al的过渡系数低，容易产生气孔，奥氏体钢焊接还会产生热裂纹问题，20Mn23Al钢和低碳钢焊接时，由于元素的稀释还会产生脆性组织，从而发生裂纹［3］。

2　试验材料及方法

2.1　试验材料
　　20Mn23Al钢(见图1)，热轧态，其化学成份为：C　0.14%～0.20%；si　0.5%；Mn　21.5%～25.5%；P　0.03%；S　0.03%；Al　1.5%～2.5%；V　0.04%～0.1%。机械性能为：σ0.2＞225　MPa，σb＞530　MPa，δs=30%,ψ=50%。

图1　20Mn23Al钢金相组织×200

　　为了防止在焊接Mn－Fe奥氏体钢过程中产生脆性组织、气孔以及热裂纹，焊接材料选用奥302进行试验。

2.2　试验方法
2.2.1　焊接工艺
　　20Mn23Al钢板厚12 mm,试样尺寸为300×400 mm，焊缝处开X型坡口，坡口角度为60°，中间留2 mm钝边，坡口之间留2 mm间隙。
　　采用如下工艺进行焊接：
　　(1)焊前应清理坡口处的水份、油污及锈迹；
　　(2)焊条在使用前在150～200 ℃下烘干1.5～2 h,随取随用，避免焊条多次烘烤；
　　(3)焊接时采用多层焊，焊接时焊条尽量不要摆动，焊接顺序见图2，第一、二道焊缝采用3.2 mm直径焊条，焊接电流100～110 A，第三、四道焊缝采用4 mm直径焊条，焊接电流为120～130 A，焊接速度为140～160 mm/min。

图2　焊接顺序示意图

2.2.2　力学性能试验
　　拉伸试验按GB－265标准进行，弯曲试验按GB2653－89标准进行，拉伸试样均去掉钢材原始表面，避免焊缝加厚高的影响，同时作显微硬度试验。
2.2.3　熔合区透射电镜分析及合金元素扫描分析
　　透射电镜分析在JEM－2000FX上进行，进行了化学成份能谱分析，以及金相组织结构分析，在扫描电镜上进行了焊接接头的合金元素线扫描分析，确定合金元素的扩散情况。

3　试验结果及分析

图3　接头显微组织硬度分布

图4　焊接接头显微组织×250

　　20Mn23Al钢接头拉伸试验和显微组织试验以及接头的冷弯试验，结果如表1所示。由表可知，接头抗拉强度σb＞589MPa,ψ＞21.4%。断裂位置均在母材处，冷弯角大于90°，图3为A302接头的显微组织硬度分布，最高显微硬度HV100为197.9。焊接接头的显微组织如图4所示，焊缝组织为奥氏体+δ铁素体的双相组织。根据金相法可测得铁素体含量约为15%，适量的δ铁素体含量对防止热裂纹有利，同时δ铁素体的存在可有效地消除单相奥氏体组织的方向性，从而使晶粒细化。从图2显微硬度分布可以看出HV不大于200，焊缝组织的显微硬度比母材稍高。由于母材是高锰奥氏体钢，而焊缝是NiCr奥氏体钢，在熔合线存在明显的过渡组织(见图4)，其性能和组织是人们十分关心的问题，接头的合金元素线扫描分析如图5所示，可见Mn、Ni、Cr在熔合线处由浓度高处起呈线性降低，而Al的过渡态不甚明显，这是由于高温烧损的缘故。将过渡区制成透射电镜薄膜，进行电子衍射以确定其物相，透射电镜照片如图6(a)所示，图6(b)为图6(a)白区的衍射花样及计算后的晶面指数，图6(c)为黑区的电子衍射花样及计算后的晶面指数，同时对选区进行能谱分析，各区化学成份见表2，对照成份线扫描分析，可见选区为焊缝熔合线。经计算黑区点阵常数a=0.3649　nm,白区a=0.3130　nm,故由点阵指数和点阵常数可知黑区为面心立方晶粒，白区为体心立方晶粒。即熔合线也是由奥氏体+铁素体组成的，这与显微硬度分析相一致，说明用NiCr奥氏体焊接材料焊接高锰奥氏体钢在熔合线上没有产生脆性组织。综合上述试验结果，看出在熔合线区域各种化学成份分别近似为母材和焊条成份的1/2，成线性分布，接头的强度高于母材，并且断在母材上，说明强度足够，延伸率和冷弯角说明具有足够的塑性，在焊缝上没有产生脆性相，化学成份分布只与稀释率有关。

表1

图5　熔合线化学成份线扫描

(a)透射电镜像×200K　　(b)白区电子衍射像　　(c)黑区电子衍射像
图6　熔合线透射电镜像和电子衍射像

表2

4　结论

　　综上所述，可得出如下结论：
　　采用奥302焊条焊接20Mn23Al钢可获得足够的强度和塑性的焊接接头；焊缝组织和熔合线区域均为F+A，没有产生脆性相；采用上述工艺可以解决20Mn23Al钢的焊接问题，从而提高此钢材的利用率.