電子束焊接在汽車行業(yè)用于變速箱齒輪零件的焊接已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,但是由于許多企業(yè)沒有專門的電子束焊接工程師,冷加工工藝人員、部分熱處理工程師對電子束焊接齒輪的特點(diǎn)及焊接工藝不是很了解,操作工沒有按照要求的焊接規(guī)范進(jìn)行操作,焊接過程控制不當(dāng),在電子束焊接的應(yīng)用過程中不同程度上遇到一些焊接質(zhì)量問題,如齒圈焊后翹曲、脫焊、焊接裂紋等問題,給企業(yè)造成巨大損失。由此,造成工藝人員對電子束焊接產(chǎn)品的恐懼,談“焊”色變。齒輪類零件一般都選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼作為原材料,因此材料的成分不同、熱處理狀態(tài)不同,其焊接特性就有明顯差異。影響焊接的因素是化學(xué)成分主要指鋼材的碳含量與碳當(dāng)量,還有硫、磷等雜質(zhì)對焊接影響很大。
一、鋼材的碳含量與碳當(dāng)量
鋼的含碳量高,可促進(jìn)S、P等雜質(zhì)在焊縫中形成低熔點(diǎn)的共晶物質(zhì),加大熱裂敏感性;同時(shí)較高的含碳量增加了材料的淬硬性,使鋼材的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性下降,加大了冷裂的趨勢。因此,隨著含碳量的提高,焊接性能明顯下降。在合金結(jié)構(gòu)鋼中除了碳之外,作為其他的合金元素如Mn、Ni、Cr、Mo、V、Cu、Si等,對材料的力學(xué)性能及焊接性能都有不同程度的影響。為了評估鋼材的焊接性,將各種元素按其對鋼材淬硬、冷裂及脆化等現(xiàn)象的影響作用大小折算成碳的相當(dāng)含量,稱為碳當(dāng)量。其中以國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)所推薦的CE和JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的Ceq應(yīng)用較為廣泛。C+Mn/6+(Cu+Ni)15+(Cr+Mo+V)/5 C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+MO/4+V/14作為判斷鋼材焊接性的依據(jù),碳當(dāng)量值越高,焊縫及熱影響區(qū)就越容易產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為材料碳當(dāng)量小于0.4%時(shí),鋼材的焊接性良好,一般不需要預(yù)熱和嚴(yán)格控制線能量;而當(dāng)材料碳當(dāng)量大于0.4%時(shí),這時(shí)為了避免出現(xiàn)裂紋,就需要采取較嚴(yán)格的工藝措施,如預(yù)熱、緩冷、嚴(yán)格控制線能量。
二、滲氮層與滲碳層對比
從金屬結(jié)晶理論可知,先結(jié)晶的金屬較純,后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多并富集在晶界,由S、P等雜質(zhì)所形成的低熔點(diǎn)物質(zhì)被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位,形成一種所謂“液態(tài)薄膜”,此時(shí)如果焊縫受到拉伸應(yīng)力,則在此部位極易產(chǎn)生開裂。因此,我們認(rèn)為由于S、P等元素形成的低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)在因素。還有焊縫組織受到足夠的拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件,焊縫形狀的不同,將直接影響接頭的受力狀態(tài)。對于熔深寬比大的電子束焊縫,由于其所承受的焊接殘余應(yīng)力正好作用在焊縫柱狀晶粒交遇的結(jié)晶面上,而該位置正是低熔點(diǎn)的雜質(zhì)富集,晶粒之間聯(lián)系較差的部位,因而極易在此引起結(jié)晶裂紋。由此可見,由于電子束焊縫的形狀特點(diǎn)使其產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能性大大增加,對于焊接齒輪又是關(guān)鍵部件,為提高焊縫的抗裂性能,只有嚴(yán)格控制被焊鋼材的S、P等雜質(zhì)的含量,根據(jù)國外有關(guān)資料介紹,當(dāng)碳含量超過0.03%時(shí),S、P兩種元素的含量之和應(yīng)嚴(yán)格控制在0.02%之內(nèi)。但是事實(shí)上焊接材料采用的鋼材技術(shù)要求,P≤0.03%、S≤0.03%,就是說在極限的狀態(tài)下P+S≤0.03%+0.03%=0.06%,產(chǎn)品焊接后也沒有出現(xiàn)問題。
我公司為某汽車廠開發(fā)了一款變速箱產(chǎn)品,圖樣要求齒輪的材料是TL4521,齒環(huán)的材料是TL4227。開發(fā)時(shí)由于是新產(chǎn)品,鍛造分廠下料人員沒有仔細(xì)看要求,把齒環(huán)的材料也按TL4521鍛造。不同品種的齒輪要求不同,有熱前焊接的,也有要求熱后焊接的。
熱前焊接的產(chǎn)品沒有出現(xiàn)問題,但是熱后焊接的產(chǎn)品出現(xiàn)了裂紋(冷裂紋)。我們通過熱前預(yù)熱,焊后緩冷(預(yù)熱溫度、緩冷溫度低于熱處理的回火溫度)的工藝,這樣焊接的齒輪沒有出現(xiàn)裂紋。熱前焊接就出現(xiàn)了裂紋。我們對第一次遺留的產(chǎn)品金相進(jìn)行分析(見圖1、圖2、圖3),對于第二次產(chǎn)品的金相進(jìn)行分析(見圖4、圖5、圖6、圖7)。通過圖7可以看出產(chǎn)品明顯是沿流線裂紋。
圖1 (第一次)左側(cè)齒部100× 圖2 (第一次)右側(cè)齒環(huán)100×
圖3焊接部位(第一次)500× 圖4焊接部位裂紋(第二次)200×
圖5 右側(cè)齒部(第二次)100×圖6 左側(cè)齒環(huán)(第二次)100×
圖7 焊接裂紋部位(第二次)100× 圖8 齒輪980℃真空正火100×
這兩次次產(chǎn)品試制采用的是同一爐號的鋼材,焊接工藝沒有變化,只有熱處理正火金相有區(qū)別。因此,我們認(rèn)為對于已經(jīng)做好的齒輪齒環(huán)重新采用真空正火,然后再焊接。金相見圖8、圖9、圖10,這次焊接沒有出現(xiàn)熱裂紋,出現(xiàn)(主要原因是可能清潔度問題、焊接工藝造成的,但這個(gè)通過焊接工藝優(yōu)化,過程加強(qiáng)控制,可以避免)。
圖9 齒環(huán)980℃真空正火100× 圖10焊接部位100×(U型裂紋)
因?yàn)閯e的要求焊接的產(chǎn)品沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象,于是我們對TL4521的化學(xué)成分進(jìn)行分析(見表1)。
表1 TL4521化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
齒環(huán)的材料采用直徑是40mm的圓鋼,齒輪采用70mm的圓鋼,
齒環(huán)P+S=0.025+0.009=0.0259%
齒輪P+S=0.028+0.009=0.0289%
齒輪+齒環(huán)=P+S=0.0259%+0.0289%=0.0548%
根據(jù)材料的合金元素計(jì)算碳當(dāng)量
CE
=C+Mn/6+(Cu+Ni)15+(Cr+Mo+V)/5(%)
=0.18+0.72/6+(0.12+1.68)/15+(0.73+0.30+0)/5%
=0.18+0.12+0.12+0.206
=0.626%
Ce(JIS)
= C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)
=0.18+0.72/6+0.070/24+1.68/40+0.73/5+0.30/4+0/14(%)
=0.18+0.12+0.003+0.042+0.146+0.075
=0.566%
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的碳當(dāng)量大于0.4%,產(chǎn)品應(yīng)該對焊接工藝進(jìn)行控制。但是產(chǎn)品出現(xiàn)熱裂紋,就是調(diào)整工藝也很難避免。我們認(rèn)為這個(gè)產(chǎn)品主機(jī)廠已經(jīng)試制成功,并且批量生產(chǎn)好多年,是否我們采購的材料不符合圖紙要求,或說圖樣對于產(chǎn)品焊接有什么特殊要求。于是我們對產(chǎn)品圖樣進(jìn)行核查,發(fā)現(xiàn)齒環(huán)材料圖樣要求是TL4227,根據(jù)我們以往的概念,齒環(huán)、齒輪應(yīng)該采用同一種材料,而不是2種材料。對于TL4227的化學(xué)成分見表2。
表2 TL4227化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
我們根據(jù)化學(xué)成分分析,它是類似與16MnCr5的材料,Mn的含量很高。TL4521+TL4227焊接就不出現(xiàn)裂紋嗎?我們認(rèn)為只要分析焊接裂紋處的微區(qū)成分就可以找出原因。于是我們又委托某大學(xué)對裂紋處的成分采用掃描電鏡分析,分析結(jié)果見附件:焊接區(qū)域化學(xué)成分不均勻。微區(qū)中硫的含量是基體的0.32/0.028=11.43倍;碳的含量是基體的58.73/0.18=326.3倍。由于基體部位碳、硫含量嚴(yán)重超標(biāo),造成在此形成熱裂紋。但是要弱化硫的影響采用含高M(jìn)n的材料,恰好TL4227就是這種材料,這樣在焊接的過程中形成MnS,而MnS的熔點(diǎn)為1610℃,NiS的熔點(diǎn)為797℃,FeS的熔點(diǎn)為985℃。有資料認(rèn)為Mn/S的比值大于40最好,這樣焊接時(shí)由于Mn的存在,與S結(jié)合形成MnS,這樣可以保證不再出現(xiàn)熱裂紋。
TL4521:Mn/S=0.72/0.028=25.7倍
TL4227:Mn/S=1.25/0.028=44.6倍
材料微區(qū)含碳量嚴(yán)重超標(biāo),主要由于TL4521這個(gè)材料合金元素含量很高,合金元素沿軋制方向偏析形成帶狀組織,通常鋼液在冷卻凝固過程中以枝狀晶的方式長大,在不同時(shí)期凝固的晶內(nèi)和枝晶間的化學(xué)成分不均勻,存在合金元素偏析。帶狀組織分一次帶狀和二次帶狀之分。合金元素的帶狀偏析會(huì)造成碳元素的條帶狀偏析,不同條塊區(qū)域的相變溫度就存在差異,在熱處理或加工后的冷卻過程中,先共析鐵素體優(yōu)先在碳含量低、Ar3高的位置析出,同時(shí)向相鄰區(qū)奧氏體中排出碳,進(jìn)一步造成碳的不均勻分布。這個(gè)過程在奧實(shí)體化的冷卻過程中發(fā)生,冷卻越慢,先共析鐵素體轉(zhuǎn)變越充分,碳元素分布越不均勻。由于這幾種原因造成微區(qū)含碳量嚴(yán)重超標(biāo)。于是我們按照圖樣要求,對齒環(huán)材料進(jìn)行更換,對于齒坯正火金相嚴(yán)格控制,采用上限溫度正火,加長正火時(shí)間來改善正火金相。后來的產(chǎn)品嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行,焊前預(yù)熱焊后緩冷的工藝,所有產(chǎn)品沒有出現(xiàn)裂紋。焊接金相見圖11。
圖11焊接部位(100×)
作者:郝豐林
單位:江蘇雙環(huán)齒輪有限公司
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