【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 异种钢；冷裂纹；防止；
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正文：
摘要:研究了汽车上变速操纵杆焊接冷裂纹产生的原因。认为冷却速度过快是产生冷裂纹的主要原因。通过改进焊接工艺来降低冷却速度和采用低氢型焊条等措施来控制焊接冷裂纹的产生。
关键词: 异种钢；冷裂纹；防止；
 
某汽车配件公司生产的汽车上的变速2操纵杆，是采用铸造成型材质为 ZG310-570与材质为45钢焊接成型的“铸焊结构”的焊接件。在对焊接接头进行质量检验时，发现焊接接头处裂纹严重。针对生产实际中出现的这一裂纹问题，我们分析研究了焊接裂纹产生的原因，采取了预防措施，获得了较好的结果，保证了产品的质量。
 
1、.裂纹的产生
变速操纵杆十字轴座体材料为ZG310-570，操纵杆材料为45钢。焊接时，将两件放入夹具中，焊条型号选用E4303, 焊条直径为Ø 3.2。焊接电流90~120A，电弧电压24~26V，采用BX₁-300交流弧焊机。焊接后发现零件产生裂纹，有的要经过一段时间后产生裂纹，甚至断裂。
 
2、焊接裂纹的形态
我们把焊件用手工锯开，制成试样，将试样在沙轮机上打平，先粗磨，再细磨，直磨到07^# 细沙纸，获得理想的样品后，再将磨平的试样在P-2型抛光机上抛光，直到满意的表层质量。用4%硝酸酒精进行腐蚀，用酒精清洗吹干后，在XJL-02A立式金相显微镜下观察，我们通过对焊接接头切片进行金相检验，发现焊接裂纹严重，在铸钢母材金属一侧裂纹是起源于熔合线而延伸于热影响区和焊缝，其裂纹走向垂直于熔合区。如图1所示。在45钢母材金属一侧缺口处的裂纹为宏观裂纹。如图2所示。分析焊接裂纹产生的原因。裂纹形态特征是起源于应力集中大的缺口部位，从断口形态上看，应为脆性断裂。根据裂纹在焊接接头中发生位置的形态特征来看是属于冷裂纹。
                                            
 
 
 
 
 
 
 
 
图1 焊接金相图（85倍）                                        图2 焊接金相图（85倍）
 
2.焊接裂纹产生的原因
焊接冷裂纹产生的原因与三种因素有关，即：焊接接头的含氢量，钢材的淬硬倾向及焊接应力。
2.1氢的影响
氢对冷裂纹的影响是明显的。焊缝氢含量越高，裂纹的倾向就越大。焊接区扩散氢对焊接裂纹有直接的影响，因为氢的扩散性很强。该产品选用的E4303焊条，属钛钙型焊条，脱硫、磷能力差。另外，焊条的烘干温度不够。焊接时，焊条中的水份、电弧周围的水蒸气和母材表面的铁锈和油污等，都是氢的来源。在电弧高温气氛下，电弧中的溶滴和容池从周围气氛中吸取氢，大量的氢溶解在熔池中。当熔池金属冷却结晶时，奥氏体转变为铁素体，珠光体和马氏体，引起氢的溶解度急剧降低。此时，氢来不及逸出容池表面而残存在焊缝中，氢向含量较小的焊缝中的热影响区母材侧扩散，在熔合区的未混合区及半熔合区的液化了的晶界上，或形成的马氏体的晶界上，成为残余氢。当焊接接头冷却到室温附近时，这些残余氢便在三晶粒顶角的晶界部积累，形成微裂纹。当构件在受到外力的情况下，微裂纹便会迅速扩散，最后导致焊接接头脆性断裂。
2.2钢材的淬硬倾向
钢材的淬硬倾向越大或钢中的马氏体数量越多，越容易产生冷裂纹。马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，它是一种硬脆组织，在一定的应力条件下将产生脆性断裂。由于铸钢组织晶粒粗大，还存在缩孔、偏析、夹渣和气孔等缺陷，危害性很大，这些缺陷对冷裂纹的产生有很大的影响。冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域，显著降低相变温度，同时也使界上偏析增多，因而该区冷裂倾向增大。由于中碳钢碳当量较高（根据碳当量计算公式计算出铸钢碳当量为0.81％，45钢为0.72％），因而，焊接时如果冷却速度较快，淬硬倾向增大，容易导致热影响区严重脆化，产生裂纹。中碳钢焊接的主要问题也是冷裂纹问题。此外，在淬硬组织中有晶格缺陷，如空位、位错等。这些缺陷会发生移动和聚集，在晶界产生应力集中而形成裂口，如裂口进一步扩展便形成宏观裂口。
2.3应力条件的影响
焊缝和热影区在不均匀加热和冷却时，除了温度降低引起的体积收缩之外，固态组织转变也要引起体积变化。当奥氏体分解转变为马氏体、贝氏体和魏氏体等组织时都要引起体积膨胀，而转变后的这些组织的膨胀系数也降低，引起了局部体积变化。奥氏体分解时的体积膨胀并不是自由的，而受周围金属的拘束，结果造成内应力。对于铸钢和中碳钢，焊后冷却到200~350℃时才发生奥氏体分解，转变生成马氏体，这时钢的塑性已经很低，屈服极限很高，就会造成很大的内应力，而马氏体既硬又脆，很容易在淬火区产生冷裂纹。焊接时，焊件是放入夹具中进行焊接的，冷却时，构件由于受到夹具的约束而不能自由收缩，焊接应力无法释放。当构件冷却后取下夹具，存在结构中的横向拉应力使冷裂纹的产生和发展，加速构件焊接接头的破坏。如自身拘束应力越大，越容易产生裂纹。 铸钢和45钢焊接时产生的裂纹，能使焊缝出现不连续现象，而裂纹的尖端应力集中，在承受交变或冲击载荷时，会使裂纹迅速扩展，最后导致焊接接头断裂。
 
3  防止冷裂纹的措施
因而，解决冷裂纹的措施总的原则是“控制影响冷裂纹的三大因素，既尽可能降低应力，消除一切氢的来源，并改善组织”^[1]。这也是目前解决冷裂纹的出发点。
(1) 焊前要清除焊件待焊处表面的锈、水、油污、氧化皮等，减少氢的来源。
(2) 线能量的控制。为了防止热影区产生淬硬组织，控制焊接冷裂纹适当增大焊接线能量，使接头的冷却速度降低，但必须要注意避免奥氏体晶粒粗化，则需要采取预温措施。
(3) 预热。 焊前将焊缝处用已炔焰加热到250~300℃，预热是防止冷裂纹的有效措施。预热可以减
缓焊接接头的冷却速度,有利于氢的扩散逸出，从而减小或避免淬硬组织。
   （4）采用多道焊。在待焊处加焊一层，共焊两次。因次层对前层有消氢作用。防止奥氏体晶粒粗化，有利于氢的扩散逸出和改善热影区产生淬硬组织，可以显著地减少接头的冷裂倾向。

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