焊接是機(jī)械加工非常重要的環(huán)節(jié)之一。許多情況下機(jī)械零部件的加工是靠焊接完成的。而焊接過(guò)程中最易出現(xiàn)的問(wèn)題就是焊后裂紋。因此，如何提高金屬焊接的抗裂性是人們一直探討的理論和實(shí)踐問(wèn)題。金屬焊接以同種材料最為理想。但是，在許多情況
下，出于設(shè)計(jì)的需要，往往要將不同材料焊接在一起。因此，如何提高不同型號(hào)鋼材焊接的抗裂性，在生產(chǎn)和實(shí)踐中有及其重要意義。
1 石油測(cè)井儀器外殼設(shè)計(jì)特點(diǎn)
石油測(cè)井儀器因?yàn)槠涮厥獾氖褂靡鬀Q定了其外部形狀多為管狀殼體，殼體與殼體之間通常使用螺紋連接。因此，在整個(gè)殼體加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)涉及焊接問(wèn)題。比如，石油測(cè)井儀器外殼直徑普遍會(huì)有變化，出于機(jī)械加工工藝需要，經(jīng)常會(huì)分別加工粗細(xì)兩部分再焊接在一起; 有時(shí)殼體與芯體之間需要定位，必須在殼體上加工小孔再同定位柱實(shí)施焊接等等。如果是同等材料焊接，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單; 遇到不同型號(hào)金屬材料焊接，就要對(duì)其焊接性能和焊接工藝進(jìn)行分析和研究。本文就某外殼加工過(guò)程中外殼體與定位柱實(shí)際焊接過(guò)程中的抗裂性工藝問(wèn)題進(jìn)行探究。某石油測(cè)井儀外殼結(jié)構(gòu)如圖1 所示，
圖1 某石油測(cè)井儀外殼結(jié)構(gòu)示意圖
由外殼體和定位柱組成。外殼體為粗端為Φa、細(xì)端為Φb的圓柱體，采用馬氏體不銹鋼2Cr13; 定位柱采用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。對(duì)二者實(shí)施焊接后要求表面光滑，且焊縫處能夠承受一定外部壓力。因此，必須要保證二者的焊接質(zhì)量，特別是不能出現(xiàn)加渣和焊后產(chǎn)生冷裂紋現(xiàn)象。
2 2Cr13 與1Cr18Ni9Ti 的焊接性能分析
2Cr13屬典型馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼是指經(jīng)淬火處理后在常溫下獲得馬氏體組織的不銹鋼，這類(lèi)鋼可在空氣中淬硬，所以焊接性很差，不采取有效措施不能獲得滿(mǎn)意的焊接接頭; 1Cr18Ni9Ti則屬奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有單相組織的不銹鋼。相對(duì)于馬氏體不銹鋼較容易焊接，一般情況下能很好地適應(yīng)于熔化焊接，其可焊性屬良好。因此，當(dāng)馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼相互焊接時(shí)，就需要在兼顧兩者的情況下有所側(cè)重。本文著重討論如何提高馬氏體不銹鋼的焊接抗裂性，同時(shí)結(jié)合奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)，采用合理的工藝來(lái)降低焊縫和熱影響區(qū)的硬脆化和冷裂紋傾向。
3焊接方法
原則上，任何焊接方法都可以用來(lái)焊接馬氏體不銹鋼。但是，異型鋼材的焊接，除了應(yīng)考慮接頭能否滿(mǎn)足使用要求、母材性質(zhì)及工作條件外，還應(yīng)著重考慮焊接方法對(duì)焊縫中母材熔化比例( 即熔合比) 的影響。實(shí)際生產(chǎn)中手工焊因具有工藝靈活、母材熔合比小的特點(diǎn)，在異型鋼焊接中是經(jīng)常使用的。因此，本試驗(yàn)將采取手工氬弧焊的試驗(yàn)方法。
4 焊接工藝
就2Cr13而言，由于其焊接熱影響區(qū)具有強(qiáng)烈的淬硬傾向，即使采用匹配的焊接材料，而不采取一些特殊的焊接工藝也難以獲得沒(méi)有缺陷及使用性能優(yōu)良的焊接接頭。因此，采用合適的工藝措施是十分必要的。除此之外，還要對(duì)焊縫坡口的設(shè)計(jì)、加工以及焊縫性質(zhì)提出具體要求。具體采用焊接工藝如下:
(1) 焊前預(yù)熱
不同材質(zhì)的鋼材，焊接工藝要求是不同的。焊接馬氏體不銹鋼，由于其有強(qiáng)烈的淬硬傾向，因此，焊前母材金屬必須預(yù)熱。預(yù)熱可以降低熱影響區(qū)的淬硬傾向，防止產(chǎn)生冷裂紋。本試驗(yàn)將焊前預(yù)熱溫度控制在200℃左右，低于馬氏體的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度，符合實(shí)際。
(2) 焊接過(guò)程中的敲擊
由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差，膨脹系數(shù)大，拘束狀態(tài)下焊接易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)不僅易產(chǎn)生熱裂紋，而且冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大。所以，本試驗(yàn)在焊接過(guò)程中，采用邊焊接邊敲擊焊縫金屬的辦法，以減小焊件殘余應(yīng)力，防止熱裂紋的產(chǎn)生。
(3) 電流控制
在金屬焊接工藝中，電流的控制是非常重要的。本試驗(yàn)將焊接電流控制在120～135A，有效地保證了焊接過(guò)程的實(shí)施。
(4) 焊接層間保溫措施
在焊縫填充量較大的情況下，為了有效地防止焊接裂紋的產(chǎn)生，易采取分層焊接的方法，先焊接一層，待溫度降低以后再焊接另一層。與此同時(shí)對(duì)焊縫金屬進(jìn)行敲擊，以克服由于線(xiàn)性膨脹系數(shù)不同所造成的收縮應(yīng)力不同而產(chǎn)生的裂紋傾向。
(5) 焊后緩冷
焊后保溫是鋼材尤其是不銹鋼材焊后處理的重要環(huán)節(jié)。就馬氏體不銹鋼而言，在焊接冷卻速度較慢時(shí)，容易出現(xiàn)粗大的馬氏體加塊狀鐵素體組織; 在冷卻速度較快時(shí)，又易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。兩者都能明顯降低接頭塑韌性，出現(xiàn)過(guò)熱區(qū)脆化。因此，本試驗(yàn)在焊接完成后對(duì)焊件采取了一定的保溫措施，使其緩慢冷卻，以減少過(guò)熱區(qū)脆化的影響程度。
5 外部壓力試驗(yàn)
把該石油測(cè)井儀器外殼兩端用試壓帽、試驗(yàn)堵頭連接好后，放到壓力井中做外部壓力試驗(yàn)，在要求的保壓時(shí)間內(nèi)，驗(yàn)證焊縫處是否能承受設(shè)計(jì)的外部壓力。儀器保壓過(guò)程正常，該石油測(cè)井儀器外殼焊縫處能滿(mǎn)足承受一定的外部壓力的設(shè)計(jì)要求。
6 結(jié)束語(yǔ)
本試驗(yàn)對(duì)外殼體用馬氏體不銹鋼( 2Cr13) 、定位柱用奧氏體不銹鋼( 1Cr18Ni9Ti) 的焊接性能、力學(xué)性能進(jìn)行了分析，提出了焊接時(shí)采用某型號(hào)焊條和焊前預(yù)熱焊后緩冷等工藝措施，找到了一種避免產(chǎn)生焊表冷裂紋的有效方法，取得了理想的效果，為異型鋼材的焊接探索出一條有效可行的途徑。焊后壓力試驗(yàn)表明，殼體能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)外部壓力的要求。
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