电机转轴埋弧焊工艺研究.docx

1、电机转轴埋弧焊工艺研究电机转轴埋弧焊工艺研究与应用范卢军（湘潭电机股份有限公司结构件事业部，湖南 湘潭 ）摘要：电机转轴中筋板与轴之间的焊缝为长、直焊缝，正好适用于埋弧焊焊接。经过分析转轴的结构及转轴母材Q345B的焊接性，制定相应的焊接工艺参数，通过焊接工艺评定、试件工艺验证、产品验证等实验证明，转轴采用埋弧焊工艺焊接的焊缝，表面成形美观、无焊接缺陷、焊接质量稳定、可靠，焊接接头力学性能完全满足设计要求。可见埋弧焊适用于电机转轴中筋板与轴的焊接，可推广应用于电机转轴与筋板的焊接。关键词：电机转轴 Q345B 埋弧焊1. 埋弧焊的特点埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊具有：生

2、产效率高、易于实现机械化和自动化、焊缝质量高、劳动条件好，且无噪音及有害气体等优点。埋弧焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。2. 焊接结构及母材焊接性分析图1为电机转轴的焊接示意图，其中：转轴材料为圆钢Q345B,筋板材料为钢板Q235B。从图1可以看出，筋板与转轴之间的焊缝为长、直焊缝，正好适用于埋弧焊焊接。2.1 材料介绍 Q235钢属碳素结构钢，其屈服强度在235MPa左右，强度适中，有良好的承载性，较好的塑性和韧性，其含碳量低，一般小于0.2%，焊接性和加工性能良好，是

3、最常用的钢种。 Q345钢属于低合金高强度结构钢，一般在热轧状态下供货，它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性、冷冲压性及切削性，在机械行业中应用极广，可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。 Q235B、Q345B的化学成分见表1，其力学性能见表2表1 Q235B、Q345-B的材料化学成分牌号化学成分CSiMnSPVNbTiQ235B0.120.20.300.300.700.0450.045Q345B0.20.551.01.60.040.040.020.15表2 Q235B、Q345B的材料力学性能牌号屈服强度S/MPa抗拉强度b/M

4、Pa伸长率%冲击功AKV/J（23）备注Q235B2353754602527GB/T700Q345B3454706302134GB/T15912.2 焊接性分析母材碳当量（Ceq）的计算计算公式：Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14Q235B的碳当量（Ceq）0.3%，Q345B的碳当量（Ceq）0.49%， 从以上计算结果可以看出，Q235B的碳当量(Ceq）0.3%，碳当量很低，硅、锰含量少，通常情况下不会因焊接而产生严重的硬化组织或淬火组织。具有良好的焊接性。 而Q345B的碳当量（Ceq）0.49%，其淬硬倾向比Q235B要大，可见Q345B钢焊接

5、性能不是很好，焊接时需要制定严格的工艺措施。因此下面主要从两方面来分析Q345B的焊接性：一是焊接引起的各种缺陷，对这类钢来说主要是各类裂纹问题；二是焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化问题。2.2.1 裂纹问题（1） 热裂纹：Q345B含碳量较低，含锰量较高，因此它的Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。（2） 冷裂纹：钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。Q345B

6、由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些。而且转轴厚度很大，焊缝冷却速度比较快，因此要制定合适的焊接线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。（3） 再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，Q345B钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感。2.2.2 脆化问题（1） 过热区脆化：Q345B钢焊接时近缝区中被加热到1200以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短

7、在这一温度区间停留时间，减少或防止魏氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧性，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量，并要控制好层间温度不要过高。 （2） 热应变脆化：热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。Q345B具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后去应力退火。综合以上分析，我们知道在裂纹方面，Q345B对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感，只有当板材厚度过大，且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏感性；在脆化方面，Q345B有一定的热应变脆化现象，对过热区脆化不敏感。因此，需要通过一些的焊接工艺措施来

8、解决Q345B中由于部分原因对焊接性带来的不利影响。3. 焊接材料的选择低合金高强钢焊接材料的选择一般考虑两方面的问题：一是不能有裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能与母材相匹配。选用的焊接材料：焊剂为SJ501焊剂 焊丝为H08A；焊丝直径为4以上组合的熔敷金属化学成分见表3、机械性能见表4：表3 熔敷金属化学成分CMnSiPS0.0551.180.800.0160.010表4 熔敷金属机械性能抗拉强度b/MPa屈服强度S/MPa延伸率%冲击功AKV/J（0）55048529634. 焊接工艺参数的拟定4.1 预热温度：根据转轴

9、母材的厚度、母材材质的焊接性分析及相关标准文件说明，确定预热温度为150。4.2 层间温度：为了避免焊缝及焊接热影响区过热而产生粗大的魏氏体组织，规定层间温度不允许超过300。4.3 焊后保温：为了消除氢脆，焊后立即保温，保温温度250300,时间24小时。4.4 焊后热处理：为了避免产生热应变脆化、消除焊缝内应力，保证工件尺寸稳定，焊后采用去应力退火工艺。退火温度600650，保温时间2小时，并随炉冷却至300后，空冷。去应力退火在焊后保温完成后进行。4.5 焊接线能量：焊接质量与焊接时输入线能量有直接的关系，焊接线能量公式如下： E=IU/V公式中，E为焊接时输入的线能量，KJ/mm；I为

10、焊接电流，A；U为电弧电压，V；V为焊接速度，mm/s。焊接线能量不能过低，也不能过高。焊接线能量过低，焊缝冷却速度过快，会产生大量的高碳马氏体组织；焊接线能量过高，焊缝冷却速度太慢,焊缝金属高温时间停留过长，冷却时会产生大量的粗大魏氏体组织。从图2可以看出，焊接热影响区组织以A1、A2两条线之间的区间为宜，其组织以贝氏体为主，具有强度高、韧性好等良好的综合机械性能。其对应的T8/5大概在950之间；同时对比图3可以看出，其对应的维氏硬度值大概在420236之间；然后结合SHCCT曲线图，HV=420可以对应R11冷却曲线，其线能量约为0.6KJ/mm，HV=236可以对应R7冷却曲线，其线能

11、量约为3KJ/mm.因此，结合SHCCT曲线图、图2、图3和相关文献可以大致推算出线能量最好控制在0.6KJ/mm3KJ/mm之间。图2 焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区组织组成的关系图3 焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区硬度的关系Q345钢的连续冷却曲线（SHCCT）经过以上焊接性分析，并结合焊接工艺守则等相关文献，确定焊接工艺参数，见下表5：表5 焊接工艺参数焊层电流（A）电压(V)焊接速度热输入预热温度层间温度后热保温焊后热处理打底层45050025303035cm/min1.93.0 KJ/mm150焊后立即保温、保温温度250300，时间23小时600650，保温时间

12、2小时，随炉冷却至300。中间层50055027323540cm/min2.03.0KJ/mm300盖面层50055030343337cm/min2.43.4KJ/mm3005. 焊接工艺评定 采用Q235B+Q345B的对接试板，板厚30mm, 焊接工艺评定按标准 JB/T 4708-2005进行。5.1 根据表5的焊接工艺参数，对试板进行焊接。5.2 焊缝超声波探伤检测 100%符合 JB4730-2005 RT 级要求5.3 力学性能检查结果 （1）焊接接头抗拉强度为 447/439Mpa，断裂位置为Q235B母材一侧。 （2）弯曲试验：在支座距离为63mm,弯曲直径为40mm，弯曲角度

13、为180的条件下进行4个侧弯，均无缺陷。 （3）采用101055的标准冲击试样进行室温V型缺口冲击试验，焊缝中心的冲击值为57、59、57（J）；靠近Q235B侧热影响区的冲击值为200、190、198(J),靠近Q345B侧热影响区的冲击值为180、196、182(J)，均高于标准要求的27J。6. 应用此埋弧焊工艺成功应用于Y355、Y450、Y500系列电机转轴的焊接，探伤一次合格率达98%以上。应用埋弧焊焊接的电机，在客户处已正常运行2年以上，此处焊缝至今未发现任何问题。7. 结论 （1）用埋弧焊所焊的焊接试板，其焊接接头的机械性能完全满足标准要求。 （2）转轴采用埋弧焊工艺焊接的焊缝，表面成形美观、无焊接缺陷、焊接质量稳定、可靠，焊接接头力学性能完全满足设计要求。 （3）焊接工艺参数通过自动调节保持稳定，对焊工操作技术要求不高；相对于手工电弧焊，埋弧焊操作劳动强度低，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，其劳动条件也比较好。 （4）埋弧焊所用的焊接电流大，相应电流密度也大，加上焊剂和熔渣的保护，电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高。而且由于埋弧焊热输入大，焊接速度快，能有效的保证焊接时的层间温度。焊缝能按理想的冷却曲线冷却，焊缝组织性能优于MAG焊得到的焊缝组织。 （5）埋弧焊适用于电机转轴与筋板之间的焊接，可推广应用在电机转轴与筋板的焊接上。 参考文献：1