白海峰

（萬(wàn)國(guó)紙業(yè)太陽(yáng)白卡紙有限公司，山東濟(jì)寧　272000）

在造紙?jiān)O(shè)備計(jì)劃維修或事故搶修中，都要求快速高效。而造紙機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軸承都是易裝難拆。維修經(jīng)驗(yàn)提示，拆卸時(shí)只有在軸承端面焊上螺紋拉桿，才Z為方便拆卸。所以本文就探討軸承鋼與碳鋼的焊接問(wèn)題。

白海峰 先生 高級(jí)技師、高級(jí)安全評(píng)師，公司維修部經(jīng)理；長(zhǎng)期從事造紙機(jī)械設(shè)備的維修維護(hù)管理工作。

在車(chē)間維修時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到由于在機(jī)軸承已損壞，需要把軸承從座孔中拉出，然后才能裝入新軸承的問(wèn)題。這時(shí)就需要在軸承端面焊接外端帶螺紋的拉桿，以便用液壓頂拉出。螺紋拉桿的材料通常是45＃鋼，其焊接性尚可以，但滾動(dòng)軸承的材料通常是淬硬的高碳鉻鋼GCr15或GCr15SiMn，其焊接性是極差的。車(chē)間曾試用J422焊條手弧焊，結(jié)果往往是從軸承側(cè)的熱影響區(qū)開(kāi)裂失敗。所以應(yīng)車(chē)間要求，下面對(duì)這兩種材料的焊接問(wèn)題予以探討。

1　焊接方法與焊接材料的選擇

由于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)搶修條件，焊接方法要簡(jiǎn)單易行，快速省時(shí)。選用焊條手弧焊Z貼合實(shí)際，平時(shí)工人用得Z多、Z為熟練，其他焊接方法都顯得麻煩些。所以焊接材料應(yīng)首選焊條。

對(duì)于高碳鉻軸承鋼，若填充材料代號(hào)是“J”的結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)焊條，其焊縫組織主要是脆硬的馬氏體+碳鉻化合物。在軸承鋼側(cè)的熱影響區(qū)，因碳、鉻含量比焊縫區(qū)高,這些脆硬的馬氏體+碳鉻化合物的含量也更高些。另外，軸承鋼GCr15還具有低溫回火脆性。所以，在軸承側(cè)的熱影響區(qū)受力開(kāi)裂也就不足為奇了。

對(duì)于高碳鉻軸承鋼，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)選用奧氏體型填充材料，以降低焊縫的冷裂傾向。奧氏體組織的生成元素鎳向軸承鋼側(cè)擴(kuò)散，可降低熱影響區(qū)脆硬傾向。但又不能用高含鎳的鎳基合金，因?yàn)槠錈崃褍A向較大。例如，在GB/T13814-1992《鎳及鎳基合金焊條》中，ENiCrFe-3型焊條（牌號(hào)Ni307B）是含錳量Z高的，其抗熱裂能力也可說(shuō)是在鎳合金焊條家族中Z好的一種，經(jīng)計(jì)算焊縫熔敷金屬被母材稀釋后的熱裂指數(shù)HCI＝20，這已遠(yuǎn)大于了臨界值15，焊接工藝無(wú)論再怎樣調(diào)整都是無(wú)濟(jì)于事。而且還得尋找直流焊機(jī)，必須直流反接。再說(shuō)鎳基合金的合金化程度在90％以上，價(jià)格太高，所以鎳基合金焊條必須放棄。另外，若把拉桿的材料改成像Q235這種常用的焊接材料，因普通低碳鋼中含雜質(zhì)較多，尤其是促進(jìn)奧氏體組織熱裂的硫、磷、硅等元素熔入焊縫，將更是加劇了熱裂傾向，所以拉桿改成普通低碳鋼的方案是必須排除在外的。

那么低鎳含量的奧氏體不銹鋼焊條怎么樣呢？奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬的鉻含量都在18％以上，軸承鋼的鉻含量在1.5％，那么焊縫中的鉻必然要向軸承鋼側(cè)擴(kuò)散，這會(huì)不會(huì)使軸承鋼側(cè)熱影響區(qū)更容易脆裂呢？據(jù)研究，當(dāng)含鉻量在6％以下時(shí)，生成的碳鉻化合物主要是Cr3C和Cr7C3這類(lèi)低鉻含量的化合物，這些脆性化合物都是沿晶界連續(xù)成帶、成膜狀析出，導(dǎo)致材料變脆和再熱開(kāi)裂。當(dāng)含鉻量在12％以上時(shí)，生成的碳鉻化合物主要是Cr23C6這類(lèi)高鉻含量的化合物，它們?cè)诰Ы绯是蛐晤w粒狀，并不連續(xù)，所以才有韌性良好的Cr13型不銹鋼和18-8型不銹鋼。另外，奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬的含碳量比母材低得多，軸承鋼側(cè)較多的碳會(huì)向焊縫擴(kuò)散，從而會(huì)降低母材含碳量，這樣軸承鋼側(cè)的熱影響區(qū)碳/鉻比例更加擴(kuò)大，也就更加促進(jìn)生成Cr23C6這類(lèi)高鉻化合物。這很有利于降脆增韌。

不銹鋼焊條的型號(hào)有很多，是不是任選一個(gè)就行呢？當(dāng)然不行。這一點(diǎn)可以從改進(jìn)的舍夫勒組織圖（圖1）上找到答案。因?yàn)橛脢W氏體不銹鋼焊條獲得焊縫都是純奧氏體組織，仍然具有很大的熱裂傾向，即使用抗熱裂性Z好的A172焊條也不例外，經(jīng)計(jì)算其焊縫的熱裂指數(shù)HCl＝30～21。在不銹鋼焊接中，通常是使焊縫在凝固過(guò)程中先析出δ鐵素體，然后再析出奧氏體，這種混合組織才不會(huì)熱裂。若要如此，那么就得提高焊縫的鉻當(dāng)量，也就是得選用雙相不銹鋼焊條。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的雙相不銹鋼焊條有E2209、E2553、E312這3個(gè)型號(hào)，其鉻當(dāng)量依次遞增。

對(duì)于E2209焊條，當(dāng)采用大參數(shù)焊接時(shí)，仍然具有熱裂傾向，尤其是在軸承鋼一側(cè)的焊縫處，是該焊縫的Z危險(xiǎn)點(diǎn)，此型號(hào)也得排除。對(duì)于E2553焊條，其熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性指標(biāo)與45＃鋼不匹配，也得排除。對(duì)于E312（牌號(hào)A1002）焊條，認(rèn)為較為適合。在舍夫勒組織圖上可看出，焊縫具有4％～20％左右的δ鐵素體，此值基本符合Z佳范圍，具有良好的抗熱裂能力。因?yàn)榇撕笚l熔敷金屬的合金化程度為43％，價(jià)格比奧氏體不銹鋼焊條稍微貴點(diǎn)。

E312焊條平均含鉻量30％、含鎳量10％，焊縫處的含鉻量約24％，軸承鋼平均含鉻量才1.5％，巨大的濃度差足以使焊縫中的鉻向熱影響區(qū)擴(kuò)散，且軸承鋼側(cè)焊接淬火區(qū)的寬度不過(guò)是1～2mm左右（鎳可強(qiáng)烈地降低淬火區(qū)寬度和硬度），所以，軸承鋼側(cè)母材增鉻到12％以上應(yīng)當(dāng)沒(méi)問(wèn)題，哪怕是僅在6％～12％之間也達(dá)到了增韌降脆的目的。焊縫中的鎳也向母材擴(kuò)散，又進(jìn)一步加大了增韌降脆的作用，鎳還可降低軸承鋼側(cè)焊接淬火區(qū)之外的低溫回火脆性。

2　焊接工藝的優(yōu)化問(wèn)題

車(chē)間維修時(shí)需要焊接的軸承，通常都是已經(jīng)淬硬了的馬氏體組織，由此也就衍生出了冷焊法和熱焊法，到底哪種焊法好呢？

冷焊法固然有簡(jiǎn)便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但軸承鋼側(cè)熱影響區(qū)的性能還是不如熱焊法的好。因?yàn)榇阌柴R氏體組織在焊接時(shí)具有二次淬火效應(yīng)，如同軸承廠在淬火后的強(qiáng)力磨削熱和皂化液形成的二次淬火效應(yīng)一樣。在軸承行業(yè)常有一種被稱作磨削裂紋的淺表性缺陷，這種微裂紋常出現(xiàn)在磨削過(guò)程中以及磨削后停留一段時(shí)間延遲出現(xiàn)。二次淬火組織是一種不穩(wěn)定的非回火馬氏體，脆性比母材高，晶體結(jié)構(gòu)與母材也不一樣。軸承行業(yè)常用的解決措施是降低進(jìn)給量，并在磨削后立即進(jìn)行一次低溫回火。即使進(jìn)給量降得再小，僅這一項(xiàng)措施并不能完全消除這種缺陷。所以焊接二次淬火效應(yīng)的微裂紋肯定會(huì)降低軸承鋼熱影響區(qū)的拉伸強(qiáng)度。所以前述的用“J”類(lèi)結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)焊條焊接容易斷裂的問(wèn)題，肯定也有二次淬火微裂紋的作用因素。

所謂的熱焊法就是把軸承鋼的待焊區(qū)用氧-乙炔火焰先行高溫退火。具體方法就是燒至650～750℃，此時(shí)軸承鋼呈暗紅色，保持半小時(shí)以上，然后自然空冷。要注意升溫速度要慢點(diǎn)，以防急熱炸裂。獲得的組織是回火索氏體，綜合性能良好。在降溫階段就可以焊接，沒(méi)必要等到完全涼透。

冷焊法并不是完全的冷，而是要求把軸承鋼預(yù)熱到140～180℃。由于前述的鉻鎳擴(kuò)散滲透作用，我認(rèn)為冷焊法的二次淬火效應(yīng)不會(huì)很明顯，軸承鋼熱影響區(qū)的拉伸強(qiáng)度比熱焊法的差距不會(huì)很大。像車(chē)間搶修這種情況，我認(rèn)為冷焊法是可行的。

有人認(rèn)為，為了使焊縫降脆增韌，焊后再用火烤一下。我認(rèn)為這是畫(huà)蛇添足，其效果不僅不能增韌，還會(huì)增脆！因?yàn)楹缚p的鉻含量較高，在800℃左右長(zhǎng)時(shí)間受熱會(huì)析出σ相，產(chǎn)生一種σ相脆性。另外在500℃以下長(zhǎng)時(shí)間受熱還會(huì)有475℃脆性出現(xiàn)。所以應(yīng)當(dāng)是焊后自然空冷。

在通常的手工電弧焊中，空氣中的氮會(huì)侵入過(guò)渡電弧中，從而使焊縫熔敷金屬含氮。氮在焊縫中作用就是減少δ相的生成，或者說(shuō)氮是一種強(qiáng)烈的促進(jìn)奧氏體化的元素，它的作用是鎳的14.2倍，雖然可以降低σ相脆性和475℃脆性，但可提高奧氏體的強(qiáng)度，降低奧氏體的韌性。在長(zhǎng)弧焊接時(shí)焊縫吸氮較多，而且焊縫中的鉻、錳元素對(duì)氮的吸收還有一定的促進(jìn)作用。從舍夫勒組織圖中可以看出，當(dāng)采用較大的焊接電流，熔合比較大，且電弧較長(zhǎng)時(shí)，焊縫含氮量可達(dá)0.11％，焊縫區(qū)在舍夫勒?qǐng)D中位置上移，使焊縫僅有0～15％左右的δ相，在近軸承鋼半側(cè)的焊縫區(qū)因δ相含量小于8％，焊縫的凝固模式轉(zhuǎn)變成AF，從而也會(huì)熱裂。但是焊接電流太小，熔合比也太小，且電弧很短時(shí)，有析出σ相脆化的危險(xiǎn)。所以應(yīng)用中等焊接電流、中等熔合比，用較短的電弧焊接。當(dāng)焊條直徑是3.2mm時(shí)，建議電流為95A。另外，用直流焊機(jī)焊接的焊縫，熔敷金屬的含氮量也比交流焊接的低。

3　總結(jié)

對(duì)于車(chē)間在搶修更換軸承時(shí)，軸承鋼與45＃鋼的拉桿焊接工藝為：（1）軸承鋼焊前預(yù)熱至140～180℃；(2）焊條選用E312（牌號(hào)A1002）型；(3）中等焊接電流，短電弧。

對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，且時(shí)間又足夠允許時(shí)，還是選用熱焊法為好。

（來(lái)源：中華紙業(yè)傳媒）