白海峰

（萬國紙業太陽白卡紙有限公司，山東濟寧　272000）

在造紙設備計劃維修或事故搶修中，都要求快速高效。而造紙機的結構特點，其軸承都是易裝難拆。維修經驗提示，拆卸時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題。

白海峰 先生 高級技師、高級安全評師，公司維修部經理；長期從事造紙機械設備的維修維護管理工作。

在車間維修時，經常會遇到由于在機軸承已損壞，需要把軸承從座孔中拉出，然后才能裝入新軸承的問題。這時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。車間曾試用J422焊條手弧焊，結果往往是從軸承側的熱影響區開裂失敗。所以應車間要求，下面對這兩種材料的焊接問題予以探討。

1　焊接方法與焊接材料的選擇

由于車間現場搶修條件，焊接方法要簡單易行，快速省時。選用焊條手弧焊Z貼合實際，平時工人用得Z多、Z為熟練，其他焊接方法都顯得麻煩些。所以焊接材料應首選焊條。

對于高碳鉻軸承鋼，若填充材料代號是“J”的結構鋼類焊條，其焊縫組織主要是脆硬的馬氏體+碳鉻化合物。在軸承鋼側的熱影響區，因碳、鉻含量比焊縫區高,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，在軸承側的熱影響區受力開裂也就不足為奇了。

對于高碳鉻軸承鋼，認為應當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擴散，可降低熱影響區脆硬傾向。但又不能用高含鎳的鎳基合金，因為其熱裂傾向較大。例如，在GB/T13814-1992《鎳及鎳基合金焊條》中，ENiCrFe-3型焊條（牌號Ni307B）是含錳量Z高的，其抗熱裂能力也可說是在鎳合金焊條家族中Z好的一種，經計算焊縫熔敷金屬被母材稀釋后的熱裂指數HCI＝20，這已遠大于了臨界值15，焊接工藝無論再怎樣調整都是無濟于事。而且還得尋找直流焊機，必須直流反接。再說鎳基合金的合金化程度在90％以上，價格太高，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較多，尤其是促進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擴散，這會不會使軸承鋼側熱影響區更容易脆裂呢？據研究，當含鉻量在6％以下時，生成的碳鉻化合物主要是Cr3C和Cr7C3這類低鉻含量的化合物，這些脆性化合物都是沿晶界連續成帶、成膜狀析出，導致材料變脆和再熱開裂。當含鉻量在12％以上時，生成的碳鉻化合物主要是Cr23C6這類高鉻含量的化合物，它們在晶界呈球形顆粒狀，并不連續，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，軸承鋼側較多的碳會向焊縫擴散，從而會降低母材含碳量，這樣軸承鋼側的熱影響區碳/鉻比例更加擴大，也就更加促進生成Cr23C6這類高鉻化合物。這很有利于降脆增韌。

不銹鋼焊條的型號有很多，是不是任選一個就行呢？當然不行。這一點可以從改進的舍夫勒組織圖（圖1）上找到答案。因為用奧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，經計算其焊縫的熱裂指數HCl＝30～21。在不銹鋼焊接中，通常是使焊縫在凝固過程中先析出δ鐵素體，然后再析出奧氏體，這種混合組織才不會熱裂。若要如此，那么就得提高焊縫的鉻當量，也就是得選用雙相不銹鋼焊條?，F行標準中的雙相不銹鋼焊條有E2209、E2553、E312這3個型號，其鉻當量依次遞增。

對于E2209焊條，當采用大參數焊接時，仍然具有熱裂傾向，尤其是在軸承鋼一側的焊縫處，是該焊縫的Z危險點，此型號也得排除。對于E2553焊條，其熔敷金屬的抗拉強度和塑性指標與45＃鋼不匹配，也得排除。對于E312（牌號A1002）焊條，認為較為適合。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。因為此焊條熔敷金屬的合金化程度為43％，價格比奧氏體不銹鋼焊條稍微貴點。

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擴散，且軸承鋼側焊接淬火區的寬度不過是1～2mm左右（鎳可強烈地降低淬火區寬度和硬度），所以，軸承鋼側母材增鉻到12％以上應當沒問題，哪怕是僅在6％～12％之間也達到了增韌降脆的目的。焊縫中的鎳也向母材擴散，又進一步加大了增韌降脆的作用，鎳還可降低軸承鋼側焊接淬火區之外的低溫回火脆性。

2　焊接工藝的優化問題

車間維修時需要焊接的軸承，通常都是已經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？

冷焊法固然有簡便快捷的優點，但軸承鋼側熱影響區的性能還是不如熱焊法的好。因為淬硬馬氏體組織在焊接時具有二次淬火效應，如同軸承廠在淬火后的強力磨削熱和皂化液形成的二次淬火效應一樣。在軸承行業常有一種被稱作磨削裂紋的淺表性缺陷，這種微裂紋常出現在磨削過程中以及磨削后停留一段時間延遲出現。二次淬火組織是一種不穩定的非回火馬氏體，脆性比母材高，晶體結構與母材也不一樣。軸承行業常用的解決措施是降低進給量，并在磨削后立即進行一次低溫回火。即使進給量降得再小，僅這一項措施并不能完全消除這種缺陷。所以焊接二次淬火效應的微裂紋肯定會降低軸承鋼熱影響區的拉伸強度。所以前述的用“J”類結構鋼類焊條焊接容易斷裂的問題，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用氧-乙炔火焰先行高溫退火。具體方法就是燒至650～750℃，此時軸承鋼呈暗紅色，保持半小時以上，然后自然空冷。要注意升溫速度要慢點，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熱到140～180℃。由于前述的鉻鎳擴散滲透作用，我認為冷焊法的二次淬火效應不會很明顯，軸承鋼熱影響區的拉伸強度比熱焊法的差距不會很大。像車間搶修這種情況，我認為冷焊法是可行的。

有人認為，為了使焊縫降脆增韌，焊后再用火烤一下。我認為這是畫蛇添足，其效果不僅不能增韌，還會增脆！因為焊縫的鉻含量較高，在800℃左右長時間受熱會析出σ相，產生一種σ相脆性。另外在500℃以下長時間受熱還會有475℃脆性出現。所以應當是焊后自然空冷。

在通常的手工電弧焊中，空氣中的氮會侵入過渡電弧中，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，或者說氮是一種強烈的促進奧氏體化的元素，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度，降低奧氏體的韌性。在長弧焊接時焊縫吸氮較多，而且焊縫中的鉻、錳元素對氮的吸收還有一定的促進作用。從舍夫勒組織圖中可以看出，當采用較大的焊接電流，熔合比較大，且電弧較長時，焊縫含氮量可達0.11％，焊縫區在舍夫勒圖中位置上移，使焊縫僅有0～15％左右的δ相，在近軸承鋼半側的焊縫區因δ相含量小于8％，焊縫的凝固模式轉變成AF，從而也會熱裂。但是焊接電流太小，熔合比也太小，且電弧很短時，有析出σ相脆化的危險。所以應用中等焊接電流、中等熔合比，用較短的電弧焊接。當焊條直徑是3.2mm時，建議電流為95A。另外，用直流焊機焊接的焊縫，熔敷金屬的含氮量也比交流焊接的低。

3　總結

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

對于重要的結構聯結，且時間又足夠允許時，還是選用熱焊法為好。

（來源：中華紙業傳媒）