液压油缸的焊接27SiMn与45钢

液压缸和柱常用 27SiMn 钢，缸底、耳环、油口管接头等常用 45 钢。液压油缸的缸体与缸头、缸体与缸底端面间，缸体与耳环、耳环与铰轴间，缸体与油口接头等均需要焊接组装，而 27SiMn 钢与 45 钢的焊装属异种钢焊接。为获得良好的焊接接头，采用 CO2气体保护焊、低氢低碳合金焊材，精选焊接工艺参数、焊前预热、焊后缓冷的焊接工艺。对焊后试件进行试验及工艺评定，无孔、无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，进行拉伸和弯曲试验，其力学性能合格。结果表明：采用合理的焊接工艺，异种钢 27SiMn 与 45的焊接性能优良，完全满足液压油缸的工作要求。

液压油缸在工程机械、起重运输机械和机床等行业获得广泛使用，是一个非常重要的部件。根据国标 GB/T17396-2009 规定，液压支柱用热轧无缝钢管可选用 20、35、45 优质碳钢，也可选合金钢，如27SiMn 等。根据额定工作压力，有轻压（2.5~6.3 MPa）、中压（10~14 MPa）和高压（25~31 MPa）油缸。对额定工作压力为 16 MPa 的工程油缸，缸体采用27SiMn钢，缸底和耳环等采用 45 钢，通过焊接组装。由于异种钢在物理性能和化学成分上存在差异，焊缝及热影响区容易出现硬度高、脆性高、韧性较低的组织和性能，可能导致液压缸失效破坏。为提高焊接结构的质量及可靠性，保证液压缸良好的工作，需要研究 27SiMn 钢与 45 钢的焊接性能。

1 对接焊缝

外缸筒如图 1 所示，焊接部位较多，其中缸体与缸头、缸体与缸底为对接环缝，采用单面（外圆）施焊而成。由于焊缝质量至关重要，尤其是对接环焊缝最为关键，既要承受液压介质均匀的周向力，又要承受轴向力，焊缝金属和热影响区必须要有较高的强度和足够高的冲击韧性，而焊缝处一旦出现漏液及缸体开裂将造成严重安全事故，因此要求焊接接头无裂纹、夹渣等缺陷，故焊接是油缸生产制造过程中最关键工序之一

2 焊接技术

27SiMn 钢热处理工艺：920 ℃±20 ℃保温 1.5 h，水淬，450 ℃±50 ℃回火，冷却剂为油或水，硬度为HBW240~280。45 钢热处理工艺：正火 850 ℃，淬火840 ℃，回火 600 ℃，焊后要求焊缝与母材强度接近

2.1 27SiMn 钢与 45 钢的化学成分和力学性能

依据国标 GB/T3077-1999、GB/T699-2015 和GB/T17396-2009，27SiMn 钢与 45 钢的化学成分和力学性能如表 1、表 2 所示。

2.2 27SiMn 钢与 45 钢的焊接性能

27SiMn 无缝钢管具有良好的机械性能，内外表面质量光滑、壁厚均匀，有较高的强度和良好的韧性，能承受高压、抵御冲击碰撞，但焊接性较差，存在缺口敏感性，焊缝处易断裂和开裂

45 钢属中碳钢，焊接性较差，若焊接材料的选择和焊接过程控制不好，则焊缝和近缝区可能产生硬脆的马氏体组织，导致接头使用性能下降，在振动或疲劳载荷下容易破坏，也易诱发冷裂纹。

2.2.1 钢的焊接性评价

焊接热影响区的淬硬倾向与钢的化学成分直接相关，而碳的影响最为明显。为粗略估算低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，将钢中（包括碳在内）对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量（碳当量），对确定预热、焊后热处理、线能量等焊接工艺有重要作用，因此，碳当量

（Ceq）常用于评价钢的焊接性。

Ceq=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/527SiMn 

钢碳当量 Ceq=0.574%~0.737%，大于临界值 0.45%，45 钢属中碳钢。两者的淬硬性均大，热影响区容易产生裂纹，焊接工艺性差，因此，要确保获得良好的焊接质量，必须采取合适的焊接工艺。

2.2.2 焊接工艺

（1）焊接试件。采用材质为27SiMn 与 45 的无缝钢管对焊，钢管尺寸 φ6×8，坡口角度 60°，钝边1 mm，间隙 2 mm，如图 2 所示。

（2）CO2气体保护焊。保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，保护气体流量 12～18 L/min，焊丝伸出表 2 钢材（管）的力学性能

（3）焊接材料。异种钢焊接的关键是正确选择焊接材料，由于焊缝和熔合区的化学成分和金相组织不均匀，物理性能也发生了变化，为确保焊接质量，应采用低氢低碳合金焊材。因此，选用直径 φ1.2 mm的猴王 MK·G60-Ⅰ ER60-G 气保焊丝。MK·G60-Ⅰ属于微合金强化气保焊丝，可采用 CO2或 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%气体保护焊，焊接工艺性能良好，焊缝韧性好，适合于 600 MPa 级低碳钢及低合金中高强度钢结构的焊接，因属低氢焊接，因此，对冷裂纹敏感的 27SiMn 钢很适用MK·G60-Ⅰ ER60-G 气保焊丝的化学成分及力学性能如表 3 所示。

（4）工艺参数。在焊接第一层焊缝时，必须将焊口两侧100mm范围用氧-乙炔焰预热，温度 240℃±10 ℃，然后焊接，层间温度 250 ℃~350 ℃，在最后一层焊接时要保证接头熔合良好，必须搭接焊缝，焊完后用石棉布包裹缓冷，随后进行消除应力的回火处理，回火温度约 600 ℃，保温时间取决于工件厚度，最后随炉冷却。其他焊接工艺参数如表 4所示。

3 焊接工艺评定和试验

3.1 焊后试件

焊后试件如图 3 所示，经过线切割后的试件切

片如图 4 所示。

3.2 焊后试验及工艺评定

（1）表面清理。用汽油清洗焊接坡口及两侧附近油污（禁用酸洗），吹干，吹砂清除氧化物，每焊完 一遍，用砂轮机打磨焊道，去除焊道的飞溅物和熔渣，使焊缝表面呈凹状。

（2）焊后检查和试验。

a. 作外观检查。利用低倍放大镜检察焊缝表面气孔、裂纹等，用肉眼检察焊缝表面咬边、焊瘤等，用焊接检验尺测量焊缝余高、凹陷等缺陷，均符合质量要求；检测焊件的变形，也在许可范围内。b. X 射线探伤。按国标 GB/T3323-2005 规定，对试件做双壁单影法检查，焊缝内裂纹、未熔合、未焊透及条状夹渣，经查验，均达到了Ⅰ级焊缝标准。c. 拉伸试验和弯曲试验。异种钢焊接要求接头的抗拉强度不低于两种母材中抗拉强度较低材料的最低允许值，该焊接接头的抗拉强度略大于 45 钢，满足强度要求，拉伸断裂部位在焊缝处，如表 5 所示。经对试件做弯曲试验，弯曲 180°，背弯、面弯弯头直径为 4 倍壁厚，如图 5 所示，无裂纹。接头力学性能均合格。的抗拉强度不低于两种母材中抗拉强度较低材料的最低允许值，该焊接接头的抗拉强度略大于 45 钢，满足强度要求，拉伸断裂部位在焊缝处，如表 5 所示。经对试件做弯曲试验，弯曲 180°，背弯、面弯弯头直径为 4 倍壁厚，如图 5 所示，无裂纹。接头力学性能均合格。

（3）工件的液压试验。按设计要求，试验压力为

公称（额定）压力的 1.25～1.50 倍水压，因此，对额定工作压力 16 MPa 的液压缸一般加 20 MPa 的试验压力，保压 40 min，检查焊缝是否有泄露。经检查无泄露，液压试验合格。

4 结论

27SiMn 钢管是制造液压油缸体广泛选用的材料，而液压缸的其他结构常用 45 钢制造，因此需要研究异种钢 27SiMn 与 45 的焊接工艺。采用 CO2气体保护焊对油缸筒体和缸底的环缝进行焊接试验。通过焊前预热、焊后缓冷的工艺，避免了马氏体的生成，降低了热影响区的淬硬性，焊后进行消氢处理，加速氢的扩散和逸出，可有效防止焊接冷裂纹的产生。在对焊后试件进行试验和工艺评定中得知，焊缝成形好，焊缝热影响区小，焊接变形小，表面及内部缺陷少，探伤合格率高，经力学性能试验，塑性良好，强度达到设计要求，经两年多的实际使用，尚无因焊缝断裂而返修的产品