0 引言

　　隨著鋼鐵、石油化工、艦船、 電力和汽車等工業(yè)的發(fā)展， 各種低合金高強鋼、中高合金鋼、超強鋼以及各種合金材料應(yīng)用日益廣泛。 在焊接生產(chǎn)上帶來許多新的問題，其中較為普遍而又嚴重的就是焊接時產(chǎn)生冷裂紋。 國內(nèi)外的焊接結(jié)構(gòu)由于冷裂紋而引起了許多的重大事故，造成重大的財產(chǎn)損失并且威脅人民的生命安全。

　　近年來，對鋼鐵、石油化工、艦船、電力方面冷裂紋研究較多，但對汽車工業(yè)方面冷裂紋研究較少。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接工藝在齒輪組件等汽車零部件上的運用日益廣泛， 冷裂紋產(chǎn)生的危害日益增多， 因此， 文中以冷裂紋產(chǎn)生的原因展開， 以汽車變速器齒輪組件為例進行研究。 通過以格特拉克 (江西) 傳動系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的 DCT300 汽車 變速器齒輪組件為例，從降低擴散氫含量、改善組織等方面提出多種解決方法。

　　1焊接冷裂紋定義及分類

　　當(dāng)焊接接頭冷卻到較低溫度下時產(chǎn)生的焊接裂紋稱之為冷裂紋。 焊接冷裂紋主要分布在焊道下、 焊縫根部、 焊趾、 焊縫表面。其斷裂條件是：ε≥δmin時發(fā)生斷裂， 即焊接接頭局部位置的延性 δmin 小于所承受應(yīng)變力 ε 的作用。

　　焊接冷裂紋包括淬硬脆化裂紋、延遲裂紋、低塑性脆化裂紋。淬硬脆化裂紋是指淬硬傾向大的鋼 在焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生淬硬組織， 在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。延遲裂紋指焊接接頭冷卻到室溫后并在 一定時間 (幾小時， 幾天， 甚至 10 幾天) 才出現(xiàn)的 焊接冷裂紋稱延遲裂紋。 延遲裂紋的影響因素有淬硬組織、氫、應(yīng)力。低塑性脆化裂紋指被焊母材或 焊縫金屬本身塑性過低，在焊接熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力作用下，發(fā)生的應(yīng)變大于其延性而產(chǎn)生的裂紋。低塑性脆化裂紋與氫的作用無關(guān)，與焊接形成的脆硬組織也無必然聯(lián)系，根本原因在于母材塑性過低。

　　2 冷裂紋與熱裂紋的區(qū)別

　　冷裂紋與熱裂紋的區(qū)別主要表現(xiàn)在產(chǎn)生條件、產(chǎn)生部位和方向、外觀特征和金相結(jié)構(gòu)上，其區(qū)別見表 1。 其中也有一些特殊的情況，如冷裂紋有的可以延至幾小時到幾星期甚至更長時間才會出現(xiàn)，有的冷裂紋是沿晶界開裂，如圖 1 所示。

　　表 1 冷裂紋與熱裂紋區(qū)別

　　圖 1 金相圖片中裂紋

　　3 焊接冷裂紋的產(chǎn)生原因

　　近縫區(qū)的加熱溫度會在高強鋼淬硬時變得很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，粗大的奧氏體將在快速冷卻下轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體。 而馬氏體是一種易發(fā)生斷裂的脆硬組織。 因此在焊接接頭有馬氏體存在時， 裂紋易于形成和擴展。

　　不當(dāng)?shù)暮附庸に囈约澳覆呐c焊材匹配不當(dāng)是冷裂紋產(chǎn)生的主要原因。 前者主要原因是焊接處存在游離水和結(jié)晶水， 表現(xiàn)在母材、焊材、環(huán)境濕度偏高，在焊接過程中，水分及有機物經(jīng)電弧分解產(chǎn)生 H，進而出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。后者主要因為母材與焊材中 B， V， Mo， Co， C 等元素含量不一致，導(dǎo)致兩者淬硬敏感性存在差異，進而產(chǎn)生冷裂紋。 除此之外，焊接速度、環(huán)境溫度、夾渣、焊接不充分等因素也將影響冷裂紋的產(chǎn)生。

　　4 防止冷裂紋產(chǎn)生的解決方法

　　根據(jù)冷裂紋的影響因素，對格特拉克 (江西) 傳動系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的 DCT300 汽車變速器齒輪組件進行分析，主要從材料成分及碳當(dāng)量、齒輪有效硬化層深偏高、齒輪硬車 1 余量不足、預(yù)熱溫度低等方面對齒輪組件進行分析，并找到防止冷裂紋產(chǎn) 生的方案。

　　確認焊接母材適宜性，根據(jù)焊接性的w(C)eq (碳當(dāng)量) 對焊接母材進行評估。 當(dāng) w(C)eq≤0.4%，焊接性好; 當(dāng) w(C)eq=0.4%～0.6%，焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱; 當(dāng) w(C)eq≥0.6%，焊接性較差，屬難焊材料， 需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴格的工藝方法，其碳當(dāng)量計算公式見式(1)：

　　隨機挑選 5 件齒輪毛坯和齒圈外購件進行光譜檢測，并計算碳當(dāng)量。計算結(jié)果平均 w(C)eq 為 0.6% 左右， 因此，齒輪組件材料焊接性稍差，焊接之前零件需進行預(yù)熱。

　　對齒輪有效硬化層深 CHD 進行分析，根據(jù)要求， CHD 在 0.6～0.9 mm 之間為合格。將齒輪有效滲碳層深進行繪圖分析，如圖 2 所示。

　　圖 2 有效硬化層深 CHD

　　根據(jù)圖 2 可得， 齒輪組件有效硬化層深 CHD 均 在要求的 0.6～0.9 mm 范圍內(nèi)，檢測結(jié)果合格，所以該因素對焊接冷裂紋并不產(chǎn)生影響。

　　確定齒輪硬車 1 余量對焊接冷裂紋的影響，對裂紋斷口能譜分析，將斷口處標(biāo)記 6 個譜圖，如圖 3 所示。裂紋斷口能譜分析結(jié)果見表 2。

　　圖 3 斷裂口電子圖像

　　表 2 裂紋斷口能譜分析結(jié)果 (%)

　　根據(jù)裂紋端口能譜分析，從 C 含量的趨勢看出，齒輪外圓表明有增碳，表明在焊接工序毛坯焊接外圓滲碳層未完全車削掉。對比 DCT， NST 工廠 DCT300六檔齒輪硬車 1 余量、DCT250 六檔齒輪和五檔齒輪硬車 1 余量，分析齒輪硬車 1 余量對焊接產(chǎn)生冷裂紋情況，見表 3。

　　表 3 齒輪硬車余量

　　齒輪硬車 1 余量不足，對冷裂紋報廢率影響較大。所以可以通過增加硬車 1 焊接外圓余量來減少冷裂紋報廢率。

　　據(jù)冷裂紋產(chǎn)生原因，焊前預(yù)熱是可焊性較差的高強度鋼防止冷裂紋行之有效的方法。對齒輪焊接冷裂紋數(shù)量結(jié)果分析，對預(yù)熱溫度進行檢測，在焊接工位使用紅外溫度計測試焊接前零件表面溫度。對齒輪預(yù)熱溫度進行控制，在進行 300 次焊接后，對不同的預(yù)熱溫度試驗結(jié)果進行分析，見表 4。

　　表 4 齒輪預(yù)熱溫度驗證

　　通過表 4 中預(yù)熱溫度對比可發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱溫度對冷裂紋報廢率有顯著性影響。預(yù)熱溫度高時，廢品率較低; 預(yù)熱溫度低，廢品率高。所以提高預(yù)熱溫度對減少焊接冷裂紋有較好的作用。

　　5 結(jié)語

　　焊接技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)中處于初步發(fā)展應(yīng)用階段， 由于冷裂紋的潛伏期，焊后數(shù)小時乃至更長時間才能出現(xiàn)。 DCT300 汽車變速器齒輪組件的碳當(dāng)量達到 0.6%， 焊接性較差，所以減少冷裂紋是總體質(zhì)量及安全性的關(guān)鍵點。通過固定六檔齒輪焊接外圓毛坯尺寸及固化預(yù)熱工藝參數(shù)，可有效地防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，從而減少事故的發(fā)生，為汽車零部件焊接技術(shù)提供了較普遍的指導(dǎo)意義。