中信重工機(jī)械股份有限公司(河南洛陽(yáng) 471039)肖德政 吳建英 劉須收 何 娟
我公司的磨機(jī)襯板材質(zhì)為ZGMn18Cr2,其中wMn>14%,屬超高錳鋼,其成分、性能較ZGMn13更特殊,焊接時(shí)容易出現(xiàn)“碳化物析出”和“熱裂紋傾向嚴(yán)重”的現(xiàn)象。該材質(zhì)的磨機(jī)襯板,其背面底部一端(非吊把端)需增加條形支撐帶,為此,我們采取“鑲焊方式”處理,即在襯板“原凸臺(tái)”之間焊接一塊鋼板(材質(zhì)Q235A),焊腳高4mm,待焊區(qū)ZGMn18Cr2的板厚為100mm,且將鋼板與兩端凸臺(tái)之間的縫隙焊平。襯板在鑲焊前、后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
高錳鋼的特性:
(1)高錳鋼是指wC=0.9%~1.3%,wMn=11.0%~14.0%的鑄鋼,因其抗磨和耐磨的特性,在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用,如挖掘機(jī)的鏟斗、碎石機(jī)鄂板、球磨機(jī)襯板、拖拉機(jī)和坦克履帶及鐵道線路上的轍叉等。由于其成分、性能特殊,焊接性較差,易在焊縫、熔合線及過(guò)熱區(qū)產(chǎn)生裂紋。
圖1 襯板鑲焊前、后結(jié)構(gòu)
(2)高錳鋼的線膨脹系數(shù)是低碳鋼的1.6倍,但熱導(dǎo)率僅為低碳鋼的1/6,所以焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力,在S、P有害雜質(zhì)的作用下,焊接接頭處易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋。針對(duì)該問(wèn)題,解決的方案:首先,嚴(yán)格控制母材及焊接材料中的S、P含量,做到從成分上減少對(duì)焊接接頭的影響;其次,采用錘擊焊道等工藝措施,減少焊接應(yīng)力,以防止產(chǎn)生熱裂紋。
(1)焊接材料選擇 高錳鋼焊接的焊接材料主要有焊條和焊絲兩種。用于高錳鋼焊接的焊條有兩種:一種是高錳鋼型焊條D256(EDMn-A-16)和D266(EDMn-B-16),主要用于堆焊層受嚴(yán)重沖擊的磨料磨損零件,如碎石機(jī)顎板;另一種是Cr-Mn型焊條D276、(EDCrMn-B-16)和D277(EDCrMn-B-15),其堆焊金屬是處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的高錳奧氏體,當(dāng)其受強(qiáng)烈沖擊后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,其用于耐氣蝕的堆焊或高錳鋼堆焊,如水輪機(jī)葉片、挖掘機(jī)斗齒。
用于焊接高錳鋼的焊絲有Mn-Cr、Mn-Ni、Mn-Mo、Mo-Ni-Cr系高錳鋼焊絲,以及Cr-Ni、Cr-Ni-Mn系合金鋼焊絲。磨機(jī)襯板所涉及的焊接主要為異種鋼的焊接,即襯板(材質(zhì):ZGMn18Cr2)與鑲嵌鋼板(材質(zhì):Q235A)之間的焊接。襯板與鑲嵌鋼板焊接時(shí),焊縫位置處于非主要受力面,實(shí)際工作中并不需要太高的耐磨性,故對(duì)焊接接頭性能不作要求。因此,選擇焊接材料時(shí),并不需要選擇與高錳鋼同成分的焊接材料,只需根據(jù)焊接工藝性選擇焊接材料。
綜合考慮,磨機(jī)襯板的焊接應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)大,韌性較高的藥芯CO2氣體保護(hù)焊不銹鋼焊絲,牌號(hào)E309LT1—1,φ1.2mm。該焊絲屬Cr-Ni系焊絲,在焊接高錳鋼與碳鋼或低合金鋼的異種鋼時(shí),允許有較高的稀釋,可用來(lái)作為高錳鋼與碳鋼焊接時(shí)的填充材料。其電弧柔和穩(wěn)定,飛濺少,成形美觀,脫渣容易,具有良好的焊接工藝性能,可進(jìn)行全位置焊接,熔敷金屬具有良好的抗裂性能。E309LT1—1熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。
表1 熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能
(2)焊接設(shè)備 焊接設(shè)備選用松下CO2氣體保護(hù)焊焊機(jī),電焊機(jī)型號(hào)為KRⅡ500,如圖2所示。
圖2 焊接設(shè)備
(3)焊接操作規(guī)程 焊補(bǔ)或焊接高錳鋼時(shí),應(yīng)該采用熱源集中、熱輸入小的焊接方法,如焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等。
第一,焊接之前,首先,目視檢查襯板待焊部位是否有起層、夾砂和縮孔等缺陷,若有以上缺陷,用砂輪打磨以徹底清除缺陷;其次,將所有待焊區(qū)打磨出金屬光澤,并對(duì)其進(jìn)行PT檢測(cè),以判斷母材是否有表面裂紋,若有表面裂紋,必須用砂輪打磨或電弧氣刨清除,待裂紋徹底清除后方可進(jìn)行焊接。
第二,對(duì)磨機(jī)襯板材質(zhì)ZGMn18Cr2的焊接,焊前不預(yù)熱。為了減少碳化物的析出,嚴(yán)格控制層間溫度,并加快施焊時(shí)焊件的冷卻速度,縮短在高溫下停留的時(shí)間。理論上,高錳鋼多層焊時(shí)層間溫度應(yīng)控制在<250℃,以防止碳化物的析出,致使熱影響區(qū)脆化。本產(chǎn)品焊接時(shí),由于ZGMn18Cr2屬超高猛鋼,其焊接性更差。為了獲得好的焊接接頭,確保一次性焊接成功,嚴(yán)格控制層間溫度≤80℃。
第三,磨機(jī)襯板焊接采用為CO2氣體保護(hù)焊,焊接時(shí)采用小的熱輸入。為了防止產(chǎn)生熱裂紋,首先,應(yīng)嚴(yán)格控制母材及焊接材料中的S、P含量,做到從成分上減少對(duì)焊接接頭的影響;其次,采用錘擊焊道等工藝措施,減少焊接應(yīng)力,以防產(chǎn)生熱裂紋。為消除焊接應(yīng)力,每焊一道后用尖錘錘擊焊縫區(qū)。在條件允許的情況下,焊后對(duì)焊縫進(jìn)行噴水冷卻,以減少基體金屬受熱,使熔敷金屬得到奧氏體組織。另外,可采用短弧、跳焊、短段焊等工藝措施,以減少碳化物的析出,從而保證焊縫熔敷金屬的沖擊韌性。
第四,由于磨機(jī)襯板中Q235A板較?。?mm),焊接時(shí)本身并不需要預(yù)熱,因此在條件允許的條件下,前面施焊,后面用噴水裝置(噴水壺)噴出霧狀的水珠,以加快冷卻速度,控制層間溫度,以提高焊接效率并保證接頭性能。若為厚板或需預(yù)熱的材質(zhì),則在焊接過(guò)程中,不能噴水,以防噴灑在需預(yù)熱的母材的熱影響區(qū)中,形成冷裂紋。
產(chǎn)品實(shí)際焊接時(shí),通過(guò)自制樣板以協(xié)助裝配,如圖3所示。本產(chǎn)品的焊接時(shí),首先采用快速施焊、跳焊的焊接方法,以減小熱輸入;其次,采用紅外測(cè)溫儀對(duì)層間溫度進(jìn)行測(cè)量,以控制其小于80℃;再次,采用向焊接區(qū)噴水的工藝措施以加快冷卻速度,提高焊接效率。焊接過(guò)程中,每焊接一小段焊縫,立即用尖錘錘擊焊道,以釋放應(yīng)力,進(jìn)而防止焊接接頭處產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋。在保證焊縫質(zhì)量的前提下,實(shí)際焊接參數(shù)如表2所示。
表2 實(shí)際焊接參數(shù)
圖3 通過(guò)自制樣板以協(xié)助裝配
焊后用砂輪對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行打磨,打磨出金屬光澤后進(jìn)行PT檢查。
磨機(jī)襯板的焊接嚴(yán)格按照焊接操作規(guī)程執(zhí)行,并對(duì)產(chǎn)品焊縫進(jìn)行PT檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)任何缺陷,結(jié)果合格,得到用戶的認(rèn)可。由于每位焊工操作水平及操作習(xí)慣的不同,在一定程度上影響到焊接參數(shù)的選擇,比如操作水平高的焊工,在選擇焊接參數(shù)時(shí),在允許的范圍內(nèi),可以適當(dāng)增大焊接電流,提高焊接速度,以提高焊接效率。而操作水平低的焊工,可能選擇較小的焊接參數(shù),這樣便于控制焊縫成形及電弧的穩(wěn)定性。綜合考慮以上因素,我們重新修訂了焊接參數(shù)(見表3),焊接注意事項(xiàng)同前面所述。
表3 修訂后焊接參數(shù)
(1)通過(guò)對(duì)ZGMn18Cr2進(jìn)行焊接性分析,選擇了合適的焊接材料,滿足了ZGMn18Cr2的焊接質(zhì)量要求。
(2)本產(chǎn)品在實(shí)際焊接時(shí),嚴(yán)格控制層間溫度≤80℃,采用快速施焊、跳焊的方法,以及向焊接區(qū)噴水及用尖錘錘擊焊道的工藝措施,獲得了性能良好的焊接接頭。
(3)通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品跟蹤,且考慮到焊接工藝的可實(shí)施性,還修訂了焊接參數(shù)。