唐立新　鄒東　朱寧

摘 要：本文通過(guò)在細(xì)破碎機(jī)的超高錳鋼基體上挖補(bǔ)鑲塊異種高錳鋼焊接時(shí)，對(duì)高錳鋼的焊接性能進(jìn)行分析，選擇合適的焊接材料和制定合理的工藝措施，成功地焊接了異種高錳鋼的連接縫，保證了焊接質(zhì)量和接頭的性能要求。

關(guān)鍵詞：異種高錳鋼；焊接；工藝及措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.005

0 引言

攀鋼礦業(yè)公司選礦廠有一臺(tái)從荷蘭美卓公司進(jìn)口的圓錐型破碎機(jī)，機(jī)體材質(zhì)為ZG120Mn17Cr2，厚度為50mm，屬奧氏體超高錳鋼。因生產(chǎn)過(guò)程中未及時(shí)更換護(hù)板而受到礦石直接沖擊磨損，出現(xiàn)了“穿孔”現(xiàn)象，位置在破碎機(jī)后方的立面，經(jīng)檢查穿孔處周?chē)荒p的面積長(zhǎng)約1500mm，寬約450mm，為不影響破碎機(jī)正常運(yùn)行，需對(duì)磨損面進(jìn)行焊接修復(fù)。因磨損面積較大，直接進(jìn)行表面堆焊難度較大，決定采取挖補(bǔ)方式進(jìn)行修復(fù)。由于我廠沒(méi)有相同材質(zhì)和厚度的備品材料，只有選擇我國(guó)生產(chǎn)的廢舊破碎機(jī)體材質(zhì)ZGMn13-1（奧氏體高錳鋼）來(lái)代替挖補(bǔ)處的鑲塊材料。

1 焊接性分析

（1）高錳鋼是經(jīng)水韌處理后[1]，碳全部固溶于奧氏體中，室溫下呈單相奧氏體組織，具有良好的韌性，但當(dāng)重新加熱到250℃ 時(shí)，碳就會(huì)沿晶界析出碳化物，使材料的韌性大大下降，因此焊補(bǔ)后，在熱影響區(qū)的一個(gè)區(qū)段內(nèi)會(huì)不同程度析出碳化物，不僅失去韌性變脆，而且還會(huì)降低耐磨性和沖擊韌度。所以焊接時(shí)應(yīng)控制熱輸入量，加快冷卻速度，縮短在高溫停留時(shí)間等，以減少碳化物析出。

（2）高錳鋼的線膨脹系數(shù)是低碳鋼的1.6倍[1]，但熱導(dǎo)率僅是低碳鋼的1/6，體積收縮率和線收縮率較大，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在S、P等有害雜質(zhì)的共同作用下，易產(chǎn)生焊縫熱裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋。焊接時(shí)應(yīng)控制焊接材料中的S、P含量，減少熱輸入量和采取降低應(yīng)力等措施。ZGMn13-1高錳鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能表1、表2所示。

（3）超高錳鋼是在普通高錳鋼成分基礎(chǔ)上通過(guò)提高碳、錳的含量發(fā)展而來(lái)的[2]。它是錳含量增加到14%～18%的同時(shí)，加入1%～3%的Cr和適量的Ti、V、Mo等合金強(qiáng)化元素的超高錳合金。ZG120Mn17Cr2超高錳鋼，也具有良好的沖擊耐磨性，但其成分和性能較ZGMn13-1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，所以焊接工藝和措施較高錳鋼應(yīng)更加要求嚴(yán)格。 ZG120Mn17Cr2超高錳鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能表3、表4所示。

2 焊接方法和焊接材料的選擇

（1） 高錳鋼焊接時(shí)應(yīng)選擇熱源集中，熱輸入小的焊接方法[1]。常用的有焊條電弧焊、熔化及氣體保護(hù)焊和脈沖焊等，不宜選擇氣焊和鎢極氬弧焊。結(jié)合本廠的技術(shù)情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，決定選擇焊條電弧焊方法進(jìn)行焊接修復(fù)。

（2）目前焊接高錳鋼用焊接材料有多種系列[1]，如Mn-Ni、Mn-Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mn系等。根據(jù)破碎機(jī)的使用性能和要求綜合考慮，選擇硫、磷含量低，鉻、鎳、錳含量較高的（Cr-Ni-Mn系）奧氏體鋼焊條A147，其焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能和抗裂性，在沖擊下能迅速被加工硬化。A147焊條熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能表5、表6所示。

Mn是促進(jìn)奧氏體的形成元素[3]，可強(qiáng)化基體，提高強(qiáng)度和耐磨性，與硫化合防止產(chǎn)生脆性。Cr在熔敷金屬中主要是提高耐腐蝕性，提高持久強(qiáng)度與抗蠕變性能，Cr與C的親和力大于Fe和Mn，可減緩?qiáng)W氏體分解速度。Ni與Fe能無(wú)限固溶，擴(kuò)大Fe的奧氏體區(qū)，是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素，還可降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，降低合金元素?cái)U(kuò)散速率。

3 焊前準(zhǔn)備

（1）采用碳弧氣刨將挖補(bǔ)處與鑲塊四周的待連接縫開(kāi)成U型坡口，預(yù)留間隙4～5mm、鈍邊2～3mm，再用砂輪機(jī)除去表面硬化層。為防止基體受熱后碳化物析出，整個(gè)碳弧氣刨過(guò)程在縫隙背面進(jìn)行噴水冷卻。

（2） 焊條按規(guī)定進(jìn)行烘干，并放在100℃的保溫筒內(nèi)隨用隨取。

（3）準(zhǔn)備2臺(tái)直流焊接電源和多把帶圓頭的小錘（小錘重0.5Kg，圓頭直徑R=5mm）。

4 焊接工藝及措施

（1）焊接過(guò)程采用直流反接、小電流、短弧焊[1]，在熔合良好的情況下盡量提高焊接速度，以控制熱輸入量。焊接工藝參數(shù)表7所示。

（2）由于鑲塊面積較大，基體較厚，焊接的量也相應(yīng)較大。為控制焊接應(yīng)力和防止應(yīng)力集中，焊縫采取對(duì)稱(chēng)分段退焊的順序，圖1 所示，箭頭指向焊接方向。先焊兩側(cè)立焊縫，再焊上下橫焊縫；立焊縫按圖中1、2順序兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱(chēng)退焊，橫焊縫按3、4、5順序上下同時(shí)對(duì)稱(chēng)退焊。

（3）焊縫采取多層多道焊，焊道寬度約為焊條直徑的2～3倍。橫焊時(shí)后一焊道應(yīng)壓住前一焊道的1/3，以使焊層表面平展。

（4）在每段焊縫上焊接時(shí)的焊道長(zhǎng)度不超過(guò)70mm或焊完一根焊條的1/3就滅弧噴水冷卻[4]，使焊道及周?chē)臏囟炔怀^(guò)100℃，以防止熱影響區(qū)碳化物析出。

（5）噴水冷卻后，立即用帶圓頭的小錘在焊縫表面進(jìn)行錘擊，達(dá)到布滿麻點(diǎn)為止，使焊縫產(chǎn)生部分塑性變形來(lái)抵消焊縫的部分收縮變形，消除焊縫部分應(yīng)力。同時(shí)由于敲擊使破碎金屬延展，焊縫擴(kuò)展，表面形成壓應(yīng)力，可防止裂紋的產(chǎn)生。

（6）每焊完一小段焊道噴水冷卻、錘擊后，接著焊接下一段焊縫上的焊道（跳焊），依次類(lèi)推，完成整個(gè)鑲塊焊縫的焊接。

（7）焊接過(guò)程中要注意每道間的接頭處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)20mm左右，收弧時(shí)填滿弧坑；焊道與母材的結(jié)合部位應(yīng)熔合良好。

5 焊后檢驗(yàn)及表面處理

（1）焊接完成后外觀檢查焊縫表面無(wú)氣孔、夾渣、咬邊超標(biāo)等缺陷。

（2）焊縫表面及周?chē)M(jìn)行著色檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)有裂紋出現(xiàn)。

（3）最后用角向砂輪機(jī)修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處過(guò)渡圓滑。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超高錳鋼與高錳鋼的異種鋼焊接時(shí)，容易出現(xiàn)碳化物析出和熱裂傾向嚴(yán)重的現(xiàn)象，通過(guò)選擇鉻、鎳、錳含量較高的具有良好力學(xué)性能和抗裂性的非同質(zhì)焊接材料，結(jié)合采取分段退焊，短段、跳焊順序，焊后噴水冷卻、錘擊等工藝和措施，成功地焊接了超高錳鋼與高錳鋼的連接縫。設(shè)備正常運(yùn)行至今已超過(guò)1年多，未發(fā)現(xiàn)焊接接頭出現(xiàn)任何問(wèn)題，證明此工藝和措施是可行的，也可為其它超高錳鋼或異種高錳鋼的焊接提供一些技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第二卷.材料的焊接）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]魏建軍等. 超高錳鋼錘頭的復(fù)合堆焊修復(fù)研究[J].中國(guó)表面工程，2003.2.

[3]龔國(guó)尚等.焊工實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)出版社，1993.8.

[4]丁偉等.鋼軌及高錳鋼轍叉焊工培訓(xùn)教材[M].鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2004（01）.

作者簡(jiǎn)介：唐立新（1972-），男，四川蓬安人，大專(zhuān)，焊工技師，從事焊接技術(shù)及焊接工藝20多年。