彭春濤

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

NM360鋼與ZG30SiMn是普遍用于刮板輸送機(jī)中部槽上的低碳合金鋼。NM360與ZG30SiMn異種鋼焊接接頭為主要受力部位。在井工煤礦采煤工作面上的刮板輸送機(jī)中部槽，除物料運(yùn)輸外還與液壓支架及滾筒采煤機(jī)配套使用，兼做液壓支架的支點(diǎn)和采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，運(yùn)煤過(guò)程中不僅要承受拉、壓、彎曲、沖擊摩擦和腐蝕等多種作用，在垂直方向還要承受采煤機(jī)和液壓支架的重壓及滾筒切割煤層時(shí)的沖擊和液壓支架的推移力，工作條件惡劣，因此必須有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐蝕性，對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求較高。因此，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，直接決定著中部槽的使用壽命。

2 基材化學(xué)成分分析

NM360是一種低合金鋼，通常其供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)[1]。ZG30SiMn是一種低合金鑄鋼，供貨狀態(tài)也為調(diào)質(zhì)態(tài)。試驗(yàn)分別對(duì)兩種基材的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)。清理干凈兩種基材表面的氧化層及油污等雜質(zhì)，在表面鉆取化學(xué)成分分析試樣，兩種基材化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種基材化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的適用于調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量（CeJIS）公式和冷裂敏感指數(shù)（Pcm）公式，兩種鋼的碳當(dāng)量及冷裂敏感指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，兩種基材的碳當(dāng)量均＞0.45%，冷裂敏感指數(shù)均＞0.25%，兩種材料的冷裂敏感性較大。如果選擇的焊接工藝不當(dāng)，焊接接頭很可能產(chǎn)生焊接冷裂紋。為此，本試驗(yàn)采用斜Y形坡口焊接，對(duì)兩種基材的焊接冷裂敏感性進(jìn)行研究，為合理確定焊接工藝提供依據(jù)。

表2 兩種基材碳當(dāng)量和冷裂敏感指數(shù)

3 基材力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)

鋼板的力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》規(guī)定進(jìn)行，取樣位置在1/4板厚處。拉伸性能試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，拉伸試件尺寸如圖1所示，試樣長(zhǎng)度方向垂直軋制方向；室溫沖擊性能按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，沿軋制方向取樣；硬度試驗(yàn)按GB/T 231.1—2018《屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行?；牧W(xué)性能及硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 拉伸試樣

表3 基材力學(xué)性能及硬度檢測(cè)結(jié)果

4 工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備使用瑞典伊薩全數(shù)字脈沖/逆變焊機(jī)MIG 4004i（見(jiàn)圖2）。

圖2 試驗(yàn)用焊接設(shè)備

（1）插銷(xiāo)冷裂敏感性試驗(yàn) 插銷(xiāo)冷裂敏感性試驗(yàn)使用HCL-3MC微機(jī)自動(dòng)控制五頭插銷(xiāo)試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 32260.3—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn) 焊件的冷裂紋試驗(yàn) 弧焊方法 第3部分：外載荷試驗(yàn)》采用斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定?；牟邃N(xiāo)試件均取自厚度45mm鋼板1/4板厚處，試件的長(zhǎng)度方向垂直于鋼板的軋制方向，試件直徑為6mm，螺旋缺口深度0.5mm，插銷(xiāo)試件尺寸如圖3所示；插銷(xiāo)底板厚45mm，材質(zhì)與插銷(xiāo)試件相一致；焊接材料采用70kg級(jí)氣體保護(hù)焊絲HS-70和80kg級(jí)氣體保護(hù)焊絲HS-80[1]，兩種焊絲熔敷金屬屈服強(qiáng)度及擴(kuò)散氫含量見(jiàn)表4，焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

圖3 插銷(xiāo)試件尺寸

表4 焊絲熔敷金屬屈服強(qiáng)度及擴(kuò)散氫含量

表5 焊接參數(shù)

（2）插銷(xiāo)冷裂敏感性試驗(yàn)結(jié)果 NM360鋼不同預(yù)熱溫度及加載條件下插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，在75℃預(yù)熱條件下，采用實(shí)芯焊絲HS-70和HS-80進(jìn)行富氬混合氣體保護(hù)焊，插銷(xiāo)加載到NM360鋼的實(shí)際屈服強(qiáng)度為683MPa，保持載荷24h均未發(fā)生斷裂。

表6 NM360鋼插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果

ZG30SiMn插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，在150℃預(yù)熱條件下，采用實(shí)芯焊絲HS-70，插銷(xiāo)加載到ZG30SiMn的實(shí)際屈服強(qiáng)度為651MPa，保持載荷24h未發(fā)生斷裂；采用實(shí)芯焊絲HS-80，在200℃預(yù)熱條件下，插銷(xiāo)加載到ZG30SiMn的實(shí)際屈服強(qiáng)度為651MPa，保持載荷24h未發(fā)生斷裂。

表7 ZG30SiMn插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果

插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果表明，基材均對(duì)氫致裂紋敏感，焊前需進(jìn)行預(yù)熱來(lái)提高基材的抗氫致裂紋能力?；囊罁?jù)插銷(xiāo)試驗(yàn)確定的防止冷裂紋的預(yù)熱溫度見(jiàn)表8。由表8可知，在中等拘束條件下、采用富氬混合氣體保護(hù)焊，為防止產(chǎn)生焊接冷裂紋，NM360鋼需預(yù)熱75℃以上[2]；ZG30SiMn采用實(shí)芯焊絲HS-70, 需預(yù)熱150℃以上，而采用實(shí)芯焊絲HS-80，需將預(yù)熱溫度提高到200℃以上。在中部槽的實(shí)際焊接生產(chǎn)中，應(yīng)注意選擇低氫的焊接材料及焊接方法，嚴(yán)格控制焊接材料中的擴(kuò)散氫含量，焊后建議立即進(jìn)行消氫處理。由于中部槽采用異種鋼焊接，所以消氫處理溫度應(yīng)低于兩種基材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)較低的回火溫度[3]。

表8 基材依據(jù)插銷(xiāo)試驗(yàn)確定的防止冷裂紋的預(yù)熱溫度

（3）斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn) 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)（又稱(chēng)小鐵研試驗(yàn)）是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗(yàn)方法，它主要是考核焊接熱影響區(qū)根部裂紋情況。試驗(yàn)按照CB/T 4364—2013規(guī)定執(zhí)行，試件焊后放置48h后進(jìn)行表面、斷面裂紋檢查。試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表5。斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)組合方式及結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，兩種基材均有較強(qiáng)的冷裂敏感性。在較苛刻拘束條件下（如定位焊、打底焊），采用富氬混合氣體保護(hù)焊，為防止根部裂紋產(chǎn)生，NM360鋼焊接采用焊絲HS-70或焊絲HS-80，最低預(yù)熱溫度為100℃，ZG30SiMn采用實(shí)芯焊絲HS-70或焊絲HS-80，最低預(yù)熱溫度為250℃。

表9 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)組合方式及結(jié)果

由此可見(jiàn)，NM360鋼抗冷裂能力大于ZG30SiMn，即耐磨板的抗冷裂能力優(yōu)于鑄鋼件。在鑄鋼與耐磨板異種鋼實(shí)際焊接生產(chǎn)中，應(yīng)優(yōu)先考慮鑄鋼的焊接工藝，工件的預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)鑄鋼件的鑄造質(zhì)量確定，高于鑄鋼的最低預(yù)熱溫度。

（4）接頭綜合性能試驗(yàn) 結(jié)合斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果、插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果及中部槽實(shí)際工件的焊接情況，對(duì)NM360與ZG30SiMn異種鋼對(duì)接接頭按照GB/T 2650～2656—2008規(guī)定，分別對(duì)接頭的拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能及焊縫金屬力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。焊接接頭綜合力學(xué)性能試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表10，焊絲選用HS-70，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11，焊接接頭宏觀金相、側(cè)彎形貌、板狀拉伸形貌及拉伸斷口形貌如圖4～圖7所示。

圖4 焊接接頭宏觀金相（1.5×）

圖7 焊接接頭拉伸斷口形貌

表10 焊接接頭綜合力學(xué)性能試驗(yàn)焊接參數(shù)

表11 焊接接頭綜合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖5 焊接接頭側(cè)彎形貌

圖6 焊接接頭板狀拉伸形貌

由以上試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，焊接接頭熔合情況良好，焊縫無(wú)未焊透、氣孔、夾雜等肉眼可見(jiàn)的宏觀缺陷；接頭鑄鋼側(cè)母材上有較多肉眼可見(jiàn)的氣孔、夾雜及砂眼等缺陷。接頭板狀拉伸試件抗拉強(qiáng)度分別為754MPa、723MPa，均斷在ZG30SiMn側(cè)母材位置，拉伸試件斷口可見(jiàn)明顯的砂眼、夾雜等缺陷；焊接接頭側(cè)彎試件2件均不合格，在鑄鋼側(cè)母材開(kāi)裂，裂口可見(jiàn)夾雜、砂眼等缺陷；接頭各部位室溫沖擊性能及焊縫金屬拉伸性能優(yōu)良。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）根據(jù)以上試驗(yàn)研究結(jié)果，為了防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，確保焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良，結(jié)合工廠實(shí)際及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于NM360與ZG30SiMn異種鋼焊接推薦采用以下焊接工藝可獲得良好的焊接接頭：焊絲選擇為HS-70或HS-80，焊絲干伸長(zhǎng)為16～19mm；保護(hù)氣為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18～20L/min；焊前預(yù)熱溫度為150℃，定位焊預(yù)熱溫度為250℃；打底定位焊時(shí)，焊接電流為220～240A，電弧電壓為24～26V，焊接速度為330～400mm/min；填充及蓋面焊時(shí)，焊接電流為270～290A，電弧電壓為28～31V，焊接速度為330～450mm/min；焊道間溫度為150～

200℃。

2）在焊接過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制工件預(yù)熱溫度及層間溫度，改善坡口角度，采用較小的熱輸入及多層多道焊的工藝原則，保證每道焊縫寬度，就可以有效控制NM360和ZG30SiMn異種鋼焊接接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大組織。

3）在實(shí)際生產(chǎn)中，為使焊縫中的擴(kuò)散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)中的氫含量，防止冷裂紋的產(chǎn)生，建議焊接完成后進(jìn)行150～200℃、保溫1.5h的去應(yīng)力回火。