中信重工機械股份有限公司(河南洛陽 471039)肖德政 吳建英 劉須收 何 娟
我公司的磨機襯板材質為ZGMn18Cr2,其中wMn>14%,屬超高錳鋼,其成分、性能較ZGMn13更特殊,焊接時容易出現“碳化物析出”和“熱裂紋傾向嚴重”的現象。該材質的磨機襯板,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”之間焊接一塊鋼板(材質Q235A),焊腳高4mm,待焊區(qū)ZGMn18Cr2的板厚為100mm,且將鋼板與兩端凸臺之間的縫隙焊平。襯板在鑲焊前、后的結構如圖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)上得到了廣泛的應用,如挖掘機的鏟斗、碎石機鄂板、球磨機襯板、拖拉機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、熔合線及過熱區(qū)產生裂紋。
圖1 襯板鑲焊前、后結構
(2)高錳鋼的線膨脹系數是低碳鋼的1.6倍,但熱導率僅為低碳鋼的1/6,所以焊接時會產生很大的應力,在S、P有害雜質的作用下,焊接接頭處易產生結晶裂紋和液化裂紋。針對該問題,解決的方案:首先,嚴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,減少焊接應力,以防止產生熱裂紋。
(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重沖擊的磨料磨損零件,如碎石機顎板;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,當其受強烈沖擊后奧氏體轉變?yōu)轳R氏體,其用于耐氣蝕的堆焊或高錳鋼堆焊,如水輪機葉片、挖掘機斗齒。
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。磨機襯板所涉及的焊接主要為異種鋼的焊接,即襯板(材質:ZGMn18Cr2)與鑲嵌鋼板(材質:Q235A)之間的焊接。襯板與鑲嵌鋼板焊接時,焊縫位置處于非主要受力面,實際工作中并不需要太高的耐磨性,故對焊接接頭性能不作要求。因此,選擇焊接材料時,并不需要選擇與高錳鋼同成分的焊接材料,只需根據焊接工藝性選擇焊接材料。
綜合考慮,磨機襯板的焊接應選擇線膨脹系數大,韌性較高的藥芯CO2氣體保護焊不銹鋼焊絲,牌號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,允許有較高的稀釋,可用來作為高錳鋼與碳鋼焊接時的填充材料。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熔敷金屬化學成分及力學性能如表1所示。
表1 熔敷金屬化學成分及力學性能
(2)焊接設備 焊接設備選用松下CO2氣體保護焊焊機,電焊機型號為KRⅡ500,如圖2所示。
圖2 焊接設備
(3)焊接操作規(guī)程 焊補或焊接高錳鋼時,應該采用熱源集中、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,并對其進行PT檢測,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行焊接。
第二,對磨機襯板材質ZGMn18Cr2的焊接,焊前不預熱。為了減少碳化物的析出,嚴格控制層間溫度,并加快施焊時焊件的冷卻速度,縮短在高溫下停留的時間。理論上,高錳鋼多層焊時層間溫度應控制在<250℃,以防止碳化物的析出,致使熱影響區(qū)脆化。本產品焊接時,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,嚴格控制層間溫度≤80℃。
第三,磨機襯板焊接采用為CO2氣體保護焊,焊接時采用小的熱輸入。為了防止產生熱裂紋,首先,應嚴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,減少焊接應力,以防產生熱裂紋。為消除焊接應力,每焊一道后用尖錘錘擊焊縫區(qū)。在條件允許的情況下,焊后對焊縫進行噴水冷卻,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,由于磨機襯板中Q235A板較?。?mm),焊接時本身并不需要預熱,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。若為厚板或需預熱的材質,則在焊接過程中,不能噴水,以防噴灑在需預熱的母材的熱影響區(qū)中,形成冷裂紋。
產品實際焊接時,通過自制樣板以協(xié)助裝配,如圖3所示。本產品的焊接時,首先采用快速施焊、跳焊的焊接方法,以減小熱輸入;其次,采用紅外測溫儀對層間溫度進行測量,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。焊接過程中,每焊接一小段焊縫,立即用尖錘錘擊焊道,以釋放應力,進而防止焊接接頭處產生結晶裂紋和液化裂紋。在保證焊縫質量的前提下,實際焊接參數如表2所示。
表2 實際焊接參數
圖3 通過自制樣板以協(xié)助裝配
焊后用砂輪對焊接區(qū)進行打磨,打磨出金屬光澤后進行PT檢查。
磨機襯板的焊接嚴格按照焊接操作規(guī)程執(zhí)行,并對產品焊縫進行PT檢測,未發(fā)現任何缺陷,結果合格,得到用戶的認可。由于每位焊工操作水平及操作習慣的不同,在一定程度上影響到焊接參數的選擇,比如操作水平高的焊工,在選擇焊接參數時,在允許的范圍內,可以適當增大焊接電流,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,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(見表3),焊接注意事項同前面所述。
表3 修訂后焊接參數
(1)通過對ZGMn18Cr2進行焊接性分析,選擇了合適的焊接材料,滿足了ZGMn18Cr2的焊接質量要求。
(2)本產品在實際焊接時,嚴格控制層間溫度≤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)通過實際產品跟蹤,且考慮到焊接工藝的可實施性,還修訂了焊接參數。