中部槽NM400和ZG30SiMn鋼激光－MAG復合焊和雙絲MAG焊工藝研究

滕彬，梁曉梅，王小朋，楊海鋒，常云峰

(機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱150028)

0 前言

中部槽是煤礦刮板輸送機的機身，其質(zhì)量約占一套刮板輸送機總自身質(zhì)量的80%，是刮板輸送機的關(guān)鍵部件［1－2］。因此，中部槽的焊接質(zhì)量及焊接效率直接影響到產(chǎn)品的使用壽命和生產(chǎn)成本［3］。中部槽最主要的焊接部位是鑄造槽幫與高強度耐磨中板的焊接，其中中板材料不斷向高強度、高硬度、高耐磨性發(fā)展，焊接性較差，易產(chǎn)生冷裂紋［4－5］;鑄造槽幫屬于中碳Mn－Si鋼，在焊接中極易形成熱裂紋，因此，結(jié)晶熱裂紋也是中部槽焊接時要解決的重要問題［6］。

目前中部槽焊接主要采用單絲MAG焊打底，雙絲MAG進行填充焊接。由于中部槽焊接焊材消耗量大，大多數(shù)企業(yè)都從焊接坡口結(jié)構(gòu)入手，盡量減小坡口角度，從而減少焊材消耗、節(jié)約成本，同時又能大幅度提高焊接效率，但是由于坡口角度較小，在焊接過程中極易出現(xiàn)未焊透、未熔合等致命性焊接缺陷，嚴重影響了接頭質(zhì)量;而在雙絲MAG進行填充焊接中，為了提高效率，大幅度增加焊接熱輸入，嚴重影響了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。綜上所述，如何在保證焊接質(zhì)量的同時減少成本、提高焊接效率成為了中部槽焊接亟需解決的問題。針對上述問題，提出了采用激光－MAG電弧復合熱源進行中部槽打底焊接，雙絲MAG填充焊的工藝方法，同時又從不同焊接熱輸入和不同焊接坡口結(jié)構(gòu)入手對NM400和ZG30SiMn材料進行接頭組織及力學性能分析。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

中部槽槽幫和中板材料分別為ZG30SiMn和NM400，板材規(guī)格為400 mm×150 mm×45 mm。焊接材料為φ1.2 mm的ER69－G焊絲，化學成分如表1所示。焊接坡口為雙V形、雙U形和雙半U形三種，如圖1所示。焊接方法為普通MAG焊、雙絲MAG焊以及激光－MAG復合焊，焊接系統(tǒng)包括6 kW光纖激光器、TPS4000形數(shù)字化焊機、焊接機器人、焊縫跟蹤、明弧裝置等，該焊接系統(tǒng)可實現(xiàn)自動坡口識別、跟蹤、焊接、智能參數(shù)修訂以及電弧形態(tài)實時檢驗的自動化、智能化焊接試驗平臺。

表1 母材和焊絲的化學成分及力學性能

圖1 焊接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為激光－MAG電弧復合焊接系統(tǒng)集成照片及實時拍攝的電弧形貌。

圖2 激光－MAG電弧復合焊接系統(tǒng)

焊接工藝參數(shù)如表2所示，試板焊前預熱溫度均為130℃。

表2 打底焊接工藝參數(shù)

2 激光－MAG電弧復合打底焊

圖3為中部槽MAG打底焊焊縫斷面形貌，由圖3(a，b，c)可知，焊接間隙為0 mm，1 mm 和 2 mm 時，焊接接頭均未實現(xiàn)焊透，這是由于坡口角度小，電弧一部分能量損失在坡口兩側(cè)母材上，鈍邊尺寸大，電弧焊熔深小所致，可見采用普通MAG焊方法無法在小坡口下實現(xiàn)良好的熔透焊接，圖3d為激光－MAG電弧復合焊接方法下三種焊接坡口的焊接熔透效果，可見采用激光－MAG電弧復合焊后能實現(xiàn)良好的單面焊雙面成形焊接效果，并且由于激光的加入，在改善焊縫成形、提高電弧穩(wěn)定性具有突出優(yōu)勢。

圖3 打底焊焊接接頭斷面形貌

實際焊接生產(chǎn)中，鋼板加工平整度、下料和坡口加工的精度對焊接結(jié)構(gòu)最終尺寸都有影響，而且在焊接件裝配經(jīng)常會出現(xiàn)錯邊、間隙變化等情況，這些因素都會影響焊縫正反面成形。因此，模擬生產(chǎn)中的實際工程狀況是必不可少的。試驗中通過人為改變鈍邊尺寸、焊件間隙的方法，分析激光－MAG電弧復合焊接方法在實際生產(chǎn)中的工藝適應能力，試驗中均選用表2所示焊接工藝參數(shù)。

圖4 激光－MAG電弧復合焊工藝適應性

圖4為間隙和鈍邊變化焊縫斷面形貌，可見，間隙和鈍邊變化范圍為0～2 mm和2～8 mm時，能實現(xiàn)良好的焊縫成形、熔透效果，而傳統(tǒng)普通MAG焊工藝無法達到該焊接熔透效果。因此，采用激光－MAG電弧復合進行打底焊，能顯著降低工件加工及裝配要求，同時也說明該工藝具有寬泛的工藝適應能力，也正是由于這個原因，也為中部槽焊接向自動化、智能化方向發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。

3 熱輸入對接頭組織和性能的影響

一般來說，性能取決于組織，而組織取決于焊縫金屬的化學成分及冷卻速度。焊縫金屬的化學成分依賴于母材與焊材的化學成分、稀釋率以及熔池金屬產(chǎn)生的化學反應，影響冷卻速度的因素主要有熱輸入、板厚及預熱溫度等。當母材和焊材及焊接結(jié)構(gòu)都已確定，焊縫金屬的組織和性能由焊接工藝決定，其中熱輸入是集中反映電流、電壓和焊接速度的綜合指標，對冷卻速度及焊縫金屬化學成分都有很大影響。因此，試驗中通過分析不同熱輸入下焊接接頭組織和性能，對指導中部槽焊接生產(chǎn)具有重要意義。

為了分析不同熱輸入接頭組織性能的影響規(guī)律，試驗中采用小、中、大三種熱輸入(E)進行焊接試驗，分別是E為10 kJ/cm的單絲MAG焊(1#)和E為15 kJ/cm(2#)，25 kJ/cm(3#)的雙絲MAG焊，焊接工藝參數(shù)如表3所示，接頭斷面形貌如圖5所示，其中腐蝕顏色較深側(cè)為ZG30SiMn，較淺側(cè)為NM400，選用的焊接坡口如圖1c所示。

表3 單/雙絲MAG填充焊工藝參數(shù)

由圖5可以看出，1#，2#焊縫斷面無氣孔、裂紋及未熔合等焊接缺陷，X射線探傷結(jié)果屬于Ⅰ級焊縫;3#接頭層與層間交疊區(qū)發(fā)現(xiàn)多處微裂紋，裂紋沿結(jié)晶方向平行排列，單個裂紋最大長度約2 mm。試驗中對有裂紋的3#試件進行金相顯微鏡觀察，如圖6(a，b)所示，裂紋位于焊縫金屬凝固軸心部位的尾部，邊緣呈鋸齒狀，裂紋走向基本平行焊縫金屬結(jié)晶方向，沿柱狀晶晶界開裂，始末兩端比較圓滑，與結(jié)晶裂紋形貌相符，初步確定此裂紋為凝固脆性引起的結(jié)晶裂紋。裂紋高倍顯微組織如圖6(c，d)所示，裂紋附近和焊縫其他部位組織成分相同，都是由針葉狀的貝氏體與馬氏體組織組成，其組織含量卻不同，焊縫無裂紋處組織以貝氏體為主，馬氏體均勻分布，而裂紋附近貝氏體組織較少，馬氏體組織比較集中，馬氏體屬于淬硬組織，在焊接收縮應力作用下極易開裂。

圖5 不同焊接熱輸入的接頭斷面形貌

焊縫裂紋處SEM形貌如圖7(a，b)所示，裂紋沿著晶界開裂，斷裂面凹凸不平，由一顆顆類似鵝卵石狀的晶界面組成，表面覆蓋著一層薄膜狀物體，明顯有撕裂痕跡存在;對比焊縫不同位置低倍SEM形貌，如圖7(c，d)，裂紋斷裂面顏色灰暗且有明顯氧化現(xiàn)象，說明裂紋是在高溫下形成的，并且裂紋表面覆蓋著許多夾雜物;無裂紋的斷裂面比較平整，斷口顏色接近金屬色，沒有氧化現(xiàn)象。根據(jù)上述裂紋的金相顯微組織及微觀掃描形貌分析結(jié)果，確定此人字裂紋為結(jié)晶裂紋。

C是鋼中影響結(jié)晶裂紋的主要元素，由Fe－C平衡相圖高溫部分可知，當碳含量小于4.3%時，隨著C含量的增加，固相線下降，從而使液固相區(qū)域加大，液固停留時間延長，更多的Si，S，P等形成的低熔點共晶物在晶界處聚集，構(gòu)成產(chǎn)生熱裂紋的冶金因素，焊縫金屬凝固收縮構(gòu)成產(chǎn)生熱裂紋的應力因素。試驗中所用槽幫為中碳鑄造材料，碳含量高，S，P雜質(zhì)元素偏高，其熱裂紋傾向大，因此，在對中部槽材料焊接時應合理選擇工藝，嚴格控制焊接熱輸入。

圖8a為不同熱輸入下焊接接頭力學性能，接頭拉伸試樣斷裂位置均為焊縫中心或兩側(cè)熱影響區(qū)?？梢钥闯?，熱輸入為10 kJ/cm和15 kJ/cm時，接頭抗拉強度差距不大，約為900 MPa。熱輸入為25 kJ/cm時，抗拉強度迅速下降，降低量約為100 MPa。這與接頭組織有關(guān)，熱輸入增加，晶粒嚴重長大，晶界面積減小，位錯滑移所受的阻力減小，位錯迅速擴展并增殖引起開裂，同時由于熱輸入過大后，有焊接熱裂紋產(chǎn)生，因此抗拉強度降低。

圖6 焊縫顯微組織形貌

圖7 焊接接頭斷口微觀形貌

圖8b給出了不同焊接熱輸入接頭沖擊試驗結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)相同熱輸入下，焊縫沖擊值均高于兩側(cè)HAZ，鑄鋼側(cè)HAZ(ZGHAZ)沖擊值最低。另外，熱輸入增加，各區(qū)域的沖擊值均降低，特別是耐磨側(cè)熱影響區(qū)最為明顯。這與母材及焊材的沖擊韌性及稀釋率有關(guān)，主要表現(xiàn)為接頭組織及化學成分差異。焊絲的韌性優(yōu)于兩側(cè)母材，焊縫中心位置母材稀釋率較低，韌性較好，焊縫根部較窄，母材稀釋率較大，韌性較差。

圖8 不同熱輸入下焊接接頭力學性能

4 焊接坡口優(yōu)化

焊接坡口對焊縫金屬冷卻過程產(chǎn)生的應力集中有很大關(guān)聯(lián)［7］，研究表明:在坡口根部適當增加圓角半徑及增大坡口角度，有利于抑制焊接裂紋的產(chǎn)生［8－9］。

試驗對三種焊接坡口進行了力學性能對比分析，如圖9所示。由圖9a可知，相同熱輸入下，坡口形式對接頭上表面位置的拉伸性能影響不大;相比之下，熱輸入對接頭根部拉伸性能的影響略大，雙U形和雙半U形坡口優(yōu)于雙V形坡口，且雙U形和雙半U形坡口接頭根部的抗拉強度值略大于焊縫表面的抗拉強度，這與母材的稀釋率有關(guān)，當坡口帶有圓角過渡時，母材稀釋率大，抗拉強度高;反之，亦然。這說明焊接坡口根部為圓角過渡的根部拉伸性能優(yōu)于接頭根部為尖角過渡的拉伸性能，即雙U形和雙半U形優(yōu)于雙V形。

圖9(b，c)為不同坡口接頭沖擊性能。由圖9可知，對于接頭表面位置，三種坡口形式的沖擊性能差別不大;而對于接頭根部，雙U形和雙半U形坡口接頭的沖擊性能明顯較好，雙V形坡口接頭沖擊韌性較差，且相比之下，焊縫中心處的沖擊韌性優(yōu)于兩側(cè)熱影響區(qū)，并且鑄鋼側(cè)熱影響區(qū)沖擊韌性最差。這與焊接接頭各個部位組織的差異及高強鋼焊接接頭HAZ易出現(xiàn)脆化有關(guān)。

圖9 不同坡口結(jié)構(gòu)接頭力學性能

5 結(jié)論

(1)針對普通MAG打底焊存在的未熔透問題，文中提出的采用激光－MAG電弧復合焊接方法能有效解決打底焊熔透問題，焊后焊縫成形良好。

(2)通過打底焊工藝適應性試驗表明，采用激光－MAG電弧復合焊接方法工藝窗口適應能力得到大幅度提升。

(3)通過不同熱輸入工藝分析表明，對于中部槽材料(NM400和ZG30SiMn)的焊接，應嚴格控制焊接熱輸入，從而避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。

(4)通過不同焊接坡口優(yōu)化得出，采用雙U形和半雙U形二種焊接坡口為最佳坡口形式。

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