NM400耐磨鋼焊接工藝探索及應(yīng)用研究

郭召

西安大醫(yī)集團(tuán)有限公司 陜西西安 721009

1 序言

NM400耐磨鋼是一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，力學(xué)性能為普通合金鋼3～5倍，硬度370～430HBW，廣泛用于軌道交通、工程機(jī)械、礦山等行業(yè)。作為結(jié)構(gòu)鋼材，其焊接特性對(duì)整體結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能至關(guān)重要。國內(nèi)外對(duì)耐磨鋼的焊接特性開展了多項(xiàng)研究。任麗芳等以抗拉強(qiáng)度550MPa的低合金鋼焊條L-56為焊料，采用焊條電弧焊對(duì)包鋼NM400中厚鋼板的焊接特性進(jìn)行試驗(yàn)摸索，焊縫及熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂紋，拉伸試驗(yàn)樣件斷于焊縫處，抗拉強(qiáng)度為610MPa[1]。姜麗麗等以ER50-6焊絲為焊料，采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)NM400與Q345C焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為521MPa[2]。韓志禮等以CH E606焊條為焊料，采用焊條電弧焊對(duì)NMHB400的焊接性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為700.4MPa[3]。現(xiàn)有研究資料查證NM400耐磨鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度集中在500～700.4MPa，而NM400耐磨鋼母材抗拉強(qiáng)度為1120～1460 MPa，所獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度約為母材強(qiáng)度50%，材料自身強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)沒有在結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度中得到很好的發(fā)揮。

針對(duì)我公司開發(fā)的某產(chǎn)品滾筒軌道，選擇NM400耐磨鋼板滾圓后，焊接成形。滾筒軌道焊縫處于工作區(qū)域，要求有較高的抗拉強(qiáng)度。目前，現(xiàn)有的NM400耐磨鋼接頭焊接工藝研究成果，難以滿足該產(chǎn)品的強(qiáng)度要求，需要進(jìn)一步開展NM400耐磨鋼接頭焊接工藝研究。本文圍繞獲得更加優(yōu)異的焊接接頭力學(xué)性能這一目標(biāo)，針對(duì)NM400的焊接特性進(jìn)行分析，分別選用CHE857和ER50-6作為焊料，設(shè)計(jì)接頭焊接工藝，制作兩種焊接接頭試件進(jìn)行焊接強(qiáng)度對(duì)比測(cè)試，摸索NM400耐磨鋼滾筒軌道焊縫滿足強(qiáng)度要求的焊接工藝，也為同類耐磨鋼的焊接提供一定的參考。

2 NM400的焊接特性分析

NM400屬于高強(qiáng)度鋼，在軋制時(shí)進(jìn)行了熱處理，獲得高的硬度及強(qiáng)度，加工環(huán)節(jié)不需要進(jìn)行熱處理就可滿足構(gòu)件高強(qiáng)度、高硬度的需求，非常適合制作需要高強(qiáng)度高耐磨性的焊接結(jié)構(gòu)件。影響材料焊接性能的主要是化學(xué)成分，在各種元素中，碳的影響最明顯，其他元素的影響可折合成碳的影響。以舞鋼產(chǎn)WNM400鋼板為例，其主要化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

N M400耐磨鋼屬于低合金高強(qiáng)度鋼，選擇CE(IIW)計(jì)算碳當(dāng)量。本文研究的毛坯板材厚度30mm，碳當(dāng)量為0.93%。屬于難焊接材料，為提高焊接性，需要嚴(yán)格的控制焊接工藝過程。

3 試驗(yàn)樣件

（1）試件母材 試件母材為NM400。

（2）試件焊料 試件焊料分別為CHE857焊條和ER50-6焊絲。

表1 舞鋼WNM400鋼板主要化學(xué)成分

表2 WNM400厚鋼板力學(xué)性能

（3）試件形狀及尺寸 試件尺寸65mm×350 mm×25mm，焊接部位加工坡口10mm×45°。試件形狀和幾何尺寸如圖1所示。

（4）試件數(shù)量 試件2件，如圖2所示。

圖1 試件幾何尺寸

圖2 試件照片

4 試驗(yàn)樣件焊接工藝

依據(jù)GB2651—2008和GB2653—2008標(biāo)準(zhǔn)制作了焊接試樣。

4.1 焊前處理

由于NM400 的碳當(dāng)量較大，焊接性差。通過預(yù)熱可以防止焊接裂紋產(chǎn)生，降低焊接熱應(yīng)力，因此在焊接前對(duì)焊接母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在150～200℃，不允許超過250℃，否則耐磨鋼的硬度將受損降低。焊料在存儲(chǔ)過程中會(huì)吸收環(huán)境中的水份，藥皮內(nèi)的水份受熱會(huì)分解產(chǎn)生氫氣，夾雜在焊縫中產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷，因此在施焊前對(duì)焊料進(jìn)行加熱保溫，充分除去水分。預(yù)熱及烘干設(shè)備如圖3所示。

圖3 預(yù)熱及烘干設(shè)備

4.2 焊接參數(shù)

焊料CHE857和ER50-6的力學(xué)性能見表3。試件焊接參數(shù)見表4。

表3 焊料力學(xué)性能

表4 焊接參數(shù)

4.3 焊后處理

試件母材及焊料焊前處理完畢后進(jìn)行施焊，焊件施焊后進(jìn)行保溫12h處理，隨后空冷至室溫，共計(jì)48h。將焊縫區(qū)域打磨光滑，觀察表面，沒有裂紋，可以開展進(jìn)一步的力學(xué)性能試驗(yàn)。

5 焊縫無損檢測(cè)

依據(jù)GB/T3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》中的規(guī)定，采用DGT-XXH3505 型X射線探傷儀對(duì)試件焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)。無損檢測(cè)結(jié)果為焊縫無裂紋、夾渣、未焊透等缺陷，質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。NM400焊接接頭X射線檢測(cè)影像如圖4所示。

圖4 焊接接頭無損檢測(cè)影像

6 試驗(yàn)樣件焊件力學(xué)性能試驗(yàn)

在WI-100型焊件拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)焊件焊接接頭強(qiáng)度及塑性進(jìn)行測(cè)試，采用CHE857焊料的試件斷于焊縫處，抗拉強(qiáng)度791MPa。采用ER50-6焊料的試件斷于焊縫處，抗拉強(qiáng)度522MPa。在WE-300型伺服拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭的抗彎性能進(jìn)行測(cè)試，采用CHE857焊料的試件斷于焊縫處，斷裂角度45°。采用ER50-6焊料的試件斷于焊縫處，斷裂角度15°。焊件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 焊件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

7 NM400焊接工藝應(yīng)用

依據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果，采用CHE857焊料，按照試驗(yàn)樣件摸索的焊接工藝，在我公司研制的大型高精度等中心旋轉(zhuǎn)機(jī)架的滾筒軌道焊接中應(yīng)用。滾筒軌道厚度25mm，寬度70mm，雙面坡口20mm×45°，施焊后對(duì)焊縫進(jìn)行探傷及外觀檢測(cè)、無氣孔、夾雜及裂紋等缺陷，達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)焊縫位置進(jìn)行標(biāo)記，車削后觀察焊縫與母材，無明顯差異。焊縫連接處質(zhì)量穩(wěn)定。焊接過程如圖5所示。整機(jī)系統(tǒng)集成后，滾筒承載12.5t負(fù)載運(yùn)行，間斷運(yùn)行一年，狀況穩(wěn)定。

圖5 NM400滾筒軌道焊接過程

目前旋轉(zhuǎn)機(jī)架已經(jīng)開始第一批小批量試制，投產(chǎn)6臺(tái)，開展了12根環(huán)形導(dǎo)軌的焊接，均未出現(xiàn)焊接缺陷，全部檢驗(yàn)合格，投入使用。驗(yàn)證了所摸索焊接工藝的可靠性。

8 結(jié)束語

NM400高強(qiáng)度耐磨鋼碳當(dāng)量高達(dá)0.93%，屬于難焊接材料，施焊時(shí)需要對(duì)母材預(yù)熱，溫度控制在200℃以內(nèi)，同時(shí)對(duì)焊料進(jìn)行烘干保溫處理。目前的焊料力學(xué)性能難以匹配耐磨鋼母材強(qiáng)度，焊件的薄弱位置在焊縫處，抗拉強(qiáng)度接近焊料自身強(qiáng)度。選用高強(qiáng)度焊接材料CHE857，獲得了強(qiáng)度達(dá)到791MPa的焊接接頭，強(qiáng)度提升1.52倍，優(yōu)于采用常規(guī)焊接材料ER50-6獲得的焊接接頭，焊縫質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)Ⅰ級(jí)。摸索的焊接工藝滿足公司產(chǎn)品要求并得到推廣應(yīng)用，對(duì)同類高強(qiáng)度耐磨鋼板的焊接應(yīng)用具有一定的參考意義。