強(qiáng)韌N-1耐磨鋼高強(qiáng)纜式焊接工藝研究

董曼淑 劉龍 白凱 喬燕芳

摘要：為了確定合作研發(fā)的強(qiáng)韌N-1耐磨鋼采用新型高強(qiáng)纜式焊絲的焊接工藝性。進(jìn)行了斜Y形坡口焊接抗裂性實(shí)驗(yàn)、焊接接頭實(shí)驗(yàn)等研究，通過(guò)對(duì)冷裂試件剖面分析，對(duì)焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)、金相組織及斷口形貌分析等，證明強(qiáng)韌N-1耐磨鋼在新型高強(qiáng)纜式焊接時(shí)具有較好的可焊性，焊接接頭具有強(qiáng)韌性配合。

Abstract： In order to determine the welding processability of the co-developed tough N-1 wear-resistant steel welded by a new high-strength cable wire， we carried out researches on the welding crack resistance test ?of the oblique Y-shaped groove and welded joint experiment. Through the analysis of the cold cracked specimen， including the mechanical properties of the welded joint， the metallographic structure and the fracture morphology， we proved the N-1 Wear-resistant steel has good weldability and the welded joint has a strong and tough fit by using the new high-strength cable wire.

關(guān)鍵詞：強(qiáng)韌;耐磨鋼;高強(qiáng)纜式焊絲;可焊性

Key words： strong and tough;wear resistant steel;high strength cable wire;weldability

中圖分類號(hào)：TG442 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0123-04

0 ?引言

在礦山機(jī)械、船舶、橋梁及工程等領(lǐng)域，廣泛使用各種耐磨材料，耐磨材料在使用過(guò)程中往往要通過(guò)焊接加工形成零部件，因此要求材料具有較好的可焊性能[1]。國(guó)外耐磨材料采用低碳低合金化來(lái)保證較好的焊接性能。近幾年根據(jù)礦井對(duì)產(chǎn)品的高耐磨高強(qiáng)度要求公司采用了國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)的新型材料BTW自強(qiáng)化耐磨板，配套的焊接材料為成本較高的不銹鋼焊絲，焊接過(guò)程中還需嚴(yán)格控制焊接電流、焊接電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度及層間溫度等工藝參數(shù)，才能保證焊接變形和質(zhì)量，不僅生產(chǎn)效率低，加工制造成本高，而且一定程度上限制公司廣泛推廣應(yīng)用的速度。因此2019年合作研發(fā)了強(qiáng)韌中錳N-1耐磨鋼，在低碳量的基礎(chǔ)上加入了較多的合金元素。

本研究目的是對(duì)新開(kāi)發(fā)的強(qiáng)韌N-1耐磨鋼采用新型高強(qiáng)纜式焊絲[2]的焊接工藝性進(jìn)行研究，使其工藝性簡(jiǎn)化，可焊性強(qiáng)，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

1 ?N-1耐磨鋼母材性能要求

N-1耐磨鋼化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，機(jī)械性能及硬度要求見(jiàn)表2。

2 ?N-1耐磨鋼焊接工藝性研究

2.1 斜Y坡口焊接裂紋實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)行斜Y形坡口焊接抗裂性實(shí)驗(yàn)，采用新型高強(qiáng)纜式焊絲及80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊焊接方法，對(duì)強(qiáng)韌N-1耐磨鋼分別進(jìn)行125℃±5℃、140℃±5℃、155℃±5℃、170℃±5℃不同溫度的冷裂紋敏感性[3]實(shí)驗(yàn)。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。焊接規(guī)范及平均裂紋率，如表3。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)：N-1耐磨鋼斜Y形坡口焊接抗裂性實(shí)驗(yàn)在126℃斷面裂紋率45%、139℃斷面裂紋率25%、在151℃、168℃表面無(wú)裂紋，斷面未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

2.2 焊接接頭實(shí)驗(yàn)研究

2.2.1 焊接接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)

就焊縫金屬而言，強(qiáng)度越高，可達(dá)到的韌性水平越低，甚至低于母材的韌性水平。對(duì)于抗拉強(qiáng)度大于900MPa的高強(qiáng)耐磨鋼，如要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)，則焊縫的韌性儲(chǔ)備不夠;若為超強(qiáng)的情況，韌性儲(chǔ)備更低，甚至可能低到安全限以下。此時(shí)，少許犧牲焊縫強(qiáng)度而使韌性儲(chǔ)備提高，可對(duì)焊接接頭性能及安全可靠性有利。因此，本實(shí)驗(yàn)焊接接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求達(dá)到耐磨板的70%以上，即焊接接頭強(qiáng)度630N/mm2以上。

2.2.2 焊接接頭實(shí)驗(yàn)過(guò)程

依據(jù)斜Y形坡口焊接抗裂性[4]實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，采用高強(qiáng)纜式焊絲、150～175℃預(yù)熱溫度和焊接電流240A進(jìn)行打底焊接[5];采取80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊焊接方法，焊接對(duì)接坡口為X形[6]，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

2.3 接頭性能分析

2.3.1 焊接接頭的探傷

使用CUD-2080超聲波探傷儀進(jìn)行探傷，經(jīng)過(guò)超聲波對(duì)焊縫100%檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷[7]，符合JB4730-2005Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 焊接接頭的金相組織

焊接接頭的金相組織照片?？煽闯?，焊縫組織為塊狀或針狀鐵素體組織加少量珠光體組織（圖1a）;熔合區(qū)域（圖1b）有比較明顯的組織變化，形成交接面，焊縫一邊（靠右邊）為焊縫金屬組織，另一邊（左邊）主要為熱影響區(qū)組織（圖1c），觀察熔合線結(jié)合情況良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋;熱影響區(qū)組織分布比較均勻，為細(xì)化的板條貝氏體與一定的板條馬氏體組織（圖1c）。組織的變化主是由于焊接過(guò)程中，焊縫周圍金屬受焊縫金屬的影響，受熱溫度高，然后空冷，經(jīng)歷正火處理，受基體金屬的影響，冷卻速度較快，冷卻過(guò)程中產(chǎn)生部分馬氏體。N-1耐磨鋼基體主要為板條貝氏體組織（圖1d）。

2.3.3 焊接接頭的力學(xué)性能

試件焊后自然冷卻，48小時(shí)后外觀檢查無(wú)缺陷，然后遵照國(guó)標(biāo)GB/T8110—1995的相關(guān)規(guī)定制作拉伸和沖擊試樣，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可見(jiàn)，屈服強(qiáng)度均大于490MPa，抗拉強(qiáng)度均超過(guò)630MPa，延伸率均大于10%，且焊接接頭各區(qū)域的0℃沖擊吸收功均不小于35J的要求。因此，N-1耐磨鋼焊接接頭具有較好的強(qiáng)韌性配合。

2.3.4 熱影響區(qū)沖擊斷口形貌

焊接熱影響區(qū)斷口[8]的典型形貌（圖2）?？梢?jiàn)熱影響區(qū)的斷口形貌為韌窩和準(zhǔn)解理特征。因此，熱影響區(qū)的斷裂機(jī)理為韌窩與準(zhǔn)解理機(jī)制。

3 ?強(qiáng)韌N-1耐磨鋼t8/5熱模實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用Gleeble23500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)[9]測(cè)定CCT曲線， 材料為N-1耐磨鋼。試樣為直徑6mm，長(zhǎng)80mm的圓柱。將試樣以220℃/s的速度加熱到1280℃，保溫1s，以70℃/s冷卻到870℃，然后分別以0.2℃/s、1℃/s、10℃/s、20℃/s、30℃/s、50℃/s的冷卻速度進(jìn)行冷卻。

在實(shí)驗(yàn)中采集試樣在加熱和冷卻過(guò)程中的加熱溫度和膨脹量。采用試樣直徑膨脹量變化速率法確定組織轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)。對(duì)不同冷卻速率試樣的中心剖面進(jìn)行顯微組織觀察與硬度實(shí)驗(yàn)。

3.2 在不同t8/5下的組織轉(zhuǎn)變溫度

圖3為不同冷卻速率下的直徑膨脹量變化速率-溫度曲線。由圖可得出t8/5下的組織轉(zhuǎn)變溫度[10]，見(jiàn)表6。

3.3 不同t8/5條件下試樣的組織

圖4是不同t8/5下試樣的金相組織（實(shí)際上是焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織）。

當(dāng)t8/5=1500s 時(shí)，試樣冷卻速度慢，在晶界會(huì)共析出鐵素體組織，其組織為F+B組織。

當(dāng)t8/5≤300s時(shí)，由于試樣冷卻速度[11]較快，得到的組織主要是B+M的混合組織。t8/5=300s時(shí)，馬氏體的含量較少;但隨著t8/5的減小，冷卻速度的增加，馬氏體含量增多;當(dāng)t8/5=6s時(shí)，主要為馬氏體組織。

3.4 不同t8/5條件下試樣的硬度

表7為不同t8/5下的試樣的硬度。可以看出，當(dāng)冷卻速度大于10℃/s， t8/5小于30s時(shí)，硬度大于HB355，滿足滿足N-1耐磨鋼要求。

綜上所述，t8/5對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織影響的熱模擬實(shí)驗(yàn)研究表明，從t8/5與最終所得組織及硬度之間的關(guān)系看，當(dāng)t8/5控制在10～30s之間時(shí)，硬度滿足N-1耐磨鋼，組織主要為貝氏體組織。因此，在具體焊接過(guò)程中，t8/5最好控制在的冷卻速度10～30s之間，即冷卻速度控制在10～30℃/s 范圍。

4 ?現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)選用槽寬1400mm的重型中部槽產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，中板為強(qiáng)韌N-1耐磨鋼，槽幫為ZG30SiMn普通鑄件，焊接方法為富氬混合氣體保護(hù)焊接方法，焊絲為ER69-G（Ф2.4）新型纜式焊絲，焊接設(shè)備為雙槍直焊縫專機(jī)，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表8。圖5為N-1耐磨鋼中部槽實(shí)物焊接情況。焊后放入整體預(yù)熱爐中緩冷，最終經(jīng)探傷中部槽中板焊縫未發(fā)現(xiàn)任何焊接缺陷。并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，焊接質(zhì)量能保證礦井使用要求。

5 ?結(jié)論

①通過(guò)超聲波探傷表明，當(dāng)預(yù)熱溫度為150～175℃范圍，耐磨鋼具有較好的可焊性。

②焊縫接頭顯微組織的演變規(guī)律基本相同。焊縫組織為塊狀或針狀鐵素體組織。焊縫與耐磨鋼基體形成的熔合區(qū)結(jié)合良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋;熔合區(qū)域組織具有過(guò)渡性。熱影響區(qū)組織分布比較均勻，晶粒比較細(xì)小，主要為細(xì)化的板條貝氏體與馬氏體組織。

③焊接熱影響區(qū)的斷口形貌典型特征為韌窩和準(zhǔn)解理特征，其斷裂機(jī)理為韌窩與準(zhǔn)解理機(jī)制。

④通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)表明，t8/5最好控制在冷卻速度控制在10～30℃/s范圍，可使焊接熱影響區(qū)的硬度滿足N-1耐磨鋼要求。

⑤焊接焊縫的抗拉強(qiáng)度均值為693.87MPa，大于焊接接頭設(shè)計(jì)要求630MPa;延伸率均值為10.63%大于10%，0℃沖擊吸收功均值為38.67J大于35J，說(shuō)明采用高強(qiáng)纜式焊絲焊接的N-1耐磨鋼焊接接頭具有較好的強(qiáng)韌性能。

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作者簡(jiǎn)介：董曼淑（1976-），女，寧夏固原人，本科，高工，國(guó)際焊接工程師，主要從事煤炭制造行業(yè)低合金鋼焊接技術(shù)研究工作。