煤機(jī)用鑄鋼與中板耐磨鋼的氣體保護(hù)焊工藝與接頭組織性能

南黃河

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

0 前言

在當(dāng)今中國(guó)各大煤炭生產(chǎn)企業(yè),重型煤炭機(jī)械設(shè)備刮板輸送機(jī)的使用率已成為衡量煤炭企業(yè)井下安全運(yùn)營(yíng)、高效生產(chǎn)及煤炭工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的標(biāo)志[1]。作為井下煤炭資源開采運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備之一,刮板輸送機(jī)被廣泛應(yīng)用于規(guī)模化礦山、礦藏資源開采,屬于井下綜合機(jī)械化礦產(chǎn)資源開采工作面的重要設(shè)備[2]。其機(jī)身主體為中部槽結(jié)構(gòu),總質(zhì)量占刮板輸送機(jī)整體質(zhì)量的75%以上,總長(zhǎng)占刮板輸送機(jī)整體長(zhǎng)度的85%左右,是雙鏈超重型刮板輸送機(jī)整套設(shè)備的關(guān)鍵部件,適用于復(fù)雜井況條件下厚煤層的機(jī)械化刮采、運(yùn)輸、裝載等重要工作,也是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一[3-4]。在使用中,中部槽結(jié)構(gòu)承受了來(lái)自物料、刮板及鏈條等的拉、壓、彎曲、沖擊、摩擦和腐蝕等多種作用,是刮板輸送機(jī)中使用率和消耗率最大的部件,決定了刮板輸送機(jī)的使用效率[5-7]。因此,中部槽結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐腐蝕性,對(duì)其質(zhì)量可靠性的研究就非常重要。

經(jīng)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的槽體焊接部位易出現(xiàn)開裂失效,嚴(yán)重降低了中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命和刮板輸送機(jī)的使用效率。中部槽結(jié)構(gòu)的槽體部分由擋板槽幫、中板、底板、鏟板槽幫組焊而成,主要涉及中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的焊接。JFEEH400鋼屬于熱軋態(tài)超高強(qiáng)耐磨鋼,由日本JFE鋼鐵公司研究開發(fā),適用于制造鏟斗、裝載機(jī)、破碎機(jī)等大中型工程設(shè)備,該鋼具有較好的耐磨損性能,室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 316 MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)1 163 MPa。ZG30MnSi鋼屬于中碳(碳含量為0.25%~0.35%)低合金Mn-Si鑄鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理[8-9](先退火處理:880~900 ℃保溫4~6 h隨爐冷卻至300℃后空冷,后淬火處理:900~930 ℃保溫4~6 h出爐水淬,最后回火處理:500~600 ℃保溫4~6 h出爐水淬。)后室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)790 MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)450 MPa。經(jīng)熱處理后有較高強(qiáng)度、硬度和耐磨性,但焊接性較差。

在刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)中,中板JFEEH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的打底焊焊縫質(zhì)量問(wèn)題多發(fā),易出現(xiàn)焊接缺陷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整條焊縫質(zhì)量的不合格。生產(chǎn)中,級(jí)別較低的微小缺陷,不作為焊接結(jié)構(gòu)件判廢的標(biāo)準(zhǔn),但在隨后使用中,復(fù)雜工況條件綜合影響下,微小缺陷將發(fā)展成為部件失效的主要誘因。鑒于此,該研究結(jié)合工程生產(chǎn)實(shí)際,在對(duì)打底焊工藝及缺陷系統(tǒng)分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化提出大壁厚JFE-EH400和ZG30MnSi異種鋼對(duì)焊連接工藝方案且完成焊接,并對(duì)母材和焊縫金屬微觀組織及顯微硬度分布特征進(jìn)行研究,旨在提高中部槽結(jié)構(gòu)生產(chǎn)焊接工藝的穩(wěn)定性和可靠性,為中部槽結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量和批量化生產(chǎn)提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為壁厚等于40 mm的調(diào)質(zhì)態(tài)超高強(qiáng)JFEEH400耐磨鋼和ZG30MnSi鑄鋼,焊接材料選用?1.2 mm的H08Mn2SiA 氣保護(hù)焊絲,試驗(yàn)鋼和焊絲化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

焊縫金相試樣橫截面采用砂紙研磨拋光后,用5%HNO3酒精溶液進(jìn)行腐蝕,采用LeicaMEF-4M光學(xué)顯微鏡及日立S4300冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察母材及焊縫金屬的微觀組織形貌和焊接缺陷形貌,并用EDAX Genesis6.0型能譜儀 (EDS) 測(cè)試缺陷部位選定微區(qū)的合金元素成分。采用Durascan-70型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊縫橫截面顯微硬度分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)鋼顯微組織

試驗(yàn)鋼微觀組織形貌特征如圖1所示。調(diào)質(zhì)態(tài)ZG30MnSi鋼,強(qiáng)度、硬度高,塑韌性能較差,其顯微組織為回火索氏體,晶粒粗大,晶界處和板條束間為白色鐵素體相。而熱軋態(tài)JFE-EH400耐磨鋼微觀組織具有明顯層次性且呈條帶狀,在鐵素體+珠光體組織區(qū)的上下均有大量彌散分布的粒狀析出相,呈帶狀連續(xù)分布,鐵素體相體積分?jǐn)?shù)顯著大于珠光體相;整體呈現(xiàn)鐵素體+珠光體組織為基,析出強(qiáng)化層交替疊加分布形貌特征。鐵素體相屬于“軟相”,位錯(cuò)密度低,強(qiáng)度、硬度低,塑性好,對(duì)材料變形過(guò)程有釋緩和協(xié)調(diào)作用,具有良好的塑變性能[10-12];而珠光體相強(qiáng)韌性良好,硬度較高,延展性較差,具有一定抗磨損能力[13],兩種組織相的性能匹配使得鐵素體+珠光體組織區(qū)兼具優(yōu)良塑韌性和一定抗磨損性能。另外,大量細(xì)小彌散分布的析出相對(duì)析出區(qū)組織晶界具有強(qiáng)烈釘扎作用,有效阻止了晶粒粗化,并使位錯(cuò)穩(wěn)定化,對(duì)析出區(qū)材料性能起到析出強(qiáng)化作用[14-15]。使該區(qū)域組織相在擁有良好塑韌性的同時(shí)耐磨性、抗沖擊性和抗變形能力均得以加強(qiáng)和提升。這種以鐵素體+珠光體組織為基析出強(qiáng)化層交替疊加分布的組織形貌特征,為中板JFE-EH400耐磨鋼提供了優(yōu)良的綜合性能,包括抗變形、抗沖擊、抗磨損等。

圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織

2.2 打底焊試驗(yàn)及焊接缺陷分析

2.2.1 打底焊接試驗(yàn)

圖2是采用半自動(dòng)手工CO2氣體保護(hù)焊(MAG)對(duì)JFE-EH400和ZG30MnSi異種鋼進(jìn)行打底焊試驗(yàn),焊接坡口采用“K”形坡口設(shè)計(jì),其形狀參數(shù)如圖2a所示。

圖2 焊接坡口形狀參數(shù)及刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式(1)和冷裂紋敏感系數(shù)計(jì)算公式(2)[16]及表1分別計(jì)算兩種鋼的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感系數(shù),計(jì)算結(jié)果及預(yù)熱溫度范圍見表2。

表2 試驗(yàn)鋼的碳當(dāng)量、冷裂紋敏感系數(shù)及預(yù)熱溫度

由表2知,高強(qiáng)耐磨鋼碳當(dāng)量大于0.5%,冷裂紋敏感系數(shù)大于0.3%,焊接時(shí)具有較高淬硬傾向和冷裂傾向,焊接性差,而鑄鋼碳當(dāng)量大于0.6%,焊接時(shí)淬硬傾向亦較大,兩種鋼焊接,其焊接接頭熱影響區(qū)和過(guò)熱區(qū)存在極高的冷裂和脆化風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避此類問(wèn)題,焊前對(duì)該兩種試驗(yàn)鋼進(jìn)行預(yù)熱處理,預(yù)熱溫度根據(jù)表2確定為250 ℃,焊接熱輸入按式(3)計(jì)算。焊接工藝參數(shù)及熱輸入見表3。

表3 打底焊焊接參數(shù)及熱輸入

式中:W為焊接熱輸入,kJ/mm;U為焊接電弧電壓,V;I為焊接電流,A;v為焊接速度,mm/min;η為熱效率系數(shù)。半自動(dòng)手工CO2氣體保護(hù)焊η取0.9。

2.2.2 打底焊缺陷分析

中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的打底焊焊接接頭的顯微組織及焊接缺陷形貌如圖3所示。由圖3a可知,打底焊上、下焊縫熔覆金屬在中部具有一定重合量(重合深度h約2 mm,重合寬度l約4 mm),在兩邊部與JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼熔合質(zhì)量良好,熔合線附近無(wú)焊接缺陷。但在上、下焊縫熔覆金屬區(qū)呈現(xiàn)出典型的柱狀晶生長(zhǎng)形態(tài),熔覆金屬以熔合線外側(cè)的母材為基底形核并向焊縫內(nèi)部和頂部生長(zhǎng),由于溫度梯度作用,隨后生長(zhǎng)成為方向性很強(qiáng)的柱狀晶形態(tài)。另外,在上部焊縫金屬(即第一道次焊接金屬)區(qū)中部觀察到了典型的縱向結(jié)晶裂紋缺陷,在熔覆金屬重合區(qū)附近觀察到了氣孔缺陷,兩種焊接缺陷均出現(xiàn)在第一道次焊接金屬中。

圖3 JFE-EH400耐磨鋼和ZG30MnSi鑄鋼打底焊焊接接頭及缺陷形貌

由圖3b可知,結(jié)晶裂紋產(chǎn)生于焊縫中心部位柱狀晶生長(zhǎng)前緣界面處,具有縱向擴(kuò)展趨勢(shì),長(zhǎng)度為1 898.57m,寬度為200m。結(jié)晶裂紋產(chǎn)生于焊縫結(jié)晶過(guò)程,主要由熔池中的雜質(zhì)物、夾雜物或低熔點(diǎn)共晶物隨焊縫金屬的方向性生長(zhǎng)和凝固而被迫推向焊縫中心部位柱狀晶生長(zhǎng)前緣界面,并在晶界處聚集[17],顯著降低晶間結(jié)合力,在隨后的應(yīng)力作用下萌生微裂紋,導(dǎo)致開裂。結(jié)晶裂紋的存在,大大減弱了焊縫的力學(xué)性能,是中部槽結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)中杜絕出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。圖3c為氣孔缺陷,視域內(nèi)可以觀察到大小不等的兩個(gè)氣孔缺陷,相距350m左右,尺寸大小分別為370.9m和100m。氣孔缺陷的產(chǎn)生原因主要有,雜質(zhì)物帶入、保護(hù)氣體不純、供氣不足、氣流紊亂、焊槍噴嘴被飛濺物堵塞或是焊槍噴嘴與工件距離過(guò)大等。焊接坡口表面的水分、夾雜物或鐵銹是焊接過(guò)程常見的雜質(zhì)物,含有Fe2O3,Fe3O4和結(jié)晶水,焊接過(guò)程高溫作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)化學(xué)反應(yīng)[18](包括3Fe2O3=2Fe3O4+O,2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2,Fe+H2O=FeO+H2和FeO+C=CO+Fe),生成H2和CO有害氣體,是造成焊縫產(chǎn)生氣孔缺陷的主要原因之一。大尺寸、密集連續(xù)型氣孔缺陷,對(duì)焊縫性能有嚴(yán)重影響,在焊接過(guò)程中應(yīng)盡可能避免。

中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼打底焊焊接接頭裂紋缺陷的SEM圖片及裂尖微區(qū)EDS分析如圖4所示。由圖4a和4b可知,裂紋尖端尺寸較小,而中部寬度和深度尺寸顯著增大,呈現(xiàn)縱深發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)裂紋尖端進(jìn)行微區(qū)EDS元素掃描分析,分析結(jié)果見圖4c和4d。由EDS分析結(jié)果可知,裂紋尖端處存在大量夾雜物,其組成主要為氧化物,包括Al2O3,SiO2,TiO2等。焊縫中難熔且硬度偏高的雜質(zhì)物、夾雜物的存在,為裂紋萌生和擴(kuò)展提供了條件。因此,施焊前待焊坡口面及槽幫面雜質(zhì)物的清除應(yīng)作為工藝規(guī)范,必須嚴(yán)格執(zhí)行。

圖4 裂紋缺陷的MES圖片及裂紋尖端EDS分析

2 .3 焊接工藝優(yōu)化及焊縫組織性能

2.3.1 焊接工藝優(yōu)化

根據(jù)打底焊試驗(yàn)及缺陷分析,對(duì)中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的完整對(duì)焊連接工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并實(shí)施焊接,焊接順序及焊縫外觀成形尺寸如圖5所示。對(duì)焊連接工藝方案見表4。嚴(yán)格按照?qǐng)D2a中焊接坡口形狀參數(shù)進(jìn)行JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼的坡口加工并進(jìn)行組對(duì)和定位點(diǎn)焊,再將點(diǎn)焊好的整個(gè)工件置于熱處理爐中進(jìn)行惰性氣體環(huán)境下的預(yù)熱。待預(yù)熱溫度達(dá)到250 ℃后,吊出并按照?qǐng)D5和表4進(jìn)行焊接。具體要求,打底焊的焊縫金屬在中部必須有一定重合量且與兩邊母材金屬充分熔合,杜絕出現(xiàn)未焊透、未熔合等問(wèn)題。

表4 JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼的對(duì)焊連接工藝方案

圖5 焊接順序及焊縫外觀成形尺寸

2.3.2 焊縫組織及顯微硬度

圖6給出了中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼焊接接頭橫截面宏觀形貌和各視域微觀組織。由圖6a知,焊縫橫截面內(nèi)宏觀形貌清晰,無(wú)裂紋、氣孔及其他焊接缺陷存在,且打底焊焊縫金屬具有明顯重合量,重合深度h約6 mm,重合寬度l約4 mm,達(dá)到預(yù)定要求。

圖6b~6f分別為第1道次打底焊、第2道次打底焊、第3道次填充焊、第4道次填充焊和第6道次蓋面焊焊縫金屬的微觀組織形貌特征。整體看,焊縫金屬各視域顯微組織形貌特征一致,均為相互交錯(cuò)咬合的針狀鐵素體+多邊形鐵素體+少量珠光體。針狀鐵素體的精細(xì)結(jié)構(gòu)單元由更加細(xì)小的板條束鐵素體+片狀M-A組元組成,具有一定位錯(cuò)密度,有效晶粒尺寸較其它組織更加細(xì)小[19]。另外,相互交錯(cuò)咬合的針狀鐵素體組織能有效延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑,增大裂紋擴(kuò)展阻力,可顯著提高焊縫金屬材料的強(qiáng)韌性[20-21],使焊縫具有更優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。第3~6道次采用了雙絲、雙面機(jī)器人MAG同步施焊,第4~6道次焊接過(guò)程還增加了焊槍的擺動(dòng),再加之多層多道次焊接熱積累和循環(huán)作用,使得焊接熱輸入較打底焊顯著增大,中間層熔覆金屬組織在長(zhǎng)時(shí)間劇烈熱作用下,極易粗化。在圖6d和圖6e中可觀察到這種顯著變化,多邊形鐵素體相增多,且晶粒尺寸相對(duì)粗大。

圖6g和圖6h分別給出了ZG30MnSi鑄鋼一側(cè)焊縫熔合線附近區(qū)域顯微組織形貌特征和JFE-EH400耐磨鋼一側(cè)焊縫熔合線附近區(qū)域顯微組織形貌特征。由圖可知,熔合線附近母材組織受焊接熱作用,組織晶粒粗化,在圖6g中可明顯觀察到。

圖6 焊接焊接頭橫截面內(nèi)各視域顯微組織

表5 焊接接頭顯微硬度測(cè)試值 HV10

圖7 焊接接頭橫截面內(nèi)顯微硬度測(cè)試點(diǎn)及硬度值分布特征

綜上論述,該研究開發(fā)的中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼對(duì)焊連接優(yōu)化工藝方案設(shè)計(jì)合理,焊縫內(nèi)部及表面無(wú)焊接缺陷存在,綜合性能符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求,適合于超重型煤礦機(jī)械中部槽結(jié)構(gòu)批量化焊接生產(chǎn),對(duì)工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)中部槽結(jié)構(gòu)槽幫ZG30MnSi鑄鋼顯微組織結(jié)構(gòu)為回火索氏體,晶粒粗大,晶內(nèi)馬氏體板條束較精細(xì)且取向復(fù)雜,晶界處和板條束間為白色鐵素體相;中板JFE-EH400耐磨鋼則呈現(xiàn)鐵素體+珠光體組織為基析出強(qiáng)化層交替疊加分布的組織形貌特征;而焊縫金屬顯微組織為針狀鐵素體+多邊形鐵素體+少量珠光體,形貌呈現(xiàn)相互交錯(cuò)咬合特征。

(3)大厚度ZG30MnSi鋼與JFE-EH400鋼的焊接,打底焊焊接質(zhì)量是關(guān)鍵,焊接過(guò)程雜質(zhì)物、鐵銹等的帶入是導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋和氣孔缺陷的主要原因之一,需通過(guò)規(guī)范操作流程、嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝來(lái)規(guī)避和解決此類問(wèn)題。同時(shí),應(yīng)盡可能采用機(jī)器人自動(dòng)控制焊接,避免人為操作對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。