ZG30MnSiMo與Hardox450焊接裂紋性質(zhì)的試驗研究

馮月樓

1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北張家口，076250； 2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口，076250

0 引言

中部槽作為刮板輸送機的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)形式主要由中板、底板、槽幫組成的封箱式結(jié)構(gòu)，聯(lián)接形式為焊接[1]，如圖1所示，中板作為輸送設(shè)備運行過程中的主要受力構(gòu)件，其強度、耐用性直接決定著整套輸送設(shè)備的運行質(zhì)量，其最常見的破壞形式為中板焊縫開裂。

槽幫為鑄鋼件，所用材料為ZG30MnSiMo，供應(yīng)狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，具有較高的強度、硬度及耐磨性能[2]。中板為軋制板料，采用瑞典SSAB EMEA AB公司進口Hardox450，供應(yīng)狀態(tài)為淬火加低溫回火，具有高強度、高硬度及高耐磨性，同時板料的塑性、焊接性能及加工性能未發(fā)生較大程度的下降。

ZG30MnSiMo與Hardox450屬于異種材料焊接，焊縫接頭硬度高、淬硬傾向大，并且焊縫組織變化復(fù)雜，易產(chǎn)生焊接裂紋。本文對出現(xiàn)批量性裂紋的槽幫與中板的焊縫接頭，從母材的化學成分、力學性能、焊縫接頭的金相組織以及外界環(huán)境等因素對焊接裂紋的形成原因進行分析，以期改進產(chǎn)品焊接工藝，減少焊接裂紋的出現(xiàn)[3]。

1 裂紋性質(zhì)的探討

焊縫表面裂紋及焊縫刨開后的圖樣如圖2所示，可以看到裂紋為沿焊縫方向的縱向裂紋，將有裂紋的部位制成試塊，從圖3可以清晰地看到裂紋出現(xiàn)在焊縫與槽幫的融合線部位，裂紋深度為18mm（采用K型坡口，單側(cè)坡口深度24mm）。此外，焊接3h后，對焊縫進行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，但焊接后的48h，經(jīng)目視檢測，發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，這里排除了熱裂紋的可能性，可以確定為延遲裂紋[4]。

將出現(xiàn)裂紋的部位在光學顯微鏡下放大，如圖4所示。結(jié)合圖4a與圖3，可以看出裂紋起始于焊道的焊趾部位，延槽幫熱影響區(qū)開裂，最終止于槽幫與焊縫的融合線處（圖4b），裂紋表面未見氧化現(xiàn)象，進一步佐證了此裂紋并非熱裂紋。為進一步判斷裂紋產(chǎn)生的機理，需要對裂紋試件進行深入分析。

2 裂紋分析

2.1 化學成分

在槽幫不同部位制取3塊試件，試件1、試件2取自槽幫頂面，試件3取自焊縫裂紋接頭，對3塊試件進行化學成分分析，如表1所示，結(jié)果表明化學成分符合企標對ZG30MnSiMo材料成分的要求，3組數(shù)據(jù)的對比結(jié)果可以推測，鑄件的化學成分較為均勻，不存在成分偏析的現(xiàn)象[4]。

中板Hardox450的化學成分如表2所示，單以材料成分而言，槽幫與中板的差異主要體現(xiàn)在碳、鉻、鎳的含量上，為更加直觀地評定兩種材料的焊接性能，且考慮到兩種材料均為低合金調(diào)質(zhì)鋼，采用WES標準規(guī)定碳當量計算公式對其碳當量進行計算，即：

計算槽幫的碳當量分別為0.7037%、0.693%、0.718%，中板的碳當量為0.615%。計算結(jié)果表明，在相同的焊接條件下，碳當量越高，出現(xiàn)延遲裂紋的概率也就越大，這也解釋了為什么裂紋出現(xiàn)在槽幫融合線部位。

2.2 力學性能分析

槽幫ZG30MnSiMo材料以及中板Hardox450材料的力學參數(shù)分別如表3、表4所示。通過兩組數(shù)據(jù)的對比，中板材料的沖擊功低于槽幫材料，但中板材料的屈服強度、抗拉強度、硬度以及斷后伸長率要顯著高于槽幫材料，即在拉應(yīng)力載荷作用下，破壞會率先出現(xiàn)在槽幫側(cè)。

為進一步反映槽幫熱影響區(qū)的淬硬傾向，對試件3不同部位進行布氏硬度檢測，距槽幫融合線15mm、10mm、5mm處的硬度檢測值分別為296、324、332，越是靠近融合線其淬硬傾向越嚴重。

2.3 金相組織

2.3.1 槽幫金相組織

表1 槽幫ZG30MnSiMo的化學成分

表2 中板Hardox450的化學成分

表3 槽幫ZG30MnSiMo材料的力學性能參數(shù)

表4 中板Hardox450材料的力學性能參數(shù)

圖5為試件1、試件2在光學顯微鏡下的微觀形貌，經(jīng)觀察，試件1基體組織均為回火索氏體，以及少量鐵素體。試件2的基本組織為回火索氏體，以及少量鐵素體和上貝氏體的混合物，局部出現(xiàn)少量上貝氏體是由于淬火過程中冷卻速度不夠所導(dǎo)致。

2.3.2 槽幫熱影響區(qū)金相組織

包含裂紋在內(nèi)槽幫熱影響區(qū)金相組織如圖6所示，與圖5對比，裂紋周邊晶粒明顯長大，且呈現(xiàn)出一定的方向性，同時析出大量的馬氏體與鐵素體的混合組織，應(yīng)合了上述熱影響區(qū)布氏硬度檢測結(jié)果。

3 分析討論

綜上分析，可以確定此處的焊道裂紋屬于延遲裂紋，在焊接環(huán)境溫度偏低、材料類型屬于低合金高強鋼的焊接結(jié)構(gòu)上較為常見，此類裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬中的擴散氫及焊縫受力狀態(tài)有關(guān)。焊接環(huán)境溫度較低，預(yù)熱溫度不足，保溫時間不夠，均會導(dǎo)致擴散氫析出不充分，因此，應(yīng)根據(jù)母材的特性對預(yù)熱溫度、保溫時間進行嚴格的控制。根據(jù)經(jīng)驗，ZG30MnSiMo與Hardox450焊接預(yù)熱保溫時間不應(yīng)低于1h，當環(huán)境溫度低于10℃時，控制施焊前的溫度不低于90℃，而當環(huán)境溫度高于20℃時，控制施焊前的溫度不低于60℃，能有效防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

從鑄造槽幫的材質(zhì)特性來看，碳當量偏高，母材淬硬傾向增大，導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)馬氏體組織含量增加，塑性、韌性下降，在焊接應(yīng)力的作用下，最終導(dǎo)致焊接冷裂紋的產(chǎn)生。因此，焊后應(yīng)注意保溫、緩冷，減少淬硬組織，提高焊縫接頭的綜合力學性能。

此外，焊接應(yīng)力也是導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生的重要因素，母材板厚大，填充金屬多，熱輸入大，由于構(gòu)件受熱不均衡，致使焊接過程產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。調(diào)整焊接工藝參數(shù)，合理地設(shè)置焊接順序，焊接過程中進行必要的實效處理，可有效地降低焊接應(yīng)力，從而減少焊接冷裂紋的產(chǎn)生[5]。

4 結(jié)語

（1）從中部槽上截取鑄造槽幫試塊及帶裂紋的焊縫接頭試塊，對其進行一系列的試驗，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并分析討論，證明該焊接裂紋屬于焊接冷裂紋，多起始于母材碳當量偏高的焊趾處，并延淬硬傾向較高的熱影響區(qū)開裂，本文中，裂紋主要出現(xiàn)在鑄造槽幫側(cè)。

（2）對焊接裂紋產(chǎn)生的機理進行分析討論，并提出對應(yīng)的預(yù)防措施。擴散氫、碳當量是焊接冷裂紋產(chǎn)生的根源，焊接應(yīng)力是焊接冷裂紋產(chǎn)生的誘因。預(yù)防措施包括控制焊前預(yù)熱溫度、合理的焊接參數(shù)、焊接過程的實效處理以及焊后保溫。