耐磨鑄鋼與高強(qiáng)耐磨鋼板焊接工藝研究

包國(guó)連，丁 健

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110169）

0 前言

K360 鋼為高強(qiáng)耐磨鋼，作為重要材料被廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)械、工程機(jī)械上。高強(qiáng)度鋼一般具有較高的碳當(dāng)量，應(yīng)力集中的敏感性高，焊接性能較差。采取新的控軋和特殊熱處理，提高強(qiáng)度的同時(shí)，保持了較高的強(qiáng)度、耐磨性。ZG30MnSi 因具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，被廣泛應(yīng)用在煤礦機(jī)械、礦山機(jī)械上。

為了研究K360 與ZG30MnSi 鋼焊接性，本文對(duì)厚度為20mm 的K360、ZG30MnSi 鋼板進(jìn)行半自動(dòng)氣體保護(hù)焊接性試驗(yàn)。

1 K360 與ZG30MnSi 鋼母材化學(xué)成分及性能

K360 與ZG30MnSi 鋼板化學(xué)成分及性能分別如表1 和表2 所示。

表1 鋼板化學(xué)成分 w/%

表2 鋼板的力學(xué)性能

2 焊接材料選擇

試驗(yàn)選用大西洋焊材有限公司CHW-50C8（國(guó)標(biāo)ER50-G）焊絲，焊絲直徑為?1.2mm，焊材強(qiáng)度與ZG30MnSi 鋼板匹配，考慮到ZG30MnSi 鋼板塑性差，因此選擇低強(qiáng)匹配。焊材熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表3 和表4 所示。

表3 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分 w/%

表4 焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

3 K360 與ZG30MnSi 鋼板的冷裂敏感性分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）給出的適用于中、高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量CE 的計(jì)算公式：

除碳當(dāng)量外，焊縫含氫量和接頭拘束度都對(duì)冷裂傾向有很大影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可求得焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pc：

式中，δ 為板厚（mm）；H 為焊縫中擴(kuò)散氫含量（mL/100g）。

求得Pc 后，可粗略計(jì)算出防止冷裂所需要的最低預(yù)熱溫度T0（℃）：

結(jié)合鋼板的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）可粗略計(jì)算出鋼板的碳當(dāng)量、焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pc、最低預(yù)熱溫度T0（℃）。根據(jù)碳當(dāng)量可分析鋼板焊接熱影響區(qū)淬硬性及冷裂傾向。根據(jù)焊接冷裂紋敏感指數(shù)可分析最低預(yù)熱溫度。以上計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 CE、Pc、T0 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表5 可知，兩種材料碳當(dāng)量中等，鋼材焊接冷裂傾向較顯著，焊接性較差，焊前需要預(yù)熱。K360 焊接所需最低預(yù)熱溫度約為11.2℃，ZG30MnSi 焊接所需最低預(yù)熱溫度約為227℃。

3.2 斜Y 坡口焊接裂紋試驗(yàn)

斜Y 坡口焊接裂紋試驗(yàn)（又稱小鐵研試驗(yàn)）是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗(yàn)方法，主要用于考核對(duì)接接頭焊接熱影響區(qū)的根部裂紋情況。試驗(yàn)按照GB4675.1《斜Y 型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行，焊接條件見(jiàn)表6。分別進(jìn)行常溫、50℃、100℃預(yù)熱三種條件下的焊接裂紋試驗(yàn)。試件焊后放置48h，進(jìn)行根部、表面、斷面裂紋檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表7 ?？梢?jiàn)20mm 厚K360 與ZG30MnSi 鋼板常溫下焊接，兩組試件的根部、表面裂紋率為零，平均斷面裂紋率為3.85%；當(dāng)預(yù)熱溫度為50℃、100℃時(shí)，根部、表面及斷面裂紋率均為零。

表6 小鐵研試驗(yàn)焊接條件

表7 小鐵研試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：20mm 厚K360 與ZG30MnSi鋼在苛刻的拘束條件下焊接，為防止根部裂紋的產(chǎn)生，預(yù)熱溫度應(yīng)不低于50℃。

4 焊接工藝研究

由于焊接熱輸入量及焊道間溫度變化將影響焊接熱循環(huán)過(guò)程，由此將對(duì)焊接接頭焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織和力學(xué)性能帶來(lái)影響。為了掌握焊接熱輸入量及焊道間溫度變化對(duì)兩種鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，為制訂合理的焊接工藝提供依據(jù)，本試驗(yàn)采用CHW-50C8 焊絲、80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行了不同焊接熱輸入量及不同焊道間溫度的對(duì)接接頭焊接試驗(yàn)，分別對(duì)焊接接頭焊縫金屬拉伸性能及常溫沖擊韌性進(jìn)行了測(cè)定。試板尺寸為30mm×150mm×300mm，坡口形式見(jiàn)圖1。試驗(yàn)采用?1.2mm 焊絲，不同焊接熱輸入量及不同焊道間溫度焊接條件見(jiàn)表8 所示。焊接接頭沖擊試驗(yàn)和焊縫金屬拉伸試驗(yàn)按照GB2650～2652 規(guī)定進(jìn)行，其中焊縫金屬?zèng)_擊缺口開(kāi)在焊縫中心，熱影響區(qū)沖擊缺口開(kāi)在熔合線外1mm。

表8 焊接工藝參數(shù)

4.1 焊接熱輸入量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

不同熱輸入量焊接條件下，焊接接頭焊縫金屬拉伸及焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。焊接熱輸入量變化對(duì)焊縫金屬拉伸性能及焊接接頭的沖擊性能均有一定影響。隨著熱輸入量增加，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度有一定程度降低，抗拉強(qiáng)度由0.832kJ/mm 時(shí)的682MPa 下降到1.81kJ/mm時(shí)的624MPa；隨著熱輸入量增加，焊接接頭焊縫金屬的沖擊韌性有一定程度的降低，AKV（常溫）由0.832kJ/mm 時(shí)的126J 下降到1.81kJ/mm 時(shí)的101J，焊接熱影響區(qū)沖擊功有所升高，由0.832kJ/mm 時(shí)的95J（ZG）、154J（NM）增大到1.81kJ/mm 時(shí)的114J（ZG）、170J（NM）?？梢?jiàn)，采用CHW-50C8焊絲焊接K360 與ZG30MnSi 鋼，焊接熱輸入量在（0.832～1.81）kJ/mm 范圍內(nèi)變化，K360 與ZG30MnSi鋼焊接接頭的焊縫金屬的拉伸性能及焊接接頭的常溫沖擊性能均能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

表9 熱輸入量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

4.2 焊道間溫度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

不同焊道間溫度焊接條件下，K360 與ZG30MnSi 鋼焊接接頭焊縫金屬拉伸及焊接接頭常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。隨著焊道間溫度的提高，焊接接頭焊縫金屬的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有一定程度的降低，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度由100℃時(shí)的668MPa 下降到200℃時(shí)的628MPa；焊道間溫度變化對(duì)焊接接頭沖擊韌性影響不明顯，焊道間溫度在100～200℃范圍內(nèi)，焊接接頭焊縫金屬及熱影響區(qū)的AKV（常溫）均保持在160J 左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用CHW-50C8 焊絲焊接K360 與ZG30MnSi 鋼，焊道間溫度在100～200℃范圍內(nèi)，焊接接頭的拉伸及沖擊性能均能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

表10 焊道間溫度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

5 結(jié)論

（1）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法結(jié)果表明，K360 與ZG30MnSi 兩種材料碳當(dāng)量中等，鋼材焊接冷裂傾向較顯著，焊接性較差，焊前需要預(yù)熱。通過(guò)小鐵研試驗(yàn)得知，20mm 厚K360 與ZG30MnSi 鋼在苛刻的拘束條件下焊接，為防止焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋的產(chǎn)生，預(yù)熱溫度應(yīng)不低于50℃。

（2）焊接熱輸入量在（0.832～1.81）kJ/mm 范圍內(nèi)變化，K360 與ZG30MnSi 鋼焊接接頭的焊縫金屬的拉伸性能及焊接接頭的常溫沖擊性能均能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

（3）焊道間溫度在100～200℃范圍內(nèi)，焊接接頭的拉伸及沖擊性能均能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

焊接K360 與ZG30MnSi 鋼工藝參數(shù)控制在：I=（260～300）A、U=（28～32）V、T（預(yù)熱溫度）=100～150℃、T（道間溫度）=100～200℃范圍內(nèi)，能保證各項(xiàng)力學(xué)能指標(biāo)達(dá)到理想值。