BTW1 耐磨中板與槽幫異種材料的焊接工藝研究

胡文婷

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

0 引言

BTW 1 是一種新型耐磨鋼，能承受較大的沖擊載荷而不斷裂，抗剝落及抗破碎性能是其他耐磨合金鋼的2 倍以上，這也是目前國(guó)內(nèi)外其他耐磨板均不具備的優(yōu)點(diǎn)。使用BTW1 耐磨鋼板，可節(jié)省大量的原材料和能源消耗，大幅節(jié)省設(shè)備投資，降低工人的維修強(qiáng)度，減少因中部槽更換造成的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。由于BTW1 耐磨板屬于高錳鋼，含碳量較高，導(dǎo)致其焊接性比較差。與中部槽槽幫之間的焊接屬于異種材料之間的焊接,傳統(tǒng)的焊接工藝是采用CO2氣體保護(hù)焊，采用ER50-6 氣體保護(hù)焊絲進(jìn)行焊接[3]，在焊接完成后會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，無(wú)法保證其焊縫質(zhì)量。為此，需要進(jìn)行BTW1 耐磨板與槽幫異種材料焊接工藝的研究。

1 焊接性分析與方案制定

1.1 焊接性分析

耐磨板BTW1 在中低沖擊載荷下，具有應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變特性，隨著沖擊載荷的提高，其強(qiáng)化層硬度隨之增高，由于耐磨板含碳量較高，根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）碳當(dāng)量公式，該材料碳當(dāng)量高達(dá)3.25%，焊接時(shí)極易引發(fā)裂紋。鑄鋼30SiMn 的淬硬及冷裂傾向較小。兩種材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 母材的化學(xué)成分

表2 母材的力學(xué)性能

由此可知，不同金屬之間，因其成分、組織以及理化性能上的差別，使碳發(fā)生擴(kuò)散，以至于熔合區(qū)兩側(cè)金屬性能相差懸殊，接頭受力時(shí)可能引起應(yīng)力集中，降低接頭的強(qiáng)度和塑性。因此，耐磨板BTW1 與30SiMn 鑄鋼的焊接難度很大。

1.2 方案制定

為了保證焊接工藝的實(shí)用性，采用常使用的焊接設(shè)備：CPVE-500 逆變控制CO2焊機(jī)。此焊接電弧穩(wěn)定、飛濺較小，工藝性能好，有多種焊接模式。

通過(guò)查閱相關(guān)資料以及前期試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用MIG 焊接（即熔化極混合氣體保護(hù)焊），可以有效減小焊接飛濺，防止電弧發(fā)生飄移現(xiàn)象。對(duì)兩種母材材料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，該材料Cr 含量較高，且沒(méi)有磁性，與奧氏體不銹鋼的母材特性類(lèi)似。因此，CHM18.8Mn不銹鋼焊絲是理想的焊接材料。為了保證在焊接的過(guò)程中焊道層間溫度不超過(guò)200 ℃，制作了一套噴淋裝置，對(duì)被焊接件的背面進(jìn)行噴淋冷卻，以此實(shí)現(xiàn)焊縫降溫。其冷卻原理及冷卻實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 冷卻原理及實(shí)物圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)工藝流程

坡口制備→表面清理→組對(duì)點(diǎn)固→打底焊接→水冷系統(tǒng)開(kāi)啟→填充焊接→蓋面焊接→焊后清理。

2.2 焊接工藝參數(shù)

具體的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)

2.3 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

試件1、試件4 的焊道有多層焊和多層多道焊，具體施焊過(guò)程要求如下。

1）打底焊：采用手工MIG 焊接，要求背面清根，防止焊接缺陷的產(chǎn)生。

2）填充焊：采用手工MIG 焊接，打開(kāi)水冷系統(tǒng)，使試件背面快速冷卻。嚴(yán)格清理層間的熔渣以及飛濺物。嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度不超過(guò)200 ℃。

3）蓋面焊：蓋面焊縫的余高不得超過(guò)2 mm。

4）注意事項(xiàng)：焊接過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)要提前開(kāi)啟，延遲關(guān)閉。

2.4 焊后清理

焊接完成之后，對(duì)焊縫兩側(cè)進(jìn)行清理。試件整體效果見(jiàn)圖2。

圖2 焊后試件效果圖

3 焊接工藝評(píng)定

通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行檢驗(yàn)、分層取樣、加工試樣和機(jī)械性能試驗(yàn)，并按照GB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證此焊接工藝的可行性。

3.1 外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)

通過(guò)肉眼和低倍放大鏡對(duì)試件1、試件4 進(jìn)行外觀檢查，試件表面無(wú)裂紋、焊瘤、燒穿和弧坑等缺陷，焊接合格。

運(yùn)用本廠新引進(jìn)的X 射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)以及超聲波探測(cè)技術(shù)，按照J(rèn)B/T 4730—2005《射線檢測(cè)》和GB/T 6402—2008《超聲波檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試件的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，焊縫內(nèi)部無(wú)裂紋、未融合、未焊透和條形缺陷，焊接質(zhì)量等級(jí)為I 級(jí)。

3.2 硬度檢測(cè)

按照GB/T 231.1—2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)》分別對(duì)試件進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。

表4 試件硬度HBW 試驗(yàn)結(jié)果

3.3 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB 2649—89《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法》對(duì)試件進(jìn)行分層取樣，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

此批試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)與鑄鋼30SiMn 正火狀態(tài)時(shí)的機(jī)械性能進(jìn)行比對(duì)，其抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均接近于鑄鋼30SiMn 正火狀態(tài)。試樣拉斷情況如圖3 所示。

圖3 試樣拉斷圖

3.4 彎曲試驗(yàn)

按照GB/2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 焊接接頭彎曲試驗(yàn)

試件在彎軸直徑Ф80 mm 的彎曲下，有3 件試件均沿熔合線斷裂，另外1 件是在母材靠近焊縫處有輕微的裂紋。試件在彎軸直徑Ф160 mm 的彎曲下，3 件試件的焊縫、熔合線和母材表面都沒(méi)有變化，另外1件是在母材靠近焊縫處有輕微的裂紋，試樣彎曲結(jié)果如圖4 所示。

圖4 試樣彎曲結(jié)果

3.5 沖擊試驗(yàn)

按照GB/2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》分層取樣，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、表7 所示。

圖5 試樣試驗(yàn)沖斷結(jié)果

表7 焊接接頭沖擊試驗(yàn)

經(jīng)觀察斷口和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此批試件焊縫以及熔合線的沖擊吸收功均大于鑄鋼（調(diào)質(zhì)狀態(tài)≥30 J/cm2）及耐磨板母材出廠狀態(tài)。

3.6 金相試驗(yàn)

BTW1/30SiMn 焊接接頭宏觀金相如圖6 所示，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透和未融合等焊接缺陷。

圖6 宏觀金相

BTW1/30SiMn 焊接接頭微觀金相組織如圖7 所示，右邊的金相組織為30SiMn，其組織基體為鐵素體，黑色枝晶狀為珠光體。左邊為BTW1，其組織為奧氏體＋彌散碳化物，保持了各自母材的化學(xué)成分，保證了焊接接頭的力學(xué)性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了該工藝的可操作性。

圖7 微觀金相400×

4 結(jié)論

提出了耐磨板BTW1 與槽幫異種材料的焊接工藝，利用MIG 氣體保護(hù)焊，采用不銹鋼焊接材料，對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、金相分析以及無(wú)損檢測(cè)，焊接接頭的力學(xué)性能良好、焊縫組織致密、無(wú)內(nèi)在缺陷，證明了該焊接工藝的可行性。

1）通過(guò)MIG 焊接工藝，采用Ar+5%CO2混合氣體，可以防止電弧發(fā)生飄移現(xiàn)象，保證焊縫之間的融合質(zhì)量。

2）采用強(qiáng)制冷卻的辦法，可以降低焊道之間的層間溫度，槽幫的組織基體為鐵素體，BTW1 耐磨板的組織仍為奧氏體+彌散碳化物，保證了各自母材的綜合性能。

3)將耐磨板BTW1 應(yīng)用到刮板輸送機(jī)中部槽上，刮板輸送機(jī)的使用壽命比傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)高出2倍以上，顯著減少了綜采工作面中部槽的維修和更換次數(shù)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。