耐磨铸钢与高强耐磨钢板焊接工艺研究
时间：2023-03-04 17:20:04 来源：千叶帆 本文已影响人
包国连，丁 健
（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110169）
K360 钢为高强耐磨钢，作为重要材料被广泛应用在矿山机械、工程机械上。高强度钢一般具有较高的碳当量，应力集中的敏感性高，焊接性能较差。采取新的控轧和特殊热处理，提高强度的同时，保持了较高的强度、耐磨性。ZG30MnSi 因具有较高的强度和耐磨性，被广泛应用在煤矿机械、矿山机械上。
为了研究K360 与ZG30MnSi 钢焊接性，本文对厚度为20mm 的K360、ZG30MnSi 钢板进行半自动气体保护焊接性试验。
K360 与ZG30MnSi 钢板化学成分及性能分别如表1 和表2 所示。
表1 钢板化学成分 w/%
表2 钢板的力学性能
试验选用大西洋焊材有限公司CHW-50C8（国标ER50-G）焊丝，焊丝直径为ø1.2mm，焊材强度与ZG30MnSi 钢板匹配，考虑到ZG30MnSi 钢板塑性差，因此选择低强匹配。焊材熔敷金属化学成分及力学性能分别如表3 和表4 所示。
表3 焊丝熔敷金属化学成分 w/%
表4 焊丝熔敷金属力学性能
3.1 经验公式计算法
根据国际焊接学会（IIW）给出的适用于中、高强度非调质低合金高强钢的碳当量CE 的计算公式：
除碳当量外，焊缝含氢量和接头拘束度都对冷裂倾向有很大影响。根据经验公式可求得焊接冷裂纹敏感指数Pc：
式中，δ 为板厚（mm）；
H 为焊缝中扩散氢含量（mL/100g）。
求得Pc 后，可粗略计算出防止冷裂所需要的最低预热温度T0（℃）：
结合钢板的化学成分、力学性能指标，根据公式（1）、（2）、（3）可粗略计算出钢板的碳当量、焊接冷裂纹敏感指数Pc、最低预热温度T0（℃）。根据碳当量可分析钢板焊接热影响区淬硬性及冷裂倾向。根据焊接冷裂纹敏感指数可分析最低预热温度。以上计算结果如表5 所示。
表5 CE、Pc、T0 计算结果
通过表5 可知，两种材料碳当量中等，钢材焊接冷裂倾向较显著，焊接性较差，焊前需要预热。K360 焊接所需最低预热温度约为11.2℃，ZG30MnSi 焊接所需最低预热温度约为227℃。
3.2 斜Y 坡口焊接裂纹试验
斜Y 坡口焊接裂纹试验（又称小铁研试验）是一种拘束程度较苛刻的冷裂纹试验方法，主要用于考核对接接头焊接热影响区的根部裂纹情况。试验按照GB4675.1《斜Y 型坡口焊接裂纹试验方法》进行，焊接条件见表6。分别进行常温、50℃、100℃预热三种条件下的焊接裂纹试验。试件焊后放置48h，进行根部、表面、断面裂纹检查，检查结果见表7 。可见20mm 厚K360 与ZG30MnSi 钢板常温下焊接，两组试件的根部、表面裂纹率为零，平均断面裂纹率为3.85%；
当预热温度为50℃、100℃时，根部、表面及断面裂纹率均为零。
表6 小铁研试验焊接条件
表7 小铁研试验结果
试验结果表明：20mm 厚K360 与ZG30MnSi钢在苛刻的拘束条件下焊接，为防止根部裂纹的产生，预热温度应不低于50℃。
由于焊接热输入量及焊道间温度变化将影响焊接热循环过程，由此将对焊接接头焊缝金属和热影响区的组织和力学性能带来影响。为了掌握焊接热输入量及焊道间温度变化对两种钢焊接接头力学性能的影响，为制订合理的焊接工艺提供依据，本试验采用CHW-50C8 焊丝、80%Ar+20%CO2气体保护焊进行了不同焊接热输入量及不同焊道间温度的对接接头焊接试验，分别对焊接接头焊缝金属拉伸性能及常温冲击韧性进行了测定。试板尺寸为30mm×150mm×300mm，坡口形式见图1。试验采用ø1.2mm 焊丝，不同焊接热输入量及不同焊道间温度焊接条件见表8 所示。焊接接头冲击试验和焊缝金属拉伸试验按照GB2650～2652 规定进行，其中焊缝金属冲击缺口开在焊缝中心，热影响区冲击缺口开在熔合线外1mm。
表8 焊接工艺参数
4.1 焊接热输入量对焊接接头力学性能的影响
不同热输入量焊接条件下，焊接接头焊缝金属拉伸及焊接接头冲击试验结果见表9。焊接热输入量变化对焊缝金属拉伸性能及焊接接头的冲击性能均有一定影响。随着热输入量增加，焊缝金属抗拉强度及屈服强度有一定程度降低，抗拉强度由0.832kJ/mm 时的682MPa 下降到1.81kJ/mm时的624MPa；
随着热输入量增加，焊接接头焊缝金属的冲击韧性有一定程度的降低，AKV（常温）由0.832kJ/mm 时的126J 下降到1.81kJ/mm 时的101J，焊接热影响区冲击功有所升高，由0.832kJ/mm 时的95J（ZG）、154J（NM）增大到1.81kJ/mm 时的114J（ZG）、170J（NM）。可见，采用CHW-50C8焊丝焊接K360 与ZG30MnSi 钢，焊接热输入量在（0.832～1.81）kJ/mm 范围内变化，K360 与ZG30MnSi钢焊接接头的焊缝金属的拉伸性能及焊接接头的常温冲击性能均能满足产品的设计要求。
表9 热输入量对焊接接头力学性能的影响
4.2 焊道间温度对焊接接头力学性能的影响
不同焊道间温度焊接条件下，K360 与ZG30MnSi 钢焊接接头焊缝金属拉伸及焊接接头常温冲击试验结果见表10。随着焊道间温度的提高，焊接接头焊缝金属的拉伸强度和屈服强度有一定程度的降低，焊缝金属的抗拉强度由100℃时的668MPa 下降到200℃时的628MPa；
焊道间温度变化对焊接接头冲击韧性影响不明显，焊道间温度在100～200℃范围内，焊接接头焊缝金属及热影响区的AKV（常温）均保持在160J 左右。试验结果表明，采用CHW-50C8 焊丝焊接K360 与ZG30MnSi 钢，焊道间温度在100～200℃范围内，焊接接头的拉伸及冲击性能均能满足产品的设计要求。
表10 焊道间温度对焊接接头力学性能的影响
（1）经验公式计算法结果表明，K360 与ZG30MnSi 两种材料碳当量中等，钢材焊接冷裂倾向较显著，焊接性较差，焊前需要预热。通过小铁研试验得知，20mm 厚K360 与ZG30MnSi 钢在苛刻的拘束条件下焊接，为防止焊接热影响区的淬硬及冷裂纹的产生，预热温度应不低于50℃。
（2）焊接热输入量在（0.832～1.81）kJ/mm 范围内变化，K360 与ZG30MnSi 钢焊接接头的焊缝金属的拉伸性能及焊接接头的常温冲击性能均能满足产品的设计要求。
（3）焊道间温度在100～200℃范围内，焊接接头的拉伸及冲击性能均能满足产品的设计要求。
焊接K360 与ZG30MnSi 钢工艺参数控制在：I=（260～300）A、U=（28～32）V、T（预热温度）=100～150℃、T（道间温度）=100～200℃范围内，能保证各项力学能指标达到理想值。
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