激光-MAG復(fù)合熱源焊焊接鋼裂紋敏感性研究

彭春濤

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏銀川 753011

1 序言

中部槽是刮板輸送機(jī)機(jī)身主體，是煤炭井下綜采工作面刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵批量部件，中部槽占刮板輸送機(jī)整機(jī)的80%。主要功能是載貨和刮板鏈的支撐機(jī)構(gòu)，同時(shí)還兼具采煤機(jī)的行走軌道和拉移液壓支架的功能。因此，中部槽性能的可靠性是進(jìn)行高效作業(yè)的根本保證，采用合適的制造工藝是實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)高可靠性的關(guān)鍵。中部槽由高強(qiáng)度耐磨鋼中板和中碳低合金Mn-Si鑄鋼材料制成的零件焊接而成。其焊接結(jié)構(gòu)特殊、材料碳當(dāng)量大、板材厚、焊接性差，冷裂傾向大，基于中部槽材料的特殊性，先進(jìn)的焊接方法與合理的焊接工藝是解決問題的入手點(diǎn)[1-3]。

2 基材的焊接性分析

2.1 基材的化學(xué)成分及力學(xué)性能

母材材質(zhì)分別為高強(qiáng)耐磨鋼中板和中碳低合金Mn-Si鑄鋼槽鋼，母材評定標(biāo)準(zhǔn)分別按照GB/T 24186—2009《工程機(jī)械用高強(qiáng)度耐磨鋼板》和JB/T 5000.6—2007 《重型機(jī)械通用技術(shù)條件》第6部分鑄鋼件進(jìn)行。母材化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。中板高強(qiáng)耐磨鋼的顯微組織為馬氏體+極少量貝氏體（見圖1），晶粒度約為6.5級。中碳低合金Mn-Si鑄鋼的顯微組織為回火索氏體，晶粒度約為6.0級。

表1 基材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 兩種基材的力學(xué)性能

圖1 母材的金相顯微組織

2.2 基材的焊接性能分析

鋼的焊接性能與其成分關(guān)系很大，尤其是碳含量。提高鋼中的碳含量是得到高強(qiáng)度的一種最有效辦法，但由于碳含量的增高將會導(dǎo)致焊接性能的降低。因此，通過對鋼的碳當(dāng)量估算，可以初步衡量低合金高強(qiáng)度鋼冷裂敏感性的高低，這對焊接工藝條件，如預(yù)熱、焊后熱處理、熱輸入等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。

碳當(dāng)量就是把鋼中包括碳在內(nèi)的對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當(dāng)含量。當(dāng)碳含量高時(shí)，焊接區(qū)容易產(chǎn)生裂紋，合金元素含量的增加也容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，因此可以用合金成分的“碳當(dāng)量”概念來表示焊接性能的好壞，常用的碳當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15，式中元素符號代表這些元素在鋼中的重量百分比。

由以上公式計(jì)算得： Ceq（NM400）=0.463%，Ceq（ZG30SiMn）=0.55%，當(dāng)Ceq＜0.4%時(shí)，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好；當(dāng)0.4% ＜Ceq ＜0.6%時(shí)，鋼材焊接冷裂傾向較顯著，焊接性較差，焊接時(shí)需要預(yù)熱鋼材和采取其他工藝措施來防止裂紋；當(dāng)Ceq＞0.6%時(shí)，鋼材焊接冷裂嚴(yán)重，焊接性能很差，基本上不適合焊接，或者只有在嚴(yán)格的工藝措施下和較高的預(yù)熱溫度下才能進(jìn)行焊接操作。通過計(jì)算，試驗(yàn)用材料碳當(dāng)量均在0.4%~0.6%之間，焊接性較差，冷裂紋傾向較為嚴(yán)重。因此，為防止冷裂紋的產(chǎn)生，必須嚴(yán)格控制焊接時(shí)的氫源及選擇合適的焊接方法及工藝參數(shù)。

高強(qiáng)度耐磨鋼屬于低碳合金鋼，它的合金元素成分復(fù)雜，強(qiáng)度級別高。但它的S、P含量控制在一個(gè)很低的水平，相對來說含錳量較高，Mn/S=385，由此判斷該鋼種焊接的熱裂紋傾向小，在此只重于冷裂傾向分析。Mn-Si鑄鋼由于含C、S、P雜質(zhì)高，Mn/S=57.8，焊縫中焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)受Mn、S的影響，液化裂紋敏感性較低，熱裂紋傾向較小，因此，這兩種鋼焊接所面臨解決的問題：一是防止冷裂紋，二是保證滿足高強(qiáng)度要求的同時(shí)，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的沖擊韌度。

3 直Y形裂紋敏感性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

激光-MAG復(fù)合焊接系統(tǒng)包括6kW光纖激光器，光纖直徑0.3mm，福尼斯TPS4000型焊機(jī)，平面工作臺及自制行走機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

3.2 試驗(yàn)方法

圖2 激光-MAG復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)

評定材料的冷裂紋敏感性，常用的方法有斜Y形坡口拘束裂紋試驗(yàn)、直Y形坡口拘束裂紋試驗(yàn)、剛性拘束試驗(yàn)以及插銷試驗(yàn)等，而對于激光-電弧復(fù)合焊接方法，由于激光熔深與弧焊熔深比較大，斜Y形坡口試驗(yàn)尖角位置尖，不利于激光-復(fù)合焊接方法，而插銷試驗(yàn)需要有專門的試驗(yàn)裝置，現(xiàn)場操作困難，因此，本試驗(yàn)在考察冷裂紋敏感性方面，采用直Y形坡口拘束裂紋試驗(yàn)來評定材料的焊接冷裂紋傾向。由于受復(fù)合熱源焊接工藝特點(diǎn)的影響，在實(shí)際復(fù)合焊接過程中接頭對接間隙一般不超過1mm。直Y形坡口拘束裂紋鐵研試件的形狀和尺寸的設(shè)計(jì)參考GB 4675.1—1984焊接性試驗(yàn)《斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，如圖3所示。試驗(yàn)先按照圖3組裝試板，然后焊接拘束焊縫，拘束焊縫采用雙面焊接，并且在焊接過程中要求不產(chǎn)生角變形和未焊透等影響焊接質(zhì)量的缺陷，試驗(yàn)焊縫冷卻并靜置48h后，并計(jì)算相應(yīng)的裂紋率。試驗(yàn)所用焊接參數(shù)，見表3 、表4。

圖3 直Y形坡口裂紋試件尺寸

表3 試驗(yàn)焊接參數(shù)

表4 直Y形坡口裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分別選用ER69-G、ER50-G焊絲，選用表3、表4焊接參數(shù)，采用激光-MAG復(fù)合熱源對高強(qiáng)度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼異種鋼進(jìn)行直Y形鐵研焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)預(yù)熱溫度較低時(shí)，焊縫中心位置存在一條從上至下貫穿整條焊縫的裂紋，且此裂紋為穿晶斷裂，屬于典型的冷裂紋；經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果可知，對于選用ER69-G級別焊絲，預(yù)熱溫度應(yīng)≥120℃，同樣選用ER50-6級別焊絲，預(yù)熱溫度應(yīng)≥100℃。

4 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果證明，對于高強(qiáng)度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼采用激光-MAG復(fù)合熱源焊焊接時(shí)，選取合適的激光功率、焊接材料及焊接參數(shù)，可有效避免裂紋的出現(xiàn)。

1）當(dāng)焊絲選用ER69-G，激光功率選用3500W，預(yù)熱溫度120℃，焊接電流控制在280~220A，電壓控制在18～20V時(shí)，可有效避免焊接裂紋的出現(xiàn)。

2）焊絲選用ER59-G，激光功率選用3500W，預(yù)熱溫度130℃，焊接電流控制在280～220A，電壓控制在18～20V時(shí)，可有效避免焊接裂紋的出現(xiàn)。