合金鑄鋼與高強度耐磨鋼焊接工藝研究

曹成銘，郝傳海，王書存，喬 飛，尹楠楠

1中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

2山東能源重裝集團(tuán)恒圖科技有限公司 山東泰安 271222

3北京戎魯機械產(chǎn)品再制造技術(shù)有限公司 北京 100070

4山東理工職業(yè)學(xué)院 山東濟(jì)寧 272067

合金鑄鋼為刮板輸送機中部槽槽幫常用的一種耐磨材料，如 ZG30SiMn、ZG30SiMnMo，具有良好的強度和耐磨性能。寶鋼、舞鋼、山鋼生產(chǎn)的高強度耐磨鋼 NM360～NM50，日本新日鐵公司生產(chǎn)的 JFE 系列鋼，瑞典 SSab 鋼鐵公司生產(chǎn)的 Hardox 系列鋼等，都具有良好的耐磨和耐沖擊性，廣泛應(yīng)用于煤礦機械、工程機械等行業(yè)，如刮板輸送機中部槽中板、底板等[1-2]。以上 2 種鋼材由于機械性能優(yōu)異，含碳量及合金元素較高，在焊接過程中均有冷裂紋傾向，屬于難焊接材料[3-6]，同時，隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，采用機器人焊接，通過制定合理的焊接工藝，控制裂紋傾向，以獲取優(yōu)異的焊接質(zhì)量，成為研究的熱點。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料分別采用 400 mm×150 mm×45 mm 的ZG30SiMnMo 和 NM450 鋼板，K 型坡口為 30°，鈍邊為 3 mm。其中，ZG30SiMnMo 為調(diào)質(zhì)態(tài)，NM450是為煤礦機械和工程機械專門開發(fā)的高強耐磨鋼，鋼板的化學(xué)成分實測值及力學(xué)性能實測值如表 1、2 所列。根據(jù) 2 種鋼板的機械性能，采用低強匹配原則，選用強度為 700 MPa 級的 GHS-70 高強度鋼實心焊絲。該焊絲韌性優(yōu)良，抗冷、熱裂性強，可滿足焊接接頭強度要求，同時也滿足工藝性能要求。

表1 材料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 材料力學(xué)性能

1.2 試驗設(shè)備

采用雙機器人焊接工作站進(jìn)行焊接試驗，焊接電源為林肯 PWR500，機器人采用新松 SR50C 型機械手。人工預(yù)熱焊縫處至 120～150 ℃，利用測溫槍實時監(jiān)控溫度，保證預(yù)熱溫度在要求范圍內(nèi)。

1.3 檢測評估

試驗后，用超聲波探傷儀對焊縫進(jìn)行探傷，合格標(biāo)準(zhǔn)為：缺陷不大于總長的 1/3，單個缺陷不得大于100 mm，當(dāng)量缺陷不大于φ3。對焊縫進(jìn)行取樣，并按照 GB228、GB229 做拉伸及沖擊試驗，合格標(biāo)準(zhǔn)為：試樣的抗拉強度應(yīng)不低于 700 MPa，斷裂位置處于焊縫及 ZG30SiMnMo 一側(cè)，試樣的常溫沖擊強度應(yīng)不低于 50 J。

2 焊接工藝性分析

由表 1 可知，ZG30SiMnMo、NM450 均屬于難焊接材料，可通過碳當(dāng)量Ceq及冷裂紋敏感系數(shù)Pcm進(jìn)行量化分析，計算公式如下：

計算出的 ZG30SiMnMo、NM450 的碳當(dāng)量Ceq分別為 0.620%、0.479%，冷裂紋敏感系數(shù)Pcm分別為0.419%、0.367%，焊接時均有淬硬傾向。為防止或減少焊接裂紋，焊前需進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后及時進(jìn)行熱處理以消除焊接應(yīng)力。焊接過程中應(yīng)盡量保持低氫條件，故采用混合氣體保護(hù)焊方式。

3 焊接工藝

確定單絲打底焊接及雙絲填充、蓋面焊接工藝方式，焊接工藝參數(shù)如表 3 所列。首先將試板進(jìn)行組對點固，保證組對間隙 1～2 mm，安裝到工裝夾具上；然后使用預(yù)熱設(shè)備對組對好的試板進(jìn)行預(yù)熱，待溫度均勻、穩(wěn)定后再用紅外線測溫儀測溫，達(dá)到指定溫度后即可焊接；采用 2 臺機器人進(jìn)行焊接，保證 2 根焊絲的前后間距；焊后用石棉覆蓋緩冷，打底焊接及填充、蓋面焊接按照施工工藝進(jìn)行，焊后成形如圖 1 所示。已焊接完成的工件迅速進(jìn)行焊后熱處理，以 30～50 ℃/h 的速度溫升至 480±10 ℃，保溫 4 h 后出爐；退火后，用風(fēng)鏟修磨處理焊縫。

表3 焊接工藝參數(shù)

4 結(jié)果分析

焊接試件力學(xué)性能試驗結(jié)果如表 4 所列，按照上述要求焊接的焊縫均符合要求。采用 PXUT-320 型超聲波探傷儀按照 GB/T 11345 對焊縫進(jìn)行超聲波探傷，6 個試件全部合格。

圖1 打底焊及滿焊完成后的焊縫

表4 焊接試件力學(xué)性能試驗結(jié)果

5 結(jié)語

選用 GHS-70 實芯焊絲，利用雙機器人焊接工作站對 NM450 和 ZG30SiMnMo 板材進(jìn)行焊接工藝研究，經(jīng)過超聲波探傷及力學(xué)性能測試，證明焊縫符合要求。目前，該工藝已在大型刮板輸送機中部槽焊接中推廣應(yīng)用。