强韧N-1耐磨钢高强缆式焊接工艺研究

董曼淑 刘龙 白凯 乔燕芳

摘要：为了确定合作研发的强韧N-1耐磨钢采用新型高强缆式焊丝的焊接工艺性。进行了斜Y形坡口焊接抗裂性实验、焊接接头实验等研究，通过对冷裂试件剖面分析，对焊接接头力学性能检测、金相组织及断口形貌分析等，证明强韧N-1耐磨钢在新型高强缆式焊接时具有较好的可焊性，焊接接头具有强韧性配合。

Abstract： In order to determine the welding processability of the co-developed tough N-1 wear-resistant steel welded by a new high-strength cable wire， we carried out researches on the welding crack resistance test  of the oblique Y-shaped groove and welded joint experiment. Through the analysis of the cold cracked specimen， including the mechanical properties of the welded joint， the metallographic structure and the fracture morphology， we proved the N-1 Wear-resistant steel has good weldability and the welded joint has a strong and tough fit by using the new high-strength cable wire.

关键词：强韧;耐磨钢;高强缆式焊丝;可焊性

Key words： strong and tough;wear resistant steel;high strength cable wire;weldability

中图分类号：TG442                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0123-04

0  引言

在矿山机械、船舶、桥梁及工程等领域，广泛使用各种耐磨材料，耐磨材料在使用过程中往往要通过焊接加工形成零部件，因此要求材料具有较好的可焊性能[1]。国外耐磨材料采用低碳低合金化来保证较好的焊接性能。近几年根据矿井对产品的高耐磨高强度要求公司采用了国内新开发的新型材料BTW自强化耐磨板，配套的焊接材料为成本较高的不锈钢焊丝，焊接过程中还需严格控制焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热温度及层间温度等工艺参数，才能保证焊接变形和质量，不仅生产效率低，加工制造成本高，而且一定程度上限制公司广泛推广应用的速度。因此2019年合作研发了强韧中锰N-1耐磨钢，在低碳量的基础上加入了较多的合金元素。

本研究目的是对新开发的强韧N-1耐磨钢采用新型高强缆式焊丝[2]的焊接工艺性进行研究，使其工艺性简化，可焊性强，提高生产效率，降低成本。

1  N-1耐磨钢母材性能要求

N-1耐磨钢化学成分要求见表1，机械性能及硬度要求见表2。

2  N-1耐磨钢焊接工艺性研究

2.1 斜Y坡口焊接裂纹实验研究

进行斜Y形坡口焊接抗裂性实验，采用新型高强缆式焊丝及80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊焊接方法，对强韧N-1耐磨钢分别进行125℃±5℃、140℃±5℃、155℃±5℃、170℃±5℃不同温度的冷裂纹敏感性[3]实验。按照相关标准进行。焊接规范及平均裂纹率，如表3。

实验小结：N-1耐磨钢斜Y形坡口焊接抗裂性实验在126℃断面裂纹率45%、139℃断面裂纹率25%、在151℃、168℃表面无裂纹，断面未发现裂纹缺陷。

2.2 焊接接头实验研究

2.2.1 焊接接头强度设计

就焊缝金属而言，强度越高，可达到的韧性水平越低，甚至低于母材的韧性水平。对于抗拉强度大于900MPa的高强耐磨钢，如要求焊缝金属与母材等强，则焊缝的韧性储备不够;若为超强的情况，韧性储备更低，甚至可能低到安全限以下。此时，少许牺牲焊缝强度而使韧性储备提高，可对焊接接头性能及安全可靠性有利。因此，本实验焊接接头强度设计要求达到耐磨板的70%以上，即焊接接头强度630N/mm2以上。

2.2.2 焊接接头实验过程

依据斜Y形坡口焊接抗裂性[4]实验研究结果，采用高强缆式焊丝、150～175℃预热温度和焊接电流240A进行打底焊接[5];采取80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊焊接方法，焊接对接坡口为X形[6]，焊接工艺参数见表4。

2.3 接头性能分析

2.3.1 焊接接头的探伤

使用CUD-2080超声波探伤仪进行探伤，经过超声波对焊缝100%检查，未发现明显的缺陷[7]，符合JB4730-2005Ⅰ级标准。

2.3.2 焊接接头的金相組织

焊接接头的金相组织照片。可看出，焊缝组织为块状或针状铁素体组织加少量珠光体组织（图1a）;熔合区域（图1b）有比较明显的组织变化，形成交接面，焊缝一边（靠右边）为焊缝金属组织，另一边（左边）主要为热影响区组织（图1c），观察熔合线结合情况良好，没有发现裂纹;热影响区组织分布比较均匀，为细化的板条贝氏体与一定的板条马氏体组织（图1c）。组织的变化主是由于焊接过程中，焊缝周围金属受焊缝金属的影响，受热温度高，然后空冷，经历正火处理，受基体金属的影响，冷却速度较快，冷却过程中产生部分马氏体。N-1耐磨钢基体主要为板条贝氏体组织（图1d）。

2.3.3 焊接接头的力学性能

试件焊后自然冷却，48小时后外观检查无缺陷，然后遵照国标GB/T8110—1995的相关规定制作拉伸和冲击试样，力学性能检测结果见表5。

从表5可见，屈服强度均大于490MPa，抗拉强度均超过630MPa，延伸率均大于10%，且焊接接头各区域的0℃冲击吸收功均不小于35J的要求。因此，N-1耐磨钢焊接接头具有较好的强韧性配合。

2.3.4 热影响区冲击断口形貌

焊接热影响区断口[8]的典型形貌（图2）。可见热影响区的断口形貌为韧窝和准解理特征。因此，热影响区的断裂机理为韧窝与准解理机制。

3  强韧N-1耐磨钢t8/5热模实验研究

3.1 实验方法

采用Gleeble23500热模拟实验机[9]测定CCT曲线， 材料为N-1耐磨钢。试样为直径6mm，长80mm的圆柱。将试样以220℃/s的速度加热到1280℃，保温1s，以70℃/s冷却到870℃，然后分别以0.2℃/s、1℃/s、10℃/s、20℃/s、30℃/s、50℃/s的冷却速度进行冷却。

在实验中采集试样在加热和冷却过程中的加热温度和膨胀量。采用试样直径膨胀量变化速率法确定组织转变温度点。对不同冷却速率试样的中心剖面进行显微组织观察与硬度实验。

3.2 在不同t8/5下的组织转变温度

图3为不同冷却速率下的直径膨胀量变化速率-温度曲线。由图可得出t8/5下的组织转变温度[10]，见表6。

3.3 不同t8/5条件下试样的组织

图4是不同t8/5下试样的金相组织（实际上是焊接热影响区粗晶区的组织）。

当t8/5=1500s 时，试样冷却速度慢，在晶界会共析出铁素体组织，其组织为F+B组织。

当t8/5≤300s时，由于试样冷却速度[11]较快，得到的组织主要是B+M的混合组织。t8/5=300s时，马氏体的含量较少;但随着t8/5的减小，冷却速度的增加，马氏体含量增多;当t8/5=6s时，主要为马氏体组织。

3.4 不同t8/5条件下试样的硬度

表7为不同t8/5下的试样的硬度。可以看出，当冷却速度大于10℃/s， t8/5小于30s时，硬度大于HB355，满足满足N-1耐磨钢要求。

综上所述，t8/5对过冷奥氏体转变组织影响的热模拟实验研究表明，从t8/5与最终所得组织及硬度之间的关系看，当t8/5控制在10～30s之间时，硬度满足N-1耐磨钢，组织主要为贝氏体组织。因此，在具体焊接过程中，t8/5最好控制在的冷却速度10～30s之间，即冷却速度控制在10～30℃/s 范围。

4  现场验证

现场选用槽宽1400mm的重型中部槽产品进行验证，中板为强韧N-1耐磨钢，槽帮为ZG30SiMn普通铸件，焊接方法为富氩混合气体保护焊接方法，焊丝为ER69-G（Ф2.4）新型缆式焊丝，焊接设备为双枪直焊缝专机，具体焊接工艺参数见表8。图5为N-1耐磨钢中部槽实物焊接情况。焊后放入整体预热炉中缓冷，最终经探伤中部槽中板焊缝未发现任何焊接缺陷。并进行了工业性试验，焊接质量能保证矿井使用要求。

5  结论

①通過超声波探伤表明，当预热温度为150～175℃范围，耐磨钢具有较好的可焊性。

②焊缝接头显微组织的演变规律基本相同。焊缝组织为块状或针状铁素体组织。焊缝与耐磨钢基体形成的熔合区结合良好，没有发现裂纹;熔合区域组织具有过渡性。热影响区组织分布比较均匀，晶粒比较细小，主要为细化的板条贝氏体与马氏体组织。

③焊接热影响区的断口形貌典型特征为韧窝和准解理特征，其断裂机理为韧窝与准解理机制。

④通过热模拟实验表明，t8/5最好控制在冷却速度控制在10～30℃/s范围，可使焊接热影响区的硬度满足N-1耐磨钢要求。

⑤焊接焊缝的抗拉强度均值为693.87MPa，大于焊接接头设计要求630MPa;延伸率均值为10.63%大于10%，0℃冲击吸收功均值为38.67J大于35J，说明采用高强缆式焊丝焊接的N-1耐磨钢焊接接头具有较好的强韧性能。

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作者简介：董曼淑（1976-），女，宁夏固原人，本科，高工，国际焊接工程师，主要从事煤炭制造行业低合金钢焊接技术研究工作。