合金铸钢与高强度耐磨钢焊接工艺研究

2021-05-26曹成铭郝传海王书存尹楠楠

矿山机械 2021年5期

关键词：焊丝力学性能超声波

曹成铭，郝传海，王书存，乔飞，尹楠楠

1中国矿业大学机电工程学院江苏徐州 221116

2山东能源重装集团恒图科技有限公司山东泰安 271222

3北京戎鲁机械产品再制造技术有限公司北京 100070

4山东理工职业学院山东济宁 272067

合金铸钢为刮板输送机中部槽槽帮常用的一种耐磨材料，如 ZG30SiMn、ZG30SiMnMo，具有良好的强度和耐磨性能。宝钢、舞钢、山钢生产的高强度耐磨钢 NM360～NM50，日本新日铁公司生产的 JFE 系列钢，瑞典 SSab 钢铁公司生产的 Hardox 系列钢等，都具有良好的耐磨和耐冲击性，广泛应用于煤矿机械、工程机械等行业，如刮板输送机中部槽中板、底板等[1-2]。以上 2 种钢材由于机械性能优异，含碳量及合金元素较高，在焊接过程中均有冷裂纹倾向，属于难焊接材料[3-6]，同时，随着智能制造技术的快速发展，采用机器人焊接，通过制定合理的焊接工艺，控制裂纹倾向，以获取优异的焊接质量，成为研究的热点。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料分别采用 400 mm×150 mm×45 mm 的ZG30SiMnMo 和 NM450 钢板，K 型坡口为 30°，钝边为 3 mm。其中，ZG30SiMnMo 为调质态，NM450是为煤矿机械和工程机械专门开发的高强耐磨钢，钢板的化学成分实测值及力学性能实测值如表 1、2 所列。根据 2 种钢板的机械性能，采用低强匹配原则，选用强度为 700 MPa 级的 GHS-70 高强度钢实心焊丝。该焊丝韧性优良，抗冷、热裂性强，可满足焊接接头强度要求，同时也满足工艺性能要求。

表1 材料化学成分 (质量分数，%)

表2 材料力学性能

1.2 试验设备

采用双机器人焊接工作站进行焊接试验，焊接电源为林肯 PWR500，机器人采用新松 SR50C 型机械手。人工预热焊缝处至 120～150 ℃，利用测温枪实时监控温度，保证预热温度在要求范围内。

1.3 检测评估

试验后，用超声波探伤仪对焊缝进行探伤，合格标准为：缺陷不大于总长的 1/3，单个缺陷不得大于100 mm，当量缺陷不大于φ3。对焊缝进行取样，并按照 GB228、GB229 做拉伸及冲击试验，合格标准为：试样的抗拉强度应不低于 700 MPa，断裂位置处于焊缝及 ZG30SiMnMo 一侧，试样的常温冲击强度应不低于 50 J。

2 焊接工艺性分析

由表 1 可知，ZG30SiMnMo、NM450 均属于难焊接材料，可通过碳当量Ceq及冷裂纹敏感系数Pcm进行量化分析，计算公式如下：

计算出的 ZG30SiMnMo、NM450 的碳当量Ceq分别为 0.620%、0.479%，冷裂纹敏感系数Pcm分别为0.419%、0.367%，焊接时均有淬硬倾向。为防止或减少焊接裂纹，焊前需进行预热处理，焊后及时进行热处理以消除焊接应力。焊接过程中应尽量保持低氢条件，故采用混合气体保护焊方式。

3 焊接工艺

确定单丝打底焊接及双丝填充、盖面焊接工艺方式，焊接工艺参数如表 3 所列。首先将试板进行组对点固，保证组对间隙 1～2 mm，安装到工装夹具上；然后使用预热设备对组对好的试板进行预热，待温度均匀、稳定后再用红外线测温仪测温，达到指定温度后即可焊接；采用 2 台机器人进行焊接，保证 2 根焊丝的前后间距；焊后用石棉覆盖缓冷，打底焊接及填充、盖面焊接按照施工工艺进行，焊后成形如图 1 所示。已焊接完成的工件迅速进行焊后热处理，以 30～50 ℃/h 的速度温升至 480±10 ℃，保温 4 h 后出炉；退火后，用风铲修磨处理焊缝。