NM360钢与ZG30SiMn异种钢焊接工艺研究

彭春涛

宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏石嘴山 753001

1 序言

NM360钢与ZG30SiMn是普遍用于刮板输送机中部槽上的低碳合金钢。NM360与ZG30SiMn异种钢焊接接头为主要受力部位。在井工煤矿采煤工作面上的刮板输送机中部槽，除物料运输外还与液压支架及滚筒采煤机配套使用，兼做液压支架的支点和采煤机的运行轨道，运煤过程中不仅要承受拉、压、弯曲、冲击摩擦和腐蚀等多种作用，在垂直方向还要承受采煤机和液压支架的重压及滚筒切割煤层时的冲击和液压支架的推移力，工作条件恶劣，因此必须有足够的强度、刚度、耐磨性和耐蚀性，对焊接接头质量要求较高。因此，焊接质量的优劣，直接决定着中部槽的使用寿命。

2 基材化学成分分析

NM360是一种低合金钢，通常其供货状态为调质态[1]。ZG30SiMn是一种低合金铸钢，供货状态也为调质态。试验分别对两种基材的化学成分进行检测。清理干净两种基材表面的氧化层及油污等杂质，在表面钻取化学成分分析试样，两种基材化学成分分析结果见表1。

表1 两种基材化学成分分析结果（质量分数） （%）

按照国际焊接学会（IIW）推荐的适用于调质钢的碳当量（CeJIS）公式和冷裂敏感指数（Pcm）公式，两种钢的碳当量及冷裂敏感指数计算结果见表2。由表2可见，两种基材的碳当量均＞0.45%，冷裂敏感指数均＞0.25%，两种材料的冷裂敏感性较大。如果选择的焊接工艺不当，焊接接头很可能产生焊接冷裂纹。为此，本试验采用斜Y形坡口焊接，对两种基材的焊接冷裂敏感性进行研究，为合理确定焊接工艺提供依据。

表2 两种基材碳当量和冷裂敏感指数

3 基材力学性能复验

钢板的力学性能试验取样位置及试样制备按照GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》规定进行，取样位置在1/4板厚处。拉伸性能试验按GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行，拉伸试件尺寸如图1所示，试样长度方向垂直轧制方向；室温冲击性能按GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行，沿轧制方向取样；硬度试验按GB/T 231.1—2018《属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》进行。基材力学性能及硬度检测结果见表3。

图1 拉伸试样

表3 基材力学性能及硬度检测结果

4 工艺试验

试验设备使用瑞典伊萨全数字脉冲/逆变焊机MIG 4004i（见图2）。

图2 试验用焊接设备

（1）插销冷裂敏感性试验 插销冷裂敏感性试验使用HCL-3MC微机自动控制五头插销试验机，依据GB/T 32260.3—2015《金属材料焊缝的破坏性试验 焊件的冷裂纹试验 弧焊方法 第3部分：外载荷试验》采用断裂准则进行评定。基材插销试件均取自厚度45mm钢板1/4板厚处，试件的长度方向垂直于钢板的轧制方向，试件直径为6mm，螺旋缺口深度0.5mm，插销试件尺寸如图3所示；插销底板厚45mm，材质与插销试件相一致；焊接材料采用70kg级气体保护焊丝HS-70和80kg级气体保护焊丝HS-80[1]，两种焊丝熔敷金属屈服强度及扩散氢含量见表4，焊接参数见表5。

图3 插销试件尺寸

表4 焊丝熔敷金属屈服强度及扩散氢含量

表5 焊接参数

（2）插销冷裂敏感性试验结果 NM360钢不同预热温度及加载条件下插销试验结果见表6。由表6可知，在75℃预热条件下，采用实芯焊丝HS-70和HS-80进行富氩混合气体保护焊，插销加载到NM360钢的实际屈服强度为683MPa，保持载荷24h均未发生断裂。

表6 NM360钢插销试验结果

ZG30SiMn插销试验结果见表7。由表7可知，在150℃预热条件下，采用实芯焊丝HS-70，插销加载到ZG30SiMn的实际屈服强度为651MPa，保持载荷24h未发生断裂；采用实芯焊丝HS-80，在200℃预热条件下，插销加载到ZG30SiMn的实际屈服强度为651MPa，保持载荷24h未发生断裂。

表7 ZG30SiMn插销试验结果

插销试验结果表明，基材均对氢致裂纹敏感，焊前需进行预热来提高基材的抗氢致裂纹能力。基材依据插销试验确定的防止冷裂纹的预热温度见表8。由表8可知，在中等拘束条件下、采用富氩混合气体保护焊，为防止产生焊接冷裂纹，NM360钢需预热75℃以上[2]；ZG30SiMn采用实芯焊丝HS-70, 需预热150℃以上，而采用实芯焊丝HS-80，需将预热温度提高到200℃以上。在中部槽的实际焊接生产中，应注意选择低氢的焊接材料及焊接方法，严格控制焊接材料中的扩散氢含量，焊后建议立即进行消氢处理。由于中部槽采用异种钢焊接，所以消氢处理温度应低于两种基材进行调质处理时较低的回火温度[3]。

表8 基材依据插销试验确定的防止冷裂纹的预热温度

（3）斜Y形坡口焊接裂纹试验 斜Y形坡口焊接裂纹试验（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，它主要是考核焊接热影响区根部裂纹情况。试验按照CB/T 4364—2013规定执行，试件焊后放置48h后进行表面、断面裂纹检查。试验焊接参数见表5。斜Y形坡口焊接裂纹试验组合方式及结果见表9。

由表9可知，两种基材均有较强的冷裂敏感性。在较苛刻拘束条件下（如定位焊、打底焊），采用富氩混合气体保护焊，为防止根部裂纹产生，NM360钢焊接采用焊丝HS-70或焊丝HS-80，最低预热温度为100℃，ZG30SiMn采用实芯焊丝HS-70或焊丝HS-80，最低预热温度为250℃。

表9 斜Y形坡口焊接裂纹试验组合方式及结果

由此可见，NM360钢抗冷裂能力大于ZG30SiMn，即耐磨板的抗冷裂能力优于铸钢件。在铸钢与耐磨板异种钢实际焊接生产中，应优先考虑铸钢的焊接工艺，工件的预热温度应根据铸钢件的铸造质量确定，高于铸钢的最低预热温度。

（4）接头综合性能试验 结合斜Y形坡口焊接裂纹试验结果、插销试验结果及中部槽实际工件的焊接情况，对NM360与ZG30SiMn异种钢对接接头按照GB/T 2650～2656—2008规定，分别对接头的拉伸性能、弯曲性能、冲击性能及焊缝金属力学性能进行试验。焊接接头综合力学性能试验焊接参数见表10，焊丝选用HS-70，试验结果见表11，焊接接头宏观金相、侧弯形貌、板状拉伸形貌及拉伸断口形貌如图4～图7所示。

图4 焊接接头宏观金相（1.5×）

图7 焊接接头拉伸断口形貌

表10 焊接接头综合力学性能试验焊接参数

表11 焊接接头综合力学性能试验结果

图5 焊接接头侧弯形貌

图6 焊接接头板状拉伸形貌

由以上试验结果可见，焊接接头熔合情况良好，焊缝无未焊透、气孔、夹杂等肉眼可见的宏观缺陷；接头铸钢侧母材上有较多肉眼可见的气孔、夹杂及砂眼等缺陷。接头板状拉伸试件抗拉强度分别为754MPa、723MPa，均断在ZG30SiMn侧母材位置，拉伸试件断口可见明显的砂眼、夹杂等缺陷；焊接接头侧弯试件2件均不合格，在铸钢侧母材开裂，裂口可见夹杂、砂眼等缺陷；接头各部位室温冲击性能及焊缝金属拉伸性能优良。

5 结束语

1）根据以上试验研究结果，为了防止焊接冷裂纹的产生，确保焊接接头力学性能优良，结合工厂实际及相关标准规范规定，对于NM360与ZG30SiMn异种钢焊接推荐采用以下焊接工艺可获得良好的焊接接头：焊丝选择为HS-70或HS-80，焊丝干伸长为16～19mm；保护气为80%Ar+20%CO2，气体流量为18～20L/min；焊前预热温度为150℃，定位焊预热温度为250℃；打底定位焊时，焊接电流为220～240A，电弧电压为24～26V，焊接速度为330～400mm/min；填充及盖面焊时，焊接电流为270～290A，电弧电压为28～31V，焊接速度为330～450mm/min；焊道间温度为150～

200℃。

2）在焊接过程中，应严格控制工件预热温度及层间温度，改善坡口角度，采用较小的热输入及多层多道焊的工艺原则，保证每道焊缝宽度，就可以有效控制NM360和ZG30SiMn异种钢焊接接头热影响区产生粗大组织。

3）在实际生产中，为使焊缝中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区中的氢含量，防止冷裂纹的产生，建议焊接完成后进行150～200℃、保温1.5h的去应力回火。