大型挖掘機鏟斗高錳鋼焊接工藝的研究

孔海旺，劉蘭平

（1.太原科技大學材料學院，山西 太原 030024；2.太鋼峨口鐵礦，山西 忻州 034207）

挖掘機是重要的工程機械之一，被廣泛用于建筑、化工、水利、礦山等領域，。挖掘機鏟齒材料為ZGMn13，安裝在斗輪式挖掘機鏟斗的前端，與物料的直接接觸極易造成鏟齒的磨損，是斗輪式挖掘機設備的主要消耗零件，如圖1所示。因此，在實際生產中，經常遇到高錳鋼磨損件的補焊、高錳鋼構件的焊接以及高錳鋼與結構鋼、耐磨鋼的焊接等問題。

1 高錳鋼的焊接性

金屬的焊接性是指被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數及結構型式條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度。焊接性包括兩個方面：一是工藝焊接性，主要指焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，尤其是出現各種裂紋的可能性。二是使用焊接性，主要指焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的力學性能及其他特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等）。衡量金屬焊接性的方法通常是碳當量估算法和抗裂紋敏感性試驗法。碳當量C愈高，金屬的可焊性愈差。

圖1 大型挖掘機露天工作

高錳鋼的焊接性是非常差的，曾一度被認為是不可焊材料。鑄態高錳鋼存在著網狀碳化物和鑄造應力。是不可焊的。高錳鋼必須在水韌處理后進行焊接。但水韌處理后的奧氏體鋼在重新加熱至250℃～800℃時，存在著碳化物析出的脆性溫度區間，尤其是在500℃-700℃較為突出。碳化物析出的形態有晶內彌散分布的細粒狀、粗粒狀，晶界連續、不連續或網狀。一般是受熱溫度越高，析出的速度越快。隨著受熱時間的延長，碳化物析出的數量也隨之增多。同時在焊接熱作用下會誘發形成應變ε-馬氏體，這些結果都會導致高錳鋼性能的惡化。單相奧氏體組織有較高的熱裂敏感性，在熱影響區容易誘發液化裂紋。因此焊接時要盡量減少熱輸入量，縮短焊后300℃～900℃高溫停留時間，采取對焊接接頭快速冷卻的措施。另外，高錳鋼在焊接時容易產生的熱裂紋包括焊縫裂紋和近縫區的液化裂紋，這是由于高錳鋼中含有磷、硫等有害元素，磷易以低溶共晶物存在于晶界，從而增加熱裂傾向，如Fe-Fe3P共晶的熔點為1050℃，Mn-Mn3P共晶的熔點為960℃，它們低于高錳鋼的熔點。硫含量雖然低，但仍有可能形成Fe-FeS等低熔共晶物。同時高錳鋼的線（膨）脹系數大，焊接后收縮量大，導熱系數小，溫度分布不均勻，所以焊接時會產生較大的焊接應力，給裂紋的產生提供了力學因素，促使了熱裂紋的形成。由此可見，高錳鋼的焊接性能是非常差的。因此，提高高錳鋼的質量和焊接性能，制訂合理的高錳鋼焊接工藝意義重大。

2 焊接工藝

2.1 鏟斗材料及其焊接性

大型挖掘機鏟斗主要部件的材料分別是斗前體與斗后體的材料為低合金高強度結構鋼（Q690），Q690鋼是國內仿制國外鋼材StE690，因此這兩種材料不但屬于同級別的材料，而且它們的性能也是大同小異。其化學成分見表1所示，力學性能如表2所示，其焊接性很好。

耐磨板材料為低合金高強度耐磨鋼（NM360），其化學成分見表3所示，其焊接性一般。

斗唇和斗齒的主要材料為高錳鋼（ZGMn13），化學成分見表4所示，焊接性較差。Ar+20%CO2混合氣體，藥芯焊絲氣體保護焊保護氣體采用CO2或80%Ar+20%CO2混合氣體。常用的焊接材料有：焊條 E8515-G（J857）、FOXEV853.2mm；實芯焊絲NiCrMo2.5-IG1.2mm 或 GHS-80B、GHQ801.6mm；藥芯焊絲Fluxofil421.4mm。幾種焊條、藥芯焊絲熔敷金屬及實芯焊絲的化學成分見表5，幾種焊接材料熔敷金屬力學性能見表6。

表1 低合金高強度結構鋼StE690的化學成分（質量分數，%）

表2 低合金高強度結構鋼StE690的力學性能

表3 耐磨鋼NM360的化學成分（質量分數，%）

表4 幾種高錳鋼的化學成分（質量分數，%）

1）低合金高強度結構鋼的焊接材料選擇和焊接性焊接。低合金高強度結構鋼常用的焊接方法主要有電弧焊、熔化極氣體保護焊，為了提高焊縫金屬的抗裂性，要求熔敷金屬具有較低的氫含量，所以焊條均采用堿性渣系的藥皮，為了減少合金元素的燒損，實芯焊絲氣體保護焊保護氣體采用80%

表5 幾種焊條、藥芯焊絲熔敷金屬及實芯焊絲的化學成分（質量分數，%）

表6 幾種焊接材料熔敷金屬力學性能

2）低合金高強度耐磨鋼NM360的焊接性

根據NM360高硬度耐磨鋼板進行的焊接最高硬度試驗，可知NM360的焊接性一般。

3）高錳鋼的焊接性

ZGMn13廣泛應用于拖拉機及坦克履帶、鐵路道岔、礦山破碎機額板、挖掘機鏟斗斗齒、球磨機襯板等承受強力沖擊磨損的機件，其共同特征是：承受壓力和沖擊力時，具有越用越硬、越強烈越硬、越硬越耐磨特點。高錳鋼的焊接性是非常差的，曾被認為是不可焊的材料。高錳鋼焊接時會產生較大的焊接應力，極易產生裂紋，其焊接必須在水韌處理后進行，因此對高錳鋼的焊接工藝有嚴格的要求。

2.2 斗前體與斗唇的焊接工藝

根據35m3挖掘機鏟斗磨損情況和幾何形狀，決定采用原鏟斗斗后體，廢棄原鏟斗斗前體（此工藝不涉及斗底板），采用進口新斗前體與原斗后體裝配、焊接，完成35m3挖掘機鏟斗鏟斗的焊接修復。在此主要介紹斗前體與斗唇的焊接工藝。即低合金高強度結構鋼StE690與高錳鋼ZGMn13的焊接。

1）焊前準備

（1）ZGMn13鋼焊前不預熱，StE690鋼焊前預熱溫度100℃，NM360焊前預熱溫度300℃，室溫26℃。

（2）把磨損的斗唇從鏟斗切掉，并把連接斗唇的面處磨去鐵銹處理好。

（3）用磁粉探傷方法檢查直至無裂紋為止。

（4）對鏟斗中高錳鋼有關部件進行硬度測試，測試結果如表7所示。

表7 硬度（HBS）測試結果

由表7可知，斗唇的硬度最高，前部鑄件的硬度最低。高錳鋼的硬度有3種，一是鑄態硬度，二是水韌處理后硬度，三是加工硬化層硬度。鑄態組織中有大量的碳化物和共析分解的珠光體組織，鋼的硬度較高。鑄態組織的硬度高低與鋼中碳含量及其他合金含量有關。比如，碳含量增加，組織中碳化物的數量就增多，使鋼的硬度增加。

（5）開坡口。用碳弧氣刨在斗唇焊接處開出單K型坡口，且打磨干凈。

2）焊接

（1）在烘干器中350℃將E308T1-1焊條保溫1.5h烘干。在堆焊過程中焊接焊速要小，其電流應偏大、，切保5%～6%熔合區的含鎳量（見圖2）。

堆焊是用焊接方法在鑄件表面上堆敷一層具有一定性能材料的工藝過程。

（2）焊接方法選擇藥芯焊絲CO2氣體保護焊，焊接設備為熔化極氣體保護焊焊機NBC-500。

（3）焊縫焊接規范參數為：

焊接位置：立向上焊。

a） 打底焊：I=150A～180A，U=22 V～26 V，氣體流量：10l/min～15 l/min。

b） 填充焊：I=220A～260A，U=25 V～30V，氣體流量：10l/min～15 l/min。

斗前體內部鋪耐磨板：I=220A～280A，U=25V～30V，氣體流量：10l/min～15 l/min。

焊接位置：立焊、橫焊、平角0焊等位置。

圖2 大型挖掘機斗前體與斗唇的焊接

（4）焊接線能量控制在22 kJ/cm以下。

（5）采用多層多道焊，焊接層間溫度控制在100℃～150℃。

（6）除打底層和蓋面層，其余焊道焊后用手錘錘擊，采用分段退焊法降低焊接殘余應力。

（7）如圖3所示，焊接時應加引弧板、收弧板。

圖3 低合金高強度結構鋼StE690與高錳鋼ZGMn13的焊接

（10）填充焊為一根焊條分3～4次焊完的斷續焊。采用D266（4mm）焊條，焊接電流為250A，在停焊時要及時水冷，使焊縫低50℃，防止碳化物析出，要錘擊工件消除應力的集中。為保證焊接的對稱性，在焊完兩層，則左右焊縫輪換焊接，使焊腳達到16 mm。

3）焊后處理

（1）對焊接區域表面進行磁粉探傷，并對焊接部位進行超聲波探傷；

（2）焊后采用角磨機清理鏟斗表面及焊接飛濺、熔渣；

（3）采用電腦控溫儀進行局部消應力熱處理，保溫溫度500℃，保溫時間4 h。

2.3 工藝結果

此工藝方法焊接斗前體與斗唇效率高、成本低、具有良好的焊接質量，有較好的實用價值。大型挖掘機鏟斗高錳鋼焊接成型圖如圖4所示。

3 結論

高錳鋼焊接時，容易出現焊接熱影響區析出碳化物問題和焊接熱裂紋問題，因此對高錳鋼進行焊接時，對焊接工藝有嚴格的要求。傳統上的電弧焊在焊接高錳鋼時，工藝上有下列特殊要求：

1）采用熱源集中，電流小的短電弧，直流反接；

圖4 大型挖掘機鏟斗高錳鋼焊接成型圖

2）采用多層、多道焊；

3）多選用奧氏體不銹鋼焊條，直徑宜小，且藥皮為堿性；

4）焊后迅速用水激冷和錘擊。

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