16Mo3堆焊工藝研究

李宏 富強

1. 概述

推焦車上最大的機械部件就是推焦桿，一般國內大中型的焦爐車輛大多是由我們集團的大連重工起重公司設計制造，推焦桿的鋼種也選擇比較特殊能夠耐高溫的材料。

本文主要以我公司設計制造的7.63m推焦桿為例，介紹推焦桿-滑履部件中，如何在耐高溫材料16Mo3上，堆焊出耐磨層硬度要求為58~60HRC的堆焊工藝。

2. 原材料及焊接性分析

（1）材料 根據圖樣要求，堆焊層基礎底板采用厚度為1 00 mm的1 6Mo3材料，供貨狀態為正火探傷板，探傷標準符合SEL072之2級進行100%UT合格，其化學成分及力學性能如表1、表2所示。

（2）焊接性分析 冷裂紋：16Mo3屬于鉬珠光體耐熱鋼，主要合金元素Mo、Mn、Cr、Ni等都為熔點高、自擴散激活能力大的元素，都能提高鋼的淬硬性，其作用機理是延遲了鋼在冷卻過程中的轉變，降低臨界冷卻速度，提高過冷奧氏體的穩定性，使得淬硬性傾向增大。堆焊過程中，當冷卻速度快時，在氫的作用下就會導致冷裂紋。

再熱裂紋：16Mo3對再熱裂紋敏感，在500~700℃的敏感溫度區間內，容易產生再熱裂紋，它的形成與元素含量、焊接參數、拘束應力以及焊后熱處理參數有關。例如再熱裂紋傾向較高的熱強鋼，當采用高的熱輸入焊接方法焊接時，即使焊后未做熱處理，在高拘束應力的作用下焊縫層間或堆焊層下過熱區也會產生再熱裂紋。

熔合區脆變強度降低：堆焊層與基體之間的熔合區類似于異種鋼焊接，其化學成分介于基體和堆焊層之間，性能也不同于基體。當熱強鋼及堆焊層在370~560℃溫度區間長期工作時，沿熔合線會出現碳遷移現象，導致高溫持久強度降低，有時在熔合區也會出現延性很低的脆性層，在沖擊載荷的作用下，容易出現堆焊層剝離。

綜上所述，16Mo3材料在堆焊前，表面磁粉探傷；堆焊時需要預熱、控制層間溫度，制定嚴格的堆焊工藝，避免冷裂紋、再熱裂紋的產生。

表1 化學成分熔煉分析（質量分數） （%）

表2 力學性能（以100mm為例，適用于橫向試樣）

3. 堆焊層硬度及材料要求

（1）硬度要求 圖樣要求堆焊層硬度58~60HRC。由于此堆焊層硬度、抗磨損能力要求較高，但脆性也較大，所以焊接參數的設置需仔細。

（2）堆焊材料依據DI N8555-碳鋼、合金鋼堆焊材料標準，選擇合金成分或強度級別較高的焊接材料，相近尤其是高溫性能優于母材，可以防止再熱裂紋產生；還需要考慮堆焊材料與基體熱膨脹系數的差異，避免在焊接和熱處理過程中產生裂紋。綜合考慮焊接性與經濟性，可以選擇Fluvofil58堆焊焊絲，或者GFC－103 CO2氣體保護耐磨堆焊藥芯焊絲，都可以滿足硬度要求。

4. 堆焊焊接工藝的制定

（1）焊評 制備同材質16Mo3試板，調節參數進行堆焊，焊后取樣兩處（見附圖），磨平做硬度試驗檢測，經檢測滿足性能要求后（見表3），出具合格的焊接工藝評定報告WPQR，以及編制焊接工藝指導書WPS指導生產。

（2）堆焊前準備 對于滑履結構焊后退火消應力、溫度退火和保溫時間根據公式計算，選擇退火消應力溫度580~620℃，保溫2h；退火后對待堆焊層基體噴砂，加工至要求厚度和表面粗糙度后，清除表面水、銹、油漬等雜質，準備堆焊。

（3）堆焊前預熱及層溫控制 預熱是有效防止此類鋼種出現冷裂紋和熱裂紋的手段之一。預熱可以減緩冷卻速度，適當延長t8/5冷卻時間，減少出現淬火組織的幾率；同時有利于氫的逸出。預熱溫度應根據材料的化學成分、焊縫金屬內的擴散氫含量等因素來確定。根據ISO17671－2標準，選擇預熱溫度120~150℃，層間溫度≤150℃，堆焊后采用陶瓷纖維棉覆蓋，保溫緩冷。

（4）焊接過程控制 按照焊接工藝規程，嚴格控制參數進行堆焊。由于堆焊層硬度高，焊后磨平表面有難度，故焊后不做加工磨削處理，需要在過程中嚴格控制焊縫成形。為了保證焊接質量，減小母材對熔敷金屬的稀釋，以及堆焊層本身厚度10mm要求，故分三層堆焊，第一層與第三層要沿長度方向堆焊，但焊接方向相反，第二層必須與第一層堆焊方向垂直。

（5）焊后檢測 通過對堆焊層進行無損探傷及硬度檢測，符合圖樣質量要求。

堆焊厚度要求及取樣位置

表3 堆焊層焊縫金屬硬度值（HRC）

表4 堆焊層焊接參數

5. 結語

通過對鉬珠光體耐熱鋼16Mo3 上堆焊出高硬度要求（58~60HRC）的耐磨層的堆焊工藝研究，制定了合理的焊接參數、預熱溫度、層間溫度以及后熱措施，避免堆焊層及母材出現冷裂紋及再熱裂紋等焊接缺陷，滿足了圖樣焊接質量要求，為同類型材料及硬度要求的堆焊工藝制定提供了參考價值。

[1] 歐洲標準化委員會.EN10028－2 壓力容器用鋼扁平產品—第二部分：規定高溫性能的非合金和合金鋼[S].2003.

[2] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2009.