NM360鋼與ZG30SiMn異種鋼焊接工藝研究

彭春濤

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

NM360鋼與ZG30SiMn是普遍用于刮板輸送機中部槽上的低碳合金鋼。NM360與ZG30SiMn異種鋼焊接接頭為主要受力部位。在井工煤礦采煤工作面上的刮板輸送機中部槽，除物料運輸外還與液壓支架及滾筒采煤機配套使用，兼做液壓支架的支點和采煤機的運行軌道，運煤過程中不僅要承受拉、壓、彎曲、沖擊摩擦和腐蝕等多種作用，在垂直方向還要承受采煤機和液壓支架的重壓及滾筒切割煤層時的沖擊和液壓支架的推移力，工作條件惡劣，因此必須有足夠的強度、剛度、耐磨性和耐蝕性，對焊接接頭質量要求較高。因此，焊接質量的優劣，直接決定著中部槽的使用壽命。

2 基材化學成分分析

NM360是一種低合金鋼，通常其供貨狀態為調質態[1]。ZG30SiMn是一種低合金鑄鋼，供貨狀態也為調質態。試驗分別對兩種基材的化學成分進行檢測。清理干凈兩種基材表面的氧化層及油污等雜質，在表面鉆取化學成分分析試樣，兩種基材化學成分分析結果見表1。

表1 兩種基材化學成分分析結果（質量分數） （%）

按照國際焊接學會（IIW）推薦的適用于調質鋼的碳當量（CeJIS）公式和冷裂敏感指數（Pcm）公式，兩種鋼的碳當量及冷裂敏感指數計算結果見表2。由表2可見，兩種基材的碳當量均＞0.45%，冷裂敏感指數均＞0.25%，兩種材料的冷裂敏感性較大。如果選擇的焊接工藝不當，焊接接頭很可能產生焊接冷裂紋。為此，本試驗采用斜Y形坡口焊接，對兩種基材的焊接冷裂敏感性進行研究，為合理確定焊接工藝提供依據。

表2 兩種基材碳當量和冷裂敏感指數

3 基材力學性能復驗

鋼板的力學性能試驗取樣位置及試樣制備按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》規定進行，取樣位置在1/4板厚處。拉伸性能試驗按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，拉伸試件尺寸如圖1所示，試樣長度方向垂直軋制方向；室溫沖擊性能按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，沿軋制方向取樣；硬度試驗按GB/T 231.1—2018《屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行。基材力學性能及硬度檢測結果見表3。

圖1 拉伸試樣

表3 基材力學性能及硬度檢測結果

4 工藝試驗

試驗設備使用瑞典伊薩全數字脈沖/逆變焊機MIG 4004i（見圖2）。

圖2 試驗用焊接設備

（1）插銷冷裂敏感性試驗 插銷冷裂敏感性試驗使用HCL-3MC微機自動控制五頭插銷試驗機，依據GB/T 32260.3—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第3部分：外載荷試驗》采用斷裂準則進行評定。基材插銷試件均取自厚度45mm鋼板1/4板厚處，試件的長度方向垂直于鋼板的軋制方向，試件直徑為6mm，螺旋缺口深度0.5mm，插銷試件尺寸如圖3所示；插銷底板厚45mm，材質與插銷試件相一致；焊接材料采用70kg級氣體保護焊絲HS-70和80kg級氣體保護焊絲HS-80[1]，兩種焊絲熔敷金屬屈服強度及擴散氫含量見表4，焊接參數見表5。

圖3 插銷試件尺寸

表4 焊絲熔敷金屬屈服強度及擴散氫含量

表5 焊接參數

（2）插銷冷裂敏感性試驗結果 NM360鋼不同預熱溫度及加載條件下插銷試驗結果見表6。由表6可知，在75℃預熱條件下，采用實芯焊絲HS-70和HS-80進行富氬混合氣體保護焊，插銷加載到NM360鋼的實際屈服強度為683MPa，保持載荷24h均未發生斷裂。

表6 NM360鋼插銷試驗結果

ZG30SiMn插銷試驗結果見表7。由表7可知，在150℃預熱條件下，采用實芯焊絲HS-70，插銷加載到ZG30SiMn的實際屈服強度為651MPa，保持載荷24h未發生斷裂；采用實芯焊絲HS-80，在200℃預熱條件下，插銷加載到ZG30SiMn的實際屈服強度為651MPa，保持載荷24h未發生斷裂。

表7 ZG30SiMn插銷試驗結果

插銷試驗結果表明，基材均對氫致裂紋敏感，焊前需進行預熱來提高基材的抗氫致裂紋能力。基材依據插銷試驗確定的防止冷裂紋的預熱溫度見表8。由表8可知，在中等拘束條件下、采用富氬混合氣體保護焊，為防止產生焊接冷裂紋，NM360鋼需預熱75℃以上[2]；ZG30SiMn采用實芯焊絲HS-70, 需預熱150℃以上，而采用實芯焊絲HS-80，需將預熱溫度提高到200℃以上。在中部槽的實際焊接生產中，應注意選擇低氫的焊接材料及焊接方法，嚴格控制焊接材料中的擴散氫含量，焊后建議立即進行消氫處理。由于中部槽采用異種鋼焊接，所以消氫處理溫度應低于兩種基材進行調質處理時較低的回火溫度[3]。

表8 基材依據插銷試驗確定的防止冷裂紋的預熱溫度

（3）斜Y形坡口焊接裂紋試驗 斜Y形坡口焊接裂紋試驗（又稱小鐵研試驗）是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗方法，它主要是考核焊接熱影響區根部裂紋情況。試驗按照CB/T 4364—2013規定執行，試件焊后放置48h后進行表面、斷面裂紋檢查。試驗焊接參數見表5。斜Y形坡口焊接裂紋試驗組合方式及結果見表9。

由表9可知，兩種基材均有較強的冷裂敏感性。在較苛刻拘束條件下（如定位焊、打底焊），采用富氬混合氣體保護焊，為防止根部裂紋產生，NM360鋼焊接采用焊絲HS-70或焊絲HS-80，最低預熱溫度為100℃，ZG30SiMn采用實芯焊絲HS-70或焊絲HS-80，最低預熱溫度為250℃。

表9 斜Y形坡口焊接裂紋試驗組合方式及結果

由此可見，NM360鋼抗冷裂能力大于ZG30SiMn，即耐磨板的抗冷裂能力優于鑄鋼件。在鑄鋼與耐磨板異種鋼實際焊接生產中，應優先考慮鑄鋼的焊接工藝，工件的預熱溫度應根據鑄鋼件的鑄造質量確定，高于鑄鋼的最低預熱溫度。

（4）接頭綜合性能試驗 結合斜Y形坡口焊接裂紋試驗結果、插銷試驗結果及中部槽實際工件的焊接情況，對NM360與ZG30SiMn異種鋼對接接頭按照GB/T 2650～2656—2008規定，分別對接頭的拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能及焊縫金屬力學性能進行試驗。焊接接頭綜合力學性能試驗焊接參數見表10，焊絲選用HS-70，試驗結果見表11，焊接接頭宏觀金相、側彎形貌、板狀拉伸形貌及拉伸斷口形貌如圖4～圖7所示。

圖4 焊接接頭宏觀金相（1.5×）

圖7 焊接接頭拉伸斷口形貌

表10 焊接接頭綜合力學性能試驗焊接參數

表11 焊接接頭綜合力學性能試驗結果

圖5 焊接接頭側彎形貌

圖6 焊接接頭板狀拉伸形貌

由以上試驗結果可見，焊接接頭熔合情況良好，焊縫無未焊透、氣孔、夾雜等肉眼可見的宏觀缺陷；接頭鑄鋼側母材上有較多肉眼可見的氣孔、夾雜及砂眼等缺陷。接頭板狀拉伸試件抗拉強度分別為754MPa、723MPa，均斷在ZG30SiMn側母材位置，拉伸試件斷口可見明顯的砂眼、夾雜等缺陷；焊接接頭側彎試件2件均不合格，在鑄鋼側母材開裂，裂口可見夾雜、砂眼等缺陷；接頭各部位室溫沖擊性能及焊縫金屬拉伸性能優良。

5 結束語

1）根據以上試驗研究結果，為了防止焊接冷裂紋的產生，確保焊接接頭力學性能優良，結合工廠實際及相關標準規范規定，對于NM360與ZG30SiMn異種鋼焊接推薦采用以下焊接工藝可獲得良好的焊接接頭：焊絲選擇為HS-70或HS-80，焊絲干伸長為16～19mm；保護氣為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18～20L/min；焊前預熱溫度為150℃，定位焊預熱溫度為250℃；打底定位焊時，焊接電流為220～240A，電弧電壓為24～26V，焊接速度為330～400mm/min；填充及蓋面焊時，焊接電流為270～290A，電弧電壓為28～31V，焊接速度為330～450mm/min；焊道間溫度為150～

200℃。

2）在焊接過程中，應嚴格控制工件預熱溫度及層間溫度，改善坡口角度，采用較小的熱輸入及多層多道焊的工藝原則，保證每道焊縫寬度，就可以有效控制NM360和ZG30SiMn異種鋼焊接接頭熱影響區產生粗大組織。

3）在實際生產中，為使焊縫中的擴散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區中的氫含量，防止冷裂紋的產生，建議焊接完成后進行150～200℃、保溫1.5h的去應力回火。