BTW1 耐磨中板與槽幫異種材料的焊接工藝研究

胡文婷

(山西焦煤汾西礦業集團設備修造廠，山西 介休 032000）

0 引言

BTW 1 是一種新型耐磨鋼，能承受較大的沖擊載荷而不斷裂，抗剝落及抗破碎性能是其他耐磨合金鋼的2 倍以上，這也是目前國內外其他耐磨板均不具備的優點。使用BTW1 耐磨鋼板，可節省大量的原材料和能源消耗，大幅節省設備投資，降低工人的維修強度，減少因中部槽更換造成的經濟損失[1-2]。由于BTW1 耐磨板屬于高錳鋼，含碳量較高，導致其焊接性比較差。與中部槽槽幫之間的焊接屬于異種材料之間的焊接,傳統的焊接工藝是采用CO2氣體保護焊，采用ER50-6 氣體保護焊絲進行焊接[3]，在焊接完成后會產生冷裂紋，無法保證其焊縫質量。為此，需要進行BTW1 耐磨板與槽幫異種材料焊接工藝的研究。

1 焊接性分析與方案制定

1.1 焊接性分析

耐磨板BTW1 在中低沖擊載荷下，具有應變誘發馬氏體相變特性，隨著沖擊載荷的提高，其強化層硬度隨之增高，由于耐磨板含碳量較高，根據國際焊接協會（IIW）碳當量公式，該材料碳當量高達3.25%，焊接時極易引發裂紋。鑄鋼30SiMn 的淬硬及冷裂傾向較小。兩種材料的化學成分及力學性能見表1、表2。

表1 母材的化學成分

表2 母材的力學性能

由此可知，不同金屬之間，因其成分、組織以及理化性能上的差別，使碳發生擴散，以至于熔合區兩側金屬性能相差懸殊，接頭受力時可能引起應力集中，降低接頭的強度和塑性。因此，耐磨板BTW1 與30SiMn 鑄鋼的焊接難度很大。

1.2 方案制定

為了保證焊接工藝的實用性，采用常使用的焊接設備：CPVE-500 逆變控制CO2焊機。此焊接電弧穩定、飛濺較小，工藝性能好，有多種焊接模式。

通過查閱相關資料以及前期試驗對比發現，采用MIG 焊接（即熔化極混合氣體保護焊），可以有效減小焊接飛濺，防止電弧發生飄移現象。對兩種母材材料進行分析，可以發現，該材料Cr 含量較高，且沒有磁性，與奧氏體不銹鋼的母材特性類似。因此，CHM18.8Mn不銹鋼焊絲是理想的焊接材料。為了保證在焊接的過程中焊道層間溫度不超過200 ℃，制作了一套噴淋裝置，對被焊接件的背面進行噴淋冷卻，以此實現焊縫降溫。其冷卻原理及冷卻實物見圖1。

圖1 冷卻原理及實物圖

2 試驗方法

2.1 試驗工藝流程

坡口制備→表面清理→組對點固→打底焊接→水冷系統開啟→填充焊接→蓋面焊接→焊后清理。

2.2 焊接工藝參數

具體的焊接工藝參數見表3。

表3 氣體保護焊焊接參數

2.3 操作要點及注意事項

試件1、試件4 的焊道有多層焊和多層多道焊，具體施焊過程要求如下。

1）打底焊：采用手工MIG 焊接，要求背面清根，防止焊接缺陷的產生。

2）填充焊：采用手工MIG 焊接，打開水冷系統，使試件背面快速冷卻。嚴格清理層間的熔渣以及飛濺物。嚴格控制層間溫度，層間溫度不超過200 ℃。

3）蓋面焊：蓋面焊縫的余高不得超過2 mm。

4）注意事項：焊接過程中，冷卻系統要提前開啟，延遲關閉。

2.4 焊后清理

焊接完成之后，對焊縫兩側進行清理。試件整體效果見圖2。

圖2 焊后試件效果圖

3 焊接工藝評定

通過對試件進行檢驗、分層取樣、加工試樣和機械性能試驗，并按照GB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》的標準要求，對焊接接頭進行了相關的測試和分析，進一步驗證此焊接工藝的可行性。

3.1 外觀檢查和無損檢測

通過肉眼和低倍放大鏡對試件1、試件4 進行外觀檢查，試件表面無裂紋、焊瘤、燒穿和弧坑等缺陷，焊接合格。

運用本廠新引進的X 射線實時成像技術以及超聲波探測技術，按照JB/T 4730—2005《射線檢測》和GB/T 6402—2008《超聲波檢測》標準，對試件的焊縫進行檢測，焊縫內部無裂紋、未融合、未焊透和條形缺陷，焊接質量等級為I 級。

3.2 硬度檢測

按照GB/T 231.1—2009《金屬布氏硬度試驗》分別對試件進行硬度試驗，結果如表4 所示。

表4 試件硬度HBW 試驗結果

3.3 拉伸試驗

按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB 2649—89《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》對試件進行分層取樣，試驗結果如表5 所示。

表5 焊接接頭拉伸試驗

此批試驗數據通過與鑄鋼30SiMn 正火狀態時的機械性能進行比對，其抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均接近于鑄鋼30SiMn 正火狀態。試樣拉斷情況如圖3 所示。

圖3 試樣拉斷圖

3.4 彎曲試驗

按照GB/2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行試驗，試驗結果如表6 所示。

表6 焊接接頭彎曲試驗

試件在彎軸直徑Ф80 mm 的彎曲下，有3 件試件均沿熔合線斷裂，另外1 件是在母材靠近焊縫處有輕微的裂紋。試件在彎軸直徑Ф160 mm 的彎曲下，3 件試件的焊縫、熔合線和母材表面都沒有變化，另外1件是在母材靠近焊縫處有輕微的裂紋，試樣彎曲結果如圖4 所示。

圖4 試樣彎曲結果

3.5 沖擊試驗

按照GB/2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》分層取樣，進行沖擊試驗，結果如圖5、表7 所示。

圖5 試樣試驗沖斷結果

表7 焊接接頭沖擊試驗

經觀察斷口和分析試驗數據可知，此批試件焊縫以及熔合線的沖擊吸收功均大于鑄鋼（調質狀態≥30 J/cm2）及耐磨板母材出廠狀態。

3.6 金相試驗

BTW1/30SiMn 焊接接頭宏觀金相如圖6 所示，未發現裂紋、未焊透和未融合等焊接缺陷。

圖6 宏觀金相

BTW1/30SiMn 焊接接頭微觀金相組織如圖7 所示，右邊的金相組織為30SiMn，其組織基體為鐵素體，黑色枝晶狀為珠光體。左邊為BTW1，其組織為奧氏體＋彌散碳化物，保持了各自母材的化學成分，保證了焊接接頭的力學性能，進一步驗證了該工藝的可操作性。

圖7 微觀金相400×

4 結論

提出了耐磨板BTW1 與槽幫異種材料的焊接工藝，利用MIG 氣體保護焊，采用不銹鋼焊接材料，對試樣進行力學性能試驗數據檢測、金相分析以及無損檢測，焊接接頭的力學性能良好、焊縫組織致密、無內在缺陷，證明了該焊接工藝的可行性。

1）通過MIG 焊接工藝，采用Ar+5%CO2混合氣體，可以防止電弧發生飄移現象，保證焊縫之間的融合質量。

2）采用強制冷卻的辦法，可以降低焊道之間的層間溫度，槽幫的組織基體為鐵素體，BTW1 耐磨板的組織仍為奧氏體+彌散碳化物，保證了各自母材的綜合性能。

3)將耐磨板BTW1 應用到刮板輸送機中部槽上，刮板輸送機的使用壽命比傳統的刮板輸送機高出2倍以上，顯著減少了綜采工作面中部槽的維修和更換次數，降低了工人的勞動強度。