細破碎機體磨損挖補的焊接修復工藝

唐立新　鄒東　朱寧

摘 要：本文通過在細破碎機的超高錳鋼基體上挖補鑲塊異種高錳鋼焊接時，對高錳鋼的焊接性能進行分析，選擇合適的焊接材料和制定合理的工藝措施，成功地焊接了異種高錳鋼的連接縫，保證了焊接質量和接頭的性能要求。

關鍵詞：異種高錳鋼；焊接；工藝及措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.005

0 引言

攀鋼礦業公司選礦廠有一臺從荷蘭美卓公司進口的圓錐型破碎機，機體材質為ZG120Mn17Cr2，厚度為50mm，屬奧氏體超高錳鋼。因生產過程中未及時更換護板而受到礦石直接沖擊磨損，出現了“穿孔”現象，位置在破碎機后方的立面，經檢查穿孔處周圍被磨損的面積長約1500mm，寬約450mm，為不影響破碎機正常運行，需對磨損面進行焊接修復。因磨損面積較大，直接進行表面堆焊難度較大，決定采取挖補方式進行修復。由于我廠沒有相同材質和厚度的備品材料，只有選擇我國生產的廢舊破碎機體材質ZGMn13-1（奧氏體高錳鋼）來代替挖補處的鑲塊材料。

1 焊接性分析

（1）高錳鋼是經水韌處理后[1]，碳全部固溶于奧氏體中，室溫下呈單相奧氏體組織，具有良好的韌性，但當重新加熱到250℃ 時，碳就會沿晶界析出碳化物，使材料的韌性大大下降，因此焊補后，在熱影響區的一個區段內會不同程度析出碳化物，不僅失去韌性變脆，而且還會降低耐磨性和沖擊韌度。所以焊接時應控制熱輸入量，加快冷卻速度，縮短在高溫停留時間等，以減少碳化物析出。

（2）高錳鋼的線膨脹系數是低碳鋼的1.6倍[1]，但熱導率僅是低碳鋼的1/6，體積收縮率和線收縮率較大，焊接時會產生很大的應力，在S、P等有害雜質的共同作用下，易產生焊縫熱裂紋和熱影響區液化裂紋。焊接時應控制焊接材料中的S、P含量，減少熱輸入量和采取降低應力等措施。ZGMn13-1高錳鋼的化學成分和力學性能表1、表2所示。

（3）超高錳鋼是在普通高錳鋼成分基礎上通過提高碳、錳的含量發展而來的[2]。它是錳含量增加到14%～18%的同時，加入1%～3%的Cr和適量的Ti、V、Mo等合金強化元素的超高錳合金。ZG120Mn17Cr2超高錳鋼，也具有良好的沖擊耐磨性，但其成分和性能較ZGMn13-1更特殊，焊接時容易出現碳化物析出和熱裂紋傾向嚴重的現象，所以焊接工藝和措施較高錳鋼應更加要求嚴格。 ZG120Mn17Cr2超高錳鋼的化學成分和力學性能表3、表4所示。

2 焊接方法和焊接材料的選擇

（1） 高錳鋼焊接時應選擇熱源集中，熱輸入小的焊接方法[1]。常用的有焊條電弧焊、熔化及氣體保護焊和脈沖焊等，不宜選擇氣焊和鎢極氬弧焊。結合本廠的技術情況和現場環境條件，決定選擇焊條電弧焊方法進行焊接修復。

（2）目前焊接高錳鋼用焊接材料有多種系列[1]，如Mn-Ni、Mn-Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mn系等。根據破碎機的使用性能和要求綜合考慮，選擇硫、磷含量低，鉻、鎳、錳含量較高的（Cr-Ni-Mn系）奧氏體鋼焊條A147，其焊縫金屬具有良好的力學性能和抗裂性，在沖擊下能迅速被加工硬化。A147焊條熔敷金屬化學成分和力學性能表5、表6所示。

Mn是促進奧氏體的形成元素[3]，可強化基體，提高強度和耐磨性，與硫化合防止產生脆性。Cr在熔敷金屬中主要是提高耐腐蝕性，提高持久強度與抗蠕變性能，Cr與C的親和力大于Fe和Mn，可減緩奧氏體分解速度。Ni與Fe能無限固溶，擴大Fe的奧氏體區，是形成和穩定奧氏體的主要合金元素，還可降低臨界轉變溫度，降低合金元素擴散速率。

3 焊前準備

（1）采用碳弧氣刨將挖補處與鑲塊四周的待連接縫開成U型坡口，預留間隙4～5mm、鈍邊2～3mm，再用砂輪機除去表面硬化層。為防止基體受熱后碳化物析出，整個碳弧氣刨過程在縫隙背面進行噴水冷卻。

（2） 焊條按規定進行烘干，并放在100℃的保溫筒內隨用隨取。

（3）準備2臺直流焊接電源和多把帶圓頭的小錘（小錘重0.5Kg，圓頭直徑R=5mm）。

4 焊接工藝及措施

（1）焊接過程采用直流反接、小電流、短弧焊[1]，在熔合良好的情況下盡量提高焊接速度，以控制熱輸入量。焊接工藝參數表7所示。

（2）由于鑲塊面積較大，基體較厚，焊接的量也相應較大。為控制焊接應力和防止應力集中，焊縫采取對稱分段退焊的順序，圖1 所示，箭頭指向焊接方向。先焊兩側立焊縫，再焊上下橫焊縫；立焊縫按圖中1、2順序兩側同時對稱退焊，橫焊縫按3、4、5順序上下同時對稱退焊。

（3）焊縫采取多層多道焊，焊道寬度約為焊條直徑的2～3倍。橫焊時后一焊道應壓住前一焊道的1/3，以使焊層表面平展。

（4）在每段焊縫上焊接時的焊道長度不超過70mm或焊完一根焊條的1/3就滅弧噴水冷卻[4]，使焊道及周圍的溫度不超過100℃，以防止熱影響區碳化物析出。

（5）噴水冷卻后，立即用帶圓頭的小錘在焊縫表面進行錘擊，達到布滿麻點為止，使焊縫產生部分塑性變形來抵消焊縫的部分收縮變形，消除焊縫部分應力。同時由于敲擊使破碎金屬延展，焊縫擴展，表面形成壓應力，可防止裂紋的產生。

（6）每焊完一小段焊道噴水冷卻、錘擊后，接著焊接下一段焊縫上的焊道（跳焊），依次類推，完成整個鑲塊焊縫的焊接。

（7）焊接過程中要注意每道間的接頭處應錯開20mm左右，收弧時填滿弧坑；焊道與母材的結合部位應熔合良好。

5 焊后檢驗及表面處理

（1）焊接完成后外觀檢查焊縫表面無氣孔、夾渣、咬邊超標等缺陷。

（2）焊縫表面及周圍進行著色檢驗未發現有裂紋出現。

（3）最后用角向砂輪機修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處過渡圓滑。

6 結束語

針對超高錳鋼與高錳鋼的異種鋼焊接時，容易出現碳化物析出和熱裂傾向嚴重的現象，通過選擇鉻、鎳、錳含量較高的具有良好力學性能和抗裂性的非同質焊接材料，結合采取分段退焊，短段、跳焊順序，焊后噴水冷卻、錘擊等工藝和措施，成功地焊接了超高錳鋼與高錳鋼的連接縫。設備正常運行至今已超過1年多，未發現焊接接頭出現任何問題，證明此工藝和措施是可行的，也可為其它超高錳鋼或異種高錳鋼的焊接提供一些技術支持。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第二卷.材料的焊接）[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]魏建軍等. 超高錳鋼錘頭的復合堆焊修復研究[J].中國表面工程，2003.2.

[3]龔國尚等.焊工實用手冊[M].北京：中國勞動出版社，1993.8.

[4]丁偉等.鋼軌及高錳鋼轍叉焊工培訓教材[M].鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2004（01）.

作者簡介：唐立新（1972-），男，四川蓬安人，大專，焊工技師，從事焊接技術及焊接工藝20多年。