高錳鋼水冷焊工藝研究

李懷君 趙玉梅

【摘 要】堆296（D296）焊條主要用于高錳鋼的焊接，在焊接過程中利用水冷方式及控制一定的焊接規范，從而獲得耐磨性好并能承受一定沖擊載荷的零件。

【關鍵詞】高錳鋼；堆296焊條；水冷；簡化焊接工藝

中圖分類號： TG422 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.059

【Abstract】Heap 296 （D296） is mainly used for welding of high manganese steel welding electrode， using water， in the process of welding and control certain welding specification， in order to gain good abrasion resistance and can withstand the impact load of parts.

【Key words】High manganese steel；Pile 296 electrode；Water cooling；Simplified welding process

0 前言

高錳鋼廣泛用于制造耐磨并承受一定沖擊載荷的零件，如破碎機械的錘頭、齒板、球磨機襯板及鐵道道岔等，這些零部件在使用一段時間后，工作部位會出現一定程度的磨損，造成工作面無法工作，如果此時報廢將給國家和企業帶來很大的損失，為此各應用企業都在進行高錳鋼的堆補焊研究。

普通的堆補焊方法是用奧氏體焊條A102（或A107）打底焊做過渡層，然后再用堆焊焊條D266焊工作層，利用不銹鋼焊條打底得主要作用是減少裂紋，由于奧氏體不銹鋼與模具鋼化學成分存在較大差別，因此必須對焊接工藝進行嚴格要求，并且對焊工也提出了非常高的要求。該法焊接工藝復雜，工作效率非常低，是補焊普通材料焊接時間的兩倍之多，焊接質量也很難保證；若用其他方法如噴焊，容易使工件產生變形，補焊的長度和深度均需要嚴格控制，難度較大，進口的UTP63、UPT67S、UPT7200等焊條，雖然補焊效果較好，但焊條成本高，比國產焊條成本高五倍左右。

筆者經過多年的焊接實踐，采用國產研制的D296在浸水條件下并通過控制一定的焊接工藝焊接高錳鋼，完全能滿足高錳鋼的堆補焊要求。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗用高錳鋼牌號是ZGMn13，主要化學成份（質量分數）如下：C：0.9～1.4%；Mn：11～14%，Si：0.3～0.8%；S和P小于0.5%，由于含碳量和含錳量高，造成其焊接性差，這種鋼在1050～1100℃范圍內加熱可獲得單一的奧氏體組織，迅速在水中冷卻淬火能保持奧氏體狀態，這時它具有高韌性，是一種非磁性合金，在沖擊載荷的作用下表面發生硬化而具有高耐磨性，這種鋼也叫耐磨鋼，由于它加工硬化快，所以切削加工困難，一般限于鑄造件使用。采用D296堆焊焊條，其焊芯為H08A，藥皮中含有下列物質：Mn、Mo、Cr Wc、CaCO3，CaF2，TiO2（鈦白粉），K、Na混合水玻璃，48波美度。

在生產中，經常會遇到高錳鋼鑄件的焊補或磨損，裂紋件的焊修以及高錳鋼構件的焊接等。然而高錳鋼的可焊性較差，其主要問題是：

a、焊接熱影響區析出碳化物引起脆化，碳化物析出的一般規律是溫度在650℃左右時碳化物析出量最為嚴重，在這個溫度區間內停留的時間越長，碳化物析出量愈多。為減少碳化物的析出，應采取措施加快冷卻速度，縮短在高溫下的停留時間，以減少碳化物的析出，為此一般的焊接方法主要采用減少受熱的方法（如脈沖焊、二氧化碳氣體保護焊等）和工藝措施（如小的線能量、短段焊、快速焊等）。

b、焊縫上產生裂紋，特別是在近縫區產生液化裂紋，主要問題是因高錳鋼材料導熱系數小，是低碳鋼的四分之一，線膨脹系數大，是低碳鋼的1.6倍。易形成較大的內應力，引起裂紋[1]。

1.2 高錳鋼水冷焊的工藝方法

采用國產的D296焊條進行水冷焊，焊接步驟如下：

（1）焊前清理缺陷，開好坡口，用砂輪把裂紋或要堆焊的表面打磨至可見金屬光澤。

（2）將焊條在350±10℃×1.5h進行烘干，去除焊條藥皮中的水分；

（3）焊接工藝的確定，因為高錳鋼在經過水淬熱處理后組織為奧氏體組織，它處于介穩定狀態，當進行堆補焊時，由于高溫在極短的時間內就開始析出碳化物使局部相脆化，如果焊接過程中焊縫冷卻速度緩慢，將產生屈氏體和馬氏體，使塑性和韌性急具降低，產生裂紋，因此在焊接時應最大限度地控制焊接區的溫升。具體方法是：

a.將工件放在水中，焊縫距水平10～15mm，利用水來提高冷卻速度；

b.焊前不對工件預熱，選用小電流，Φ3.2焊條電流用85～95A，Φ4.0焊條電流用95～105A；

c.控制焊縫長度在70～100mm范圍內，焊縫熔寬為焊條直徑的2～3倍，焊縫重疊率為三分之一；

d.采用直流反接以及短弧焊方法，收弧時特別注意把弧坑堆滿，防止發生弧坑裂紋；

e.焊后馬上用小錘對焊道進行錘擊，當溫度降到60～70℃時，再焊下一道焊縫。

2 實驗結果及分析

2.1 堆焊層熔敷金屬主要化學成分

用水冷堆焊方法，選用D296焊后熔敷金屬的化學成份（質量分數）：

C：1.0%；Mn：20.9%；Si：0.14%；Cr：1.5%；Mo：2.4%；S：0.005%；P：0.03%；

由于D296中有稀土元素，所以硫的含量比較低，與ZGMn13對比分析Si、P、S含量明顯偏低，在堆焊層中錳的含量比ZGMn13中高，更促進了奧氏體的形成，D296中的Cr和Mo具有細化晶粒的作用，抑制了奧氏體向珠光體的轉變，并有提高屈服強度和硬度、增加耐磨性的作用。

2.2 堆焊層硬度

對堆焊試件的表面及心部進行硬度分析，得出的硬度值如下：

通過焊接后對試件硬度進行分析可以看到，在試件表面硬度值較高，均再43HRC以上，而心部硬度值較低，硬度值在25HRC以下。通過分析可知，焊接后試件均為奧氏體組織，保持了高錳鋼所具有的塑性和韌性，獲得了內韌外堅的焊補工件。

3 小結

采用D296堆焊焊條并采用水冷焊接工藝后，堆焊層未發現裂紋，但偶而有水濺入焊縫內產生氣孔，用D296和水冷焊接工藝簡化了堆焊工藝，且不用不銹鋼焊條打底，從而節省了大量的貴重焊條；焊接過程電弧穩定，飛濺少，二次引弧容易，操作簡單，焊縫成型美觀，脫渣容易，工作效率高，降低了堆補焊的成本，但不足之處有煙塵量大，焊接時要做好通風防護工作。

【參考文獻】

[1]邵荷生，張清編著.《金屬材料磨損與耐磨材料》，機械工業出版社，1988：296.

[2]黃太明.異質材料（ZGMn13+16Mn）的焊接，焊接技術，1991（2）.