奧氏體硬化中錳鋼焊接間隙工藝研究

王亮WANG Liang；王艷麗WANG Yan-li

（寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司，石嘴山753001）

0 引言

在煤礦采煤機械中，刮板輸送機是作為傳輸運載煤炭功能，而中部槽作為主要零部件，刮板鏈在中部槽中運送煤炭，所以中部槽相關(guān)零件要求有較高的耐磨性能，同時煤炭從煤壁落入中部槽的瞬間，產(chǎn)生瞬間沖擊，所以中部槽又要求有較高的沖擊性能，所以中部槽中板選用奧氏體硬化中錳鋼鋼材。

奧氏體硬化性中錳鋼，在中低沖擊載荷下，通過形變引發(fā)馬氏體相變，實現(xiàn)了材料的沖擊強化性能。鋼材表面越磨越硬和承受沖擊時變硬的特性，當表面的一層硬化材料被磨掉之后，新露出的表面同樣會得到自強化，因而在使用過程中具有較高的耐磨性及沖擊性。在實際焊接中，焊接間隙設(shè)計不合理造成焊接缺陷及焊接變形[1]。本文主要研究奧氏體硬化中錳鋼中板與槽幫的焊接過程中焊接間隙范圍，掌握焊接間隙對焊接性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

模擬中部槽焊接，選用t40 的奧氏體硬化中錳鋼鋼板與t40 的鑄鋼件采用不銹鋼焊絲進行焊接試驗，鋼材與焊絲化學(xué)成分見表1。焊接間隙試件分別選用2mm、4mm、6mm、8mm（兩組）的焊接間隙（共五組），試件標識如表2所示。

表1 奧氏體硬化中錳鋼及不銹鋼焊絲化學(xué)成分（%）

表2 試件標識

表3 焊接參數(shù)及設(shè)備

1.2 焊接設(shè)備及參數(shù)

焊接坡口形式，采用60 度X 坡口、無焊接鈍邊，設(shè)備采用水冷電焊機、半自動焊接小車設(shè)備焊接。焊接參數(shù)如表3 所示。

1.3 試件檢測標準及方法

焊縫宏觀檢測包括焊縫外觀成型，焊縫超聲波探傷檢驗，焊接斷面成型分析等方法，通過焊縫質(zhì)量確定焊接間隙對焊接性能的影響，確定合理的焊接間隙[2]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 打底焊背面成形及探傷結(jié)果

標識2（2mm 焊接間隙）、4（4mm 焊接間隙）探傷有局部缺陷，屬于合格探傷要求；標識6（6mm 焊接間隙）、標識8（8mm 焊接間隙）探傷缺陷面積超出工藝要求，尤其判定為不合格，下面對焊縫質(zhì)量做具體分析。

打底焊雙面成型是焊縫質(zhì)量最為關(guān)鍵的，焊接背面成型如圖1 所示，觀察雙面成型情況：①2mm（標識2）焊接間隙，雙面成型，無焊瘤缺陷；②4mm 焊接間隙（標識4），焊瘤≤3mm，且均勻，基本上也雙面成型，成型外觀較好；③6mm 焊接間隙（標識6），焊瘤不均勻，局部焊瘤5-7mm，局部雙面成型；④8mm 焊接間隙（標識8），產(chǎn)生大面積焊瘤并且相當嚴重，用渣鏟去除體積大焊瘤后，用砂輪打磨體積小焊瘤（砂輪片不能伸至坡口根部），焊瘤修磨至3-4mm 后焊接。

圖2 2mm 焊接間隙焊道斷面

圖3 4 mm 焊接間隙焊道斷面

圖4 6 mm 焊接間隙焊道斷面

圖5 8 mm 焊接間隙焊道斷面（砂輪打磨打底焊背面）

圖1 標識2、4、6、8 試板打底焊背面成形

2.2 焊接接頭斷面分析

采用熱影響最小的線切割方式，垂直于焊道隨機將試板切割為5 段，取中間3 段（去除兩端定位焊段），經(jīng)加工后化學(xué)腐蝕焊道觀察焊道截面焊接情況，結(jié)果如下：

①2mm 焊接間隙焊道斷面分析。如圖2 所示，焊道斷面缺陷分析，除第一組2-1-1 坡口根部有未熔合缺陷0.5mm，其余兩組沒有缺陷，焊縫質(zhì)量符合要求，合格。

分析缺陷原因：焊接時氣流的干擾、焊絲偏心等造成電弧偏吹，而電弧偏吹使電弧燃燒不穩(wěn)定，熔滴下落時失去氣體保護，造成焊接缺陷，同時飛濺增大。

②4 mm 焊接間隙焊道斷面分析。如圖3 所示，4-1-1坡口根部氣孔直徑約1mm，4-2-1 坡口根部兩側(cè)有未熔合約1mm，4-3-1 坡口根部未熔合約2-3mm，其余沒有缺陷，焊縫質(zhì)量符合要求，合格。

分析缺陷原因：電弧偏吹造成氣體保護不好造成根部細小的氣孔、未熔合缺陷。而背面微小焊瘤殘留，造成局部焊接過程中未熔合缺陷較大。

③6mm 焊接間隙焊道斷面分析。缺陷情況如圖4 所示，背面在正面打底焊同時成型，有輕微焊渣焊瘤，砂輪可清除，斷面缺陷情況，從分析可以看出，焊縫三個部位均存在1mm 未熔合缺陷，打底焊背面成形不好，焊縫不合格。

④8mm 焊接間隙焊道（打底焊背面砂輪打磨）斷面分析。焊道斷面圖片圖5所示，背面焊接缺陷采用砂輪修磨去除方式，清除效果較好，但無法徹底清除，斷面缺陷情況，從分析可以看出，焊接存在未熔合、氣孔、夾渣、孔洞等嚴重焊接缺陷，焊縫不合格。

2.3 綜合分析

焊接時為了保證電弧能夠接近接頭根部，并能在多層多道焊時側(cè)邊熔合良好，坡口根部必須采用一定的間隙，但間隙必須合理。鋼材及焊絲的含碳量，合金元素的含量不僅影響焊縫質(zhì)量，也對焊接間隙有著相應(yīng)的要求[3]。

采用相同焊接參數(shù)，焊接間隙是焊接質(zhì)量的主要因素，焊接間隙過大，鄰近效應(yīng)減少，渦流熱量不足，焊縫晶間接合不良產(chǎn)生未熔合和開裂[4]；焊接熱輸入量不足時，被加熱焊縫邊緣金屬組織達不到焊接溫度，邊緣處金屬組織保持固態(tài)，形成未融合和未熔透。焊接接頭根部對口間隙過大影響焊接質(zhì)量和焊接效率，還容易引起較大的焊接變形[5]；焊接間隙過小，鄰近效應(yīng)增大，輸入熱量過大，造成焊縫燒損或焊縫經(jīng)擠壓、滾壓造成深坑。必須把焊接接頭根部預(yù)留的間隙限制在一定的范圍內(nèi)。

經(jīng)過試驗綜合分析，奧氏體硬化中錳鋼與鑄鋼件焊接間隙設(shè)計在2-4mm 較為合理，焊縫質(zhì)量較好。

3 結(jié)論

對以上實驗內(nèi)容進行分析可知：①通過打底焊背面成形情況可知：2-4mm 的焊接間隙打底焊背面成形較好，6mm 焊接間隙打底焊背面會產(chǎn)生個別焊瘤（5-7mm），8mm焊接間隙打底焊背面焊瘤嚴重（7-10mm 以上）。②通過對焊道截面宏觀缺陷分析可知：2-4mm 焊接間隙的焊道截面焊接缺陷較小，6mm 焊接間隙的焊道截面焊接缺陷較大，8mm 焊接間隙的焊道截面焊接缺陷嚴重。③當焊接間隙較大時，打底焊背面產(chǎn)生焊瘤，采用渣鏟、火焰氣割及砂輪修磨方式清楚焊瘤，也不能保證焊接質(zhì)量（原因：清理不徹底）。綜上所述：奧氏體硬化中錳鋼鋼板采用不銹鋼焊絲最佳的X 坡口焊接間隙為：2-4mm。