激光-MAG復合熱源焊焊接鋼裂紋敏感性研究

彭春濤

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏銀川 753011

1 序言

中部槽是刮板輸送機機身主體，是煤炭井下綜采工作面刮板輸送機的關鍵批量部件，中部槽占刮板輸送機整機的80%。主要功能是載貨和刮板鏈的支撐機構，同時還兼具采煤機的行走軌道和拉移液壓支架的功能。因此，中部槽性能的可靠性是進行高效作業的根本保證，采用合適的制造工藝是實現刮板輸送機高可靠性的關鍵。中部槽由高強度耐磨鋼中板和中碳低合金Mn-Si鑄鋼材料制成的零件焊接而成。其焊接結構特殊、材料碳當量大、板材厚、焊接性差，冷裂傾向大，基于中部槽材料的特殊性，先進的焊接方法與合理的焊接工藝是解決問題的入手點[1-3]。

2 基材的焊接性分析

2.1 基材的化學成分及力學性能

母材材質分別為高強耐磨鋼中板和中碳低合金Mn-Si鑄鋼槽鋼，母材評定標準分別按照GB/T 24186—2009《工程機械用高強度耐磨鋼板》和JB/T 5000.6—2007 《重型機械通用技術條件》第6部分鑄鋼件進行。母材化學成分及力學性能分別見表1和表2。中板高強耐磨鋼的顯微組織為馬氏體+極少量貝氏體（見圖1），晶粒度約為6.5級。中碳低合金Mn-Si鑄鋼的顯微組織為回火索氏體，晶粒度約為6.0級。

表1 基材化學成分（質量分數） （%）

表2 兩種基材的力學性能

圖1 母材的金相顯微組織

2.2 基材的焊接性能分析

鋼的焊接性能與其成分關系很大，尤其是碳含量。提高鋼中的碳含量是得到高強度的一種最有效辦法，但由于碳含量的增高將會導致焊接性能的降低。因此，通過對鋼的碳當量估算，可以初步衡量低合金高強度鋼冷裂敏感性的高低，這對焊接工藝條件，如預熱、焊后熱處理、熱輸入等的確定具有重要的指導作用。

碳當量就是把鋼中包括碳在內的對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當含量。當碳含量高時，焊接區容易產生裂紋，合金元素含量的增加也容易產生開裂現象，因此可以用合金成分的“碳當量”概念來表示焊接性能的好壞，常用的碳當量的經驗計算公式為：Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15，式中元素符號代表這些元素在鋼中的重量百分比。

由以上公式計算得： Ceq（NM400）=0.463%，Ceq（ZG30SiMn）=0.55%，當Ceq＜0.4%時，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好；當0.4% ＜Ceq ＜0.6%時，鋼材焊接冷裂傾向較顯著，焊接性較差，焊接時需要預熱鋼材和采取其他工藝措施來防止裂紋；當Ceq＞0.6%時，鋼材焊接冷裂嚴重，焊接性能很差，基本上不適合焊接，或者只有在嚴格的工藝措施下和較高的預熱溫度下才能進行焊接操作。通過計算，試驗用材料碳當量均在0.4%~0.6%之間，焊接性較差，冷裂紋傾向較為嚴重。因此，為防止冷裂紋的產生，必須嚴格控制焊接時的氫源及選擇合適的焊接方法及工藝參數。

高強度耐磨鋼屬于低碳合金鋼，它的合金元素成分復雜，強度級別高。但它的S、P含量控制在一個很低的水平，相對來說含錳量較高，Mn/S=385，由此判斷該鋼種焊接的熱裂紋傾向小，在此只重于冷裂傾向分析。Mn-Si鑄鋼由于含C、S、P雜質高，Mn/S=57.8，焊縫中焊接熔合區和熱影響區受Mn、S的影響，液化裂紋敏感性較低，熱裂紋傾向較小，因此，這兩種鋼焊接所面臨解決的問題：一是防止冷裂紋，二是保證滿足高強度要求的同時，提高焊縫金屬及熱影響區的沖擊韌度。

3 直Y形裂紋敏感性試驗

3.1 試驗設備

激光-MAG復合焊接系統包括6kW光纖激光器，光纖直徑0.3mm，福尼斯TPS4000型焊機，平面工作臺及自制行走機構，如圖2所示。

3.2 試驗方法

圖2 激光-MAG復合熱源焊接系統

評定材料的冷裂紋敏感性，常用的方法有斜Y形坡口拘束裂紋試驗、直Y形坡口拘束裂紋試驗、剛性拘束試驗以及插銷試驗等，而對于激光-電弧復合焊接方法，由于激光熔深與弧焊熔深比較大，斜Y形坡口試驗尖角位置尖，不利于激光-復合焊接方法，而插銷試驗需要有專門的試驗裝置，現場操作困難，因此，本試驗在考察冷裂紋敏感性方面，采用直Y形坡口拘束裂紋試驗來評定材料的焊接冷裂紋傾向。由于受復合熱源焊接工藝特點的影響，在實際復合焊接過程中接頭對接間隙一般不超過1mm。直Y形坡口拘束裂紋鐵研試件的形狀和尺寸的設計參考GB 4675.1—1984焊接性試驗《斜Y形坡口焊接裂紋試驗方法》，如圖3所示。試驗先按照圖3組裝試板，然后焊接拘束焊縫，拘束焊縫采用雙面焊接，并且在焊接過程中要求不產生角變形和未焊透等影響焊接質量的缺陷，試驗焊縫冷卻并靜置48h后，并計算相應的裂紋率。試驗所用焊接參數，見表3 、表4。

圖3 直Y形坡口裂紋試件尺寸

表3 試驗焊接參數

表4 直Y形坡口裂紋敏感性試驗結果

試驗分別選用ER69-G、ER50-G焊絲，選用表3、表4焊接參數，采用激光-MAG復合熱源對高強度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼異種鋼進行直Y形鐵研焊接試驗。試驗結果顯示，當預熱溫度較低時，焊縫中心位置存在一條從上至下貫穿整條焊縫的裂紋，且此裂紋為穿晶斷裂，屬于典型的冷裂紋；經過試驗結果可知，對于選用ER69-G級別焊絲，預熱溫度應≥120℃，同樣選用ER50-6級別焊絲，預熱溫度應≥100℃。

4 結束語

試驗結果證明，對于高強度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼采用激光-MAG復合熱源焊焊接時，選取合適的激光功率、焊接材料及焊接參數，可有效避免裂紋的出現。

1）當焊絲選用ER69-G，激光功率選用3500W，預熱溫度120℃，焊接電流控制在280~220A，電壓控制在18～20V時，可有效避免焊接裂紋的出現。

2）焊絲選用ER59-G，激光功率選用3500W，預熱溫度130℃，焊接電流控制在280～220A，電壓控制在18～20V時，可有效避免焊接裂紋的出現。