CN105397243A - 厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法 - Google Patents

厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料焊接技术领域，涉及一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢焊接方法，包括如下步骤：将厚规格耐磨钢板与相同板厚40～50mm的高强度铸钢组合对接；选用CO2和Ar混合气体和60-80Kg级实心焊丝施焊；焊前对钢板坡口边缘20mm处的油污、铁锈均修磨干净；采用固定点焊接，采用带钝边K型坡口，坡口间隙2～5mm，焊前采用80～150℃预热，焊缝层间温度控制在180～225℃。本发明焊接接头不仅具有较高强度，而且平焊接头和角焊接头的焊缝表面和内部没有缺陷。

Description

厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法
技术领域
本发明属于钢铁材料焊接技术领域，涉及一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢焊接方法，特别涉及一种40～50mm厚规格硬度级别为HBW450级高级别耐磨钢板与高强度铸钢焊接方法。
背景技术
耐磨钢板广泛应用于高耐磨性能的工程、采矿、建筑、水泥生产、煤炭、电力以及冶金等机械产品上，如超大型自卸卡车、推土机、刮板输送机及转载机等应用工况恶劣的设备上。同时，耐磨钢通常为焊接结构件，尤其在煤矿综采设备上和铸件焊接较多，这就要求耐磨钢母材除了具备优异的耐磨性外，焊接接头位置也需要具备优异的综合性能。
高强度耐磨钢尤其是HBW450耐磨钢由于含碳量在0.48％以上，成分碳含量较高，同时加入Cr、Mo、B等提高淬透性及淬硬性的合金元素，因而其硬度和脆性较大，增加了高强度耐磨钢冷裂纹的敏感性；同时，对焊材铸件尤其是900MPa级别高强度铸件，C、Cr、B等提高淬透性及淬硬性元素含量高，铸态组织以柱状晶分布，经调质后达到强度要求，组织以回火马氏体为主，但原始奥氏体晶粒极为粗大，这就直接导致韧性差，焊接极易出现开裂等质量风险。在焊接过程中，由于受到焊接热循环的作用，焊接接头热影响粗晶区过热，奥氏体晶粒严重粗化，在焊后快速冷却过程中产生粗大淬硬的马氏体组织，导致热影响粗晶区成为该钢焊接接头的冷裂纹主要敏感区之一。对于强度级别大于1000MPa的HBW450级耐磨钢和900MPa级铸钢对焊时，尤其厚度规格在40mm以上的耐磨钢和铸钢对焊时，由于厚度规格大、焊接裂纹敏感性强，焊接时开裂等质量风险更大。与此同时，要使焊缝金属与母材达到等强匹配存在很大的技术难度，即使焊缝达到了等强，往往焊缝的塑韧性降低到了不可接受的程度，抗裂性能也随之显著下降，为了防止焊接裂纹的产生，科学的工艺技术条件就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的一个目的在于提供一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，该焊接方法在施焊前预热，焊接材料按照低强匹配原则，采用合适的焊接材料和较高的热输入，保证了焊接接头抗拉强度达到900MPa以上，而且使焊缝表面没有缺陷，大大提高了焊接使用寿命和安全可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，所述耐磨钢板和高强度铸钢厚度相同，其中所述耐磨钢板硬度范围为HBW420-470(比如HBW425、HBW430、HBW440、HBW450、HBW460、HBW465)，抗拉强度范围为1200MPa-1600MPa(比如1220MPa、1250MPa、1280MPa、1300MPa、1320MPa、1350MPa、1380MPa、1420MPa、1440MPa、1480MPa、1520MPa、1550MPa、1580MPa)；所述高强度铸钢的抗拉强度范围为900MPa-1100MPa(比如920MPa、950MPa、980MPa、1000MPa、1020MPa、1050MPa、1080MPa)；该焊接方法包括如下步骤：
预处理步骤，焊前对所述耐磨钢板的坡口边缘15-25mm(比如16mm、18mm、20mm、22mm、24mm)处和所述铸钢端面(即焊接面)进行清理打磨；
预热步骤，将清理打磨后的所述耐磨钢板和所述铸钢进行预热，预热温度为80～150℃(比如82℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、148℃)，预热时间150-200min(比如155min、160min、165min、170min、175min、180min、185min、190min、195min)；
焊接步骤，选用30-15vol％CO2(比如28vol％、25vol％、22vol％、20vol％、18vol％、16vol％)与70-85vol％Ar(比如72vol％、75vol％、78vol％、80vol％、82vol％、84vol％)的混合气体和60-80Kg(比如62Kg、64Kg、66Kg、68Kg、70Kg、72Kg、74Kg、76Kg、78Kg)级实心焊丝进行固定点焊接；其中，
焊接坡口为带钝边K型坡口；
焊缝层间温度控制在180～225℃(比如182℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、223℃)；
打底焊时，焊接电流为220～250A(比如222A、225A、230A、235A、240A、245A、248A)，焊接电压为22～26V(比如23V、24V、25V)，焊接速度为25～35cm/min(比如26cm/min、28cm/min、30cm/min、32cm/min、34cm/min)，热输入控制在8-13kJ/cm(比如9kJ/cm、10kJ/cm、11kJ/cm、12kJ/cm)；
层间焊时，焊接电流控制在300～350A(比如302A、305A、310A、315A、320A、325A、330A、335A、340A、345A、348A)，焊接电压为30～35V(比如31V、32V、33V、34V)，焊接速度为25～35cm/min(比如26cm/min、28cm/min、30cm/min、32cm/min、34cm/min)，热输入控制在20～25kJ/cm(比如21kJ/cm、22kJ/cm、23kJ/cm、24kJ/cm)；
盖面层时，焊接电流控制在350～400A(比如352A、355A、360A、365A、370A、375A、380A、385A、390A、395A、398A)，焊接电压为33～38V(比如34V、35V、36V、37V)，焊接速度为20～25cm/min(比如26cm/min、28cm/min、30cm/min、32cm/min、34cm/min)，热输入控制在33～40kJ/cm(比如34kJ/cm、35kJ/cm、36kJ/cm、37kJ/cm、38kJ/cm、39kJ/cm)。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，所述耐磨钢板为碳当量大于0.45％；更优选地，所述耐磨钢板是碳当量大于0.48％，抗拉强度为1450MPa，硬度级别为HBW450级的耐磨钢NM450。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，所述耐磨钢板和所述铸钢的厚度为40mm～50mm(比如42mm、44mm、45mm、46mm、48mm)。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，所述高强度铸钢为抗拉强度950MPa的铸钢。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，在焊接步骤中，所述混合气体为20vol％CO2和80vol％Ar的混合气体，即所述混合气体中，CO2的体积百分比为20vol％，Ar的体积百分比为80vol％；所述实心焊丝为抗拉强度70Kg级实心焊丝。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，所述焊接坡口中，坡口角度α为38～42°(比如39°、40°、41°)，坡口组装间隙c为2～5mm(比如2.2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、4.8mm)，钝边b为1～3mm(比如1.2mm、1.5mm、2mm、2.5mm、2.8mm)。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，在所述焊接步骤中，采用多层多道连续施焊。
上述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，作为一种优选实施方式，所述实心焊丝按重量百分比由以下化学组分组成：C：≤0.10％，Mn：1.50～1.80％，Si：0.40～0.80％，P：≤0.020％，S：≤0.002％，Mo：0.25～0.50％，Ni：1.30～1.50％，Cr：0.20～0.40％，Cu≤0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质。更优选地，所述实心焊丝按重量百分比由以下化学组分组成：C：0.06％，Mn：1.65％，Si：0.55％，P：0.012％，S：0.001％，Mo：0.36％，Ni：1.40％，Cr：0.31％，Cu：0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用CO2和Ar混合气体保护焊，焊接材料按照低强匹配原则选用抗拉强度60-80Kg级实心焊丝施焊，采用科学焊接工艺，焊前进行预热，焊后不进行热处理，较高的热输入，实现了焊接接头较高的强度以及良好的表面和内部质量，焊接接头不仅具有较高强度而且具有良好的冲击韧性，抗拉强度Rm900MPa以上，延伸率7％以上，焊缝中心-20℃冲击功达到88J以上，熔合区铸钢端-20℃冲击功达到25J以上，熔合区耐磨钢端-20℃冲击功达到90J以上；而且平焊接头和角焊接头的焊缝表面和内部没有缺陷，确保综合机械性能满足设计要求，且大大提高了焊接使用寿命和安全可靠性。
附图说明
图1为耐磨钢板与铸钢焊接试板组合焊坡口示意图。
图2为耐磨钢板与铸钢焊接试板组合焊坡口放大示意图。
l：试件长度；a：试件宽度；δ：试件厚度；α：坡口角度；b：钝边；c：坡口组装间隙
具体实施方式
以下实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述各实施例。
实施例1
选用淬火+低温回火处理生产的碳当量大于0.48％、抗拉强度1480MPa、硬度级别为HBW450级的高强度耐磨钢板NM450以及抗拉强度950MPa级的铸钢作为待焊接材料，厚板组合即二者板厚为40mm+40mm。两块试板尺寸均为600mm(纵向，l)×300mm(横向，a)×40mm(厚度，δ)；
匹配的焊接材料：抗拉强度70Kg级实心焊丝，其化学组分及重量百分比为：C：0.06％，Mn：1.65％，Si：0.55％，P：0.012％，S：0.001％，Mo：0.36％，Ni：1.40％，Cr：0.31％，Cu：0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质。该焊丝的制备采用本领域常用的真空吸铸法进行制备。
保护气体：20vol％CO2+80vol％Ar混合气体。
具体焊接方法如下：
(1)机械加工气体保护焊坡口，耐磨钢采用带钝边K型坡口，参见图1和2，坡口角度α为40°，坡口组装间隙c为3mm，钝边b为2mm，对焊的铸钢件端部即焊接部铣平；
(2)预处理：耐磨钢坡口边缘20mm处和铸钢件端部的油污、铁锈均修磨干净，清除焊缝周边的铁锈、油污；
(3)预热：焊前对耐磨钢和铸件进行预热，预热温度为100℃，预热时间为160min；
(4)采用固定点焊接，打底焊时，焊接电流控制在225A，焊接电压23V，焊接速度28cm/min，热输入控制在9kJ/cm；层间焊时，焊接电流控制在320A，焊接电压32V，焊接速度28cm/min，热输入控制在22kJ/cm；盖面层时，焊接电流控制在370A，焊接电压36V，焊接速度23cm/min，热输入控制在36kJ/cm；对厚度为40mm+40mm组合耐磨钢板和铸件气体保护焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，焊缝层间温度控制在220℃。
经对采用上述焊接方法焊接的高强度耐磨钢板NM450和950MPa级铸件对接接头进行力学性能检测，共测试10件焊接后的对接接头，其接头力学性能为：抗拉强度Rm：930-940MPa，延伸率8-10％，焊缝中心-20℃冲击功达到88J-90J，熔合区铸钢端-20℃冲击功达到25J-30J，熔合区耐磨钢端-20℃冲击功达到95J-100J；断裂位置：焊缝；经超声波无损探伤检测表明，平焊接头和角焊接头的焊缝表面和内部没有缺陷。
实施例2
选用淬火+低温回火处理生产的碳当量大于0.48％、抗拉强度1500MPa、硬度级别为HBW450级的高强度耐磨钢板NM450和抗拉强度980MPa级铸钢作为待焊接金属板，厚板组合即二者板厚为50mm+50mm。试板尺寸为600mm(纵向，l)×300mm(横向，a)×50mm(厚度，δ)；
匹配的焊接材料：抗拉强度70Kg级实心焊丝的化学组分及重量百分比为：C：0.05％，Mn：1.55％，Si：0.56％，P：0.011％，S：0.001％，Mo：0.38％，Ni：1.42％，Cr：0.33％，Cu：0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。该焊丝的制备采用本领域常用的真空吸铸法进行制备。
保护气体：20vol％CO2+80vol％Ar混合气体。
(1)机械加工气体保护焊坡口，耐磨钢采用带钝边K型坡口，坡口角度α为41°，坡口组装间隙c为2mm，钝边b为1mm，对焊铸件端部即焊接部铣平；
(2)预处理：将距离耐磨钢坡口边缘20mm处和铸件端部的油污、铁锈均修磨干净，清除焊缝周边的铁锈、油污；
(3)预热：焊前对耐磨钢和铸件进行预热，预热温度为125℃，预热时间为190min；
(4)焊接：采用固定点焊接，打底焊时，焊接电流控制在238A，焊接电压25V，焊接速度30cm/min，热输入控制在11kJ/cm；层间焊时，焊接电流控制在335A，焊接电压35V，焊接速度30cm/min，热输入控制在24kJ/cm；盖面层时，焊接电流控制在380A，焊接电压38V，焊接速度25cm/min，热输入控制在38kJ/cm；对厚度为50mm+50mm组合耐磨钢板和铸件气体保护焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，焊缝层间温度控制在220℃。
经对采用上述焊接方法焊接的高强度耐磨钢板NM450和980MPa级铸件对接接头力学性能检测，共测试10件焊接后的对接接头，其接头力学性能为：抗拉强度Rm：915-925MPa，延伸率7-11％，焊缝中心-20℃冲击功达到90-95J，熔合区铸钢端-20℃冲击功达到26-32J，熔合区耐磨钢端-20℃冲击功达到90-98J；断裂位置：焊缝；经超声波无损探伤检测表明，平焊接头和角焊接头的焊缝表面和内部没有缺陷。
本发明的工艺参数(如电流、电压、热输入等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。

Claims (10)

1.一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述耐磨钢板和高强度铸钢的厚度相同，其中所述耐磨钢板的硬度范围为HBW420-470，抗拉强度范围为1200MPa-1600MPa；所述高强度铸钢的抗拉强度范围为900MPa-1100MPa；所述焊接方法包括如下步骤：
预处理步骤，焊前对所述耐磨钢板的坡口边缘15-25mm处和所述铸钢端面进行清理打磨；
预热步骤，将清理打磨后的所述耐磨钢板和所述铸钢进行预热，预热温度为80～150℃，预热时间150-200min；
焊接步骤，选用30-15vol％CO2与70-85vol％Ar的混合气体和60-80Kg级实心焊丝进行固定点焊接；其中，
焊接坡口为带钝边K型坡口；
焊缝层间温度控制在180～225℃；
打底焊时，焊接电流为220～250A，焊接电压为22～26V，焊接速度为25～35cm/min，热输入控制在8-13kJ/cm；
层间焊时，焊接电流控制在300～350A，焊接电压为30～35V，焊接速度为25～35cm/min，热输入控制在20～25kJ/cm；
盖面层时，焊接电流控制在350～400A，焊接电压为33～38V，焊接速度为20～25cm/min，热输入控制在33～40kJ/cm。
2.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述耐磨钢板为碳当量大于0.45％。
3.根据权利要求2所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述耐磨钢板是碳当量大于0.48％、抗拉强度1450MPa、硬度级别为HBW450级的耐磨钢NM450。
4.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述耐磨钢板和所述铸钢的厚度为40mm～50mm。
5.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述高强度铸钢为抗拉强度950MPa的铸钢。
6.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，在焊接步骤中，所述混合气体为20vol％CO2和80vol％Ar的混合气体，所述实心焊丝为抗拉强度70Kg级实心焊丝。
7.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述焊接坡口中，坡口角度α为38～42°，坡口组装间隙c为2～5mm，钝边b为1～3mm。
8.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，在所述焊接步骤中，采用多层多道连续施焊。
9.根据权利要求1所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述实心焊丝按重量百分比由以下化学组分组成：C：≤0.10％，Mn：1.50～1.80％，Si：0.40～0.80％，P：≤0.020％，S：≤0.002％，Mo：0.25～0.50％，Ni：1.30～1.50％，Cr：0.20～0.40％，Cu≤0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，其特征在于，所述实心焊丝按重量百分比由以下化学组分组成：C：0.06％，Mn：1.65％，Si：0.55％，P：0.012％，S：0.001％，Mo：0.36％，Ni：1.40％，Cr：0.31％，Cu：0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质。
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