CN113579430B

CN113579430B - 一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法

Info

Publication number: CN113579430B
Application number: CN202110829315.7A
Authority: CN
Inventors: 黄治军; 何亚元; 胡唐国; 郑绍鹏; 陈浮; 王辉; 牟文广
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113579430A

Abstract

一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法：焊接母材：钢板厚度10~20mm；硬度不低于420HBW；匹配焊接材料：焊丝直径Φ2.5~3.2mm；匹配焊剂为碱SJ101，焊剂烘烤制度为380℃+2小时；坡口形式：双Y型，单侧角度30~35°；钝边：5~7mm；焊接工艺；焊接：先对小坡口面焊接并1道焊满；在无需清根下进行大坡口面的焊接并不超过2道焊满。本发明不仅焊前不需预热、焊后不需热处理，免清根，且还使焊接道次不超过3道次，焊接接头近缝区硬度达到370HV₁₀以上，达到母材硬度的0.87视为与母材等硬，焊缝宽与板厚之比≤0.8，热影响区窄。等硬近缝区将低匹配焊缝与软化的热影响区分割，从而使焊接接头仍能保持良好耐磨性能。

Description

一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨钢埋弧焊工艺，具体属于耐磨钢高效窄缝的埋弧焊接方法。

背景技术

钢铁绿色及减量化制造技术促进了低合金耐磨钢的开发，由于合金含量低、综合性能良好，已逐步在装载机、挖掘机、疏浚管等得到越来越多的应用,且以中厚板为主。通过淬火加低温回火工艺，使钢种达到高强度及高韧性，并具有优良的焊接抗裂性能。这些耐磨钢的成分及性能在GB/T 24186《工程机械用高强度耐磨钢板》中都有规定。

耐磨钢一般焊于其它支撑结构上，用于抗磨损的部位，焊缝多起连接作用；但是在某些场合如耐磨输送管，则要求焊缝也要有良好的耐磨性能，对于此类应用，焊缝则不只起连接作用，焊接接头已成为工作部位，这样对焊接接头耐磨性能等都有相当的要求。

经检索：

文献“低合金耐磨钢板NM450焊接性能研究.宽厚板“2017.12”采用了700MPa级气保焊丝对20mm厚NM450进行焊接，其采用双X型坡口，单侧坡口角度30°。其存在焊前需预热，焊接道次多，焊接效率低，焊缝宽度达20mm的不足。

还有文献“Hardox 500耐磨钢板的焊接性及其应用.机械工程材料，2006.7”，用500～600MPa级别的低合金钢焊条焊接取得了较好的效果，已在产品上成功应用。但其焊条没法实现自动焊接方式，导致焊接效率低。

绿色焊接制造是当代发展趋势，对于中等厚度钢板较规则的焊缝，采用埋弧焊具有自动化及高效率的特点，深受钢结构制造企业的青睐；但如果埋弧焊工艺设计不当，将会导致焊接线能量过大、接头软化严重及焊缝填充金属多等不利情况。目前此类钢多采用气体保护焊，但气体保护焊线能量较低，电弧穿透力比较弱，导致焊接效率低。也有少数采用埋弧焊的，但焊接坡口及焊接工艺设计不太合理，一味采用过大的焊接线能量，焊缝宽度/板厚之比达到1.4，接头软化程度大，耐磨性能受到较大影响。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种针对厚度10～20mm、硬度≥420HBW耐磨钢，且在焊前不预热、焊后不热处理，免清根下，焊接不超过3道次，焊缝宽与板厚之比≤0.8，热影响区窄，焊接接头近缝区硬度不低于370HV₁₀，将低匹配焊缝与软化的热影响区分割，使焊接接头整体上保持了优良耐磨性能的中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法。

实现上述目的的措施：

一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法，其特征在于：其步骤：

1)焊接母材：钢板厚度10～20mm；硬度不低于420HBW；

母材成分及重量百分比含量：C：0.16～0.30％，Si：0.30～0.60％，Mn：1.25～1.70％，P≤0.015％，S≤0.010％，Als：0.015～0.030％，Cr+Mo：0.4～1.2％，Ti+Nb+V：0.03～0.12％，其余为Fe及不可避免的杂质；

2)匹配焊接材料：焊丝直径Φ2.5～3.2mm；匹配焊剂为碱SJ101，焊剂烘烤制度为380℃+2小时；

3)坡口形式：双Y型，单侧角度30～35°；钝边：5～7mm；且控制大坡口面及小坡口面的焊缝宽度与焊板厚度之比均≤0.8实施焊接；

4)焊接工艺

电流密度控制在不低于80A/mm²；焊接电流：大坡口面在400～750A，小坡口面在400～680A；焊接电压：大坡口面在31～34V，小坡口面在30～32V；焊接线能量9～20kJ/cm，且满足线能量/焊板厚度比在7～12kJ/cm²；大坡口面及小坡口面的焊接速度均在70～100cm/min；

5)进行焊接

a、先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，1道焊满；

b、小坡口面焊接结束后，在无需清根的情况下进行坡口较深的大坡口面的焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小坡口面，不超过2道焊满。

其在于：所述焊丝化学成分及重量百分比含量：C：0.08～0.15％,Si≤0.2％,Mn：1.5～1.9％,Mo：0.4～0.7％,Cr：0.4～0.7％，Ni：2.2～2.5％。

其在于：所述大坡口面及小坡口面的总焊接道次不超过3道次。

其在于：所述大坡口面及小坡口面的焊接均无需焊前预热、焊后热处理，且免清根。

本发明中主要工艺的作用及机理

为了得到高效及高质量的埋弧焊接接头，本发明考虑的主要因素如下：

关于焊接坡口：为了形成有效的焊缝，必须在焊接边端加工坡口，以便埋弧焊电弧加热及熔化焊接端面、填充焊缝金属。之所以采用坡口形式为双Y型，单侧角度在30～35°，是由于埋弧焊的穿透力强，故在设计坡口时要留有5～7mm的钝边，这样不仅是坡口加工量减少，还能在埋弧焊时钝边熔入焊缝，显著减少焊缝的填充量，进而可显著提高工序效率。

关于焊缝：合格的焊缝，在正、反面焊缝要有一定叠合量，一定的余高及合适宽度，这样才能得到形状较好的焊缝。而正、反面焊缝的重合量需要两面足够的熔深作保证。对于耐磨钢，由于难以实现焊缝与母材的等强匹配，因此在保证焊缝尺寸合格的情况下，应尽量减少焊缝宽度。为此本发明将焊缝宽与板厚之比控制在0.8以下。

关于焊接线能量：其选择依据是被焊工件钢板的厚度以及被焊工件钢板在冶金性能上能否承受。由于耐磨钢为淬火+回火态(QT态)，焊接时被加热至母材回火温度以上的热影响区将产生不同程度的软化。显然，热影响区的宽度将随线能量的增加而增加。根据大量试验，本发明则控制线能量在9～20kJ/cm，且线能量/厚度比为7～12kJ/cm²。在线能量确定后，将其分解为电流、电压及焊速。

关于电流密度：电流密度是焊丝单位截面积上的电流，即电流/焊丝截面积，单位为A/mm²，电流密度越大，则电弧穿透力越强。根据大量试验，本发明将电流密度控制在不低于80A/mm²。电流密度受焊丝直径影响较大，为了兼顾电弧加热范围及电流密度，故焊丝直径选择为2.5～3.2mm。

关于焊材：熔化的焊材与母材一起凝固后成为焊缝，选用焊丝的化学成分(wt％)为：C0.08～0.15,Si≤0.2,Mn1.5～1.9,Mo0.4～0.7,Cr0.4～0.7，Ni2.2～2.5，匹配的焊剂为SJ101，就可得到所需要的焊缝性能。

本发明针对厚度10～20mm、硬度≥420HBW耐磨钢，其成分范围为(wt％)C0.16～0.30，Si0.30～0.60，Mn1.25～1.70，P≤0.015，S≤0.010，Als0.015～0.030，Cr+Mo为0.4～1.2，Ti+Nb+V为0.03～0.12，开发了高效埋弧焊工艺，达到预期效果，具有良好应用潜力。

本发明相比气保焊和手工焊，埋弧焊易于实现自动化，且具有较大的熔深。采用焊丝化学成分(wt％):C0.08～0.15,Si≤0.2,Mn1.5～1.9,Mo0.4～0.7,Cr0.4～0.7，Ni2.2～2.5。埋弧焊工艺为：双Y型坡口，单侧角度30～35°，钝边5～7mm。焊丝直径2.5、3.2mm，焊接线能量9～20kJ/cm,其中电流密度不低于80A/mm²，且线能量/厚度比7～12kJ/cm²。

本发明与现有技术相比，不仅焊前不需预热、焊后不需热处理，免清根，且还使焊接道次不超过3道次，焊接接头近缝区硬度达到370HV₁₀以上，焊缝宽与板厚之比≤0.8，热影响区窄。由于焊接接头近缝区最高硬度达到母材的0.87,按超高强钢等强匹配原则，可视为与母材等硬。等硬近缝区将低匹配焊缝与软化的热影响区分割，提升了焊接接头沟槽沉积缓磨效应，从而使焊接接头仍能保持良好耐磨性能。

附图说明

图1为本发明坡口结构示意图；

图2为本发明实施例1的焊缝图片；

图3为本发明实施例2的焊缝图片；

图4为本发明实施例6的焊缝图片；

图5为对比例1的焊缝图片；

图6为对比例2的焊缝图片；

图中：t—为板厚(mm),α—为坡口角度，b—为钝边(mm)，c—为坡口深度(mm)。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

需要说明的是：

1、以下本发明各实施例的焊丝成分及重量百分比含量为是在C：0.08～0.15％,Si≤0.2％,Mn：1.5～1.9％,Mo：0.4～0.7％,Cr：0.4～0.7％，Ni：2.2～2.5％内的任意选择。

2、匹配的SJ101焊剂，其总体组成为SiO₂≤20％，(CaO+MgO+MnO+CaF₂)≥50％，CaF₂≥15％；各实施例所用的SJ101焊剂均采用的是为以下表中成分及重量百分比含量组成的：

焊剂

CaF2

MnO

SiO2

CaO

MgO

其它

SJ101

23.0

4.5

19.0

4.2

19

TiO2,Al2O3,K2O等

表1为本发明各实施例及对比例坡口形式及尺寸取值列表；

表2为本发明各实施例与对比例工艺参数取值；

表3为本发明各实施例与对比例实验结果列表。

本发明各实施例均按以下步骤生产：

1)焊接母材：钢板厚度10～20mm；硬度不低于420HBW；

4)焊接工艺

5)进行焊接

a、先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，1道焊满；

表1本发明各实施例及对比例坡口形式及尺寸

注：小面即坡口深度较小的小坡口面；大面即坡口深度较大的大坡口面。

表2本发明各实施例及对比例焊接工艺参数

表3本发明各实施例及对比例焊接接头成形及性能

实施例说明：

1～7号对不同厚度钢板采用了不同坡口及焊接参数进行焊接，焊接条件(线能量、线能量-板厚比、焊丝直径等)处于设定范围，焊接结果(缝宽与板厚比、近缝区最高硬度等)均满足要求。其中1、2号(实施例)板厚分别为10mm及15mm，试板两面各焊一道：先焊小面，不清根再焊大面；焊缝成形良好(形貌分别如图2及图3所示)，焊缝宽与板厚之比、近缝区最高硬度等均达到要求。3、4、5、6及7号(实施例)板厚分别为15～20mm，试板小面焊一道，大面焊两道：先焊小面，不清根再焊大面；焊缝成形良好(其中6号实施例形貌如图4所示)，焊缝宽与板厚之比、近缝区最高硬度等均达到要求。

对比例1基本上采用了实施例2的焊接条件，差别在于焊丝直径改为4mm，超过限定范围。由于焊丝直径增加，一方面小面及大面电流密度分别降为52A/mm²及60A/mm²低于80A/mm²，电弧的穿透力下降，导致两面焊缝产生未叠合缺陷(未熔透，如图5)，这将显著降低接头的强度；另一方面，电弧加热范围变宽，使焊缝及热影响区宽度明显增加，接头软化程度显著增加，接头耐磨性能下降。

对比例2采用了直径为4mm的焊丝，为避免产生未熔合，填满焊缝，将钝边减至4mm，且将提高线能量至26kJ/cm及30kJ/cm。由于焊丝直径增加及线能量增加，电弧加热范围变宽，使焊缝及热影响区宽度明显增加(如图6)，近缝区最高硬度显著降低，接头耐磨性能下降；同时，焊接热影响区韧性下降，抵抗冲击能力变差。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法，其特征在于：其步骤：

1）焊接母材：钢板厚度10~20mm；硬度不低于420HBW；

母材成分及重量百分比含量：C：0.16~0.30%，Si：0.30~0.60%，Mn：1.25~1.70%，P≤0.015%，S≤0.010%，Als：0.015~0.030%，Cr+Mo：0.4~1.2%，Ti+Nb+V：0.03~0.12%，其余为Fe及不可避免的杂质；

2）匹配焊接材料：焊丝直径Φ2.5~3.2mm；匹配焊剂为碱SJ101，焊剂烘烤制度为380℃+2小时；

3）坡口形式：双Y型，单侧角度32.5~35°；钝边：5~7mm；且控制大坡口面及小坡口面的焊缝宽度与焊板厚度之比均≤0.8实施焊接；

4）焊接工艺

电流密度控制在不低于80A/mm²；焊接电流：大坡口面在400~600A，小坡口面在400~680A；焊接电压：大坡口面在31~33V，小坡口面在30~32V；焊接线能量9~20kJ/cm，且满足线能量/焊板厚度比在7~12kJ/cm²；大坡口面及小坡口面的焊接速度均在70~100 cm/min；

5)进行焊接

a、先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，1道焊满；

2.如权利要求1所述的一种适用于中厚板耐磨钢的窄缝埋弧焊接方法，其特征在于：所述大坡口面及小坡口面的焊接均无需焊前预热、焊后热处理，且免清根。