南黃河

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院,陜西 渭南 714000)

0 前言

在當今中國各大煤炭生產企業(yè),重型煤炭機械設備刮板輸送機的使用率已成為衡量煤炭企業(yè)井下安全運營、高效生產及煤炭工業(yè)技術現(xiàn)代化的標志[1]。作為井下煤炭資源開采運輸的重要設備之一,刮板輸送機被廣泛應用于規(guī)?；V山、礦藏資源開采,屬于井下綜合機械化礦產資源開采工作面的重要設備[2]。其機身主體為中部槽結構,總質量占刮板輸送機整體質量的75%以上,總長占刮板輸送機整體長度的85%左右,是雙鏈超重型刮板輸送機整套設備的關鍵部件,適用于復雜井況條件下厚煤層的機械化刮采、運輸、裝載等重要工作,也是確保煤礦安全生產的重要設備之一[3-4]。在使用中,中部槽結構承受了來自物料、刮板及鏈條等的拉、壓、彎曲、沖擊、摩擦和腐蝕等多種作用,是刮板輸送機中使用率和消耗率最大的部件,決定了刮板輸送機的使用效率[5-7]。因此,中部槽結構應具有足夠的強度、剛度、耐磨性和耐腐蝕性,對其質量可靠性的研究就非常重要。

經調研,發(fā)現(xiàn)刮板輸送機中部槽結構的槽體焊接部位易出現(xiàn)開裂失效,嚴重降低了中部槽結構的使用壽命和刮板輸送機的使用效率。中部槽結構的槽體部分由擋板槽幫、中板、底板、鏟板槽幫組焊而成,主要涉及中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的焊接。JFEEH400鋼屬于熱軋態(tài)超高強耐磨鋼,由日本JFE鋼鐵公司研究開發(fā),適用于制造鏟斗、裝載機、破碎機等大中型工程設備,該鋼具有較好的耐磨損性能,室溫下抗拉強度可達1 316 MPa,屈服強度可達1 163 MPa。ZG30MnSi鋼屬于中碳(碳含量為0.25%~0.35%)低合金Mn-Si鑄鋼,經調質處理[8-9](先退火處理:880~900 ℃保溫4~6 h隨爐冷卻至300℃后空冷,后淬火處理:900~930 ℃保溫4~6 h出爐水淬,最后回火處理:500~600 ℃保溫4~6 h出爐水淬。)后室溫下抗拉強度可達790 MPa,屈服強度可達450 MPa。經熱處理后有較高強度、硬度和耐磨性,但焊接性較差。

在刮板輸送機中部槽結構焊接生產中,中板JFEEH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的打底焊焊縫質量問題多發(fā),易出現(xiàn)焊接缺陷,嚴重時會造成整條焊縫質量的不合格。生產中,級別較低的微小缺陷,不作為焊接結構件判廢的標準,但在隨后使用中,復雜工況條件綜合影響下,微小缺陷將發(fā)展成為部件失效的主要誘因。鑒于此,該研究結合工程生產實際,在對打底焊工藝及缺陷系統(tǒng)分析和總結的基礎上,優(yōu)化提出大壁厚JFE-EH400和ZG30MnSi異種鋼對焊連接工藝方案且完成焊接,并對母材和焊縫金屬微觀組織及顯微硬度分布特征進行研究,旨在提高中部槽結構生產焊接工藝的穩(wěn)定性和可靠性,為中部槽結構的高質量和批量化生產提供理論參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為壁厚等于40 mm的調質態(tài)超高強JFEEH400耐磨鋼和ZG30MnSi鑄鋼,焊接材料選用?1.2 mm的H08Mn2SiA 氣保護焊絲,試驗鋼和焊絲化學成分見表1。

表1 試驗鋼和焊絲的化學成分(質量分數,%)

焊縫金相試樣橫截面采用砂紙研磨拋光后,用5%HNO3酒精溶液進行腐蝕,采用LeicaMEF-4M光學顯微鏡及日立S4300冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察母材及焊縫金屬的微觀組織形貌和焊接缺陷形貌,并用EDAX Genesis6.0型能譜儀 (EDS) 測試缺陷部位選定微區(qū)的合金元素成分。采用Durascan-70型維氏硬度計測試焊縫橫截面顯微硬度分布。

2 試驗結果及討論

2.1 試驗鋼顯微組織

試驗鋼微觀組織形貌特征如圖1所示。調質態(tài)ZG30MnSi鋼,強度、硬度高,塑韌性能較差,其顯微組織為回火索氏體,晶粒粗大,晶界處和板條束間為白色鐵素體相。而熱軋態(tài)JFE-EH400耐磨鋼微觀組織具有明顯層次性且呈條帶狀,在鐵素體+珠光體組織區(qū)的上下均有大量彌散分布的粒狀析出相,呈帶狀連續(xù)分布,鐵素體相體積分數顯著大于珠光體相;整體呈現(xiàn)鐵素體+珠光體組織為基,析出強化層交替疊加分布形貌特征。鐵素體相屬于“軟相”,位錯密度低,強度、硬度低,塑性好,對材料變形過程有釋緩和協(xié)調作用,具有良好的塑變性能[10-12];而珠光體相強韌性良好,硬度較高,延展性較差,具有一定抗磨損能力[13],兩種組織相的性能匹配使得鐵素體+珠光體組織區(qū)兼具優(yōu)良塑韌性和一定抗磨損性能。另外,大量細小彌散分布的析出相對析出區(qū)組織晶界具有強烈釘扎作用,有效阻止了晶粒粗化,并使位錯穩(wěn)定化,對析出區(qū)材料性能起到析出強化作用[14-15]。使該區(qū)域組織相在擁有良好塑韌性的同時耐磨性、抗沖擊性和抗變形能力均得以加強和提升。這種以鐵素體+珠光體組織為基析出強化層交替疊加分布的組織形貌特征,為中板JFE-EH400耐磨鋼提供了優(yōu)良的綜合性能,包括抗變形、抗沖擊、抗磨損等。

圖1 試驗鋼的顯微組織

2.2 打底焊試驗及焊接缺陷分析

2.2.1 打底焊接試驗

圖2是采用半自動手工CO2氣體保護焊(MAG)對JFE-EH400和ZG30MnSi異種鋼進行打底焊試驗,焊接坡口采用“K”形坡口設計,其形狀參數如圖2a所示。

圖2 焊接坡口形狀參數及刮板輸送機中部槽結構示意圖

根據碳當量計算公式(1)和冷裂紋敏感系數計算公式(2)[16]及表1分別計算兩種鋼的碳當量和冷裂紋敏感系數,計算結果及預熱溫度范圍見表2。

表2 試驗鋼的碳當量、冷裂紋敏感系數及預熱溫度

由表2知,高強耐磨鋼碳當量大于0.5%,冷裂紋敏感系數大于0.3%,焊接時具有較高淬硬傾向和冷裂傾向,焊接性差,而鑄鋼碳當量大于0.6%,焊接時淬硬傾向亦較大,兩種鋼焊接,其焊接接頭熱影響區(qū)和過熱區(qū)存在極高的冷裂和脆化風險。為了規(guī)避此類問題,焊前對該兩種試驗鋼進行預熱處理,預熱溫度根據表2確定為250 ℃,焊接熱輸入按式(3)計算。焊接工藝參數及熱輸入見表3。

表3 打底焊焊接參數及熱輸入

式中:W為焊接熱輸入,kJ/mm;U為焊接電弧電壓,V;I為焊接電流,A;v為焊接速度,mm/min;η為熱效率系數。半自動手工CO2氣體保護焊η取0.9。

2.2.2 打底焊缺陷分析

中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的打底焊焊接接頭的顯微組織及焊接缺陷形貌如圖3所示。由圖3a可知,打底焊上、下焊縫熔覆金屬在中部具有一定重合量(重合深度h約2 mm,重合寬度l約4 mm),在兩邊部與JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼熔合質量良好,熔合線附近無焊接缺陷。但在上、下焊縫熔覆金屬區(qū)呈現(xiàn)出典型的柱狀晶生長形態(tài),熔覆金屬以熔合線外側的母材為基底形核并向焊縫內部和頂部生長,由于溫度梯度作用,隨后生長成為方向性很強的柱狀晶形態(tài)。另外,在上部焊縫金屬(即第一道次焊接金屬)區(qū)中部觀察到了典型的縱向結晶裂紋缺陷,在熔覆金屬重合區(qū)附近觀察到了氣孔缺陷,兩種焊接缺陷均出現(xiàn)在第一道次焊接金屬中。

圖3 JFE-EH400耐磨鋼和ZG30MnSi鑄鋼打底焊焊接接頭及缺陷形貌

由圖3b可知,結晶裂紋產生于焊縫中心部位柱狀晶生長前緣界面處,具有縱向擴展趨勢,長度為1 898.57m,寬度為200m。結晶裂紋產生于焊縫結晶過程,主要由熔池中的雜質物、夾雜物或低熔點共晶物隨焊縫金屬的方向性生長和凝固而被迫推向焊縫中心部位柱狀晶生長前緣界面,并在晶界處聚集[17],顯著降低晶間結合力,在隨后的應力作用下萌生微裂紋,導致開裂。結晶裂紋的存在,大大減弱了焊縫的力學性能,是中部槽結構焊接生產中杜絕出現(xiàn)的質量問題。圖3c為氣孔缺陷,視域內可以觀察到大小不等的兩個氣孔缺陷,相距350m左右,尺寸大小分別為370.9m和100m。氣孔缺陷的產生原因主要有,雜質物帶入、保護氣體不純、供氣不足、氣流紊亂、焊槍噴嘴被飛濺物堵塞或是焊槍噴嘴與工件距離過大等。焊接坡口表面的水分、夾雜物或鐵銹是焊接過程常見的雜質物,含有Fe2O3,Fe3O4和結晶水,焊接過程高溫作用下會發(fā)生連續(xù)化學反應[18](包括3Fe2O3=2Fe3O4+O,2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2,Fe+H2O=FeO+H2和FeO+C=CO+Fe),生成H2和CO有害氣體,是造成焊縫產生氣孔缺陷的主要原因之一。大尺寸、密集連續(xù)型氣孔缺陷,對焊縫性能有嚴重影響,在焊接過程中應盡可能避免。

中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼打底焊焊接接頭裂紋缺陷的SEM圖片及裂尖微區(qū)EDS分析如圖4所示。由圖4a和4b可知,裂紋尖端尺寸較小,而中部寬度和深度尺寸顯著增大,呈現(xiàn)縱深發(fā)展趨勢。對裂紋尖端進行微區(qū)EDS元素掃描分析,分析結果見圖4c和4d。由EDS分析結果可知,裂紋尖端處存在大量夾雜物,其組成主要為氧化物,包括Al2O3,SiO2,TiO2等。焊縫中難熔且硬度偏高的雜質物、夾雜物的存在,為裂紋萌生和擴展提供了條件。因此,施焊前待焊坡口面及槽幫面雜質物的清除應作為工藝規(guī)范,必須嚴格執(zhí)行。

圖4 裂紋缺陷的MES圖片及裂紋尖端EDS分析

2 .3 焊接工藝優(yōu)化及焊縫組織性能

2.3.1 焊接工藝優(yōu)化

根據打底焊試驗及缺陷分析,對中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼的完整對焊連接工藝方案進行優(yōu)化設計,并實施焊接,焊接順序及焊縫外觀成形尺寸如圖5所示。對焊連接工藝方案見表4。嚴格按照圖2a中焊接坡口形狀參數進行JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼的坡口加工并進行組對和定位點焊,再將點焊好的整個工件置于熱處理爐中進行惰性氣體環(huán)境下的預熱。待預熱溫度達到250 ℃后,吊出并按照圖5和表4進行焊接。具體要求,打底焊的焊縫金屬在中部必須有一定重合量且與兩邊母材金屬充分熔合,杜絕出現(xiàn)未焊透、未熔合等問題。

表4 JFE-EH400鋼和ZG30MnSi鋼的對焊連接工藝方案

圖5 焊接順序及焊縫外觀成形尺寸

2.3.2 焊縫組織及顯微硬度

圖6給出了中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼焊接接頭橫截面宏觀形貌和各視域微觀組織。由圖6a知,焊縫橫截面內宏觀形貌清晰,無裂紋、氣孔及其他焊接缺陷存在,且打底焊焊縫金屬具有明顯重合量,重合深度h約6 mm,重合寬度l約4 mm,達到預定要求。

圖6b~6f分別為第1道次打底焊、第2道次打底焊、第3道次填充焊、第4道次填充焊和第6道次蓋面焊焊縫金屬的微觀組織形貌特征。整體看,焊縫金屬各視域顯微組織形貌特征一致,均為相互交錯咬合的針狀鐵素體+多邊形鐵素體+少量珠光體。針狀鐵素體的精細結構單元由更加細小的板條束鐵素體+片狀M-A組元組成,具有一定位錯密度,有效晶粒尺寸較其它組織更加細小[19]。另外,相互交錯咬合的針狀鐵素體組織能有效延長裂紋擴展路徑,增大裂紋擴展阻力,可顯著提高焊縫金屬材料的強韌性[20-21],使焊縫具有更優(yōu)良的綜合力學性能。第3~6道次采用了雙絲、雙面機器人MAG同步施焊,第4~6道次焊接過程還增加了焊槍的擺動,再加之多層多道次焊接熱積累和循環(huán)作用,使得焊接熱輸入較打底焊顯著增大,中間層熔覆金屬組織在長時間劇烈熱作用下,極易粗化。在圖6d和圖6e中可觀察到這種顯著變化,多邊形鐵素體相增多,且晶粒尺寸相對粗大。

圖6g和圖6h分別給出了ZG30MnSi鑄鋼一側焊縫熔合線附近區(qū)域顯微組織形貌特征和JFE-EH400耐磨鋼一側焊縫熔合線附近區(qū)域顯微組織形貌特征。由圖可知,熔合線附近母材組織受焊接熱作用,組織晶粒粗化,在圖6g中可明顯觀察到。

圖6 焊接焊接頭橫截面內各視域顯微組織

表5 焊接接頭顯微硬度測試值 HV10

圖7 焊接接頭橫截面內顯微硬度測試點及硬度值分布特征

綜上論述,該研究開發(fā)的中板JFE-EH400耐磨鋼和槽幫ZG30MnSi鑄鋼對焊連接優(yōu)化工藝方案設計合理,焊縫內部及表面無焊接缺陷存在,綜合性能符合相關技術指標要求,適合于超重型煤礦機械中部槽結構批量化焊接生產,對工程實踐具有重要指導意義。

3 結論

(1)中部槽結構槽幫ZG30MnSi鑄鋼顯微組織結構為回火索氏體,晶粒粗大,晶內馬氏體板條束較精細且取向復雜,晶界處和板條束間為白色鐵素體相;中板JFE-EH400耐磨鋼則呈現(xiàn)鐵素體+珠光體組織為基析出強化層交替疊加分布的組織形貌特征;而焊縫金屬顯微組織為針狀鐵素體+多邊形鐵素體+少量珠光體,形貌呈現(xiàn)相互交錯咬合特征。

(3)大厚度ZG30MnSi鋼與JFE-EH400鋼的焊接,打底焊焊接質量是關鍵,焊接過程雜質物、鐵銹等的帶入是導致焊縫產生裂紋和氣孔缺陷的主要原因之一,需通過規(guī)范操作流程、嚴格執(zhí)行焊接工藝來規(guī)避和解決此類問題。同時,應盡可能采用機器人自動控制焊接,避免人為操作對焊縫質量的影響。