浅析实际生产中耐磨锰钢与Q235B的焊接

【摘 要】Mn13-1耐磨板的碳含量较高，在异种金属焊接中容易出现冷裂纹，影响异种金属之间的熔合和焊接质量。我们在环保设备生产中选用耐磨板做衬里层，通过多次焊接性能试验确定了最佳的焊接工艺，得到了质量合格的焊接接头。

【关键词】环保设备高锰钢Q235B焊接工艺

在设计旋风分离器时为保证设备使用寿命长，同时便于敷设、更换，易磨损部位配有可更换耐磨衬里，以焊接方式敷设耐磨钢板层，初步选择的材料为Mn13耐磨板（高锰钢）。

高锰钢材料在1000～1100℃之间为单一奥氏体组织，为保持此组织，需高温淬火，即在1100～1050℃间的温度内立即水淬至常温，。这类高锰钢常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板等。

一、高锰钢焊接性差的原因和处理方法

（1）热影响区碳化物的析出。高锰钢经水韧处理后，碳全部固溶于奥氏体中，室温下呈单相奥氏体组织，具有良好的韧性，但当重新加热超过250℃时，碳就会沿晶界析出碳化物，使材料的韧性大大下降，因此焊补后，在焊接过程中存在碳化物析出的脆性温度区间，一般是受热温度越高、析出速度越快，随着受热时间的延长，碳化物析出的数量也会增多。同时在焊接热作用下会诱发形成应变马氏体，导致材料性能恶化，不仅失去韧性材料变脆，而且同时还会降低耐磨性和冲击韧度。要想解决此类问题发生，就要从脆性物质形成的机理方面入手分析，其解决的措施有加快施焊时焊件的冷却速度，缩短在高温下停留的时间，以减少碳化物的析出。

（2）热裂纹倾向比较严重。高锰钢的线膨胀系数较高，所以在焊接的时候会产生很大的应力，在S、P有害杂质的作用下，增加了焊接热裂纹形成倾向，易形成焊缝裂纹和近缝区的液化裂纹。此类问题的解决方法是严格控制母材中的S、P含量，特别是焊接材料中的S、P含量，其次是采用锤击焊缝等工艺，减少焊接应力。而且高锰钢性膨胀系数大，在异种金属之间焊接时给裂纹的产生提供了力学因素，也促使了热裂纹形成。

无论是焊缝结晶裂纹还是产生在母材近缝区的液化裂纹，都是都属于热裂纹，都是在焊接时高温下产生的。所以虽然锰钢类材料有着姣好的脑耐磨损行，但其较差的焊接性在一定程度上限制了材料的广泛使用。很多情况下都是加工成铸钢件整体成型。

二、高锰钢在焊接工艺上的基本特点和采取的措施：

（1）焊接时要尽可能地采用小线能量，尽量减少基本金属受热，采取措施为尽可能地加快接头的冷却。采用热源集中、电流小的短电弧，直流反接，用跳焊、短段焊、间隙焊等工艺措施能在一定程度上减少碳化物的析出。

（2）据有关资料显示，从碳化物的350℃附近抗拉强度逐渐降低，在晶界上碳化物薄膜最为发达的750℃时达到最低值。在650℃时硬度值最高，可见550℃～700℃温度范围内是碳化物析出最严重的温度区间，对机械性能的影响尤为重要。因而在控制高锰钢焊接工艺时如何有效的缩短550℃～700℃的冷却时间是提高焊接质量非常重要的一个重要环节。

三、耐磨锰钢焊接与异种金属之间焊接性分析

在考虑耐磨锰钢焊接性的同时，还必须考虑异种金属之间的焊接性，分析不同性能的两种金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运行的能力。

（1）异种金属的熔点差异带来的困难。熔点低的金属达到熔化状态时，熔点高的金属仍呈固体状态，这时已在焊接过程中，焊接受热后先熔化的金属容易渗人未熔金属过热区的晶界，使过热区的组织性能降低，当熔点高的金属先熔化时，势必造成熔点低的金属流失，合金元素烧损或蒸发，使焊接接头难以焊合。

（2）异种金属的线胀系数的差异。相差愈大，愈难进行焊接。高锰钢的线膨胀系数是低碳钢的1.6倍。线胀系数大，冷却时收缩率也大，会产生很大的热应力，。由于焊缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材剥离。

（3）异种金属的热导率差别。不同金属间焊接时热导率的差异易使焊缝结晶条件变坏，晶粒粗化严重，并影响难熔金属的润湿性能。高锰钢的热导率是低碳钢的1/4倍，因此在焊接时，最好使应采用强力热源进行焊接，焊接时热源的位置要移向导热性能好的母材一侧。

四、耐磨锰钢焊接与异种金属之间焊接方法

（1）焊条的选择

焊条选择三种，锰钢之间选用Cr-Mn型焊条D276和D277；异种金属之间选用J507和A302焊条；打底焊条采用Cr-Mn或Cr-Ni先焊一层作隔离焊道，以防产生裂纹。

（2）接头形式

一般实际生产中锰钢的焊接接头由4中形式，见下图。

经过讨论分析，拟采用图a的接头形式，其可以是锰钢与异种金属之间的焊接，也可以是锰钢自身焊接。异种金属之间焊接时，可以在金属A（或B）的破口表面堆焊一层中间金属（打底），然后选用性能与金属B（或A）和中间堆焊金属相近的焊材将堆焊层和金属B（或A）焊接起来。

（3）.焊前准备

焊接接头的坡口按相关规范要求。焊条需经烘烤后保温于保温箱。焊条电弧焊采用直流焊机，电源极性均为直流反接。

焊前严格清理坡口两侧的泥垢、杂质、油垢和铁锈等。（如果是补焊）仔细检查有无起层、裂纹、夹砂、气孔和缩孔等缺陷。若有这些缺陷，应用砂轮或电弧气刨铲出。磨损的部位必须用砂轮磨去硬化层。

（4）.焊接

由于耐磨板材料的特殊性，焊前均不预热，并严格控制层间温度。施焊采用小电流多层多道焊；焊接时不摆动，以窄焊道焊接；施焊时尽量减少母材的熔化量，降低焊缝的含碳量；收弧时弧坑必须填满防止产生裂紋。

焊后用随身焊工手锤锤击焊缝，以消除应力。焊工手锤有一头是尖锤，用尖锤锤击焊接区，可起到一定消除应力的作用，为使熔敷金属得到奥氏体组织，，锤击后要迅速将焊接区进行喷水冷却。

五、结束语

经过多次的焊接性试验，在最终确定了焊接工艺后开始投入生产。初期仍然出现了热裂纹、脆性裂纹等问题，但最终都得到了圆满解决，确保产品质量满足使用要求。通过实践，感觉在现场条件下实施高锰钢与Q235B异种金属耐磨层焊接的要点有：

（1）焊前准备工作一定要做好。由于现场条件较差，坡口清洁和焊条保温工作没有做好导致了2次大量出现裂纹。

（2）小焊条，小电流有助于避免裂纹产生。

（3）焊后迅速水冷有效果。

通过生产实践，我们基本掌握了耐磨锰钢与普通碳钢之间的焊接工艺应用，为解决脱硫系统中旋风分离器的耐磨使用寿命问题找到了一个可行的方案。

参考文献：

[1]周振丰，焊接冶金与金属焊接性能。北京：机械工业出版社，1988：359-360

[2]郭面焕。高锰钢与高碳钢焊接专用焊条的研制。焊接，1999，（11）15～17

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