唐立新　邹东　朱宁

摘 要：本文通过在细破碎机的超高锰钢基体上挖补镶块异种高锰钢焊接时，对高锰钢的焊接性能进行分析，选择合适的焊接材料和制定合理的工艺措施，成功地焊接了异种高锰钢的连接缝，保证了焊接质量和接头的性能要求。

关键词：异种高锰钢；焊接；工艺及措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.005

0 引言

攀钢矿业公司选矿厂有一台从荷兰美卓公司进口的圆锥型破碎机，机体材质为ZG120Mn17Cr2，厚度为50mm，属奥氏体超高锰钢。因生产过程中未及时更换护板而受到矿石直接冲击磨损，出现了“穿孔”现象，位置在破碎机后方的立面，经检查穿孔处周围被磨损的面积长约1500mm，宽约450mm，为不影响破碎机正常运行，需对磨损面进行焊接修复。因磨损面积较大，直接进行表面堆焊难度较大，决定采取挖补方式进行修复。由于我厂没有相同材质和厚度的备品材料，只有选择我国生产的废旧破碎机体材质ZGMn13-1（奥氏体高锰钢）来代替挖补处的镶块材料。

1 焊接性分析

（1）高锰钢是经水韧处理后[1]，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，但当重新加热到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，在热影响区的一个区段内会不同程度析出碳化物，不仅失去韧性变脆，而且还会降低耐磨性和冲击韧度。所以焊接时应控制热输入量，加快冷却速度，缩短在高温停留时间等，以减少碳化物析出。

（2）高锰钢的线膨胀系数是低碳钢的1.6倍[1]，但热导率仅是低碳钢的1/6，体积收缩率和线收缩率较大，焊接时会产生很大的应力，在S、P等有害杂质的共同作用下，易产生焊缝热裂纹和热影响区液化裂纹。焊接时应控制焊接材料中的S、P含量，减少热输入量和采取降低应力等措施。ZGMn13-1高锰钢的化学成分和力学性能表1、表2所示。

（3）超高锰钢是在普通高锰钢成分基础上通过提高碳、锰的含量发展而来的[2]。它是锰含量增加到14%～18%的同时，加入1%～3%的Cr和适量的Ti、V、Mo等合金强化元素的超高锰合金。ZG120Mn17Cr2超高锰钢，也具有良好的冲击耐磨性，但其成分和性能较ZGMn13-1更特殊，焊接时容易出现碳化物析出和热裂纹倾向严重的现象，所以焊接工艺和措施较高锰钢应更加要求严格。 ZG120Mn17Cr2超高锰钢的化学成分和力学性能表3、表4所示。

2 焊接方法和焊接材料的选择

（1） 高锰钢焊接时应选择热源集中，热输入小的焊接方法[1]。常用的有焊条电弧焊、熔化及气体保护焊和脉冲焊等，不宜选择气焊和钨极氩弧焊。结合本厂的技术情况和现场环境条件，决定选择焊条电弧焊方法进行焊接修复。

（2）目前焊接高锰钢用焊接材料有多种系列[1]，如Mn-Ni、Mn-Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mn系等。根据破碎机的使用性能和要求综合考虑，选择硫、磷含量低，铬、镍、锰含量较高的（Cr-Ni-Mn系）奥氏体钢焊条A147，其焊缝金属具有良好的力学性能和抗裂性，在冲击下能迅速被加工硬化。A147焊条熔敷金属化学成分和力学性能表5、表6所示。

Mn是促进奥氏体的形成元素[3]，可强化基体，提高强度和耐磨性，与硫化合防止产生脆性。Cr在熔敷金属中主要是提高耐腐蚀性，提高持久强度与抗蠕变性能，Cr与C的亲和力大于Fe和Mn，可减缓奥氏体分解速度。Ni与Fe能无限固溶，扩大Fe的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，还可降低临界转变温度，降低合金元素扩散速率。

3 焊前准备

（1）采用碳弧气刨将挖补处与镶块四周的待连接缝开成U型坡口，预留间隙4～5mm、钝边2～3mm，再用砂轮机除去表面硬化层。为防止基体受热后碳化物析出，整个碳弧气刨过程在缝隙背面进行喷水冷却。

（2） 焊条按规定进行烘干，并放在100℃的保温筒内随用随取。

（3）准备2台直流焊接电源和多把带圆头的小锤（小锤重0.5Kg，圆头直径R=5mm）。

4 焊接工艺及措施

（1）焊接过程采用直流反接、小电流、短弧焊[1]，在熔合良好的情况下尽量提高焊接速度，以控制热输入量。焊接工艺参数表7所示。

（2）由于镶块面积较大，基体较厚，焊接的量也相应较大。为控制焊接应力和防止应力集中，焊缝采取对称分段退焊的顺序，图1 所示，箭头指向焊接方向。先焊两侧立焊缝，再焊上下横焊缝；立焊缝按图中1、2顺序两侧同时对称退焊，横焊缝按3、4、5顺序上下同时对称退焊。

（3）焊缝采取多层多道焊，焊道宽度约为焊条直径的2～3倍。横焊时后一焊道应压住前一焊道的1/3，以使焊层表面平展。

（4）在每段焊缝上焊接时的焊道长度不超过70mm或焊完一根焊条的1/3就灭弧喷水冷却[4]，使焊道及周围的温度不超过100℃，以防止热影响区碳化物析出。

（5）喷水冷却后，立即用带圆头的小锤在焊缝表面进行锤击，达到布满麻点为止，使焊缝产生部分塑性变形来抵消焊缝的部分收缩变形，消除焊缝部分应力。同时由于敲击使破碎金属延展，焊缝扩展，表面形成压应力，可防止裂纹的产生。

（6）每焊完一小段焊道喷水冷却、锤击后，接着焊接下一段焊缝上的焊道（跳焊），依次类推，完成整个镶块焊缝的焊接。

（7）焊接过程中要注意每道间的接头处应错开20mm左右，收弧时填满弧坑；焊道与母材的结合部位应熔合良好。

5 焊后检验及表面处理

（1）焊接完成后外观检查焊缝表面无气孔、夹渣、咬边超标等缺陷。

（2）焊缝表面及周围进行着色检验未发现有裂纹出现。

（3）最后用角向砂轮机修磨焊缝表面余高与原焊缝表面齐平并与边缘熔合处过渡圆滑。

6 结束语

针对超高锰钢与高锰钢的异种钢焊接时，容易出现碳化物析出和热裂倾向严重的现象，通过选择铬、镍、锰含量较高的具有良好力学性能和抗裂性的非同质焊接材料，结合采取分段退焊，短段、跳焊顺序，焊后喷水冷却、锤击等工艺和措施，成功地焊接了超高锰钢与高锰钢的连接缝。设备正常运行至今已超过1年多，未发现焊接接头出现任何问题，证明此工艺和措施是可行的，也可为其它超高锰钢或异种高锰钢的焊接提供一些技术支持。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第二卷.材料的焊接）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]魏建军等. 超高锰钢锤头的复合堆焊修复研究[J].中国表面工程，2003.2.

[3]龚国尚等.焊工实用手册[M].北京：中国劳动出版社，1993.8.

[4]丁伟等.钢轨及高锰钢辙叉焊工培训教材[M].铁道科学研究院金属及化学研究所，2004（01）.

作者简介：唐立新（1972-），男，四川蓬安人，大专，焊工技师，从事焊接技术及焊接工艺20多年。