16Mo3堆焊工藝研究

李宏 富強(qiáng)

1. 概述

推焦車上最大的機(jī)械部件就是推焦桿，一般國(guó)內(nèi)大中型的焦?fàn)t車輛大多是由我們集團(tuán)的大連重工起重公司設(shè)計(jì)制造，推焦桿的鋼種也選擇比較特殊能夠耐高溫的材料。

本文主要以我公司設(shè)計(jì)制造的7.63m推焦桿為例，介紹推焦桿-滑履部件中，如何在耐高溫材料16Mo3上，堆焊出耐磨層硬度要求為58~60HRC的堆焊工藝。

2. 原材料及焊接性分析

（1）材料 根據(jù)圖樣要求，堆焊層基礎(chǔ)底板采用厚度為1 00 mm的1 6Mo3材料，供貨狀態(tài)為正火探傷板，探傷標(biāo)準(zhǔn)符合SEL072之2級(jí)進(jìn)行100%UT合格，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

（2）焊接性分析 冷裂紋：16Mo3屬于鉬珠光體耐熱鋼，主要合金元素Mo、Mn、Cr、Ni等都為熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能力大的元素，都能提高鋼的淬硬性，其作用機(jī)理是延遲了鋼在冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，降低臨界冷卻速度，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使得淬硬性傾向增大。堆焊過(guò)程中，當(dāng)冷卻速度快時(shí)，在氫的作用下就會(huì)導(dǎo)致冷裂紋。

再熱裂紋：16Mo3對(duì)再熱裂紋敏感，在500~700℃的敏感溫度區(qū)間內(nèi)，容易產(chǎn)生再熱裂紋，它的形成與元素含量、焊接參數(shù)、拘束應(yīng)力以及焊后熱處理參數(shù)有關(guān)。例如再熱裂紋傾向較高的熱強(qiáng)鋼，當(dāng)采用高的熱輸入焊接方法焊接時(shí)，即使焊后未做熱處理，在高拘束應(yīng)力的作用下焊縫層間或堆焊層下過(guò)熱區(qū)也會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。

熔合區(qū)脆變強(qiáng)度降低：堆焊層與基體之間的熔合區(qū)類似于異種鋼焊接，其化學(xué)成分介于基體和堆焊層之間，性能也不同于基體。當(dāng)熱強(qiáng)鋼及堆焊層在370~560℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期工作時(shí)，沿熔合線會(huì)出現(xiàn)碳遷移現(xiàn)象，導(dǎo)致高溫持久強(qiáng)度降低，有時(shí)在熔合區(qū)也會(huì)出現(xiàn)延性很低的脆性層，在沖擊載荷的作用下，容易出現(xiàn)堆焊層剝離。

綜上所述，16Mo3材料在堆焊前，表面磁粉探傷；堆焊時(shí)需要預(yù)熱、控制層間溫度，制定嚴(yán)格的堆焊工藝，避免冷裂紋、再熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 化學(xué)成分熔煉分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 力學(xué)性能（以100mm為例，適用于橫向試樣）

3. 堆焊層硬度及材料要求

（1）硬度要求 圖樣要求堆焊層硬度58~60HRC。由于此堆焊層硬度、抗磨損能力要求較高，但脆性也較大，所以焊接參數(shù)的設(shè)置需仔細(xì)。

（2）堆焊材料依據(jù)DI N8555-碳鋼、合金鋼堆焊材料標(biāo)準(zhǔn)，選擇合金成分或強(qiáng)度級(jí)別較高的焊接材料，相近尤其是高溫性能優(yōu)于母材，可以防止再熱裂紋產(chǎn)生；還需要考慮堆焊材料與基體熱膨脹系數(shù)的差異，避免在焊接和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。綜合考慮焊接性與經(jīng)濟(jì)性，可以選擇Fluvofil58堆焊焊絲，或者GFC－103 CO2氣體保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲，都可以滿足硬度要求。

4. 堆焊焊接工藝的制定

（1）焊評(píng) 制備同材質(zhì)16Mo3試板，調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行堆焊，焊后取樣兩處（見附圖），磨平做硬度試驗(yàn)檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)滿足性能要求后（見表3），出具合格的焊接工藝評(píng)定報(bào)告WPQR，以及編制焊接工藝指導(dǎo)書WPS指導(dǎo)生產(chǎn)。

（2）堆焊前準(zhǔn)備 對(duì)于滑履結(jié)構(gòu)焊后退火消應(yīng)力、溫度退火和保溫時(shí)間根據(jù)公式計(jì)算，選擇退火消應(yīng)力溫度580~620℃，保溫2h；退火后對(duì)待堆焊層基體噴砂，加工至要求厚度和表面粗糙度后，清除表面水、銹、油漬等雜質(zhì)，準(zhǔn)備堆焊。

（3）堆焊前預(yù)熱及層溫控制 預(yù)熱是有效防止此類鋼種出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋的手段之一。預(yù)熱可以減緩冷卻速度，適當(dāng)延長(zhǎng)t8/5冷卻時(shí)間，減少出現(xiàn)淬火組織的幾率；同時(shí)有利于氫的逸出。預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)材料的化學(xué)成分、焊縫金屬內(nèi)的擴(kuò)散氫含量等因素來(lái)確定。根據(jù)ISO17671－2標(biāo)準(zhǔn)，選擇預(yù)熱溫度120~150℃，層間溫度≤150℃，堆焊后采用陶瓷纖維棉覆蓋，保溫緩冷。

（4）焊接過(guò)程控制 按照焊接工藝規(guī)程，嚴(yán)格控制參數(shù)進(jìn)行堆焊。由于堆焊層硬度高，焊后磨平表面有難度，故焊后不做加工磨削處理，需要在過(guò)程中嚴(yán)格控制焊縫成形。為了保證焊接質(zhì)量，減小母材對(duì)熔敷金屬的稀釋，以及堆焊層本身厚度10mm要求，故分三層堆焊，第一層與第三層要沿長(zhǎng)度方向堆焊，但焊接方向相反，第二層必須與第一層堆焊方向垂直。

（5）焊后檢測(cè) 通過(guò)對(duì)堆焊層進(jìn)行無(wú)損探傷及硬度檢測(cè)，符合圖樣質(zhì)量要求。

堆焊厚度要求及取樣位置

表3 堆焊層焊縫金屬硬度值（HRC）

表4 堆焊層焊接參數(shù)

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉬珠光體耐熱鋼16Mo3 上堆焊出高硬度要求（58~60HRC）的耐磨層的堆焊工藝研究，制定了合理的焊接參數(shù)、預(yù)熱溫度、層間溫度以及后熱措施，避免堆焊層及母材出現(xiàn)冷裂紋及再熱裂紋等焊接缺陷，滿足了圖樣焊接質(zhì)量要求，為同類型材料及硬度要求的堆焊工藝制定提供了參考價(jià)值。

[1] 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).EN10028－2 壓力容器用鋼扁平產(chǎn)品—第二部分：規(guī)定高溫性能的非合金和合金鋼[S].2003.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.