一种DQ耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺的制作方法

一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺
技术领域
1.本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺。


背景技术：

2.随着经济建设的不断发展，工程机械使用越来越多，耐磨钢板需求量迅猛增长。钢铁绿色及减量化制造技术促进了直接淬火(dq)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，且以中薄板为主。通过在线直接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。
3.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；但是在某些场合如箱体内板，则要求焊接处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。但由于dq耐磨钢合金含量与传统钢相比有明显减少，若采用常规焊接工艺，焊接接头硬度即而耐磨性能会明显降低，成为薄弱环节。
4.文献“wnm360l耐磨钢材料焊接工艺开发及应用，金属加工，2018.8”中，介绍船用耐磨尾滚筒筒体，在筒体制造过程涉及到对接焊，采用40mm厚度的wnm360l耐磨钢，母材的硬度为293～325hv
10
，热影响区的硬度为214～229hv
10
，焊缝的硬度为219～229hv
10
，焊接接头硬度降低明显。文献“nr360贝氏体耐磨钢板的组织与性能，安徽工业大学学报，2009.7”中，研究30mm厚nr360贝氏体耐磨钢板焊接性能，母材组织为板条状无碳化物贝氏体及残余奥氏体组织，硬度355hb；焊缝组织主要为块状和针状铁素体组织，硬度低至190hv。
5.因此，如何解决焊接接头硬度明显降低的问题，是行业内亟待解决的难题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，通过预估焊缝和热影响区的硬度，选配焊丝和焊接工艺，在焊接时把握热影响区奥氏体化的时机快速冷却淬火，形成淬硬组织，使硬度得到显著提高。
7.为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，包括以下步骤：
8.1)母材性能：为dq耐磨钢，碳当量ce为0.42～0.48％，厚度为3～8mm，硬度hv
10
≥330，-20℃冲击功kv2≥27j，抗拉强度rm≥1100mpa；
9.2)选配焊丝及焊接工艺：按照下列公式预估焊缝和热影响区的硬度，调整焊丝成分及焊接工艺参数，使预估硬度不低于母材硬度的87％；
10.hv＝0.75hv1+0.25hv211.hv1＝97+949c+27si+11mn+8ni+16cr+20lgvr12.hv2＝-348+185c+330si+153mn+66ni+144cr+191mo+
13.lgvr(89+54c-55si-22mn-10ni-20cr-33mo)
[0014][0015]
式中：hv为预估硬度，hv1为马氏体硬度，hv2为贝氏体硬度；
[0016]
c、si、mn、ni、cr、mo为焊丝或母材成分中该元素的重量百分含量，单位％；计算焊缝硬度时取焊丝成分，计算热影响区硬度时取母材成分；
[0017]
vr为特征温度冷速，单位为k/h；t为特征温度，t0为预热温度，q为焊接功率，v为焊接速度，λ为钢的导热系数；
[0018]
3)进行焊接：采用单面气体保护焊，当焊接热影响区的过热区和正火区全部奥氏体化、不完全正火区部分奥氏体化时进行水冷，水冷时避免水与电弧直接接触，将水加至无电弧的焊接部位，电弧过后冷却水自行覆盖焊接处开始快冷，形成淬硬组织。
[0019]
上述方案中，所述母材的化学成分及重量百分含量为：c：0.15～0.25％，si：0.4～0.7％，mn：1.2～1.5％，p≤0.02％，s≤0.015％，cr：0.1～0.3％，als：0.02～0.05％，ti≤0.03％，其余为fe及不可避免夹杂。
[0020]
上述方案中，所述焊丝的化学成分及重量百分含量为：c：0.06～0.11％，si：0.5～0.7％，mn：1.5～1.8％，p≤0.02％，s≤0.015％，ni：0.8～1.2％，cr：0.3～0.5％，cu：0.15～0.3％，ti：0.06～0.15％，其余为fe及不可避免夹杂。
[0021]
上述方案中，所述特征温度冷速不超过室温水淬最大冷速200℃/s。
[0022]
上述方案中，所述焊接功率等于焊接电流乘以焊接电压，焊接电流为180～290a，焊接电压为20～29v，焊接速度为38～70cm/min。
[0023]
上述方案中，所述焊丝的焊接线能量e＝(1～2.5)
×
t，式中，e的单位为kj/cm，t为母材厚度，单位为mm。
[0024]
上述方案中，所述单面气体保护焊的保护气为78～82％ar与18～22％co2混合气，保护气流量为10～20l/min。
[0025]
上述方案中，所述水冷的水流量为6～12l/min，水温为室温，水冷宽度为30～60mm，冷速为75～200℃/s。
[0026]
上述方案中，所述淬硬组织为马氏体、贝氏体中的至少一种。
[0027]
进一步地，在焊缝、过热区及正火区形成的淬硬组织为马氏体和贝氏体，其中马氏体的体积占比为60～90％；在不完全正火区形成的组织淬硬组织为马氏体、铁素体和珠光体，其中马氏体的体积占比为30～60％。
[0028]
本发明的技术构思是：
[0029]
钢材焊接时，将产生焊缝、过热区、正火区、不完全正火区、介于ac1～回火温度的回火区及回火温度以下的区域。过热区：也称粗晶区，焊接时温度1100℃以上，被完全奥氏体化且奥氏体晶粒显著长大，根据焊后冷却速度的不同，将分别转化为马氏体、贝氏体、珠光体及铁素体等。正火区：也称细晶区，焊接时温度900～1100℃，被完全奥氏体化但晶粒较细，根据焊后冷却速度的不同，将分别转化为马氏体、贝氏体、珠光体及铁素体等。不完全正火区：焊接时温度700～900℃，一部分奥氏体化，一部分母材组织回火析出碳化物，根据焊后冷却速度的不同，奥氏体将分别转化为马氏体、贝氏体、珠光体及铁素体等。回火区：包括回火索氏体、回火托氏体，或还有回火马氏体，具体根据钢板本身回火温度而定。
[0030]
对于中薄板，在正常焊接条件下，由于焊后冷却较为缓慢或回火的影响，这些区域
难以再形成马氏体，因此硬度会产生显著下降。如果设法在焊接时过热区、正火区及不完全正火区奥氏体化后立即进行快冷淬火，使这些区域得到淬火组织马氏体或贝氏体。同时由于快冷的作用，回火区的宽度也得到一定程度的抑制，这样焊接接头整体硬度得到显著提高。但是焊接时进行淬火并非易事，目前尚未此类技术的公开报道。因此，为达到这一目的，经理论分析、方案设计及焊接实验，成功实现了焊淬工艺，取得预期效果。
[0031]
本发明焊淬工艺除了对母材、焊丝和焊接工艺的选配非常关键，对水冷过程的控制也尤其重要。焊接时热影响区的奥氏体化时间极短，必须准确地把握时机在其还是奥氏体时开始快冷，否则起不到淬硬作用。由于焊接时水的存在极易引发气孔及冷裂纹，会影响焊接过程的稳定，因此水冷时不能让水触碰电弧侧。将水加至无电弧的焊接部位，在高温作用下，熔池附近热影响区仍能奥氏体化；电弧过后，水又覆盖这些地方，使其得到及时快冷产生淬火效果；同时，由于水冷拘束作用，这样中薄板焊接尤如厚板焊接一样，热影响区大大减小。此外，水的压力不能太大，一方面可能会将处于高温甚至熔融状的焊接处压得变形，另一方面还会影响电弧处厚向热影响区的奥氏体化，达不到淬火硬化目的。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0033]
本发明为了解决dq耐磨钢焊接接头硬度明显降低的问题，针对厚度3～8mm的dq耐磨钢中薄板开发了焊接加淬火工艺，通过预估焊缝和热影响区的硬度，选配焊丝和焊接工艺，在焊接时把握热影响区奥氏体化的时机快速冷却淬火，焊缝及奥氏体化的焊接热影响区形成淬硬组织，其硬度较普通焊接显著提高，热影响区其它部位硬度也因焊后冷却速度提高而明显增加，同时，焊接热影响区因受水冷拘束，其宽度明显减小，因此焊接接头硬度较普通焊接显著提高，焊接接头大部分区域硬度达到母材87％以上，具有良好应用潜力。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例2焊缝的宏观形貌图。
[0035]
图2为本发明实施例2的焊接过热区的金相组织图。
具体实施方式
[0036]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0037]
实施例1-6
[0038]
一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，包括以下步骤：
[0039]
1)母材性能：为dq耐磨钢，化学成分见表1，主要性能见表2；
[0040]
表1母材的化学成分(wt％)
[0041]
母材csimnpscralsticea0.150.51.30.0060.0030.250.0450.0150.42b0.150.51.30.0060.0030.250.0450.0150.42c0.190.71.40.010.0040.160.0320.0200.46d0.190.71.40.010.0040.160.0320.0200.46
[0042]
注：钢含适量als及ti。精轧后快冷，270℃时卷取自回火，回火组织为马氏体。
[0043]
表2母材的主要性能
[0044]
母材厚度(mm)硬度hv
10-20℃kv2(j)rm(mpa)a5350631120b8355631120c3360561150d6353561150
[0045]
2)选配焊丝及焊接工艺：按照下列公式预估焊缝和热影响区的硬度，调整焊丝成分及焊接工艺参数，使预估硬度不低于母材硬度的87％；
[0046]
hv＝0.75hv1+0.25hv2[0047]
hv1＝97+949c+27si+11mn+8ni+16cr+20lgvr[0048]
hv2＝-348+185c+330si+153mn+66ni+144cr+191mo+
[0049]
lgvr(89+54c-55si-22mn-10ni-20cr-33mo)
[0050][0051]
式中：hv为预估硬度，hv1为马氏体硬度，hv2为贝氏体硬度；
[0052]
c、si、mn、ni、cr、mo为焊丝或母材成分中该元素的重量百分含量，单位％；计算焊缝硬度时取焊丝成分，计算热影响区硬度时取母材成分；
[0053]
vr为特征温度冷速，单位为k/h，且不超过室温水淬最大冷速200℃/s；t为特征温度，取700℃；t0为预热温度，取常温25℃；q为焊接功率，等于焊接电流乘以焊接电压；v为焊接速度，λ为钢的导热系数，取42w/(m
·
℃)；
[0054]
表3焊丝的化学成分(wt％)
[0055]
焊丝csimnpsnicrcutia0.080.601.760.0120.0070.90.350.20.10b0.0870.531.680.0140.0041.00.320.20.09
[0056]
表4焊接工艺参数
[0057][0058][0059]
3)进行焊接：采用单面气体保护焊，保护气为78～82％ar与18～22％co2混合气，当焊接热影响区的过热区和正火区全部奥氏体化、不完全正火区部分奥氏体化时进行水冷，水冷时避免水与电弧直接接触，将水加至无电弧的焊接部位，电弧过后冷却水自行覆盖焊接处开始快冷，形成淬硬组织。
[0060]
表5焊接和水冷工艺参数
[0061][0062]
表6实测焊接接头硬度
[0063][0064]
注：1)r为焊接接头单侧硬度低于母材87％的宽度/板厚之比；2)淬火区包括过热区及正火区，半淬区为不完全正火区。
[0065]
实施例1～6针对相应钢板(表1～2)采用了焊丝(表3)及焊淬工艺(表4～5)，其焊缝成形良好无缺陷，典型焊缝宏观形貌如图1所示，焊接接头不同部位硬度及单侧87％硬度区宽度/板厚之比r如表6所示，处于正常范围。为了控制焊接接头硬度，实施例须保持焊丝、焊接工艺与母材相匹配。总体上讲，焊接硬度随线能量减少、合金元素含量(或碳当量)增加及板厚增加而增加；进一步的，这些因素的影响由前文所述的关系式作综合表述，可通过计算得到预测，并根据预测结果进行焊接条件的优化。
[0066]
以实施例2为例进行说明：钢板厚度为5mm，正式确定各参数前，采用前述公式计算进行整体预控。在采用水冷焊时，避免水与电弧直接接触。水冷时，焊缝及厚度方向的热影响区由于“膜沸腾”及“泡沸腾”效应，均达到奥氏体化。电弧过后冷却水自行覆盖焊接处开始快冷，形成淬硬效应。焊缝、过热区及正火区组织为马氏体和贝氏体，其中过热区组织如图2所示。不完全正火区组织为马氏体、铁素体和珠光体。各区马氏体体积比为：焊缝82％、过热区86％、正火区65％、不完全正火区45％。热影响区完全淬火区硬度达到350hv
10
、非完全淬火区达到345hv
10
，基本与母材相当；回火区为277hv
10
，但因水冷抑制作用，低硬度的回火区比较窄。焊接接头单侧硬度低于母材87％的宽度/板厚之比为0.6。
[0067]
对比例1焊接时e/t达到2.5，焊缝底部焊接热影响区为粗晶区及细晶区，全部奥氏体化。但焊接时由于没进行水冷，该部分冷却速度慢，形成以贝氏体为主的组织，其硬度未达到所期望的结果。
[0068]
对比例2焊接时e/t只有0.8，焊缝底部近底面热影响区温度未达到奥氏体化程度，基本上处于回火状态，即使焊接时进行了水冷，也无法得到淬硬组织。虽然热影响区宽度减少，其硬度总体上有所提高，但未达到所期望的结果。
[0069]
可见，本发明成功使dq钢焊接接头整体硬度显著提高。
[0070]
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)母材性能：为dq耐磨钢，碳当量ce为0.42～0.48％，厚度为3～8mm，硬度hv
10
≥330，-20℃冲击功kv2≥27j，抗拉强度rm≥1100mpa；2)选配焊丝及焊接工艺：按照下列公式预估焊缝和热影响区的硬度，调整焊丝成分及焊接工艺参数，使预估硬度不低于母材硬度的87％；hv＝0.75hv1+0.25hv2hv1＝97+949c+27si+11mn+8ni+16cr+20lgv
r
hv2＝-348+185c+330si+153mn+66ni+144cr+191mo+lgv
r
(89+54c-55si-22mn-10ni-20cr-33mo)式中：hv为预估硬度，hv1为马氏体硬度，hv2为贝氏体硬度；c、si、mn、ni、cr、mo为焊丝或母材成分中该元素的重量百分含量，单位％；计算焊缝硬度时取焊丝成分，计算热影响区硬度时取母材成分；vr为特征温度冷速，单位为k/h；t为特征温度，t0为预热温度，q为焊接功率，v为焊接速度，λ为钢的导热系数；3)进行焊接：采用单面气体保护焊，当焊接热影响区的过热区和正火区全部奥氏体化、不完全正火区部分奥氏体化时进行水冷，水冷时避免水与电弧直接接触，将水加至无电弧的焊接部位，电弧过后冷却水自行覆盖焊接处开始快冷，形成淬硬组织。2.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述母材的化学成分及重量百分含量为：c：0.15～0.25％，si：0.4～0.7％，mn：1.2～1.5％，p≤0.02％，s≤0.015％，cr：0.1～0.3％，als：0.02～0.05％，ti≤0.03％，其余为fe及不可避免夹杂。3.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述焊丝的化学成分及重量百分含量为：c：0.06～0.11％，si：0.5～0.7％，mn：1.5～1.8％，p≤0.02％，s≤0.015％，ni：0.8～1.2％，cr：0.3～0.5％，cu：0.15～0.3％，ti：0.06～0.15％，其余为fe及不可避免夹杂。4.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述特征温度冷速不超过室温水淬最大冷速200℃/s。5.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述焊接过程中的焊接电流为180～290a，焊接电压为20～29v，焊接速度为38～70cm/min。6.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述焊丝的焊接线能量e＝(1～2.5)
×
t，式中，e的单位为kj/cm，t为母材厚度，单位为mm。7.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述单面气体保护焊的保护气为78～82％ar与18～22％co2混合气，保护气流量为10～20l/min。8.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述水冷的水流量为6～12l/min，水温为室温，水冷宽度为30～60mm，冷速为75～200℃/s。9.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，所述淬硬组织为马氏体、贝氏体中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的dq耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺，其特征在于，在焊缝、过热区及正火区形成的淬硬组织为马氏体和贝氏体，其中马氏体的体积占比为60～90％；在不完全正火区形成的组织淬硬组织为马氏体、铁素体和珠光体，其中马氏体的体积占比为30～60％。

技术总结
本发明属于焊接技术领域，公开了一种DQ耐磨钢中薄板单面焊淬硬工艺：1)母材为厚度为3～8mm的DQ耐磨钢；2)预估焊缝和热影响区的硬度，调整焊丝成分及焊接工艺参数，使预估硬度不低于母材硬度的87％；3)采用单面气体保护焊，当焊接热影响区的过热区和正火区全部奥氏体化、不完全正火区部分奥氏体化时进行水冷，水冷时避免水与电弧直接接触，将水加至无电弧的焊接部位，电弧过后冷却水自行覆盖焊接处开始快冷，形成淬硬组织。本发明通过预估焊缝和热影响区的硬度，选配焊丝和焊接工艺，在焊接时把握热影响区奥氏体化的时机快速冷却淬火，形成淬硬组织，使硬度得到显著提高。使硬度得到显著提高。


技术研发人员：黄治军 陈浮 彭畅 郑绍鹏 何亚元 牟文广 何嘉
受保护的技术使用者：武汉钢铁有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/18