董現(xiàn)春，張永青，黃家武，王鳳會，趙英建

1首鋼集團有限公司技術(shù)研究院 北京 100043

2綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室 北京 100043

3中信金屬股份有限公司中信微合金化技術(shù)中心 北京 100020

4首鋼集團有限公司礦業(yè)公司 河北唐山 064404

耐 磨鋼憑借其優(yōu)良的耐磨性能廣泛應(yīng)用于各種惡劣工況，特別是煤礦刮板運輸機，礦山自卸車車廂，挖掘機鏟斗、斗齒，以及破碎機扎臼壁、破碎壁等部件。筆者利用 CO2氣體保護焊對 NM450 耐磨鋼板進行了焊接試驗，包括焊接裂紋試驗及焊接工藝試驗，研究了冷裂紋敏感性、焊接的顯微組織和力學(xué)性能，為 NM450 耐磨鋼的使用提供依據(jù)[1]。

首鋼生產(chǎn)的 SGE150 重型自卸礦車 (見圖 1) 自身質(zhì)量為 105 t，額定載質(zhì)量為 150 t，主要用于鐵礦石的運輸，裝料落差 600 mm，最大礦塊質(zhì)量約為 0.47 t。在役車廂使用 Q235 鋼板，厚度為 10～ 25 mm，由頂板、前板、側(cè)板、底板及加強肋構(gòu)成 (見圖 2)。車廂自身質(zhì)量為 27 t，為全焊接結(jié)構(gòu)，鏟斗型底板后部翹起，坡角為 12°，無后攔板。經(jīng)過一段時間服役后，在巨石沖擊下，底部出現(xiàn)變形下凹情況。根據(jù)車廂各部件的服役特點，進行了高強化、耐磨化設(shè)計，利用首鋼生產(chǎn)的 NM450 耐磨鋼板和 Q690CFD 高強鋼板代替 Q235 鋼板，降低車廂的質(zhì)量，以減少油耗，提升運營效益，同時提升車廂的使用壽命，降低車廂的維修成本。

圖1 SGE150 重型自卸礦車Fig.1 SGE150 heavy dump truck

圖2 車廂結(jié)構(gòu)Fig.2 Carriage structure

1 材料選擇

Q235 的屈服強度約為 250 MPa，NM450 的屈服強度約為 1 100 MPa，Q690CFD 的屈服強度約為 700 MPa。在輕量化設(shè)計過程中，用高強鋼板替代普通鋼板時，常用的經(jīng)驗公式為

式中：t2為高強鋼板厚度；t1為低強鋼板厚度；ReL1為低強鋼板屈服強度；ReL2為高強鋼板屈服強度。

以式 (1) 為基礎(chǔ)，結(jié)合 SGE150 重型自卸車在不同工況下的受力情況，以及鋼材的可制造性，對車身不同部位進行輕量化設(shè)計，不同部位的替換鋼板及規(guī)格如表 1 所列。頂板及加強肋板采用 Q690CFD 高強鋼板，厚度為 10 mm；前板及側(cè)板采用 NM450 耐磨鋼板，厚度為 12 mm；底板采用 NM450 耐磨鋼板，厚度為 19 mm。采用輕量化設(shè)計后，車廂的質(zhì)量由 27 t 降至22 t，減輕 5 t，車廂輕量化 18.5%。

表1 不同部位替換鋼板及其規(guī)格Tab.1 Specification of steel plates replacing various parts mm

NM450 耐磨鋼板、Q690CFD 高強鋼板均添加了適量的 Nb，用于提高韌性和耐磨性，采用 ER50-6 焊絲，鋼板及焊絲的主要化學(xué)成分如表 2 所列，力學(xué)性能如表 3 所列。NM450 耐磨鋼板為馬氏體組織，Q690CFD 高強鋼板為貝氏體組織，金相組織如圖 3所示。

圖3 鋼板金相組織Fig.3 Microstructure of steel plates

表2 鋼板及焊絲的主要化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of steel plates and weld wire 質(zhì)量分數(shù)，%

表3 鋼板及焊絲的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of steel plates and weld wire

文獻 [1] 給出如下研究結(jié)論：NM450 耐磨鋼板的碳當(dāng)量較高，有一定的冷裂紋敏感性，當(dāng)采用 ER50-6焊絲、斜 Y 形坡口，32.6 ℃ 不預(yù)熱焊接時不會產(chǎn)生裂紋；在 -1.4 ℃ 不預(yù)熱焊接時，斜 Y 形坡口焊縫根部裂紋率及截面裂紋率均為 100%；預(yù)熱溫度高于 80 ℃焊接時，對接焊縫不會產(chǎn)生裂紋，角焊接即使不預(yù)熱焊接，也不會產(chǎn)生裂紋。文獻 [2-3] 的研究結(jié)論為：Q690CFD 高強鋼板焊接時間 t8/5在 40 s 以內(nèi)時，粗晶區(qū)組織以低碳板條馬氏體為主，粗晶區(qū)沖擊值均處于較高水平，采用實心焊絲，不預(yù)熱即可避免冷裂紋出現(xiàn)。結(jié)合上述研究結(jié)論，針對自卸車廂各部位的焊接環(huán)境溫度，制定了焊接工藝評定方案。

2 焊接工藝評定

SGE150 重型自卸礦車關(guān)鍵焊縫位置如圖 4 所示。位置 A：底板縱焊縫，19 mm 厚的 NM450 耐磨鋼板對接，坡口角度 45°，2 mm 鈍邊，2～ 4 mm 間隙，平焊位焊接；位置 B：前板縱焊縫，12 mm 厚的NM450 耐磨鋼板對接，坡口角度 90°，2 mm 鈍邊，2～ 4 mm 間隙，立焊位焊接；位置 C：前板橫焊縫，12 mm 厚的 NM450 耐磨鋼板搭接，角接頭，坡口角度 90°，仰焊位焊接；位置 D：前板橫焊縫，12 mm厚的 NM450 耐磨鋼板搭接，角接頭，坡口角度 90°，平焊位焊接；位置 E：底板加強肋焊縫，10 mm 厚的Q690CFD 高強鋼板與 19 mm 厚的 NM450 耐磨鋼板，單面角接頭，坡口角度 90°，平焊位焊接。

圖4 關(guān)鍵焊縫位置Fig.4 Location of key weld seam

(1) 位置 A 底板縱焊縫，預(yù)熱溫度高于 100 ℃焊接，平焊，材質(zhì) NM450，厚度 19 mm，焊接道次及焊縫如圖 5 所示，焊接參數(shù)及層間溫度如表 4 所列，焊縫力學(xué)性能如表 5 所列，焊縫硬度如表 6 所列。

圖5 位置 A 焊接道次及焊縫Fig.5 Welding pass and weld seam at position A

表4 位置 A 焊接參數(shù)及層間溫度Tab.4 Welding parameters and interpass temperature of position A

表5 位置 A 焊縫力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of weld seam at position A

表6 位置 A 焊縫硬度Tab.6 Hardness of weld seam at position A

(2) 位置 B 前板縱焊縫，預(yù)熱溫度高于 100 ℃焊接，立焊，材質(zhì) NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊縫如圖 6 所示，焊接參數(shù)及層間溫度如表 7 所列，焊縫力學(xué)性能如表 8 所列，焊縫硬度如表 9 所列。

圖6 位置 B 焊接道次及焊縫Fig.6 Welding pass and weld seam at position B

表7 位置 B 焊接參數(shù)及層間溫度Tab.7 Welding parameters and interpass temperature of position B

表8 位置 B 焊縫力學(xué)性能Tab.8 Mechanical properties of weld seam at position B

表9 位置 B 焊縫硬度Tab.9 Hardness of weld seam at position B

(3) 位置 C 前板橫焊縫，搭接，不預(yù)熱焊接，仰焊，材質(zhì) NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊縫如圖 7 所示，焊接參數(shù)及層間溫度如表 10 所列，焊縫硬度如表 11 所列。

圖7 位置 C 焊接道次及焊縫Fig.7 Welding pass and weld seam at position C

表10 位置 C 焊接參數(shù)及層間溫度Tab.10 Welding parameters and interpass temperature of position C

表11 位置 C 焊縫硬度Tab.11 Hardness of weld seam at position C

(4) 位置 D 前板橫焊縫，搭接，不預(yù)熱焊接，平焊，材質(zhì) NM450，厚度 12 mm，焊接道次及焊縫如圖 8 所示，焊接參數(shù)及層間溫度如表 12 所列，焊焊縫硬度如表 13 所列。

圖8 位置 D 焊接道次及焊縫Fig.8 Welding pass and weld seam at position D

表12 位置 D 焊接參數(shù)及層間溫度Tab.12 Welding parameters and interpass temperature of position D

表13 位置 D 焊縫硬度Tab.13 Hardness of weld seam at position D

(5) 位置 E 底板加強肋焊縫，不預(yù)熱焊接，平焊，材質(zhì) Q690CFD (10 mm 厚)+NM450 (19 mm厚)，焊接道次及焊縫如圖 9 所示，焊接參數(shù)及層間溫度如表 14 所列，焊縫硬度如表 15 所列。

表14 位置 E 焊接參數(shù)及層間溫度Tab.14 Welding parameters and interpass temperature of position E

表15 位置 E 焊縫硬度Tab.15 Hardness of weld seam at position E

圖9 位置 E 焊接道次及焊縫Fig.9 Welding pass and weld seam at position E

對位置 E 的焊縫進行金相組織檢驗，金相組織如圖 10 所示。焊縫金屬為塊狀鐵素體+針狀鐵素體，如圖 10(a) 所示；熔合線處的焊縫金屬柱狀組織明顯，如圖 10(b)、(e) 所示；Q690CFD 粗晶區(qū)為板條狀貝氏體，如圖 10(c) 所示；Q690CFD 正火區(qū)為貝氏體組織，如圖 10(d) 所示；NM450 粗晶區(qū)為板條狀馬氏體，如圖 10(f) 所示；NM450 正火區(qū)為馬氏體的分解產(chǎn)物鐵素體+滲碳體，如圖 10(g) 所示。

圖10 位置 E 焊縫金相組織Fig.10 Microstructure of weld seam at position E

3 車廂焊接制造及使用

2015年4季度開始車廂焊接制造，2016年1月17日完成整車合攏焊接，焊縫探傷合格，如圖11所示。2016年1月22日投入使用，至2016年10月底，完成98萬t 鐵礦石運輸量。2016年11月，在底板上鋪設(shè)19mm 厚的 NM450 耐磨鋼板 (見圖 12)，繼續(xù)使用。截至2021年1月8日，車廂使用情況良好，沒有出現(xiàn)車廂沖擊變形、焊縫疲勞斷裂現(xiàn)象 (見圖 13)。測算 Q235 鋼板車廂平均每萬噸物料磨損量為 0.103 6 mm，而 NM450 耐磨鋼板車廂平均每萬噸物料磨損量為 0.056 mm，相當(dāng)于 Q235 耐磨鋼板車廂的 55.02%。觀察 NM450 耐磨鋼板底板表面，表現(xiàn)為宏觀切削及微觀切削形貌，如圖 14 所示。

圖11 車廂焊接制造Fig.11 Carriage welding manufacturing

圖12 底板鋪設(shè) NM450 耐磨鋼板Fig.12 Laying of NM450 wear-resistant steel plate on bottom

圖13 服役 5 年的輕量化車廂Fig.13 Lightweight carriage after service for 5 years

圖14 NM450 耐磨鋼板底板表面磨損形貌Fig.14 Macro and micro wear morphology of surface of bottom plate of NM450 wear-resistant steel plate

4 結(jié)論

(1) 采用 NM450 耐磨鋼板及 Q690CFD 高強鋼板替代 Q235 鋼板，制造 SGE150 重型自卸礦車車廂，車廂的質(zhì)量由 27 t 減輕至22 t，實現(xiàn)車廂輕量化 18.5%。

(2)采用 ER50-6 焊絲匹配 NM450 耐磨鋼板及Q690CFD 高強鋼板，焊接 SGE150 重型自卸礦車車廂，并對 5 個位置進行了焊接工藝評定。結(jié)果表明平焊、立焊、仰焊的焊縫熔合良好，焊縫組織、硬度、力學(xué)性能、沖擊功均滿足設(shè)計要求。

(3) 運行數(shù)據(jù)表明，NM450 耐磨鋼板車廂的磨損表現(xiàn)為宏觀切削及微觀切削形貌，磨損量相當(dāng)于Q235 鋼板車廂的 55.02%，沒有出現(xiàn)車廂沖擊變形、焊縫疲勞斷裂現(xiàn)象。