27SiMn液壓缸體材料選擇及焊接特性淺析

摘 要： 通過對設(shè)備加工、監(jiān)造過程中對液壓缸材料選擇及焊接性能分析和對比，找出適合制造液壓缸體的材料及焊接工藝。

關(guān)鍵詞： 液壓缸；材料；焊接特性；

概述

液壓缸是液壓支架中重要的部件，由于它經(jīng)常工作在巷道下，一直承受交變載荷，并長期遭受井下污水及含酸性水質(zhì)的腐蝕，在缸體的金屬表面表面容易產(chǎn)生了麻點(diǎn)和銹蝕，從而影響其使用壽命，因此，在實(shí)際工作中，選擇缸體材料具有非常重要的意義。本文通過監(jiān)理實(shí)踐中的多年經(jīng)驗(yàn)，對缸體材料的選用和焊接加工工藝進(jìn)行分析及探討。

1.焊接性分析

1.1.化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.1.1.化學(xué)成分

27siMn （一般直接選液壓支柱管GB/T17396-1998）屬低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1591-2008），化學(xué)成分見表1。

表1 27SiMn鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

27siMn液壓支柱管是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或幾種合金元素，用來提高鋼的強(qiáng)度、韌性和淬透性能。這類鋼在制成后，通常均需經(jīng)過調(diào)質(zhì)、化學(xué)熱處理、表面淬火等熱處理。與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相比較，具有良好的綜合力學(xué)性能，多軋制成型材，用作機(jī)械或機(jī)器中的重要結(jié)構(gòu)件. 硬度達(dá)HB285，一般以調(diào)質(zhì)態(tài)的供貨料。

1.2.焊縫中的熱裂紋

27SiMn調(diào)質(zhì)鋼含碳量較低，含錳量較高，而且對S、P雜質(zhì)的控制也較因此熱烈傾向小。該鋼含碳量高，合金元素含量亦多。根據(jù)各合金元素含量其碳當(dāng)量計算應(yīng)依據(jù)美國焊接學(xué)會提供的公式：

1.3.冷裂紋

這種鋼的淬硬傾向相當(dāng)大，本應(yīng)有很大的冷裂傾向，但由于這種鋼的特點(diǎn)是馬氏體含量很低，所以它的開始轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)較高，如果在該溫度下冷卻較慢，則此時生成的馬氏體還能來得及進(jìn)行一次“自回火”處理，因而實(shí)際上冷裂傾向并不一定很大。也就是說，在馬氏體形成后如果從工藝上提供一個“自回火”處理?xiàng)l件，既保證馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度較慢，則冷裂紋是有可能避免的；若馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度很快，得不到“自回火”效果，則冷裂傾向就必然會增大。

圖1：缸筒橫截面由外向內(nèi)硬度分布 （缸筒壁厚32mm）

1.4.熱影響區(qū)的性能變化

1.4.1.過熱區(qū)的脆化

在焊接熱影響區(qū)受熱時未完全奧氏體化的區(qū)域，以及受熱時最高溫度低于Ac1、高于鋼調(diào)質(zhì)處理時的回火溫度的那個區(qū)域有脆化傾向。

1.4.2.焊接熱影區(qū)的軟化

這是焊接調(diào)質(zhì)鋼時的一個普遍問題，熱影響區(qū)內(nèi)凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于碳化物的積聚長大而使鋼材軟化，而且溫度越接近于Ac1的區(qū)域，軟化越嚴(yán)重，因此對焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的這種鋼來說尤其重要。從強(qiáng)度出發(fā)，這是焊接接頭中的一個薄弱環(huán)節(jié)，強(qiáng)度級別越高這一節(jié)問題越突出。

此外，軟化的程度和軟化區(qū)的寬度與焊接工藝也有很大關(guān)系。因此，在制定這種鋼的焊接工藝時必須考慮到這一問題。

2.坡口焊接裂紋試驗(yàn)

2.1.試件的形狀和尺寸（如下圖）：

2.2. 焊接試驗(yàn)條件如下表：

2.3.結(jié)果分析

對于高強(qiáng)鋼通常是采用預(yù)熱焊接，考慮到該鋼為超低碳貝氏體鋼，為了最大限度的考察在惡劣條件下的冷裂紋敏感系數(shù)，我們參考原冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院采用不預(yù)熱焊接進(jìn)行斜Y坡口對接裂紋試驗(yàn)，其環(huán)境條件及結(jié)果如下：

從試驗(yàn)結(jié)果來看，在較為苛刻的試驗(yàn)條件下，試件僅在起弧端熱影響區(qū)開裂，根部裂紋在熱影響區(qū)中擴(kuò)展的最大長度僅為2mm。通過試驗(yàn)分析表明，27SiMn鋼表面裂紋率、根部裂紋率、五個橫斷面平均裂紋率都為零。27SiMn鋼焊接接頭機(jī)械性能、斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)均表明，27SiMn鋼，具有良好的焊接性能，綜合機(jī)械性能可以滿足強(qiáng)度要求，說明27SiMn鋼焊接性能良好。

3.工藝過程控制

3.1. 焊接表面噴砂處理，去除氧化皮、油污及其他雜物。下料時選用機(jī)床切削。坡口等不可加工部位，清凈熔渣，打磨至表面呈金屬光澤，完工檢驗(yàn)。

3.2.拼裝間隙保證控制在0-2mm以內(nèi)。

3.3.拼焊前檢查零件的下料質(zhì)量，按照生產(chǎn)圖紙、焊接工藝的要求，使用定位胎具保證間隙，使裝配產(chǎn)生的拘束應(yīng)力降到最小。易變形處增加輔助支撐。

3.4.定位用焊條選用沖擊韌性好的低氫堿性焊條（E7016直流反接），烘干后方可使用。當(dāng)定位焊縫出現(xiàn)裂紋時，必須清除，重新焊接定位焊縫。

3.5.焊接過程的控制

3.5.1.操作焊工必須通過職業(yè)技能鑒定，達(dá)到高級工以上水平，資格證書處于有效期內(nèi)。操作前經(jīng)過工藝知識及焊接理論培訓(xùn)。

3.5.2.焊接材料進(jìn)廠應(yīng)具有有效質(zhì)量保證書。焊條、焊絲無銹蝕、油污、破損等現(xiàn)象。保護(hù)氣體純度達(dá)到國家焊接用氣標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5.3.焊接設(shè)備的選擇

選用自適應(yīng)控制模式、工作頻率高達(dá)20KHz以上、參數(shù)穩(wěn)定、動特性良好的逆變式焊機(jī)。

3.5.4.預(yù)熱溫度及層間溫度

預(yù)熱的主要作用在于減少過熱區(qū)淬硬組織和有利于氫的逸出。預(yù)熱采用氧氣-乙炔火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～150℃，要求連續(xù)施焊，以保證作業(yè)溫度不低于預(yù)熱溫度最低值。必要時使用石棉板保溫，同時要求隨時用紅外線測溫儀測試，達(dá)不到溫度，重新預(yù)熱。

3.5.5.焊接操作

3.5.5.1.引弧、收弧時易產(chǎn)生焊接缺陷。

引弧時要控制焊絲伸出長度為，防止過長引起的爆斷，在定位焊焊縫上引弧，采用間斷滅弧法或回焊法收弧，填滿弧坑，防止產(chǎn)生熱裂紋。焊接時根據(jù)焊接位置、裝配間隙和熔合情況即時調(diào)整焊槍傾角，避免焊接過程中發(fā)生液態(tài)金屬超前流動造成的假焊現(xiàn)象。焊絲端部始終在熔池前半部燃燒，焊絲不能脫離熔池。控制焊接速度，嚴(yán)禁風(fēng)扇直吹焊接工作區(qū)，以免空氣侵入電弧和熔池，防止產(chǎn)生夾渣、咬邊等焊接缺陷。

3.5.5.2.焊接應(yīng)采用多層（窄焊道）技術(shù)，即多層多道焊。促成較好的組織結(jié)構(gòu)和韌性；焊接時不允許擺動；對接焊縫必須采用拖拉法，提高穿透避免未熔合，不允許在焊道以外起弧，意外的起弧點(diǎn)須磨掉并檢查有無裂紋。

3.5.5.3.焊接順序

為保證焊件低應(yīng)力和低變形，控制焊接順序，焊前均要進(jìn)行打底焊。

焊接順序：從焊道中部或工件中部開始向外焊，在全封閉環(huán)縫時打底焊和第一道填充焊道不能焊成全圓以避免高的收縮應(yīng)力導(dǎo)致開裂，應(yīng)至少分成兩半焊接，且方向相反。

所有焊縫必須首尾相接形成閉環(huán)。

3.5.6.焊后熱處理

3.5.6.1.改善焊接接頭的組織和性能，軟化淬硬區(qū)，降低硬度，提高塑性、韌性，防止焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞。

3.5.6.2.松馳或消除焊接應(yīng)力，防止延遲裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，提高焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性和壽命。

3.5.6.3.熔氫作用。焊接接頭由于焊角較大，在控制預(yù)熱溫度的同時，嚴(yán)格控制層間溫度，即不能低，也不能過高，以保證焊接接頭良好的綜合機(jī)械性能。

4.焊接工藝確定

4.1.焊前預(yù)熱

當(dāng)焊件厚度較小或接頭拘束度也較小時，焊前可不進(jìn)行預(yù)熱。隨著焊件厚度的增加，為了防止產(chǎn)生冷裂紋，必須進(jìn)行預(yù)熱，但是應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度。因?yàn)檫^高的預(yù)熱溫度會使熱影響區(qū)的冷卻速度過于緩慢，使得強(qiáng)度和韌性均下降。因此一般在焊接這種低碳調(diào)質(zhì)鋼時都采用較低的預(yù)熱溫度（≤200℃）。

4.2.焊接材料

為防止產(chǎn)生冷裂紋，必須使用低氫型或不銹鋼焊接材料。用于CO2焊的CO2氣體或Ar+CO2混合氣體，應(yīng)符合I級氣體或II級氣體的要求。

4.3.施焊技術(shù)

為避免過度損傷熱影響區(qū)的韌性，應(yīng)避免采用過大的熱輸入。

據(jù)以上分析，焊接的主要問題是設(shè)法避免焊接裂紋。為此，我們從降低熱影響區(qū)的淬硬性，增加修復(fù)區(qū)域的耐腐蝕性，減少焊縫的擴(kuò)散氫含量，以及降低焊接區(qū)的拘束應(yīng)力等幾個方面入手，制定了以下焊接工藝：

4.3.1.針對27SiMn鋼淬硬傾向很大的特點(diǎn)，我們采取小線能量施焊。因?yàn)椴捎眯【€能量減少了高溫停留時間，避免了奧氏體晶粒的過熱，增加了奧氏體成分的不均勻性，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性。

4.3.2. 焊絲的選用，針對筒體出現(xiàn)腐蝕和要有較高的強(qiáng)度，我們使用直徑1.2mm的Mn7Mo焊絲，這種焊絲可以在焊接前不用預(yù)熱。焊絲化學(xué)成分見表2

表2焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4.3.3. 接頭尺寸及焊接參數(shù)分別見圖1和表3（使用直徑1.2mm的Mn7Mo焊絲、電源直流反接）。注意下一道焊縫要壓住上道焊縫的2/3。

圖1

表3

4.3.4.氣體選用Ar+CO2混合氣體以20%Ar+80%CO2混合配比作保護(hù)氣體。其特點(diǎn)如下：

4.3.4.1.提高熔滴過渡的穩(wěn)定性.

4.3.4.2.穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，提高電弧燃燒的穩(wěn)定性.

4.3.4.3.改善焊縫外觀成形.

4.3.4.4.增大電弧的熱功率.

4.3.4.5. 控制焊縫的冶金質(zhì)量，減少焊接缺陷.

4.3.4.6.焊絲伸出長度焊絲伸出長度與焊絲直徑、焊接電流及焊接電壓有關(guān)，焊接過程中，導(dǎo)電嘴到母材間的距離一般為焊絲直徑的10-15倍。

4.3.4.7.將缸體卡在旋轉(zhuǎn)臺上，工件轉(zhuǎn)速0.8-1.0/rpm的轉(zhuǎn)速要與焊接參數(shù)匹配。

4.3.4.8.焊接前將防焊接飛濺劑噴灑在焊接區(qū)附近30mm內(nèi)，以防止飛濺物傷了螺紋。

5. 結(jié)語

實(shí)踐證明，合理的控制焊接工藝參數(shù)和焊接的速度，焊接后的液壓缸焊縫沒有產(chǎn)生裂紋和脆化現(xiàn)象。通過采用焊絲Mn7Mo提高了抗腐蝕性，大大提高了液壓缸的使用壽命，對保證設(shè)備按期完成和煤機(jī)的安全運(yùn)行起到了積極有效的作用，而且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，提高了整機(jī)的使用可靠性和可維護(hù)性。