液壓支架使用低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝研究

安潤(rùn)霞

0 引言

近幾年，為了加大資源開采率，薄煤層、特厚煤層開采已成為煤炭開采的必然發(fā)展趨勢(shì)。與之相適應(yīng)，煤機(jī)設(shè)備開始朝著大配套、大阻力、大功率、高可靠性發(fā)展的同時(shí)呈現(xiàn)出另一種傾向，即自重輕型化、材質(zhì)高強(qiáng)化、控制自動(dòng)化，所以700 MPa 乃至更大強(qiáng)度的低合金高強(qiáng)鋼成為煤機(jī)設(shè)備使用的主流鋼材。中央機(jī)廠作為大同煤礦集團(tuán)公司煤機(jī)制造的主要生產(chǎn)基地，從2003 年以來，Q420、Q460 逐步取代了多年為主要材質(zhì)的Q345。尤其是從2006 年5 月開始少量使用Q690、Q550 高強(qiáng)板制造ZY6400/12/28型液壓支架，近幾年來ZF15000/27.5/42 型特厚煤層放頂煤液壓支架、ZY4400/10/20 型薄煤層掩護(hù)式液壓支架乃至SGZ764/400、SGZ764/630、SGZ830/630 重型刮板輸送機(jī)制造，700 MPa 以上的Q550、Q690 鋼板已占到使用板材的80%以上。高強(qiáng)板由于淬硬傾向較大，焊接時(shí)極易出現(xiàn)裂紋，影響煤機(jī)設(shè)備的使用性能，因此如何控制接頭裂紋已成為高強(qiáng)鋼焊接研究的一道重要課題。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 高強(qiáng)鋼焊接的特性

高強(qiáng)鋼是在普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，為了改善鋼的性能，在冶煉時(shí)加入Ni、Ti、V 及Nb 等合金元素，以達(dá)到細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性，清除鋼中的有害元素S、P，改善鋼的性能的目的，其化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能見表1，第12 頁表2、表3。

從表中可以明顯看出，低合金高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量均在0.4%以上，而當(dāng)CEV=0.4%～0.6%時(shí)，特別當(dāng)大于0.5%時(shí)，鋼材淬硬傾向強(qiáng)，產(chǎn)生焊接裂紋的幾率很大，對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境、焊接作業(yè)規(guī)范以及焊接材料、焊接人員都提出了更高的要求。

表1 低合金高強(qiáng)鋼化學(xué)成分 [1]

1.2 焊接作業(yè)環(huán)境的研究

大同地區(qū)屬于雁北高寒地區(qū)，每年春、秋季風(fēng)沙大，早晚溫差大，為了確保焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生延遲裂紋乃至層狀撕裂、結(jié)晶熱裂紋等嚴(yán)重缺陷，近幾年來我們從焊接作業(yè)環(huán)境的角度進(jìn)行了反復(fù)探索，在各類工藝文件中明確規(guī)定，焊接作業(yè)環(huán)境溫度＞5℃。①當(dāng)冬天環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，要求對(duì)焊縫兩邊的母材進(jìn)行局部預(yù)熱，最低預(yù)熱溫度大于20℃；同時(shí)，為了防止局部預(yù)熱過度，預(yù)熱溫度不得大于150℃。②春、秋兩季當(dāng)風(fēng)速超過2 m/s 時(shí)，應(yīng)采取避風(fēng)、防風(fēng)措施，即不得在車間大門兩側(cè)5 m 以內(nèi)進(jìn)行施焊。③當(dāng)冬季焊件表面潮濕、有霜凍時(shí)，應(yīng)用氧-乙炔火焰進(jìn)行烘干加熱，加熱溫度高于20℃。④當(dāng)作業(yè)環(huán)境達(dá)到或者接近溫度、風(fēng)力、濕度極限數(shù)據(jù)時(shí)，要求第一道焊縫應(yīng)從中間引弧向兩端施焊，以后各層控溫施焊，層間溫度控制在100℃～150℃左右。

表2 低合金高強(qiáng)鋼力學(xué)性能 [1]

表3 熱機(jī)械軋制式熱機(jī)械軋制加回火狀態(tài)交貨鋼材的碳當(dāng)量 [1]

1.3 焊接材料的匹配性研究

長(zhǎng)期以來，焊接材料的選用多采用等強(qiáng)匹配的原則，即焊接材料的抗拉強(qiáng)度等級(jí)等同于母材的抗拉強(qiáng)度等級(jí)。而且，在一些企業(yè)中，由于液壓支架在使用過程中產(chǎn)生焊縫開裂現(xiàn)象，還選用了高強(qiáng)匹配的原則，即焊接材料的抗拉強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度等級(jí)一個(gè)級(jí)別。幾年來，我們?cè)谝簤褐Ъ苁褂玫秃辖鸶邚?qiáng)鋼焊接的過程中，也先后進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)踐，最終確定，鑒于低合金高強(qiáng)鋼存在的主要問題是焊接后易產(chǎn)生冷裂紋和淬硬組織，而且液壓支架工作條件較為復(fù)雜，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等多種工作應(yīng)力，并以彎扭組合應(yīng)力為主要載荷影響，所以少許降低焊縫的強(qiáng)度而使韌性儲(chǔ)備提高，對(duì)焊接接頭更為有利，故在焊接材料的選用上采取了低強(qiáng)匹配原則，焊接材料的強(qiáng)度低于母材一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，收到了很好的效果[2]。其一，對(duì)Q420、Q460 母材的焊接成功地實(shí)現(xiàn)了不預(yù)熱常溫焊接；其二，焊縫的韌性得到了保證，在拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)中，確保了焊縫金屬有一定伸長(zhǎng)，但未開裂的效果；其三，大大降低了生產(chǎn)成本。

1.4 焊接作業(yè)規(guī)范的研究

低合金高強(qiáng)鋼的組織和性能主要由焊接熱循環(huán)決定，所以焊接作業(yè)規(guī)范的研究是整個(gè)低合金高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。

1.4.1 焊前預(yù)熱溫度的確定

焊接接頭的淬硬組織、擴(kuò)散氫含量、拘束應(yīng)力這3 個(gè)基本條件是形成焊接冷裂紋的主要原因。而焊前預(yù)熱能夠減緩焊接接頭的冷卻速度，減少或避免淬硬組織的形成；加速氫的擴(kuò)散逸出，防止氫致冷裂紋；可減少母材與焊縫區(qū)的溫度差，使較寬范圍內(nèi)的溫度分布比較均勻，能減少焊接接頭的殘余應(yīng)力，故焊前預(yù)熱是防止低合金高強(qiáng)鋼焊接裂紋的重要措施[3]。

在這方面，2003 年以來我們也進(jìn)行了認(rèn)真的探索和研究，最終確定了根據(jù)碳當(dāng)量確定預(yù)熱方法和預(yù)熱溫度的方法，其不僅考慮了板厚和擴(kuò)散氫等因素對(duì)預(yù)熱溫度的影響，而且還考慮了焊接熱輸入對(duì)預(yù)熱溫度的影響，可以防止由于操作不穩(wěn)定而引起的誤差。

根據(jù)有關(guān)資料介紹，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，我們確定了預(yù)熱方法及措施，即碳當(dāng)量＜0.45%的低合金結(jié)構(gòu)鋼，如Q345、Q420、Q460，除去環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，一般不進(jìn)行預(yù)熱。碳當(dāng)量介于0.45%～0.50%之間的低合金結(jié)構(gòu)鋼，如Q550 鋼板，預(yù)熱溫度為50℃～100℃；Q550 板材我們采取了用氧-乙炔火焰對(duì)焊縫周圍100 mm 處進(jìn)行預(yù)熱的措施。碳當(dāng)量≥0.50%，如Q690 板焊接時(shí)，預(yù)熱200℃～300℃；為了安全起見，我們采取了整體入爐預(yù)熱的工藝。

同時(shí)，為了保證焊件的預(yù)熱效果和層間溫度，加強(qiáng)了監(jiān)控測(cè)量，即在焊接過程中，在焊接方向上取500 mm 和1 000 mm 作為測(cè)量點(diǎn)。在寬度范圍內(nèi)當(dāng)母材板厚≤50 mm 時(shí)，測(cè)量范圍為距焊縫邊緣不超過50 mm 的距離處；當(dāng)板厚＞50 mm 時(shí)，測(cè)量范圍為距焊縫邊緣75 mm 處；若焊縫兩邊母材厚度有差異，以厚板的一邊為基準(zhǔn)[4]（見圖1）。

圖1 焊接溫度測(cè)試位置

層間溫度要求不低于80℃，若低于80℃，應(yīng)用氧-乙炔火焰重新預(yù)熱至80℃以上。預(yù)熱后要求連續(xù)施焊，大型焊件由2～3 名焊工采取對(duì)稱跳焊方法同時(shí)施焊。

1.4.2 焊接工藝參數(shù)的研究

為了保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)宜使用80%Ar+20%CO2的混合氣體保護(hù)為宜；焊絲應(yīng)選用細(xì)焊絲，液壓支架焊接宜選用Φ1.2 mm 焊絲；焊接電流應(yīng)保持在280 A～320 A 之間；焊絲送絲速度為16 m/min～18 m/min；氣體流量為19 L/min～20 L/min。按此參數(shù)進(jìn)行施焊，焊接熱輸入界于16 kJ/cm～17 kJ/cm 之間，得到的焊縫熱影響區(qū)為馬氏體+下貝氏體組織。馬氏體對(duì)貝氏體高塑性的約束提高了熱影響區(qū)的強(qiáng)度，同時(shí)貝氏體可以隨馬氏體產(chǎn)生適當(dāng)變形，從而組織裂紋吸收應(yīng)力從而提高屈服強(qiáng)度，達(dá)到塑韌性與強(qiáng)度的平衡，取得綜合性能優(yōu)良的效果。若加大焊接電流，提高熱輸入，當(dāng)焊接熱輸入達(dá)到20 kJ/cm 以上時(shí)，則形成奧氏體晶粒內(nèi)形成上貝氏體組織，使沖擊韌性明顯降低；反之，當(dāng)減少焊接電流，降低焊接熱輸入時(shí)，焊接冷卻速度較快，主要形成板狀馬氏體和少量的貝氏體組織，且碳化物析出有影響，同樣，焊縫周圍的塑韌性較低。

1.4.3 消除焊接應(yīng)力的研究

焊接應(yīng)力在焊接過程中是不可避免的。多年來，焊接低合金高強(qiáng)鋼的實(shí)踐證明，焊接過程中，對(duì)于焊角高度＞10 mm 以上的焊縫，采用多層多道焊，層間用小錘錘擊焊縫，可以起到延展焊縫，使焊縫應(yīng)力減小的效果；另外，結(jié)構(gòu)件焊接完畢，對(duì)整體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行拋丸除銹處理，拋丸強(qiáng)烈的沖擊也可以起到延展焊縫，消除焊接殘余應(yīng)力的效果。對(duì)于如頂梁、掩護(hù)梁、底座等一些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積較大的構(gòu)件，焊后入爐加熱450℃～500℃進(jìn)行消氫處理，對(duì)于消除焊縫殘余應(yīng)力有著很好的效果。

2 效果及結(jié)論

通過對(duì)高強(qiáng)板焊接尤其是在焊接生產(chǎn)中易出現(xiàn)問題的研究，在制定了相應(yīng)的工藝措施后得到了良好的高強(qiáng)鋼焊接接頭，使我廠的焊接能力又上了一個(gè)新的臺(tái)階。幾年來，我廠用高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的ZY4400/10/20型大傾角薄煤層掩護(hù)式液壓支架、ZF15000/27.5/42型大采高大工作阻力高端液壓支架都取得了很好的效果。除此之外，ZY6200/9/17 型、ZZ5200/12/23 型液壓支架焊接也受到了用戶的首肯，為我廠向高可靠性液壓支架制造專業(yè)廠轉(zhuǎn)型跨越奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]劉徐源.GB 1591-2008 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2009：7.

[2]俞尚知.焊接工藝人員手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

[3]張守祥，王云洲.高強(qiáng)度材料在液壓支架上的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25（9）：25.

[4]韓成武.高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接工藝要點(diǎn)[J].機(jī)械工人（熱加工），1992（10）：34.