不同焊絲對液壓支架用Q690鋼的裂紋敏感性研究

丁高劍 侯書賓

1. 概述

隨液壓支架逐漸向超高端、超高可靠性方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)件所選用的鋼材級別也逐漸升高，已由早期較低級別的Q345逐漸增加至Q690，甚至更高級別的低合金高強(qiáng)鋼。尤其是Q690在高端液壓支架制造領(lǐng)域應(yīng)用已比較廣泛，但由于低合金高強(qiáng)鋼加入了過多合金元素大大提高了鋼材的淬硬傾向，導(dǎo)致焊接裂紋率增加，而焊接裂紋會導(dǎo)致承受動(dòng)變載荷的液壓支架在井下服役過程中產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

由于Q690鋼在液壓支架不同結(jié)構(gòu)件焊接中所選用的焊絲級別也不相同，在同一部件中也有可能選用兩種及以上的焊絲，因此，系統(tǒng)評價(jià)不同級別焊絲對Q690鋼的焊接裂紋敏感性迫在眉睫。

2. 試驗(yàn)材料與方法

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用鋼板為調(diào)質(zhì)態(tài)Q690鋼材，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。試驗(yàn)用焊絲為：MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70、MK·GHS70—G四種常用焊絲，f1.2mm。其化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能如表3所示。

（2）試驗(yàn)方法 本試驗(yàn)根據(jù)斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)（GB4675.1），考察四種焊絲對Q690鋼材焊接適用性，用表面裂紋率和斷面裂紋率評定其裂紋敏感性；同時(shí)進(jìn)行顯微硬度、裂紋形態(tài)和顯微組織分析等，對Q690鋼不同焊材匹配的焊接性做出全面的評價(jià)。試驗(yàn)所用試板尺寸為：200mm×75mm×20mm，“小鐵研”試驗(yàn)的試板坡口形式如圖1所示。試板焊接在車間現(xiàn)場進(jìn)行，采用奧太 NBC—500 CO2氣體保護(hù)焊機(jī)，保護(hù)氣體80%Ar+20%CO2，氣體流量18~20L/min。

表2 試驗(yàn)用鋼的力學(xué)性能

表3 不同級別焊絲的化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能

圖1 “小鐵研”試驗(yàn)的試板坡口形式

針對“小鐵研”試驗(yàn)，分析Q690鋼焊接接頭區(qū)的顯微組織和微觀斷口形貌，與小鐵研試驗(yàn)的工藝參數(shù)和裂紋率，確定焊接區(qū)顯微組織對裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的影響，建立工藝參數(shù)、顯微組織與接頭裂紋率之間的內(nèi)在聯(lián)系，為生產(chǎn)中制定和改善焊接工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果和分析

（1）“鐵研試驗(yàn)”的裂紋率 本文對Q690采用不同級別焊絲在不同工藝參數(shù)下斜Y坡口對接裂紋率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊接熱輸入<20kJ/cm時(shí)，使用MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70三種焊絲對Q690鋼進(jìn)行焊接的焊接裂紋率均較低，而使用MK·GHS70—G焊絲焊接接頭裂紋率相對較高；而當(dāng)焊接熱輸入>20kJ/cm時(shí)，四種焊絲的焊接接頭裂紋率均明顯提高，但均遠(yuǎn)小于20%。由圖2可知，Q690鋼焊接熱輸入對裂紋傾向的關(guān)系是裂紋率隨焊接熱輸入的增加而增加。因此，四種焊絲對于Q690鋼均具有良好的抗裂性，從焊接接頭裂紋率角度考慮用于液壓支架焊接生產(chǎn)均是安全的。

圖2 Q690鋼焊接熱輸入對裂紋傾向的關(guān)系

表4 Q690+Q690斜Y坡口對接裂紋率

（2）焊接區(qū)微觀裂紋形態(tài)分析 Q690鋼是含有Ni、Cr、Mo等元素的低合金高強(qiáng)鋼，合金元素（Ni、Cr、Mo等）加入的主要作用是保證淬透性，使其獲得低碳馬氏體或貝氏體組織。此外，這些合金元素還可提高鋼的抗回火性，提高鋼的強(qiáng)度性能，改善鋼的塑性和韌性。影響焊接區(qū)裂紋敏感性的因素很多，但起決定作用的是微觀組織，而焊縫顯微組織又取決于焊接材料和焊接工藝。采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊的Q690鋼焊縫組織如圖3所示。照片中的焊縫組織為先共析鐵素體（PF）、針狀鐵素體（AF）、珠光體（P）和粒狀貝氏體（BG）。先共析鐵素體沿焊縫柱狀晶晶界分布，少量無碳貝氏體由晶界向晶內(nèi)平行生長，晶內(nèi)為粒狀貝氏體、珠光體和較多的針狀鐵素體。

當(dāng)焊縫受拘束載荷（拉應(yīng)力）時(shí)，塑性變形首先在晶界處發(fā)生，易使裂紋在此處萌生和擴(kuò)展。以針狀鐵素體為主的焊縫組織晶粒細(xì)小均勻，抗拉強(qiáng)度高，塑性和韌性也較好。四種焊絲焊縫中的針狀鐵素體都很細(xì)小，晶粒邊界交角大，對裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用。但大熱輸入焊縫中晶界處的先共析鐵素體由于晶粒粗大，裂紋擴(kuò)展時(shí)改變方向的次數(shù)少，阻力小，致使裂紋容易擴(kuò)展。而且先共析鐵素體多沿著原奧氏體晶界分布，先共析鐵素體增多的焊縫組織塑性和韌性較差，易萌生裂紋，如圖4所示。因此，為獲得較多細(xì)小的針狀鐵素體組織，焊接過程中應(yīng)控制焊接熱輸入值。

實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)大多為多層多道焊。在多層多道焊焊縫中，后焊焊道對前焊焊道有退火作用，使前焊焊道的組織細(xì)化。但前焊焊道同時(shí)對后焊焊道有預(yù)熱作用，使后焊焊道中的先共析鐵素體組織發(fā)達(dá)，先共析鐵素體數(shù)量也有所增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，液壓支架焊接結(jié)構(gòu)的連接部位一般需要焊接多層多道，焊縫金屬總體上以受退火作用的焊道構(gòu)成，焊縫金屬以較細(xì)小的針狀鐵素體組織為主，韌性和抗裂性能優(yōu)于單道焊焊縫。因此，根據(jù)“鐵研試驗(yàn)”結(jié)果制定的焊接工藝及參數(shù)在實(shí)際焊接生產(chǎn)中是偏于安全的。

圖3 Q690焊縫顯微組織（Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊）

圖4 Q690鋼焊接區(qū)裂紋（熱輸入20.042kJ/cm）

由于液壓支架逐漸趨向與超高端、超高可靠性性方向發(fā)展，我公司Q690鋼高端液壓支架考慮強(qiáng)度因素主要選用湖北猴王公司生產(chǎn)的MK·GHS70—G焊絲進(jìn)行焊接，目前已成功應(yīng)用于ZY18000/25/45D神東石圪臺、ZFY18000/25/39神東布爾臺、ZY18000/32/70神華7m等多套Q690鋼高端液壓支架焊接中。但當(dāng)液壓支架處于疲勞載荷且要求較高壽命等特殊工況環(huán)境時(shí)，也會選用MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70三種類型焊絲。

4. 結(jié)語

（1）鐵研試驗(yàn)結(jié)果表明，Q690高強(qiáng)鋼，采用Ar+CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，四種焊絲的焊接接頭根部裂紋率可以滿足焊接生產(chǎn)要求。隨著焊絲強(qiáng)度級別的提高，裂紋率也逐漸增加，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20%，用于焊接生產(chǎn)是安全的，均已成功應(yīng)用于我公司Q690鋼高端液壓支架批量生產(chǎn)中。

（2）采用上述四種焊絲焊接Q690鋼時(shí)，焊接熱輸入控制在20kJ/cm以下，相應(yīng)的焊接電流不應(yīng)超過300A。增大焊接電流須相應(yīng)提高焊接速度。

[1] 高有進(jìn). 6.2m液壓支架關(guān)鍵技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué), 2008.

[2] 高有進(jìn). 6.3m大采高液壓支架關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 中州煤炭, 2007, (3): 6-8.

[3] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1988, 250-279.