液壓支架使用低合金高強鋼焊接工藝研究

安潤霞

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展趨勢。與之相適應，煤機設備開始朝著大配套、大阻力、大功率、高可靠性發展的同時呈現出另一種傾向，即自重輕型化、材質高強化、控制自動化，所以700 MPa 乃至更大強度的低合金高強鋼成為煤機設備使用的主流鋼材。中央機廠作為大同煤礦集團公司煤機制造的主要生產基地，從2003 年以來，Q420、Q460 逐步取代了多年為主要材質的Q345。尤其是從2006 年5 月開始少量使用Q690、Q550 高強板制造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 型薄煤層掩護式液壓支架乃至SGZ764/400、SGZ764/630、SGZ830/630 重型刮板輸送機制造，700 MPa 以上的Q550、Q690 鋼板已占到使用板材的80%以上。高強板由于淬硬傾向較大，焊接時極易出現裂紋，影響煤機設備的使用性能，因此如何控制接頭裂紋已成為高強鋼焊接研究的一道重要課題。

1 研究內容

1.1 高強鋼焊接的特性

高強鋼是在普通低合金結構鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時加入Ni、Ti、V 及Nb 等合金元素，以達到細化晶粒，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，其化學成分及常溫力學性能見表1，第12 頁表2、表3。

從表中可以明顯看出，低合金高強鋼碳當量均在0.4%以上，而當CEV=0.4%～0.6%時，特別當大于0.5%時，鋼材淬硬傾向強，產生焊接裂紋的幾率很大，對焊接作業環境、焊接作業規范以及焊接材料、焊接人員都提出了更高的要求。

表1 低合金高強鋼化學成分 [1]

1.2 焊接作業環境的研究

大同地區屬于雁北高寒地區，每年春、秋季風沙大，早晚溫差大，為了確保焊接質量，避免產生延遲裂紋乃至層狀撕裂、結晶熱裂紋等嚴重缺陷，近幾年來我們從焊接作業環境的角度進行了反復探索，在各類工藝文件中明確規定，焊接作業環境溫度＞5℃。①當冬天環境溫度低于0℃時，要求對焊縫兩邊的母材進行局部預熱，最低預熱溫度大于20℃；同時，為了防止局部預熱過度，預熱溫度不得大于150℃。②春、秋兩季當風速超過2 m/s 時，應采取避風、防風措施，即不得在車間大門兩側5 m 以內進行施焊。③當冬季焊件表面潮濕、有霜凍時，應用氧-乙炔火焰進行烘干加熱，加熱溫度高于20℃。④當作業環境達到或者接近溫度、風力、濕度極限數據時，要求第一道焊縫應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 低合金高強鋼力學性能 [1]

表3 熱機械軋制式熱機械軋制加回火狀態交貨鋼材的碳當量 [1]

1.3 焊接材料的匹配性研究

長期以來，焊接材料的選用多采用等強匹配的原則，即焊接材料的抗拉強度等級等同于母材的抗拉強度等級。而且，在一些企業中，由于液壓支架在使用過程中產生焊縫開裂現象，還選用了高強匹配的原則，即焊接材料的抗拉強度高于母材強度等級一個級別。幾年來，我們在液壓支架使用低合金高強鋼焊接的過程中，也先后進行了反復試驗和實踐，最終確定，鑒于低合金高強鋼存在的主要問題是焊接后易產生冷裂紋和淬硬組織，而且液壓支架工作條件較為復雜，承受彎曲、扭轉、拉伸等多種工作應力，并以彎扭組合應力為主要載荷影響，所以少許降低焊縫的強度而使韌性儲備提高，對焊接接頭更為有利，故在焊接材料的選用上采取了低強匹配原則，焊接材料的強度低于母材一個強度等級，收到了很好的效果[2]。其一，對Q420、Q460 母材的焊接成功地實現了不預熱常溫焊接；其二，焊縫的韌性得到了保證，在拉伸試驗、彎曲試驗中，確保了焊縫金屬有一定伸長，但未開裂的效果；其三，大大降低了生產成本。

1.4 焊接作業規范的研究

低合金高強鋼的組織和性能主要由焊接熱循環決定，所以焊接作業規范的研究是整個低合金高強鋼焊接質量控制的重要環節。

1.4.1 焊前預熱溫度的確定

焊接接頭的淬硬組織、擴散氫含量、拘束應力這3 個基本條件是形成焊接冷裂紋的主要原因。而焊前預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；加速氫的擴散逸出，防止氫致冷裂紋；可減少母材與焊縫區的溫度差，使較寬范圍內的溫度分布比較均勻，能減少焊接接頭的殘余應力，故焊前預熱是防止低合金高強鋼焊接裂紋的重要措施[3]。

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

根據有關資料介紹，經過反復驗證，我們確定了預熱方法及措施，即碳當量＜0.45%的低合金結構鋼，如Q345、Q420、Q460，除去環境溫度低于5℃時，一般不進行預熱。碳當量介于0.45%～0.50%之間的低合金結構鋼，如Q550 鋼板，預熱溫度為50℃～100℃；Q550 板材我們采取了用氧-乙炔火焰對焊縫周圍100 mm 處進行預熱的措施。碳當量≥0.50%，如Q690 板焊接時，預熱200℃～300℃；為了安全起見，我們采取了整體入爐預熱的工藝。

同時，為了保證焊件的預熱效果和層間溫度，加強了監控測量，即在焊接過程中，在焊接方向上取500 mm 和1 000 mm 作為測量點。在寬度范圍內當母材板厚≤50 mm 時，測量范圍為距焊縫邊緣不超過50 mm 的距離處；當板厚＞50 mm 時，測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[4]（見圖1）。

圖1 焊接溫度測試位置

層間溫度要求不低于80℃，若低于80℃，應用氧-乙炔火焰重新預熱至80℃以上。預熱后要求連續施焊，大型焊件由2～3 名焊工采取對稱跳焊方法同時施焊。

1.4.2 焊接工藝參數的研究

為了保證焊接質量，焊接時宜使用80%Ar+20%CO2的混合氣體保護為宜；焊絲應選用細焊絲，液壓支架焊接宜選用Φ1.2 mm 焊絲；焊接電流應保持在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。按此參數進行施焊，焊接熱輸入界于16 kJ/cm～17 kJ/cm 之間，得到的焊縫熱影響區為馬氏體+下貝氏體組織。馬氏體對貝氏體高塑性的約束提高了熱影響區的強度，同時貝氏體可以隨馬氏體產生適當變形，從而組織裂紋吸收應力從而提高屈服強度，達到塑韌性與強度的平衡，取得綜合性能優良的效果。若加大焊接電流，提高熱輸入，當焊接熱輸入達到20 kJ/cm 以上時，則形成奧氏體晶粒內形成上貝氏體組織，使沖擊韌性明顯降低；反之，當減少焊接電流，降低焊接熱輸入時，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 消除焊接應力的研究

焊接應力在焊接過程中是不可避免的。多年來，焊接低合金高強鋼的實踐證明，焊接過程中，對于焊角高度＞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，使焊縫應力減小的效果；另外，結構件焊接完畢，對整體結構件進行拋丸除銹處理，拋丸強烈的沖擊也可以起到延展焊縫，消除焊接殘余應力的效果。對于如頂梁、掩護梁、底座等一些結構較復雜、體積較大的構件，焊后入爐加熱450℃～500℃進行消氫處理，對于消除焊縫殘余應力有著很好的效果。

2 效果及結論

通過對高強板焊接尤其是在焊接生產中易出現問題的研究，在制定了相應的工藝措施后得到了良好的高強鋼焊接接頭，使我廠的焊接能力又上了一個新的臺階。幾年來，我廠用高強鋼生產的ZY4400/10/20型大傾角薄煤層掩護式液壓支架、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廠轉型跨越奠定了堅實的基礎。

[1]劉徐源.GB 1591-2008 低合金高強度結構鋼[S].北京：中國標準化研究院，2009：7.

[2]俞尚知.焊接工藝人員手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1991.

[3]張守祥，王云洲.高強度材料在液壓支架上的應用[J].煤炭科學技術，1997，25（9）：25.

[4]韓成武.高強度結構鋼的焊接工藝要點[J].機械工人（熱加工），1992（10）：34.