隨焊旋轉沖擊對液壓支架熔覆層性能影響研究

張　勇　唐　俊　郭　威　張鯤鵬

遼寧工程技術大學，阜新，123000

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隨焊旋轉沖擊對液壓支架熔覆層性能影響研究

張勇唐俊郭威張鯤鵬

遼寧工程技術大學，阜新，123000

采用D112堆焊焊條在液壓支架磨損處進行堆焊修復，研究了隨焊沖擊工藝對熔覆層性能的影響。采用小孔法對堆焊層進行了殘余應力分析，并通過金相組織觀察、硬度試驗、耐磨性試驗及耐蝕性試驗對堆焊層的性能進行了比對分析。由試驗結果知：隨焊沖擊可以有效地減小焊接殘余應力，細化晶粒，提高堆焊層的硬度及耐磨耐蝕性能。

隨焊旋轉沖擊；D112堆焊焊條；殘余應力；力學性能

0　引言

液壓支架是一種利用液體壓力產生支撐力進行頂板支護和管理的一種液壓動力裝置，是綜合機械化采煤不可缺少的配套設備。它能夠有效地支撐工作面，隔離采空區，防止矸石進入回采工作面和推進輸送機，其結構件大多采用Q460低合金高強度鋼[1-4]。由于支架結構件工作環境惡劣，使用過程中承受動靜載荷，致使支架頂板、底板等構件的鉸接內孔處由于磨損而產生尺寸增大及呈橢圓狀等缺陷，對于這類缺陷通常采用手工或半自動的堆焊方法進行修復處理。堆焊是為了增加或恢復尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進行的焊接[5-8]。在進行堆焊修復時，不僅要注意材料的選擇，使修復層的硬度略高于原基體材料的硬度，達到既恢復頂板、底板等內孔的尺寸又保證摩擦副不因硬度過高而導致其他工件的磨損，還須在堆焊后將多余的堆焊材料通過機械加工的方式去除，從而保證與配合件間的裝配精度。

熔覆層易產生裂紋是熔覆技術應用的主要障礙，而裂紋與堆焊層殘余應力之間關系密切[9-11]。有實驗表明：當焊接殘余應力低于某一臨界值時，即使存在微觀裂紋，焊接處仍然不會產生斷裂[12-14]。為了提高熔覆層的性能，抑制裂紋擴展、減小殘余應力是主要技術手段。本文主要對隨焊旋轉沖擊法進行研究，探究控制和消除堆焊殘余應力及變形的機理，為更好地應用此種方法提供理論分析依據。

1　試驗材料及方法

1.1焊接試驗

本試驗采用Q460C板作為母材，規格為300 mm×150 mm×5 mm。Q460C化學成分見表1，鋼板的硬度為230HV。

表1　Q460C的化學成分(質量分數)　%

表面堆焊時選用D112堆焊焊條，焊條直徑為3.2 mm，其化學成分見表2。堆焊后熔覆層的硬度大于22HRC。

表2　D112堆焊焊條的化學成分(質量分數)　%

采用WS-500交直流電弧焊機對Q460進行表面堆焊，堆焊過程中焊接工藝參數如表3所示。堆焊過程中對試板采用不同的工藝處理，分別為：隨焊沖擊(試件沖擊處距焊炬100 mm)、焊后沖擊、常規焊接。

表3　焊接工藝參數

沖擊旋轉擠壓機構的實物結構如圖1所示。隨焊旋轉沖擊擠壓過程中，沖擊旋轉擠壓頭與焊接過程中的具有一定溫度焊縫及近縫區發生接觸，產生接觸作用力，經測量其值為40 kN，沖擊頻率為45 Hz。由于沖擊旋轉擠壓過程將產生一定量的塑性變形，須具有一定形式的圓滑過渡，因此在沖擊桿的外圓面邊緣加工一定大小的倒角。

圖1　沖擊旋轉擠壓裝置

1.2堆焊試板殘余應力的測量

在殘余應力測試中采用小孔法分別對上述試板進行殘余應力的測量，使用的應變儀為CM-1J-20數字靜態應變儀。應變片是由浙江黃巖測試儀器廠生產的型號為BX120-1CG的電阻應變片，其電阻值為119.9±0.3 Ω，靈敏系數為2.08±1%。試驗中采用了直徑為2.0 mm的鉆頭。實測點如圖2所示。

圖2　殘余應力測試點

1.3熔覆層金屬組織觀察

從堆焊試板上利用線切割機裁取試樣，沿垂直焊縫的方向，分別在不同工藝處理過的堆焊位置裁取尺寸為25 mm×4 mm×5 mm的試樣。將切好的堆焊橫截面及表面試樣的待觀察表面放在砂輪機上打磨平整，用0～6號金相砂紙對表面進行打磨，之后在金相試樣拋光機上進行拋光。采用4%(質量分數)的硝酸酒精溶液對試樣進行處理，然后進行微觀組織觀察。

1.4熔覆層顯微硬度試驗

采用HV-50A維氏顯微硬度儀來測試硬度，所用載荷為98 N，加載時間為15 s，點間距為0.15 mm，對制備好熔覆層金相焊接試樣沿焊縫橫截面豎直方向連續取點進行硬度測試，硬度測量點位置依次在熔合區、熱影響區和母材處選取。

1.5熔覆層耐磨性試驗

使用萬能磨料磨損試驗機ML-100對熔覆層試樣進行試驗。用砂輪機將試樣的下底面打磨平整，上底面需要去掉熔渣，露出堆焊金屬，用502膠結試樣在磨具上進行磨損。把試樣放在ML-100磨料磨損試驗機上進行試驗，加壓載荷為7 N，磨損時間為5 min，采用360目水磨砂紙進行打磨。試驗前后分別用丙酮溶液清洗試樣，用分辨力為1 mg的電子天平得出磨損前后的質量損失。

1.6熔覆層耐蝕性試驗

采煤工作面和巷道內相對濕度較大,一般在 75% 左右，使用的設備長期處于潮濕、易腐蝕環境中；水質成分復雜,水質中含有大量的 K+、Na+陽離子和 Cl-陰離子，另外其腐蝕性破壞與煤礦井下的水質有關。為了分析隨焊沖擊對熔覆層表面的腐蝕性能的影響，采用與實際環境相近的5%的NaCl溶液作為腐蝕介質。試驗采用飽和甘汞電極為參比電極，鉑片為輔助電極，工作電極為試驗前制備好的18 mm×5 mm的基體及熔覆層試件。利用PAR 2273電化學測試系統進行極化曲線的測量。試驗裝置照片如圖3所示。

圖3　試驗裝置

2　試驗結果與分析

2.1殘余應力結果與分析

采用不同工藝處理后的堆焊試件殘余應力的測試結果如表4所示。從表4數據可以分析出:隨焊沖擊和焊后沖擊都可以減小堆焊層的殘余應力。沖擊減小殘余應力主要是因為:焊接過程是將焊件的局部范圍加熱至熔化，而后又冷卻凝固的過程，是一個不均勻加熱或冷卻的過程，由于不均勻的溫度場作用，導致焊件產生不均勻收縮，焊后在焊件中會形成自平衡的內應力，即為焊接殘余應力，焊后沖擊過程中使被處理的金屬通過沖擊擠壓的作用在局部塑性收縮的部位產生一定的塑性延展，減少了焊縫的收縮量，進而減小了殘余應力。

表4　殘余應力測試結果

2.2顯微組織結果與分析

熔覆層截面顯微組織如圖4所示。由圖4知：隨焊沖擊試樣的顯微組織中的珠光體組織較為細小，沖擊作用減少了側板條鐵素體的形成，抑制了沿奧氏體晶界析出鐵素體的長大，從而降低了魏氏組織的形成傾向，提高了焊縫區的塑韌性，焊后沖擊焊縫得到的試樣的顯微組織和常規焊接得到的試樣的顯微組織無顯著區別。

(a)隨焊沖擊

(b)焊后沖擊

(c)常規焊接 圖4　熔覆層截面顯微組織

熔覆層表面顯微組織如圖5所示。由圖5知：隨焊沖擊試樣的熔覆層表面顯微組織中的珠光體組織最為細小，沖擊的振動作用促進了晶核的形成，導致了晶粒的細化；同時由于其沖擊壓縮的作用導致了部分馬氏體組織的出現。焊后沖擊試樣熔覆層表面顯微組織和常規焊接得到的試樣的顯微組織無顯著區別。

隨焊沖擊時對熔池產生以下兩方面作用：一是焊件在受迫振動時通過熔池壁與熔池金屬作用，使液態金屬亦受迫振動；二是焊接電弧因焊件的上下微振動產生電弧壓力的周期變化，相當于在熔池液態金屬表面作用了一個周期性激振力，從而使液態金屬產生擾動，導致隨焊過程的晶粒細化。

2.3硬度、耐磨性結果與分析

表5所示是隨焊沖擊、焊后沖擊焊縫和常規焊接試樣的維氏硬度值。隨焊沖擊試樣的平均硬度為339HV，焊后沖擊焊縫試樣的平均硬度為307.5HV，常規焊接試樣的平均硬度為282HV。通過試驗數據比對可以得出，隨焊沖擊試樣的維氏硬度要比焊后沖擊高，其原因是：隨焊沖擊使熔覆層金屬塑性變形增強導致強化，并且由于晶粒細化進一步提高了微觀組織的硬度。焊后沖擊使熔覆層接近表面的金屬出現形變強化現象。

(a)隨焊沖擊

(b)焊后沖擊

(c)常規焊接圖5　熔覆層表面顯微組織

MPa

隨焊沖擊、焊后沖擊、常規焊接堆焊層的磨損量值如表6所示。由表6知：采用隨焊沖擊處理過的試樣的耐磨性最好，焊后沖擊的試樣的耐磨性次之。這是由于在熔覆層中存在馬氏體，隨焊沖擊工藝又使馬氏體均勻分布，晶粒細化，所以會提高熔覆層的耐磨性。而焊后沖擊不能使晶粒細小，組織分布均勻，焊后沖擊主要是通過使熔覆層表層金屬發生塑性變形，出現表面加工硬化，從而導致其表層耐磨性提高。

表6　堆焊層磨損量

2.4熔覆層耐蝕性分析

(a)隨焊沖擊

(b)焊后沖擊

(c)常規焊接圖6　塔菲爾極化曲線

采用PAR 2273電化學測試系統進行極化曲線的測量，參比電極為飽和甘汞電極。圖6分別為隨焊沖擊試件、焊后沖擊試件、常規焊接試件的熔覆層在質量百分比為5% NaCl溶液中的塔菲爾極化曲線。利用線性擬合得出的熔覆層腐蝕過程中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度如表7所示。

表7　熔覆層的腐蝕參數

常規焊接件的自腐蝕電流密度比隨焊沖擊件和焊后沖擊件的電流密度高一個數量級，表明常規焊接件的耐蝕性最不好，焊后沖擊件的自腐蝕電流密度比隨焊沖擊件的自腐蝕電流密度小，表明焊后沖擊焊縫的耐蝕性更好。相對于常規焊接件，焊后沖擊和隨焊沖擊都能增強熔覆層的耐蝕性。這是由于沖擊使試樣表面產生壓縮塑性變形，繼而使表面的致密性提高，其耐蝕性最好。而隨焊沖擊試樣因為焊接冷卻過程的動態回復降低了其壓縮塑提高變形的程度，繼而使其耐蝕性雖然有所增強，但較焊后沖擊試件還是降低了。

3　結論

(1)隨焊沖擊能夠細化晶粒，使作用區域金屬產生縱向與橫向的塑性延展，進而減小焊縫中的殘余應力；焊后沖擊對作用區域的金屬通過沖擊使其產生一定的塑性延展，減少了焊縫的塑性收縮量，進而減小了殘余應力。

(2)隨焊沖擊可提高熔覆層金屬的耐蝕性、耐磨性和硬度；焊后沖擊通過使表面產生加工硬化現象，提高金屬表面的致密性，進而可以提高熔覆層的硬度、耐蝕性和耐磨性。

[1]王國法.大采高技術與大采高液壓支架的開發研究[J].煤礦開采，2009,14(1):1-4.

Wang Guofa.Research on Mining Technology with High Mining Height and Development of Powered Support for High Mining Height[J].Coal Mining Technology,2009,14(1):1-4.

[2]張銀亮,趙軍.國產大采高液壓支架的研究現狀與發展趨勢[J].煤礦開采，2008,13(6):1-3.

Zhang Yinliang, Zhao Jun.Status and Development Tendency of Domestic Powered Support with Large Mining Height[J].Coal Mining Technology,2008,13(6):1-3.

[3]董繼先,郭媛,馬安強.綜采液壓支架發展回顧與前瞻[J].煤礦機械,2004(12):1-3.

Dong Jixian,Guo Yuan,Ma Anqiang.The Developing Retrospect and Progressing Tendency of Hydraulic Support[J].Coal Mine Machinery,2004(12):1-3.

[4]黃尚智.我國液壓支架技術30年發展回顧與展望[J].煤礦機電,2000(5):46-50.

Huang Shangzhi.The Developing Retrospect and Progressing Tendency of Hydraulic Support During Recent 30years[J].Colliery Mechanical & Electrical Technology,2000(5):46-50.

[5]何實,李家宇,趙昆.我國堆焊技術發展歷程回顧與展望[J].金屬加工,2009,60(22):25-27.

He Shi, Li Jiayu, Zhao Kun. The Developing Retrospect and Progressing Tendency of Domestic Surfacing Technology[J]. Metal Forming,2009,60(22):25-27.

[6]胡邦喜,莽克倫,王靜潔,等.堆焊技術在國內石化、冶金行業機械設備維修中的應用[J].中國表面工程,2006,19(3):4-6.

Hu Bangxi, Mang Kelun, Wang Jingjie, et al. Application of Surfacing on Mechanism Equipments Maintaining of Petroleum Chemical Industry and Metallurgy Industry in China [J].China Surface Engineering,2006,19(3):4-6.

[7]單際國,董祖玨,徐濱士.我國堆焊技術的發展及其在基礎工業中的應用現狀[J].中國表面工程,2002,15(4):19-20.

Shan Jiguo, Dong Zujue, Xu Binshi.Development and Application of Surfacing on Basic Industry in China [J].China Surface Engineering,2002,15(4):19-20.

[8]周永強,李午申,馮靈芝. 表面工程技術的發展與應用[J].焊接技術,2001,30(4)：5-7.

Zhou Yongqiang, Li Wushen, Feng Lingzhi. Deve-lopment and Application of Surfacing[J]. Welding Technology,2001,30(4)：5-7.

[9]周細應,柯黎明,華小珍,等.堆焊界面特征與裂紋形成之間的關系研究[J].兵器材料科學與工程,2001,24(6):18-21.

Zhou Xiying, Ke Liming, Hua Xiaozhen, et al.Study of Relationship between Characteristics of Overlaying Welding Interface and Crack Formation[J]. Ordnance Material Science and Engineering,2001,24(6):18-21.

[10]Galatooland R, Laneiotti A. Fatigue Crack Propagation in Residual Stress Fields of Welded Plates[J]. Int. J. Fatigue, 1997,19(1):43-49.

[11]Kazuyoshi M, Lehihiok T, Yokuhaur Y, et al. Influence of Residual Stress on Fatigue Strength of Non-load-carrying Fillet Wedlded Joints[J].Transactions of the Japan Welding Society,1993,24(1):70-77.

[12]張文鉞，杜則裕，許玉環，等. 國產低合金高強鋼冷裂判據的建立[J].天津大學學報, 1983(3)：1-11.

Zhang Wenyue,Du Zeyu,Xu Yuhuan, et al.Estimation of the Cold Cracking Susceptibility of HSLA Steels[J].Journal of Tianjin University,1983(3)：1-11.

[13]楊建國，黃魯永，張勇，等. 30CrMnSi鋼TIG焊冷裂紋形成機制[J].焊接學報，2011，32(12)：13-16.

Yang Jianguo, Huang Luyong, Zhang Yong, et al.Mechanism of Cold Welding Cracks in 30CrMnSi Steel Joints Welded by TIG Method[J].Transactions of the China Welding Institution，2011，32(12)：13-16.

[14]Pan Haibo， Yang Jianguo， Hang Luyong，et al. Control of Cold Welding Cracks in 30CrMnSi Steel by Welding with Trailling Impacting and Rolling[J].China Welding，2011，295/297：1251-1258.

(編輯王艷麗)

Research on Cladding Coating Properties of Hydraulic Shield Support by Welding with Rotation Impact

Zhang YongTang JunGuo WeiZhang Kunpeng

Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning,123000

Surfacing on abrasion of hydraulic shield support was carried out by using D112 surfacing electrodes. The influences on surfacing layers by welding with impact were discussed. The static strain digital instrument was utilized to study residual stress. Hardness, wear resistance performance, corrosion resistance and microstructure of the surfacing layers were studied. The results show that the welding residual stress is effectively reduced by welding with impact. At the same time, welding with impact may make the grain finer, and may improve the surfacing layer hardness, wear resistance and corrosion resistance.

welding with rotation impact; D112 surfacing electrode; residual stress；mechanics property

2015-12-04

遼寧省大學生創新訓練項目(201410147010)

TG156.5

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.018

張勇，男，1977年生。遼寧工程技術大學材料科學與工程學院副教授、博士。主要研究方向為焊接結構及工藝。發表論文10余篇。唐俊,男,1992年生。遼寧工程技術大學材料科學與工程學院本科生。郭威,男,1993年生。遼寧工程技術大學材料科學與工程學院本科生。張鯤鵬,男,1992年生。遼寧工程技術大學材料科學與工程學院本科生。