摘 要： 通過對設備加工、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)生了麻點和銹蝕，從而影響其使用壽命，因此，在實際工作中，選擇缸體材料具有非常重要的意義。本文通過監(jiān)理實踐中的多年經(jīng)驗，對缸體材料的選用和焊接加工工藝進行分析及探討。

1.焊接性分析

1.1.化學成分及力學性能

1.1.1.化學成分

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

表1 27SiMn鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

27siMn液壓支柱管是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎上，適當?shù)丶尤胍环N或幾種合金元素，用來提高鋼的強度、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性能，多軋制成型材，用作機械或機器中的重要結(jié)構(gòu)件. 硬度達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量計算應依據(jù)美國焊接學會提供的公式：

1.3.冷裂紋

這種鋼的淬硬傾向相當大，本應有很大的冷裂傾向，但由于這種鋼的特點是馬氏體含量很低，所以它的開始轉(zhuǎn)變溫度Ms點較高，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行一次“自回火”處理，因而實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”處理條件，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，軟化越嚴重，因此對焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理的這種鋼來說尤其重要。從強度出發(fā)，這是焊接接頭中的一個薄弱環(huán)節(jié)，強度級別越高這一節(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

2.1.試件的形狀和尺寸（如下圖）：

2.2. 焊接試驗條件如下表：

2.3.結(jié)果分析

對于高強鋼通常是采用預熱焊接，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熱焊接進行斜Y坡口對接裂紋試驗，其環(huán)境條件及結(jié)果如下：

從試驗結(jié)果來看，在較為苛刻的試驗條件下，試件僅在起弧端熱影響區(qū)開裂，根部裂紋在熱影響區(qū)中擴展的最大長度僅為2mm。通過試驗分析表明，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鋼焊接接頭機械性能、斜Y型坡口焊接裂紋試驗均表明，27SiMn鋼，具有良好的焊接性能，綜合機械性能可以滿足強度要求，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。

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。

3.5.2.焊接材料進廠應具有有效質(zhì)量保證書。焊條、焊絲無銹蝕、油污、破損等現(xiàn)象。保護氣體純度達到國家焊接用氣標準要求。

3.5.3.焊接設備的選擇

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

3.5.4.預熱溫度及層間溫度

預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。預熱采用氧氣-乙炔火焰預熱，預熱溫度為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，達不到溫度，重新預熱。

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?？刂坪附铀俣龋瑖澜L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.焊接應采用多層（窄焊道）技術，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

為保證焊件低應力和低變形，控制焊接順序，焊前均要進行打底焊。

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力導致開裂，應至少分成兩半焊接，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，在控制預熱溫度的同時，嚴格控制層間溫度，即不能低，也不能過高，以保證焊接接頭良好的綜合機械性能。

4.焊接工藝確定

4.1.焊前預熱

當焊件厚度較小或接頭拘束度也較小時，焊前可不進行預熱。隨著焊件厚度的增加，為了防止產(chǎn)生冷裂紋，必須進行預熱，但是應當嚴格控制預熱溫度。因為過高的預熱溫度會使熱影響區(qū)的冷卻速度過于緩慢，使得強度和韌性均下降。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，應符合I級氣體或II級氣體的要求。

4.3.施焊技術

為避免過度損傷熱影響區(qū)的韌性，應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，增加修復區(qū)域的耐腐蝕性，減少焊縫的擴散氫含量，以及降低焊接區(qū)的拘束應力等幾個方面入手，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，我們采取小線能量施焊。因為采用小線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熱。焊絲化學成分見表2

表2焊絲化學成分（質(zhì)量分數(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混合配比作保護氣體。其特點如下：

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，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，焊接過程中，導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，對保證設備按期完成和煤機的安全運行起到了積極有效的作用，而且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟效益和社會效益，提高了整機的使用可靠性和可維護性。