韓麗民

（大同煤礦集團電業(yè)公司山西大同037003）

0 引言

隨著集團公司資源整合力度加大，對薄煤層、特厚煤層開采成為發(fā)展趨勢，與之相匹配的煤機設(shè)備配套也朝向大阻力、大功率、高可靠性方向發(fā)展，對液壓支架的要求也朝向自重輕型化、材質(zhì)高強化、控制自動化方向發(fā)展，同時支架應(yīng)具有較高的支護強度和工作阻力，應(yīng)能承受頂板的沖擊載荷。

液壓支架頂梁、掩護梁、前后連桿、底座等焊接結(jié)構(gòu)件，在使用過程中承受拉壓彎扭交變應(yīng)力，其強度對于整套支架的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。以前液壓支架結(jié)構(gòu)件使用的母材80%以上為屈服強度為420 MPa左右的Q420鋼板，工作面支架的使用效果不好，頂梁、掩護梁、底座等結(jié)構(gòu)件損壞嚴重，影響生產(chǎn)進度。

而屈服強度為690 MPa左右的Q690高強鋼具有良好的綜合性能，成為液壓支架頂梁、掩護梁、前后連桿及底座等重要結(jié)構(gòu)件使用的主要鋼材，尤其是近年來制造的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中，Q690鋼板已占到使用板材的85%以上。但由于高強鋼焊接工藝不夠成熟，特別是厚板焊接情況復(fù)雜多變，在焊接過程中會出現(xiàn)性能惡化[1]問題，焊接時有一定的淬硬傾向，熱影響區(qū)極容易形成硬而脆的馬氏體組織，使塑性和韌性下降，加大冷裂紋傾向，從而影響液壓支架的使用性能。對液壓支架結(jié)構(gòu)件失效形式的統(tǒng)計分析表明，因裂紋引起的結(jié)構(gòu)件失效事故占總體事故的70%～80%[2]。因此，我們在支架結(jié)構(gòu)件焊接工藝中采取一系列措施來控制接頭裂紋的產(chǎn)生。

1 Q690鋼板焊接特性分析

1.1 Q690鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能

Q690鋼板是在普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入Mn、Si、Ni、Ti、V及Nb等合金元素，Mn、Si提高了鋼的強度，Ti、V及Nb細化晶粒，提高鋼的塑、韌性，稀土元素減少鋼中有害元素S、P含量，從而有效改善鋼的整體機械性能[3]，其化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能如表1、表2所示。通過對Q690高強鋼母材成分分析，Cr與Mo均是淬透性元素，且含量較高，增加了鋼的淬硬型和裂紋可能性[4]。

表1 Q690鋼板化學(xué)成分表

表2 Q690鋼板力學(xué)性能

1.2 Q690鋼板焊接性能

Q690低合金高強度鋼焊接主要存在兩大問題[5]，首先是焊接的冷裂紋敏感性問題，其次是由于焊接熱循環(huán)可能導(dǎo)致熱影響區(qū)（HAZ)及焊縫金屬的強度和韌性[6]等力學(xué)性能降低。

1.2.1 碳當量評估鋼材可焊性

碳當量與焊接熱影響的淬硬及冷裂紋傾向有關(guān)，碳當量大時焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，形成晶格缺陷，對裂紋和氫淬敏感。

碳當量(CEV)公式（1）計算：

一般熱機械軋制（TMCP）或熱機械軋制加回火狀態(tài)交貨Q690鋼板的碳當量在0.49%以上，當CEV=0.4%～0.6%時，特別當其大于0.5%時，焊接時有明顯的淬硬傾向，極易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

1.2.2 Pcm評估鋼材可焊性

焊接裂紋敏感性指數(shù)(Pcm)也可代替碳當量評估鋼材的可焊性。由公式(2)計算，

由計算結(jié)果可知，Pcm大于0.4%易產(chǎn)生裂紋。690鋼板在焊接時淬硬傾向明顯，熱影響區(qū)容易形成硬而脆的馬氏體組織[7]。

1.2.3 焊接熱輸入對氫致裂紋敏感性的影響

Q690抗拉強度達到770 MPa～940 MPa，焊接熱輸入對焊接熱影響區(qū)金屬組織與性能的影響較為明顯。所以焊接時，如果熱輸入太大，使焊接熱影響區(qū)溫度過熱，易導(dǎo)致焊接區(qū)脆化，母材力學(xué)性能降低，焊縫冷裂紋傾向增加。

1.3 焊接材料匹配性

在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫與母材在強度上有三種配合關(guān)系:焊縫強度等于母材抗拉強度等級（等強匹配），或是超出（高強匹配）以及低于（低強匹配）。但實際生產(chǎn)中，我們一般是按照熔敷金屬強度來選擇焊接材料，而熔敷金屬強度并非是實際的焊縫強度[8]。國外學(xué)者的研究結(jié)果表明，只要焊縫金屬的強度不低于母材強度的80%，低強匹配是可行的[9]。但我國學(xué)者張玉鳳等人的研究指出[10]，超強匹配應(yīng)該更有利。

以前我們焊接材料的選用一般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，但液壓支架在實際使用過程中，常發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象。為保證焊縫不開裂，幾年來，我們在液壓支架使用Q690鋼板焊接的過程中，選用高強匹配原則，采用GHS-80焊絲。這是因為焊材在填充焊縫時會發(fā)生合金元素的大量燒損，從而使填充金屬的實際強度要比原母材的機械強度低，大大降低了焊縫的機械性能。經(jīng)過生產(chǎn)中的反復(fù)實驗我們發(fā)現(xiàn)在焊接材料的選用上采取高強匹配原則，不僅在結(jié)構(gòu)的安全性方面得到保證，同時又很好的解決了焊縫開裂的現(xiàn)象。

2 消除裂紋及焊接應(yīng)力的措施

2.1 焊前預(yù)熱溫度的確定

焊前預(yù)熱是防止Q690鋼板焊接產(chǎn)生裂紋的重要措施。預(yù)熱可以減緩焊縫的冷卻速度，減少或避免淬硬組織的形成；加速氫的逸出，防止氫致延遲冷裂紋的產(chǎn)生；有效降低母材與焊縫區(qū)的溫差，從而減少焊接接頭的殘余應(yīng)力；增強抗應(yīng)力腐蝕，改善接頭組織及力學(xué)性能，提高支架結(jié)構(gòu)件長期使用的質(zhì)量穩(wěn)定性和工作安全性。

經(jīng)過查閱資料和反復(fù)實驗驗證，最終依據(jù)鋼材所含碳當量的不同制定了以下預(yù)熱措施：當碳當量介于0.45%～0.50%之間時，預(yù)熱溫度為50℃～100℃；碳當量≥0.50%，預(yù)熱溫度為200℃～300℃。

2.2 層間溫度測量

在焊接工件預(yù)熱過程中，為了保證預(yù)熱效果和層間溫度，要求加強溫度監(jiān)控測量，具體措施有：在焊接過程中，在焊接方向上取500 mm和1 000 mm做為測量點，在寬度范圍內(nèi)當母材板厚≤50 mm時，測量范圍為距焊縫邊緣不超過50 mm距離處進行測量，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，以厚板一邊為基準[2]（見圖1）。

圖1 溫度監(jiān)控測量示意圖

層間溫度要求不低于80℃，若低于80℃時，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，大型焊件采取對稱跳焊方法同時施焊。

2.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

Q690母材原始狀態(tài)為軋后淬火+高溫回火，組織為回火索氏體。支架結(jié)構(gòu)件焊接時選用MAG(80%Ar+20%CO2）混合氣體保護焊，焊絲選用直徑為φ1.6 mm的GHS-80環(huán)保型表面鍍銅實芯焊絲，該焊絲屈服強度為790 MPa,抗拉強度為830 MPa,有較好的延伸率。焊接電流選在280 A～320 A范圍之內(nèi)，送絲速度選為18 m/s～20 m/s，氣體流量選為19 L/min～20 L/min。焊高根據(jù)母材尺寸的1/2～3/4尺寸范圍選擇。按此工藝參數(shù)進行施焊，可保證焊接熱輸入量較低，有效控制淬硬組織的產(chǎn)生。

Q690鋼焊接冷裂紋敏感性的影響，隨著焊絲強度級別的升高，焊接斷面裂紋率增加；且隨著焊接熱輸入的增加，接頭斷面的裂紋率也逐漸升高。隨著到熔合區(qū)距離的增加，Q690鋼熱影響區(qū)金相組織變化的順序依次為貝氏體—板條馬氏體+貝氏體—貝氏體+鐵素體+碳化物；隨著熱輸入的升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增多。焊縫區(qū)域的顯微組織如圖2所示，主要成分為均勻分布的針狀鐵素體、貝氏體和低碳馬氏體。熔合區(qū)的顯微組織如圖3所示，主要為板條狀馬氏體及一定量的貝氏體和針狀鐵素體[12]。

圖2 焊縫區(qū)金相組織

圖3 熔合區(qū)金相組織

焊接熱輸入從14 kJ/cm提高到20 kJ/cm時，Q690鋼熱影響區(qū)沖擊韌性先升高后降低；焊接熱輸入在16 kJ/cm時獲得較高的熱影響區(qū)沖擊韌性[13]。由此可見，焊接熱輸入量決定焊縫的組織和性能，在焊接作業(yè)時嚴格控制焊接熱輸入量是重要環(huán)節(jié)。因此焊接時，通過控制熱輸入量等工藝措施達到控制裂紋的目的。

2.4 焊后熱處理

支架結(jié)構(gòu)件焊后整體退火，消除焊接中產(chǎn)生的變形和應(yīng)力，保證Q690高強度鋼的組織形態(tài)和焊縫強度，嚴格控制退火爐溫度在600℃～650℃。保溫3～4小時，溫度隨爐溫降至260℃以下出爐空冷，用以消除焊接應(yīng)力，提高支架結(jié)構(gòu)件的尺寸和穩(wěn)定性。

2.5 支架結(jié)構(gòu)件焊接工藝規(guī)程的制定

綜上所述，焊接參數(shù)對低合金高強結(jié)構(gòu)鋼焊接有著直接的影響，Q690鋼板由于含Cr、Mo、V等稀有元素較多，屬于過熱敏感類鋼材，所以我們在支架結(jié)構(gòu)件焊接時采用MAG富氬混合氣體保護焊，以減小焊接變形確保焊接質(zhì)量，選用較小焊接工藝參數(shù)，即熱輸入小，以減小焊縫熱影響范圍，減少焊件在高溫停留時間；同時為減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，我們采取焊前預(yù)熱和焊后熱處理措施，即對Q690板采用入爐預(yù)熱150℃～250℃工藝，且焊接時每隔90分鐘～100分鐘檢查一次焊件層間溫度，低于100℃時，必須重新加熱至150℃以上；每道工序焊接后，均須入爐加熱至600℃～650℃進行焊后熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，改善熱影響區(qū)的顯微組織，使殘留在焊縫中的氫能夠溢出。

為保證焊縫的強度和機械性能，焊絲選用有一定含碳量和較高合金含量的80 kg級高錳中硅φ1.6 mm實芯焊絲(要求焊絲表面鍍銅，不允許生銹受潮)。

另外為了防止頂梁、掩護梁、前后連桿、底座等重要結(jié)構(gòu)件焊縫接頭處產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊接時制定以下措施：用機械方法加工的坡口要去油污，用熱切割方法切割的坡口要去熔渣、氧化皮并打磨光順；組點時盡可能采用反變形法和加支撐焊接；拐彎處焊縫要求圓滑過渡，并壓住立縫；主筋板端頭角焊縫要求連續(xù)圓滑過渡，不得有接頭和斷點；任意800 mm焊縫長度只允許存在一個接頭，且每道接頭必須交錯，不得在同一位置；彎蓋板焊縫要求寬度方向焊縫壓住長度方向焊縫；為了防止和避免過大的焊接變形，規(guī)定先焊短焊縫，后焊長焊縫，保證尺寸的準確性。

3 效果及結(jié)論

針對液壓支架支護強度和工作阻力提高，我們對支架重要結(jié)構(gòu)件使用Q690鋼板，對頂梁、底座等主要受力構(gòu)件主筋進行加強，增加了箱梁中筋板，大大提高了結(jié)構(gòu)件的抗彎強度，滿足礦方使用要求；針對Q690鋼板焊接易出現(xiàn)問題制定了相應(yīng)的工藝措施，將焊縫改為填平焊加角焊縫或單純角焊縫結(jié)構(gòu)，有效降低焊接殘余應(yīng)力，減小殘余變形，提高了高強鋼焊接接頭質(zhì)量。相比之前以Q420鋼板為主要材質(zhì)的液壓支架而言，支架強度及焊接質(zhì)量上了一個新的臺階，為公司向高端液壓支架制造轉(zhuǎn)型跨越奠定了堅實的基礎(chǔ)。