孫建明

兗礦東華重工有限公司 山東鄒城 273500

隨 著液壓支架向大工作阻力和高可靠性方向發(fā)展，對(duì)液壓支架立柱使用的鋼管提出了新的要求，要求其具有更高強(qiáng)度、塑性和良好的抗沖擊性。因此，從原材料、熱處理、焊接等方面，對(duì)新型材料S890 厚壁管的制造工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì) S890 的化學(xué)成分進(jìn)行分析，掌握其 CCT 曲線及碳當(dāng)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的工藝試驗(yàn)、理化試驗(yàn)，最終確定其熱處理及焊接工藝參數(shù)。

1 材料分析

筆者以 S890 高強(qiáng)無(wú)縫鋼管為研究對(duì)象，其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表 1、2 所列。

表1 S890 鋼管化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of S890 steel pipe (mass fraction) %

表2 S890 鋼管機(jī)械性能Tab.2 Mechanical properties of S890 steel pipe

根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)，采用 JMatPro 仿真軟件計(jì)算出S890 的等溫轉(zhuǎn)變曲線 (TTT)，如圖 1 所示。S890 在奧氏體化后進(jìn)行冷卻過(guò)程中，析出鐵素體、珠光體、貝氏體的初始溫度分別為 792.9、710.9 和 566.6 ℃。馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度為 377.5 ℃。根據(jù)該曲線可知，過(guò)冷奧氏體會(huì)出現(xiàn) 2 個(gè)“鼻尖”，第1 個(gè)“鼻尖”溫度為 587 ℃，在此溫度保溫 398 s 后有珠光體轉(zhuǎn)變；第2 個(gè)“鼻尖”溫度為 487 ℃，在此溫度保溫1.48 s 后有貝氏體轉(zhuǎn)變。

圖1 等溫轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Isothermal transformation curve

S890 的連續(xù)冷卻曲線 (CCT) 如圖 2 所示，由圖2 可以看出，隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠化體減少，貝氏體和馬氏體增加，馬氏體臨界冷卻速度為20 ℃/s。

圖2 連續(xù)冷卻曲線Fig.2 Continuous cooling curve

2 熱處理工藝

本試驗(yàn)以某鋼廠生產(chǎn)的 S890 熱軋無(wú)縫鋼管為研究對(duì)象，分析加熱溫度對(duì)原始奧氏體晶粒尺寸和淬火硬度的影響，回火溫度對(duì)組織和硬度的影響以及調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能，從而確定合適的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。

2.1 加熱溫度

加熱溫度和保溫時(shí)間直接影響著原始奧氏體晶粒尺寸和所加入微合金元素的固溶情況。根據(jù)液壓支架立柱缸筒使用性能要求，需采用調(diào)質(zhì)處理，以提高缸筒的強(qiáng)度、塑性和抗沖擊性。由于 S890 為 Mo-Mn系合金鋼，合金鋼的淬火加熱溫度選用原則為Ac3(或Ac1)+(50～100) ℃[1]，淬火加熱溫度選擇 930 ℃。

2.2 回火溫度

在φ351×48 熱軋管上取樣，試樣熱處理試驗(yàn)工藝如表 3 所列，采用加熱溫度為 930 ℃，保溫 120 min，水冷，回火溫度分別為 660、630、620、610 和600 ℃ 的熱處理制度進(jìn)行整體試樣熱處理，分析回火溫度對(duì)組織和機(jī)械性能的影響。

表3 試樣熱處理試驗(yàn)工藝Tab.3 Testing process of heat treatment of sample

熱處理完成后，在壁厚 1/4 處取樣進(jìn)行拉伸和沖擊檢驗(yàn)，取全壁厚試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所列。

表4 試樣熱處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Testing data of heat treatment of sample

2.3 微觀組織和力學(xué)性能

在整體試樣熱處理后的鋼管中，分別在外表面和壁厚中心處檢驗(yàn)鋼管的顯微組織及淬透性。鋼管表面、壁厚中心處組織均為回火索氏體，各部位組織照片如圖 3 所示。

圖3 外表面和壁厚中心處的顯微組織Fig.3 Microstructure of outer surface and wall center

2.4 晶粒度

在整體試樣熱處理后的鋼管中，取壁厚 1/2 處試樣檢驗(yàn)鋼管的實(shí)際晶粒度，鋼管調(diào)質(zhì)后實(shí)際晶粒度為8 級(jí)。

從液壓支架立柱產(chǎn)品硬度 260～ 300HB 考慮，硬度太高會(huì)影響切屑，綜合考慮回火溫度選擇 630 ℃。

因此，φ351×48 熱軋管采用加熱溫度為 930 ℃，保溫 120 min，水冷，回火溫度為 630 ℃ 的熱處理制度能夠滿足材料硬度、力學(xué)性能、顯微組織等方面要求。

3 窄間隙焊接工藝

窄間隙焊接是采用焊絲的左右彎曲，帶動(dòng)電弧擺動(dòng)，從而熔透坡口兩側(cè)，可實(shí)現(xiàn)一層一焊道焊接。由于導(dǎo)電嘴寬度窄，故需要的坡口寬度較窄，能夠提高焊接效率，減少焊材，降低焊接熱輸入。

由于 S890 鋼管具有較高的強(qiáng)度和硬度，焊接穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)裂紋、未熔合及熱影響區(qū)的性能變化，因此采用窄間隙焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 焊接參數(shù)分析

3.1.1 焊接性能分析

碳當(dāng)量是反映鋼中化學(xué)成分對(duì)淬硬程度影響的重要參數(shù)，按照日本 JIS 推薦的碳當(dāng)量計(jì)算方法[2]，

按照表 1 化學(xué)成分計(jì)算，S890 的碳當(dāng)量值CE為0.64，這類鋼淬硬傾向大，冷裂紋傾向較大，需要采取預(yù)熱。

3.1.2 焊材

根據(jù)表 4 采用選定的調(diào)質(zhì)工藝熱處理后 S890 鋼管的力學(xué)性能，確立焊材的強(qiáng)韌匹配等級(jí)。根據(jù)等強(qiáng)匹配原則，焊材選用 GHS76-G 焊絲。

3.1.3 裂紋敏感性分析

S890 的焊接性差，易產(chǎn)生冷裂紋，影響產(chǎn)生冷裂紋的化學(xué)成分的碳當(dāng)量

通過(guò)計(jì)算，S890 的CET=0.39，考慮母材的CET值對(duì)預(yù)熱溫度的影響，用以下公式

計(jì)算得TPCET=142 ℃。綜合考慮化學(xué)成分、厚度、焊縫金屬氫含量、熱輸入及應(yīng)力水平，焊接時(shí)預(yù)熱溫度采用 100～ 150 ℃。層間溫度過(guò)高會(huì)對(duì)接頭的性能造成損害，一般不超過(guò) 220 ℃。

3.2 焊接試驗(yàn)

3.2.1 坡口加工

窄間隙需要的坡口寬度較窄，尺寸如圖 4 所示。

圖4 窄間隙坡口尺寸示意Fig.4 Dimensional sketch of narrow-gap groove

3.2.2 焊接

采用窄間隙設(shè)備 GHS76-G 焊絲多層單道焊接，保護(hù)氣體為 80% Ar+20% CO2，氣體流量為 15～ 20 L/min，焊前預(yù)熱溫度為 140 ℃，控制層間溫度不超過(guò) 220 ℃，焊后保溫緩冷。

3.2.3 焊后性能檢驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行超聲波探傷、拉伸、彎曲、沖擊、硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表 5 所列。

表5 S890 整體試樣熱處理試驗(yàn)工藝Tab.5 Testing process of heat treatment of whole S890 sample

由表 5 可知，焊縫的力學(xué)性能與母材相當(dāng)，且有良好的抗沖擊性能。因此，通過(guò)采用焊前預(yù)熱、焊后緩冷，減少熱輸入、控制層間溫度等工藝措施，能夠獲得良好的焊接性能。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合 S890 新材料在液壓支架立柱的應(yīng)用工藝研究，從原材料、熱處理、窄間隙焊接方面展開研究，獲得了適用于液壓支架立柱產(chǎn)品的成功工藝方案，為高性能、高可靠性液壓支架立柱設(shè)計(jì)及加工制造提供了保障。