TANDEM焊接技術(shù)和Q690高強(qiáng)鋼板在液壓支架上的應(yīng)用

王玉山，楊桂從

1.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)機(jī)械制造局，山西陽泉 045000

2.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司，山西陽泉 045000

1 我國液壓支架的材料和焊接工藝

我國的液壓支架研究開始于上世紀(jì)五、六十年代，直到上世紀(jì)末，我國才有了逐漸有了比較成熟的液壓支架研發(fā)制造體系。但是我國液壓支架的研究和世界先進(jìn)水平仍然有一定的差距，比如液壓元件研究落后，控制系統(tǒng)落后，可靠性差等等，尤其是在液壓支架的支撐強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平。

影響液壓支架的支撐強(qiáng)度的主要因素有兩個(gè)，液壓支架的材料和液壓支架的焊接水平。在材料方面，我國以前用的焊接材料普遍是350MPa 的鋼板，最近幾年隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展鋼板的強(qiáng)度也有所提升，但是大部分的鋼板強(qiáng)度仍然停留在σs=400MPa ～600MPa 級(jí)別，而國外普遍采用σs=700MPa ～1000MPa 的優(yōu)質(zhì)板材。在焊接工藝上，大多數(shù)的工作模式是先將板材型材點(diǎn)焊成形，然后手工MAG 焊接。而國外一般采用自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行焊接工作，能夠大大的減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

2 焊接材料的選擇

研究焊接工藝首先要了解焊接材料的焊接性，本文選取Q690 低合金高強(qiáng)度鋼作為研究對(duì)象，Q690 鋼的主要化學(xué)成分和力學(xué)參數(shù)如下：

化學(xué)成分：

表1

抗拉強(qiáng)度 σb：

表2

屈服強(qiáng)度 σs

表3

伸長率δ/%：

表4

通過以上參數(shù)可以得知Q690 鋼的強(qiáng)度高，韌性好，而且焊接工藝性好。但是如果不能正確的選擇焊接參數(shù)，反而會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的的力學(xué)性能下降，在焊接接頭處也容易殘留焊接應(yīng)力。這樣焊接接頭變成了整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，極易失效。

3 TANDEM 焊接技術(shù)

TANDEM 焊接技術(shù)是一種雙絲焊接技術(shù)，而它又不同于普通的雙絲焊技術(shù)。普通雙絲焊技術(shù)見圖1(a)。兩根焊絲共用一個(gè)導(dǎo)電嘴，共用一個(gè)電源，如此一來，兩根焊絲的電位相同，無法分別調(diào)節(jié)各自焊接參數(shù)。TANDEM 焊接技術(shù)如圖1(b)所示，兩根焊絲相互絕緣，通過兩根導(dǎo)電嘴，分別有兩個(gè)電源供電。兩個(gè)焊絲的所有焊接參數(shù)都可以分別調(diào)控。

圖1

焊接時(shí)，主焊絲電流較大，可以形成比較大的焊深，從焊絲電流較小。兩個(gè)供電電源焊絲的電流為峰值時(shí)，主焊絲的電流往往較小。兩根焊絲互相加熱，能夠提供比較理想的熔敷，而且可以形成比較長的熔池，因此氣泡有充分的時(shí)間溢出，氣孔率很低。焊接的電流比較大，但是由于有第二焊絲為熔池補(bǔ)充熱量，所以焊接速度很快也不用出現(xiàn)熱量散布不開的問題。由于焊接速度快，熱輸入量比單絲焊接和普通的雙絲焊低，因此焊接變形小，焊接殘余應(yīng)力比較小。

4 TANDEM 焊接技術(shù)對(duì)Q690 的焊接試驗(yàn)

Q690 的晶相組織如圖2 所示。從圖中可見Q690 的主要晶相組織是貝氏體。由于焊接過程中會(huì)將材料加熱至融化，材料的微觀組織發(fā)生了極大地改變，所以不能單單研究母材材料，研究焊接熱影響區(qū)的微觀組織也至關(guān)重要。

焊接影響區(qū)的區(qū)域劃分和Fe-C 相圖如圖3 所示。從圖中可以看出，熱影響區(qū)可以分為熔合區(qū)，過熱區(qū)，正火區(qū)和部分相變區(qū)。熔合區(qū)是焊縫到母材的過渡部分，溫度一般處于固相和液相之間，金屬被加熱到局部熔化，晶體非常的粗大，化學(xué)成分和組織都很不穩(wěn)定，冷卻后得到魏氏組織。熔合區(qū)的范圍很小，但是裂紋和脆性破壞一般都從熔合區(qū)產(chǎn)生。過熱區(qū)是鋼被加熱到1100℃到熔點(diǎn)之間，這是奧氏體的晶粒迅速長大，焊后經(jīng)過空冷，得到魏氏組織。過熱區(qū)的塑性和韌性都不好。正火區(qū)的溫度是母材吸收的熱量正好處于正火溫度的區(qū)域，大約是900℃～1100℃。加熱后全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，焊后空冷得到鐵素體和珠光體，晶粒細(xì)小而均勻。部分相變區(qū)又稱為不完全重結(jié)晶區(qū)，一部分鋼被加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，而另一部分為鐵素體。冷卻之后微觀組織F+P。

圖2

圖3

現(xiàn)用TANDEM 焊接技術(shù)使用不同的焊接對(duì)Q690 同種型材進(jìn)行焊接試驗(yàn)。采用35mm 厚度的Q690 鋼板對(duì)接拼焊。焊接坡口為單邊Y 形坡口，兩根焊絲之間的電流脈沖峰值關(guān)系設(shè)為隨機(jī)。

試驗(yàn)中對(duì)鋼板焊前預(yù)熱處理，并控制不同的熱輸入量，具體的焊接參數(shù)設(shè)置見下表，由此研究焊后得到的晶相組織和力學(xué)性能。

表5

5 試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果分析

焊后對(duì)不同的焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)果。

序號(hào) 焊接熱輸入(kJ/mm)屈服極限(MPa)強(qiáng)度極限(MPa) 伸長率(%)

表6

不同的熱輸入焊后的焊接熱影響區(qū)的的晶相組織圖如下圖所示。

圖4

從圖中可以看出在1.47kJ/mm 的焊熱輸入嚇得到的晶相組織多多為板條狀馬氏體。因?yàn)閺谋? 中可知Q690 中的Ni、Cr成分較多，具有淬硬性。而且在比較低的焊熱輸入下，冷卻較快，相當(dāng)于空冷淬火，所以形成馬氏體。由于C 含量較低，所以形成了低碳的板條狀馬氏體。這種形態(tài)的馬氏體的板條之間相互錯(cuò)位，晶粒之間的約束力大，因此可以提供很好的韌性。

在1.63kJ/mm 的焊熱輸入下得到的顯微組織是板條狀馬氏體和貝氏體、針狀鐵素體的混合體。板條狀馬氏體的方向和焊縫的馬氏體方向一致。在比較高的焊熱輸入下，金屬的冷卻較慢，奧氏體先轉(zhuǎn)變成貝氏體和針狀鐵素體，再轉(zhuǎn)變成馬氏體，因而在晶相組織中產(chǎn)生了貝氏體和針狀鐵素體。針狀鐵素體的產(chǎn)生于奧氏體內(nèi)的非金屬元素，其晶粒細(xì)小，穿插在馬氏體和貝氏體的晶粒之間，對(duì)于微觀裂紋的生長的能夠有效地阻止，因此可以提高焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。

在更高的1.94kJ/mm 的焊熱輸入下得到的晶相組織是板條狀馬氏體，粒狀貝氏體和上貝氏體。粒狀貝氏體是由于稍高于上貝氏體的形成溫度而又低于珠光體轉(zhuǎn)變溫度是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成的塊狀鐵素體和高碳奧氏體，高碳奧氏體在隨后的轉(zhuǎn)變成為珠光體貝氏體和馬氏體的晶?；旌衔?，成為M-A 組元，降低了韌性。而上貝氏體由鐵素體和滲碳體組成，在硬度、強(qiáng)度、韌性上都很差，沒有什么機(jī)械性能。所以在該熱輸入下的焊接接頭整體表現(xiàn)出來的力學(xué)性能不好。

6 結(jié)論

通過使用TANDEM 焊接級(jí)數(shù)對(duì)Q690 的板材焊接試驗(yàn)，得到在較低的焊接熱輸入是可以得到比較好的焊接韌性；在中等的焊接輸入時(shí)，可以得到強(qiáng)度和焊接韌性都比較合理的焊接效果；高的焊接熱輸入下會(huì)得到上貝氏體和粒狀貝氏體，兩者都對(duì)韌性有很大的破壞作用，得帶的焊接接頭，韌性極差。

所以如果想得到韌性比較好的焊接結(jié)構(gòu)，必須控制焊接熱輸入不能太大，而TANDEM 焊接技術(shù)由于能夠提供理想熔深的同時(shí)加快焊接速度，所以就可以避免焊接件得到過大的焊接熱輸入，提供韌性良好的焊接件。