移置、半固定帶式輸送機用Q345E焊接工藝的研究

李志強 張 誠

(寧夏天地西北煤機有限公司，寧夏自治區(qū)石嘴山市，753001)

我國露天煤礦分布以東北和華北居多，這些地區(qū)都會遇到冬季寒冷的氣候條件，而移置、半固定帶式輸送機作為露天煤礦輸送系統(tǒng)的重要組成部分，長期處在這一環(huán)境條件下進行作業(yè)，其結(jié)構(gòu)部件需要選擇一種在低溫環(huán)境下具有良好沖擊韌性的材質(zhì)。根據(jù)材質(zhì)特性，選用Q345E低合金高強度鋼作為其結(jié)構(gòu)件用材，因其在-40℃都具有良好沖擊韌性。國外將屈服強度在295～460MPa的低合金高強度鋼廣泛應用于井上 (露天采礦、港口輸送)帶式輸送機結(jié)構(gòu)部件中，在保證其性能的同時也取得了較好的經(jīng)濟效益，而國內(nèi)煤機行業(yè)在這方面起步較晚。移置、半固定帶式輸送機結(jié)構(gòu)復雜且對焊縫質(zhì)量要求很高，因此，做好焊接工藝評定并制定切實可行的焊接工藝成為其制造技術(shù)的關(guān)鍵。

本文根據(jù)實際生產(chǎn)項目的需求，研究了Q345E材質(zhì)的焊接工藝，并利用 “焊接地圖”這一技術(shù)手段對產(chǎn)品中關(guān)鍵焊縫的質(zhì)量及整個生命周期進行了有效的管理和控制。

1 Q345E材質(zhì)性能及焊接性分析

1.1 材質(zhì)性能

Q345E鋼屬于低碳合金鋼，符合GB／T1591-1994《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》，其金相為帶狀分布的鐵素體＋珠光體，它是在16Mn合金鋼系列的基礎(chǔ)上增加了一些微量合金元素，并且嚴格控制P和S元素，以提高其低溫度沖擊性能 (在-40℃的沖擊吸收功不小于27J)。Q345E鋼在保證拉伸性能的基礎(chǔ)上，側(cè)重改善鋼材的沖擊韌性，為了防止低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)脆斷，增加了釩、鈮和鈦等細化晶粒的微量元素，Q345E的化學成分 (質(zhì)量分數(shù)%)為:C≤0.18，Mn為1.0～1.6，Si≤0.55，P≤0.025，S≤0.025，V 為 0.02～0.15，Nb 為0.015～0.06，Ti為 0.02～0.2，Al≥0.015。Q345E的力學性能為:屈服點σS≥325MPa，抗拉強度σb為470～630MPa，伸長率δ5為22，沖擊吸收功AKV(縱向，-40℃)為27J。

1.2 Q345E焊接性分析

1.2.1 碳當量基計算

選用國際焊接學會碳當量公式，計算結(jié)果為Ceq＝C＋Mn／6＋ (Cu＋Ni)／15＋ (Cr＋Mo＋V)／5＝0.416。當碳當量＞0.4時有一定的淬硬傾向，焊接性一般，材質(zhì)在室溫 (16℃～20℃)情況下焊接通常不需要預熱，但厚板或在低溫環(huán)境下焊接則需要預熱，預熱能有效地防止裂紋的產(chǎn)生，并有一定的改善焊接接頭性能的作用，預熱溫度選擇在100℃左右。

1.2.2 焊接熱輸入分析

焊接熱輸入是決定焊接接頭組織性能的主要參數(shù)，熱輸入過大時會使焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化，形成粗大的鐵素體，甚至出現(xiàn)魏氏組織，降低韌性。還可能形成上貝氏體及M-A組元，對熱影響區(qū)的韌性十分有害。熱輸入過小時將會在熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，易產(chǎn)生焊接冷裂紋。這兩種情況皆直接影響焊接接頭的質(zhì)量，進而影響整個結(jié)構(gòu)件的可靠性。因此，熱輸入必須控制在合理范圍內(nèi)。

2 焊接工藝評定

2.1 焊接工藝評定條件及程序

焊接工藝評定是驗證所擬定的焊接工藝的正確性而進行的試驗過程及結(jié)果評價，要求被焊材料在進廠前要經(jīng)過嚴格檢驗，且檢驗結(jié)果符合相應的標準。焊接工藝評定的所用設(shè)備、儀表與輔助機械均應處于正常工作狀態(tài)，施焊時必須由有資質(zhì)的熟練焊接人員進行試件焊接，焊后由有資質(zhì)的第三方進行檢測，并出具檢驗報告。焊接工藝評定具體實施程序見表1。

表1 焊接工藝評具體實施程序

2.2 焊接試樣及坡口類型

根據(jù)移置、半固定帶式輸送機的特性及結(jié)構(gòu)件材質(zhì)，并依據(jù)GB／T 19869.1-2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》，制定出4組不同坡口形式的焊接接頭，編制焊接工藝評定任務(wù)書及相應的焊接工藝規(guī)程。具體焊接接頭及坡口類型如圖1所示。

圖1 焊接工藝評定試樣及坡口簡圖

2.3 焊接材料及工藝參數(shù)的選擇

高強度鋼焊接時，一般選擇與母材強度相當?shù)暮附硬牧希揖C合考慮焊縫金屬的韌性、塑性及強度等滿足設(shè)計要求又能符合生產(chǎn)的實際情況，采用CO2氣體作為保護焊，選擇ER50-6焊絲作為填充金屬。

由于Q345E材質(zhì)沖擊功要求為-40℃時不小于27J，而ER50-6焊絲的保證值為-29℃不小于27J，低于母材要求。經(jīng)過反復試塊焊接并取樣分析后得出，采用合理的焊接電流和電壓，同時把焊接熱輸入控制在合理的范圍內(nèi)，可以提高焊縫的沖擊韌度，經(jīng)試驗最終得出表2所制定的焊接參數(shù)符合母材材質(zhì)要求。

2.4 試樣檢測項目及結(jié)果分析

試塊焊接后，依據(jù)相應的標準取樣并檢測，所有的焊接工藝評定檢測項目由具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)來完成。每種試樣的檢測項目及檢測數(shù)量均按照下發(fā)的 《焊接工藝評定任務(wù)書》中相關(guān)內(nèi)容來執(zhí)行，同時符合相關(guān)國家標準。檢測項目有外觀檢測、拉伸試驗、彎曲試驗、-40℃低溫環(huán)境下沖擊試驗、無損檢測 (超聲波探傷、磁粉探傷)、接頭硬度檢測及宏觀金相。試樣結(jié)構(gòu)不同，所需檢測的試樣項目與數(shù)量也不同，具體檢測內(nèi)容及檢測結(jié)果見表3。

表2 焊接參數(shù)

表3 試樣檢測項目及檢測結(jié)果

另外，對所有試樣焊接接頭進行宏觀金相檢測，均無夾雜、裂紋、未融合和氣孔等缺陷，焊縫成形良好。經(jīng)無損探傷檢測焊縫接頭均符合EN1714:2000焊縫無損探傷檢測標準的Ⅱ級要求。

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，各項檢測指標均符合相關(guān)要求，其中所有沖擊試樣的沖擊值均高于母材，可見焊縫的機械性能良好，這說明所編制的焊接工藝規(guī)程是合理的，完全可以在生產(chǎn)中得以應用。

3 焊接質(zhì)量的控制及焊接地圖的應用

焊接是鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的重要工序，影響其質(zhì)量的因素有很多，概括起來有人員、設(shè)備、材料、工藝方法和生產(chǎn)環(huán)境。對焊接質(zhì)量的控制所涉及的范圍比較寬，主要包括焊工考試、焊接工藝評定、焊接材料管理、焊接設(shè)備管理和焊接過程5條控制線。其中，產(chǎn)品焊接的控制又包括焊前清理、定位焊的控制、產(chǎn)品試板、焊工資質(zhì)、施焊記錄、施焊工藝紀律檢查、焊縫檢測、焊縫返修和控制及焊后熱處理等多道環(huán)節(jié)。通過上述內(nèi)容可以看出焊接質(zhì)量控制其程序比較繁雜，實施起來比較困難，很難做到面面俱到。焊接過程也是一種冶金反應過程，其質(zhì)量主要在過程控制。這就需要有一種高效的技術(shù)手段對其進行統(tǒng)一管理與控制， 為此，我們創(chuàng)新的引入了 “焊接地圖”的概念。

“焊接地圖”是利用圖形及表格將產(chǎn)品中的關(guān)鍵焊縫和重要焊縫標示出，規(guī)定其焊接方法、連接方式、施焊人員、所要參照的焊接工藝規(guī)程以及需要進行的無損檢測項目和檢測率等，以此來對焊接過程和焊縫質(zhì)量進行動態(tài)控制，使產(chǎn)品中關(guān)鍵、重要焊縫的整個生命周期都有可追溯性。它的作用集工藝指導、質(zhì)量控制及生產(chǎn)管理與一身，使產(chǎn)品中的每一條關(guān)鍵重要焊縫都有法可依、有據(jù)可查。

焊接地圖由關(guān)鍵焊縫示意圖及焊接控制組織卡兩部分組成。關(guān)鍵焊縫示意圖是將結(jié)構(gòu)件中關(guān)鍵焊縫、重要焊縫 (全熔透焊縫)標示出來，并用焊縫符號表示出其焊縫特點。焊接控制組織卡是對每條標示出的焊縫進行分析后，依據(jù)其焊縫與連接方式的特點規(guī)定了其所用的焊接方法、所要執(zhí)行的相關(guān)工藝規(guī)程、施焊人員、檢測人員、檢測項目及檢測率等。

4 結(jié)論

通過對Q345E焊接性分析及一系列的焊接工藝評定試驗得出，此次焊接材料的選擇能夠達到母材強度的要求且不易產(chǎn)生缺陷。通過合理的焊接參數(shù)的控制，可以選用沖擊性能低于母材的焊接材料焊接Q345E鋼，使得其焊接接頭質(zhì)量達到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。

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