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1、第 29 卷第9 期2008 年9 月煤 矿 机 械Vol 29No 9Coal Mine MachinerySep. 20 08液压支架钢材焊接性能分析张优明1,郑丰隆2 , 孔德冒1( 1. 中煤集团上海能源股份有限公司孔庄煤矿, 江苏徐州 221600; 2. 山东科技大学, 山东青岛 266510)摘 要: 主要对液压支架钢材 WH80 的焊接性能进行了分析, 通过手工焊条电弧焊拉伸和弯曲试验、斜 y 坡口焊接裂纹试验和焊接热影响区最高硬度试验, 表明 WH80 钢具有良好的焊接性能, 可以作为液压支架选用材料。关键词: 液压支架; 焊接性能; 试验; 分析中图分类号: TD355文献
2、标志码: A 文章编号: 1003 0794( 2008) 09 0095 03Analysis on Welding Performance of Steel Used in Hydraulic Pressure SupportZHANG You- ming1, ZHENG Feng- long2 , KONG De- mao1 ( 1. Kongzhuang Coal Mine China National Coal Group Co. , Shanghai Energy Limited Liability Company, Xuzhou 221600, China; 2. Shandon
3、g University of Science and Technology , Qingdao 266510, China)Abstract: Mainly has carried on the analysis to the welding performance of steel WH80 used in the hydraulic pressure support, through the stretch and the bend experiment of manual welding rod arc welding, the slanting y bevel weld crack
4、experiment and the highest hardness experiment in welding heat- affected zone. It is indi cated that the WH80 steel has a good welding performance, and the hydraulic pressure support may select the material.Key words: hydraulic pressure support; welding performance; experiment; analysis0引言目前考察液压支架使用
5、钢材的可焊性试验, 分易使熔池过烧, 材料中的合金元素烧蚀严重, 焊缝颜色发黑, 抗氧化能力差。为保证焊缝强度与成形美观, 电流选择 100 120 A 比较合适。( 3) 保护气体参数的选择根据资料分析, 当喷嘴直径与氩气流量达到较好匹配范围, 氩气保护效果才能体现出来。当喷嘴直径一定时, 氩气流量太低, 气体挺度不够, 不能完全排开周围空气。氩气流量过大时, 容易形成紊流,使外界空气卷入熔池, 降低保护效果。经试验确定,喷嘴直径 10 mm, 气体流量 8 10 L min, 钨极伸出5 7 mm, 喷嘴到工件距离为 7 10 mm 时, 焊缝窄,表面成形好。( 4) 焊接速度在焊接电流一
6、定的前提下, 焊接速度与焊接热输入成反比。当焊接速度过大时, 焊接热输入小, 易产生未焊透、咬边等缺陷, 影响结构强度。当焊接速度过小时, 焊接热输入大, 会造成焊接熔池过烧, 甚至烧穿, 焊后变形大。因此, 焊接速度必须有一个合适的范围。试验得知 , 当焊接电流为100 120 A, 焊接速度200 250 mm min, 效果最好。( 5) 下料、工装及操作规程由于轴向及圆周方向焊缝长度都长达 3 000mm, 为控制焊后变形, 采取以下措施:下料时按板材收缩率0. 15% 0. 20% 留出收缩间隙, 下料精度保证在沿对角线误差不超过1 mm;为减少热裂纹, 起弧及收弧时使用引弧板, 将
7、电弧引出工件, 减少弧坑裂纹的产生; 减小起弧和收弧电流, 减慢电流提升速度, 防止咬边、熔蚀等缺陷;严格保证全部焊接过程在厂房内进行, 并控制周围环境风速至允许范围;连续焊之前先沿直径方向断续焊 50 mm 长 8 10 处, 使焊缝区域具有一定刚度后再连续焊;制作了沿圆周及轴长方向的带槽支撑工装,开槽宽度5 mm, 并衬以紫铜板, 以导走焊接热量, 防止产生过大变形。3 实施效果采取以上措施后, 焊缝成形平整美观, 颜色呈蓝色, 无氧化现象; 热影响区减小为 10 13 mm, 径向收缩量减至 1 3 mm, 大大减少了后续调圆工序的工作难度与劳动强度, 提高了生产效率; 无咬边、裂纹、夹
8、渣等外观缺陷, 有利保证了新产品外观质量要求; 提高了易损件使用寿命及设备稳定性, 为 TDC 新型磁选机研制和推广工作提供了有利保障, 达到了预期效果。参考文献: 1 顾春岭, 徐锴斯. 薄壁不锈钢管道焊接技术研究 J . 广西工学院学报, 2001(4) : 83- 86. 2 安军岭, 李文利. 0. 8mm 不锈钢薄板自动TIG 焊工艺试验及生产应用 J . 焊接技术, 2003( 3) : 62- 63. 3 张其枢, 堵耀庭. 不锈钢焊接M . 北京: 机械工业出版社, 2000.作者简介: 牟利伟( 1982 - ) , 山东滨州人, 助理工程师, 2004 年毕业于山东科技大学
9、, 机械设计制造及自动化专业, 现就职于煤炭科学研究总院唐山研究院生产开发中心, 主要从事重介质选煤用磁选机的设计、生产工作, 电话: 0315- 7759405.收稿日期: 2008 05 0895Vol 29No 9液压支架钢材焊接性能分析张优明, 等第 29 卷第 9 期间接法和直接法 2 种。间接法包括碳当量法、冷裂纹( 相对于热裂纹而言, 一般指室温附近出现的裂纹) 敏感指数等; 直接法分为施工上可焊性实验( 模拟试验) 和使用性能上的可焊性试验( 直接对焊接接头进行) 2 种。由于高强钢焊接时易出现冷裂纹倾向, 为此, 要着重分析冷裂纹问题。试验采用液压支架常用的 WH80 钢板,
10、 进行手工弧焊焊接性试验评定。钢板厚度为 20 mm。考虑到焊接过程会出现残余应力, 决定对焊接件进行热处理, 旨在消除焊接件的残余应力, 以防止裂纹的产生。从热处理角度上讲, 试验采取的工艺属去应力退火。1 手工焊条电弧焊拉伸和弯曲试验1. 1 焊接接头强度匹配的确定由于焊缝金属的强度和韧性与母材的强度和韧性一般是不相同的, 这种不均质性能对于焊接接头的性能有着重要的影响。一般来说, 焊接接头按照母材和焊缝强度的高低可以分为 3 种类型: 超强匹配、低强匹配和等强匹配。从焊接工艺上讲, 本试验焊条的选用是属于低匹配焊接, 即采用比母材强度低的焊接材料进行焊接, 以保证焊接接头强度与母材强度等
11、强。1. 2 焊接材料的选取对于手弧焊来说, 焊条直径的选择主要取决于被焊工件的厚度。对于厚板多层焊时, 底层焊缝所选用的焊条直径一般均不得超过 4 mm, 以后几层可适当选用大直径焊条。综合考虑各方面因素, 本试验选用焊条牌号为 J707RH, 规格为 4 mm, 打底焊用 3 2 mm 的焊接材料。1. 3 焊接工艺( 1) 预热温度的确定预热是高强钢焊接时经常采用的有效措施, 预热的主要目的是减小冷却速度, 以防止高强钢、中碳钢、高碳钢以及大厚度结构钢件产生冷裂纹。同时还可以改善接头性能。WH80 的冷裂纹敏感性相对来说是较低的, 预热温度也不高。考虑到 WH80 钢为新开发钢种, 为此
12、按照常规, 决定进行焊接预热,确定预热温度为 120 。( 2) 焊接速度的选择多层焊接可以提高接头的质量。由于所选钢板厚度为 20 mm, 这种厚度的钢板建议用的焊接层数 n= 5 6。考虑到 WH80 为高强度低合金钢, 选择采用 7 层焊, 以减小线能量。因为对于给定焊缝截面,焊接层数越多, 则单位长度能量越小。由于总焊接面积为 250 cm2 ( 开 60 坡口) , 则每一层焊接面积约为 36 cm2 。焊接电流为 170 A, 则焊接速度为 111 mm min, 考虑到焊接过程有热量损失等因素的影响, 确定焊接速度为 150 mm min。( 3) 层间温度的确定多层多道焊实际上
13、就是多个单道焊的综合。多层多道焊时, 焊接后续焊道时, 前一焊道所具有的最低温度即为层间温度。对后一焊道而言, 层间温度即为预热温度。对于高强钢, 为防止淬硬性, 层间温度应尽量降低; 对于低合金钢, 层间温度一般与预热温度相同。1. 4 试验试样试验试样取样方法系参照 焊接接头机械性能试验取样方法 、拉伸试验试样制备参考 焊缝及熔敷金属拉伸试验方法 、弯曲试验试样制备系参考焊接接头弯曲及压扁试验方法 、冲击功试验试样制备参考 焊接接头冲击试验方法 进行。1. 5 试验结果分析拉伸、弯曲及纵向冲击功试验结果如表1 所示。表 1 拉伸、弯曲及纵向冲击功试验- 40纵向冲击功 J项目 sb5冷弯焊
14、缝熔合线熔合线外1 mm 熔合线外2 mm结果 70075017完好 56,68, 7274, 82, 7872, 192, 156174,174, 162根据上述试验结果, 可以得出:( 1)强度达到理论额定值(s750 MPa) 。实践中 , 由于焊接热影响区的淬硬性, 通常焊接值要比理论额定值高得多。试验结果表明焊接试样塑性区较大, 非脆性断裂, 说明为屈服断开。( 2) 试验合格。从试验后的试样可以看出圆弧处无起皱现象, 尽管采用的曲率半径比标准小, 仍无裂纹产生。背弯时内外层伸展自如, 表明焊接接头塑性良好。( 3) 延伸率合格。从试验结果可以看出, 焊接接头延伸率与母材性能相当,
15、说明焊接接头有较强的塑性。( 4) 纵向冲击功符合要求。熔焊焊接接头的低96第 29 卷第 9 期液压支架钢材焊接性能分析张优明, 等Vol 29No 9温冲击试验系测定接头焊缝、熔合线和热影响区冲击吸收功。本次试验采用- 40 冲击功试验条件较为苛刻( 一般用- 20 冲击功试验) , 试验结果符合要求( 47 J) , 并且熔合线及热影响区的冲击功都处于较高水平。(5) 试验结果表明 J707RH 高强度焊丝塑性和韧性良好, 在预热条件下焊接接头具有较好的力学性能。接头抗拉强度虽然达到理论值, 但达不到 800 MPa 焊接值。试验结果表明对于高强钢采用低匹配原则是可行的, 可望推广到实际
16、生产应用当中。需要说明的是, 以上实验结果是在焊接线能量较小( 17 kJ cm) 、采用焊前预热处理等焊接条件下获得的。加上试验采用的是小试样, 由于小试样本身的局限性 不能很好地反应焊接残余应力和液压支架结构件的结构约束力( 上述 2 种情况往往是高强钢焊接中导致延迟裂纹产生的主要因素) , 因此建议在实际生产中, 结合本试验再根据具体的生产条件,制定更为经济的焊接工艺。2 斜 y 坡口焊接裂纹试验目前研究钢材冷裂纹倾向最为简便和常用的方法就是斜 y 坡口焊接裂纹试验, 考虑到可操作性, 选用这种试验方法来检测WH80 钢的冷裂纹倾向。试样采用 30 mm 厚度 WH80 钢板, 对接后试
17、件尺寸为200 mm 150 mm, 试件厚度为实际板厚。( 1) 焊接参数及要求坡口分 3 段, 两端为拘束焊缝, 开 X 形坡口, 中间为试验焊缝, 开斜 y 坡口。坡口采用机械加工, 拘束焊缝采用双面焊( 首先从背面焊第1 层, 再焊正面一侧的第 1 层。各层正面和背面交替焊接, 直至焊完) , 全部填满, 防止产生角变形和未焊透。试验焊缝焊一道, 采取平焊位置焊接。选用 4 mm 焊条, 电流( 17010) A, 电压( 242) V, 焊接速度( 15010)mm min。焊完的试件 24 h 后才能开始进行裂纹检测。( 2) 试验结果试验参照 斜 y 形坡口焊接裂纹试验方法进行
18、, 试验试样取样方法参照 焊接接头机械性能试验取样方法 进行, 试验条件及试验结果如表 2 所示。表 2 斜 y 坡口试验结果环境温度 相对湿度 表面裂纹率 根部裂纹率 断面裂纹率%019. 728. 610. 55207. 86. 7( 3) 试验结果分析斜 y 型坡口试验方法, 由于两端固定, 对试验焊缝的拘束度较大, 坡口又具有斜度, 坡口底部会产生较大的应力集中, 故会很敏感地形成裂纹。一般认为 , 只要裂纹总长小于焊缝总长的 20%, 就认为该钢板无冷裂倾向。从上述结果可知, WH80 钢在预热 120 时, 钢板无冷裂现象。常温下焊接, 表面裂纹率和根部裂纹率符合要求, 无冷裂倾向
19、, 只是断面裂纹率稍高一些, 考虑到高强钢焊接在没有进行预热处理的情况下有该试验值, 说明 WH80 钢板的抗裂性能良好。3 焊接热影响区最高硬度试验焊接热影响区最高硬度试验是国标上通用的评定钢材冷裂纹倾向的试验方法, 试验适用于手工电弧焊接, 是以热影响区最高硬度来相对地评价钢材冷裂倾向法。WH80 钢理论预热温度低于 50 。试验采用预热和室温 2 种方法来加工试样。根据试验要求,实验选用 20 mm 厚 WH80 钢板, 保留一个原始轧制面, 试板加工尺寸为 200 mm 150 mm 20 mm( 预热) 和 200 mm 75 mm 20 mm( 室温) 2 种。最高硬度试验结果表明
20、, 最高硬度位于距熔合线底部切点两侧 1 2 mm, 最高硬度值为 267( 不预热 ) 、258( 预热) 。按照最高硬度试验的评定标准, 试验钢的热影响区最高硬度 HV 350, 易知, WH80 钢板符合试验条件的情况下, 无须考虑焊前预热或焊后热处理。由此说明, WH80 钢板没有明显的淬硬倾向, 具有优良的焊接性能。4 结语由试验结果来看, WH80 钢碳当量较低, 焊接裂纹敏感性较低, 因此, 钢板具有良好的可焊性。焊接抗裂性试验表明 WH80 钢属于低焊接冷裂纹敏感性钢, 焊接热影响区试验表明 WH80 钢预热度较低, 焊后可不采取后热措施。WH80 钢可以选用比母材强度稍低的焊接材料进行焊接, 以使接头强度与母材强度等强。对于 80 kg 这种高强钢来说, 这种做法对于减少接头焊接裂纹产生和降低预热温度是有利的。因此WH80 钢可以作为液压支架选用材料。作者简介: 张优明(1962- ) , 江苏徐州人, 现从事机电技术管理工作.收稿日期: 2008 04 0397