（机械工程专业论文）中部槽焊接工艺技术研究及应用.pdf

论文题目：中部槽焊接工艺技术研究及应用 专 业：机械工程 硕 士 生：张彩霞 （签名） 校内导师：张传伟 （签名） 校外导师：郑民惠 （签名） 摘 要 近年来， 随着我国煤炭行业的快速发展， 与之密切相关的煤机行业竞争也日趋激烈。 煤矿井下工作面刮板输送机不断向着重型、超重型、大运量、长远距、高可靠、自动化 方向发展。中部槽是刮板输送机的关键部件，位于输送机的中部，其可靠性和耐磨性直 接关系着整套设备的过煤量和综合性能。因此，提高槽帮与中板，槽帮与封底板的焊缝 质量，可直接提高刮板输送机的整体焊接质量，进而提高整个采煤系统的寿命。 本文通过化学成分、碳当量、冷裂敏感指数理论分析及试验验证了中部槽槽体材料 超高强耐磨钢 j e f - e h 4 0 0 、j e f - e h 4 5 0 及 z g 3 0 m n s i 钢的焊接性。结果表明，三种材料均 具有较差的可焊性，同时超高强耐磨钢与 z g 3 0 m n s i 钢两者焊接亦存在较大难度。 在理论研究的基础上， 通过试验方法对中部槽中板、 底板用高强耐磨钢 j e f - e h 4 0 0 、 j e f - e h 4 5 0 和槽帮 z g 3 0 m n s i 钢进行了焊接工艺评定。焊接方法、焊接材料、预热温度、 层间温度、焊接参数都达到了最优的配合，得出了 z g 3 0 m n s i与超高强耐磨钢之间合理 而可行的焊接工艺。 应用 x 射线对焊接接头处进行探伤试验，对根部未焊透、中部槽焊接易产生裂纹、 气孔等缺陷进行了研究。结果表明，通过控制焊接参数、提高操作技术、加强焊后清理 等方面可解决上述缺陷，并制定了防止缺陷产生的工艺措施。另外，针对中部槽焊接变 形情况研究了其形成原因， 并通过采用预变形、 控制焊接热输入、 选择合理的焊接顺序、 重视定位焊、采用焊前预热及焊后缓冷等工艺措施有效控制了焊接变形。 关 键 词：中部槽；超高强耐磨钢；焊接性；焊接工艺；焊接缺陷；焊接变形 研究类型：应用研究 subject : application and study on welding procedure of central groove specialty : mechanical engineering name : zhang caixia (signature) instructor: zhang chuanwei (signature) instructor: zheng minhui (signature) abstract in recent years, with the rapid development of our countrys coal industry, the competition among relevant colliery mechanical industry is also becoming more and more vigorous. the underground coal mining scraper conveyor of our company is developing towards severe type, super heavy, large-capacity, long distance, high reliability and automation. the central trough located in the middle is the key part of scraper conveyor; its reliability and wear resistance are directly related to the coal quantity and comprehensive property of the complete set of the equipment. so, improving the welding quality between ledge and middle plate, ledge and seal baseboard, will directly increase the welded joint quality of the scraper conveyor, and the life of the whole coal mining system. this paper researched on the chemical composition, carbon equivalent and cold crack sensitive index, and testifies the weldability of super-high wear-resistant steel jef-eh400, jef-eh450, and zg30mnsi. the results showed that the three kinds of steel had poor weldability; it is difficult to weld the super-high wear-resistant steel to zg30mnsi. on the basis of theoretical analysis, this paper researched the welding procedure qualification through the central trough plate, baseboard jef-eh400、jef-eh450 and ledge zg30mnsi. the welding method, welding material, preheating temperature, interlayer temperature, welding parameters had reached the optimal coordination, and then obtained the feasible welding process between super-high wear-resistant steel and zg30mnsi. application of x-ray detection test to welding joints, this paper researched the welding defects, as incomplete root penetration, cracks, porosity. the result showed that through welding parameters, improving operation technology and strengthening welding cleaning can solve such flaws, and then formulated the technical measures to prevent defects. in addition, according to welding deformation of the central trough, using advanced deformation, controlling welding heat input, choosing proper welding sequence, adopting positioning weld and slow cold process after weld can effectively control the deformation. keywords : central groove high strength wear-resistant steel weldability welding procedure welding disfigurement welding deformation research type: application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 随着煤炭行业的日新月异，煤机制造业也面临着激烈的竞争，中煤张家口煤矿机械 有限责任公司也在竞争中不断的发展与壮大。 纵观本公司输送机发展历史就是中部槽的 发展历史。上世纪 5070 年代，我国整个煤矿机械处于水平较低状态，中部槽最大槽宽 只有 630mm，槽帮为轧制槽帮，材料为 27simn。中部槽的中板材料为 q235b、q345b， 厚度为 1220mm。由于当时槽宽小、电机功率低、中板不耐磨、焊接强度低、联接不 可靠等问题， 中部槽过煤量低下， 只有 2050 万吨。 八十年代， 相继开发了 730/220 （264， 320） ，764/264（320，400）系列综采刮板输送机，槽宽及电机功率得到了大幅提升，但 槽帮仍为轧制 27simn 槽帮，中板材料仍为 q345b。为提高中板耐磨性1-2，把中板厚度 增加到 2025mm，且在中板两端堆焊耐磨合金 fe05 粉块，虽然在一定程度上增加了中 板耐磨性，但效果仍不理想；为提高中部槽间联接强度，槽帮两端焊接高锰钢端头，高 锰钢材料为 zgmn13。高锰钢端头焊接性差，当时焊接端头用手工电弧焊，采用 h1cr19ni9mn6，5 奥氏体焊条施焊，高锰钢端头与槽帮焊接强度较差，导致中部槽联 接失效，使过煤量仅达到 50150 万吨，不能满足矿方高产高效要求。进入九十年，随 着我国钢铁冶炼技术、 机械制造技术和电子技术的飞速发展， 刮板输送机中部槽在结构、 材质及焊接工艺上有了较大变化。槽帮由轧制改为整体铸造，材料为 zg30mnsi，热处 理状态为正火或调质，强度为 5001000mpa，hb 在 200260 之间，槽帮在强度和耐磨 上有了质的飞跃。中板厚度在 2540mm 之间，材质变为高强钢，焊接工艺也随之发生 了相应变化，基本满足了当时中部槽焊接要求，使得中部槽整体可靠性及过煤量发生了 质的飞跃，整机过煤量达到 500 万吨左右。 中部槽所用焊接方法由六七十年代的手工电弧焊到八十年代的半自动 co2 气体保 护焊。焊接材料也由初期的电焊条到八十年代的 h08mn2sia 到九十年代的 er50-6、 er69-2 焊丝，焊接电源由初期的手工电弧焊电源到半自动可控硅整流焊接电源和逆变 电源。 进入二十一世纪，我公司在产品开发及研制上紧追国际同行水平，相继开发了 1000/2700，1000/3700，1000/31000，1250/31000 超重型刮板输送机，要求每小时 过煤量大于 2000 吨，整套设备尤其是中部槽过煤量超过 1000 万吨，这对中部槽的综合 性能提出了新的挑战。现在的中部槽内口槽宽1000mm，中板厚度40mm，材料为 hb400 的超高强耐磨钢板。封底板厚度30mm，基本保持与中板同材料。而且已经实 现了机器人对部分中部槽的全自动焊接。但是，部分中部槽矿用时会出现很多焊接失效 西安科技大学工程硕士学位论文 2 问题，如中板与挡板槽帮、中板与铲板槽帮开焊；焊缝强度低；封底板开焊等。这些问 题的出现大大影响了整套设备质量，降低了过煤量。焊接失效究其原因为大型中部槽焊 接工艺不成熟，工艺参数范围太大，几乎全部结构件焊接参数等同；所有超高强板的焊 前预热、层间控制、焊后处理都没有经过理论依据与实践相结合的过程；工人的焊接技 术也是因人而异，焊缝内部焊接缺陷多，焊接热裂纹、冷裂纹频频出现，最终使焊缝强 度降低。另外，中部槽还存在整体焊接变形严重的问题，对接时上下、左右错口量大， 运转噪音大，阻力大。所有这些问题降低了中部槽的使用寿命。解决这些问题就必须要 有完善的中部槽焊接工艺。本课题主要针对这些问题，通过理论分析与实验研究，提高 中部槽焊接工艺技术，消除焊接失效问题，最终达到提高中部槽焊接质量的目的。 1.2 课题研究意义 从 2008 年出台的煤炭行业纲领性文件关于促进煤炭工业健康发展的若干意见 ， 到全国煤炭工业科学技术大会的召开，再到近日的国家发改委出台的煤炭行业结构调整 政策，都涉及到发展大型煤炭井下综合采煤设备等内容。有关人士指出，大型煤炭井下 综合采煤设备走进人们的视野，这是煤机行业发展的必然趋势。建设强大的煤炭工业须 有强大的煤矿机械制造能力作为后盾，中煤张家口煤矿机械有限责任公司作为煤机制造 的龙头企业，研究结构件焊接工艺技术是非常必要的。近年来，我公司生产的煤矿井下 工作面刮板输送机不断向着重型、超重型、大运量、长远距、高可靠及自动化方向发展。 其中中部槽是刮板输送机的关键部件，位于输送机的中部，每台设备都包含有 100 节以 上中部槽，属于批量生产，按总长度计，占整个刮板输送机的 80%90%左右，是整套 设备的脊梁，其可靠性和耐磨性直接关系着整套设备的综合性能和过煤量。因此，提高 槽帮与中板，槽帮与封底板的焊缝质量，可直接提高刮板输送机的整体焊接质量，进而 提高整个采煤系统的寿命。 1.3 国内外研究现状 目前，世界上主要的煤矿机械制造企业已成为了新一代的现代化制造企业，投资目 标都集中于高新技术，采用了新的焊接工艺流程，先进的机器人焊接工艺技术，而且应 用广泛，有力地保证了这些企业在竞争中的技术优势。 德国的 dbt，美国的 joy 公司是世界煤机制造业的领军者，他们的刮板输送机整 体质量水平高于我国， 整机寿命高。 国外焊接设备发展极快， 多采用逆变式多功能焊机， 焊机采用 20khz 以上的 igbt 脉宽调制逆变电源，控制速度比普通电源快 130 倍以上， 电流波形控制性能提高，焊接电流稳定，焊接工艺参数实时控制，整个焊接过程稳定。 近年来，我国煤机制造业也取得了飞速的发展，中部槽底板、中板开始用超高强度 耐磨钢3，超高强度钢一般是指屈服强度大于 700 mpa 的细晶粒高强钢，如: hq80 (鞍 1 绪论 3 钢) 、ste690 、ste890 、ste960 (德) 、weldox700 、weldox900 、wel2 dox960 、weldox1100 (瑞典) hardox4004、 hardox450（瑞典） 、dillidur400v （德） 、 nk-eh-400（日） 、wbz-nm400、wbz-nm450 （武钢） 、jfe-eh400、jfe-eh450 （日）等。这些钢材焊接存在的问题有：焊接氢致裂纹(冷裂纹)、焊接热影响区软化及 韧性下降、焊接接头的疲劳失效等。其中，冷裂纹是主要问题。而高强度钢焊接的目标 是：在焊接接头处获得适当高的强度及良好的韧性，避免产生冷裂纹。本文将对我公司 进口的超高强耐磨钢 jfe-eh400、jfe-eh450（日）的焊接进行比较详尽的分析。 中部槽槽帮属铸件，具有优良的铸造性能，经热处理后有较高的强度、硬度和耐磨 性，但焊接性差。中板、底板与槽帮焊接属于异性钢焊接，且超高强耐磨钢硬度高、淬 硬倾向大，这两种钢焊接必然存在较大难度5。本文将理论分析 zg30mnsi 与超高强耐 磨钢 jfe-eh400、jfe-eh450 的焊接性，并进行焊接性试验评定其焊接性，制定合理的 焊接工艺，力争实现这两类钢的完美焊接。 我国在中部槽耐磨性方面也作了不少研究，刮板输送机失效主要表现在中部槽的磨 损上。中部槽是刮板输送机的关键部件，货载(煤和矸石)、刮板和链条均在中部槽里滑 行，使中部槽承受磨损6-7。中部槽的磨损部位，大部分在链道和中部槽的端头。中板 的磨损是中部槽使用寿命的主要标志，所以提高中板耐磨性是首先需要解决的问题。因 此，相继出现了许多对中部槽中板的强化措施。例如，碳弧堆焊 fe05 粉及 fe05 合金粉 块或碳化钨粉、碳化鹏药皮耐磨堆焊焊条花纹堆焊、在中部槽端部中频淬火和加焊高锰 钢端头、端头加焊耐磨块等，这些强化措施无疑将延长中部槽的使用寿命。但是从另一 方面观察，发现圆环链、刮板的磨损也随之加剧。为了提高耐磨性，我公司引用了日本 产超高强耐磨钢 jfe-eh400 和 jfe-eh450， 本课题主要研究超高强耐磨钢的有效焊接工 艺，来提高中部槽耐磨性。 同一型号中部槽属于批量生产，井下工作时，一部中部槽是通过哑铃销联接，这就 要求中部槽对接无错口，焊接中部槽时，除了组装用工装卡具外，必须有效控制焊接变 形。焊接变形的主要原因是由于焊接过程中结构件受到不均匀的加热和冷却，焊件各部 位金属热胀冷缩的程度不均，焊件各部分相互连接而又相互制约，不能自由的伸长和缩 短，使焊件本身产生应力不均匀，导致焊件的变形。在钢结构的焊接中，变形是一个不 可避免的问题，目前解决焊接变形的方法有三种，即机械矫正法、反变形法和火焰加热 矫正法。机械矫正法是利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相 互抵消。火焰加热矫正法是利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形，使较长的金属在 冷却后收缩，达到矫正变形的目的。反变形法是焊前预测焊后变形方向及变形量，定位 焊时反方向定位。这些方法只能在一定程度上矫正焊接变形，增加了生产工作的难度与 强度。本课题主要研究中部槽焊接工艺，用提高焊接工艺技术来有效防止焊接变形。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 1.4 本章小结 本章主要介绍了本课题研究的背景和意义，以及中部槽生产技术的国内外现状。 (1)现在中部槽生产经常出现中板、底板开焊，槽体变形的问题，本课题主要针对这 些问题而研究中部槽的焊接工艺。 (2)提高槽帮与中板，槽帮与封底板的焊缝质量，减小槽体变形可直接提高刮板输送 机的整体焊接质量，提高焊接生产效率及效益，进而提高整个井下采煤工作面配套系统 的寿命。 2 中部槽所用材料的可焊性 5 2 中部槽所用材料的可焊性 刮板输送机主要由机头、传动部、过渡槽、中部槽、刮板链、机尾部及附属装置构 成。其中中部槽是承载机构，是刮板输送机的关键部件，位于输送机的中部，每台设备 都包含有 100 节以上中部槽，按总长度计，占整个刮板输送机的 80%90%左右，其典 型结构如图 2.1 所示。 两端焊 两端焊 联接板部分 挡板槽帮 底板中板 铲板槽帮 槽体部分 图 2.1 中部槽结构 按图 2.1 结构，中部槽由槽体部分与联接板部分组成，槽体的上槽为装运物料的承 载面，下槽供刮板链条返回用。在矿用时，中部槽受到冲击、振动、弯曲、压力、摩擦 等作用。联接板部分基本上没有问题，均能满足设计寿命，而槽体部分经常出现焊接失 效问题，造成回厂返修，一定程度上影响了产品的使用，降低了产品寿命。本论文主要 研究中部槽槽体部分的焊接工艺，提高焊接质量。 中部槽槽体部分的焊接是中部槽生产中关键而重要的环节，槽体由挡板槽帮、铲板 槽帮、中板、底板组焊而成，中板正反面焊接，底板下面通长焊满，上面两端焊足够长。 结构呈箱体结构，焊接时存在应力集中、焊缝不能自由收缩、结构焊接性8差的问题。 中部槽的焊接主要涉及两种金属材料，即超高强耐磨钢和 zg30mnsi，要实现这两类钢 的有效焊接，首先必须分析材料的焊接性，这是研究中部槽异种材料焊接工艺的前题。 2.1 材料分类 中部槽槽帮均属铸件，材料为 zg30mnsi，属中碳低合金 mn-si 铸钢（c=0.250.35 ） ，表 2.1 为 zg30mnsi 的化学成分及热处理状态。 西安科技大学工程硕士学位论文 6 表表 2.1 zg30mnsi 化学成分化学成分 化学成分 机械性能 材质 c si mn p s b （mpa） s （mpa） （%） hb 热处理 状态 zg30mnsi 0.33 0.79 1.21 0.021 0.011 790 458 14 230-270 调质 中部槽中板和底板材料一样，为 jfe-eh400 或 jfe-eh450，都属于超高强耐磨钢， 是日本 jfe 钢铁公司研究开发的，适应于制造铲斗、装载机、破碎机等，该钢板能够承 受各种岩石、沙子、矸石的磨损。其化学成分如表 2.2 表表 2.2 超高强钢化学成分超高强钢化学成分 化 学 成 分 钢 号 c si mn cr ti b jfe-eh450（日） 0.30 0.55 1.60 0.8 0.02 0.004 jfe-eh400（日） 0.25 0.55 1.60 0.4 0.015 0.004 中部槽中板和底板材料的机械性能见表 2.3 表表 2.3 超高强钢机械性能超高强钢机械性能 机械性能 材料牌号 b(mpa) s (mpa) 5(%) 90冷弯 d=3a 硬度 hb jfe-eh450（日） 1409 1261 18.5 良好 483 jfe-eh400（日） 1316 1163 19.8 良好 442 注意：zg30mnsi 技术数据为实测值。中板和底板的高强耐磨钢数据为进货资料提 供数据。 这两种材料的化学成分和机械性能相差较大，为了得到良好焊接接头，必须测定这 些材料的焊接性，才能得到异种材料合理焊接工艺9。 2.2 材料可焊性分析 2.2.1 金属焊接性 金属焊接性是金属能否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头 的特性。金属焊接性包括两个方面：一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性；二是 2 中部槽所用材料的可焊性 7 焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也可以认为，焊接性不仅要考虑到金 属的结合性能，而且还要考虑到焊接后的使用性能。理论上，只要在高温熔化状态下相 互能够形成溶液或共晶的任何两种金属或合金都可以采用熔化焊的方法进行焊接。从这 点出发，同种金属或合金之间当然是可形成焊接接头的，或者说是具有良好焊接性的。 很多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，必要时还可以通过增加过渡层的办 法来实现焊接接头，这也可以看作是具有一定的焊接性。但这里所说的只不过是理论上 的焊接性，并没有将实际生产中是否能实现这种焊接这个因素考虑在内。例如，焊接时 是否会产生质量问题而造成使用性能不合格； 是否需要特殊的焊接材料或复杂的工艺措 施；成本费用是否过高等10-11。因此，在分析焊接性的时候，必须十分重视具体工艺条 件，也就是说要着重于分析“工艺焊接性” 。 (1)工艺焊接性 工艺焊接性是一个相对的概念。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条件下焊接 而获得完好的接头，能够满足使用要求，就可以说是焊接性良好。反之，如果必须保证 很复杂的工艺条件(如高温预热、高能量密度、高纯度保护气氛或高真空度，以及焊接 后复杂热处理等)才能够焊接，或者所焊的接头在性能上不能很好的满足使用要求，就 可以说是焊接性较差。虽然焊接性主要取决于金属材料本身固有的性能，但是还必须看 到工艺条件也有着重要的影响。工艺焊接性就是金属在一定的工艺条件下形成具有一定 使用性能的焊接接头的能力。 (2)影响工艺性的因素 材料因素 所谓材料不仅仅是被焊母材本身，还包括使用的焊接材料，如焊丝、 焊条、焊剂、保护气体等。所有这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学 反应，其中，母材本身的材质对影响区的性能起着决定性的影响。显然，所采用的焊接 材料对焊缝金属的成分和性能也是关键的因素。如果焊接材料与母材匹配不当，则不仅 可以引起焊接区内的裂纹、气孔等各种缺陷，而且也可能引起脆化、软化或耐腐蚀等性 能变化。所以，为保证良好的焊接性，必须对材料因素给予充分的重视。 工艺因素 大量的实践证明，同一种母材，在采用不同的焊接方法和工艺措施的 条件下，其工艺焊接性会表现出极大的差别。焊接方法对工艺焊接性的影响主要可能在 两个方面：首先是焊接热源的特点，也就是功率密度、加热最高温度、功率大小等，它 们可直接改变焊接热循环的各项参数，如线能量大小、高温停留时间、相变温度区间的 冷却速度等。这些当然会影响接头的组织和性能；其次是对熔池和接头附近区域的保护 方式，如熔渣保护、气体保护、气一渣联合保护或是在真空中焊接等，这些都会影响焊 接冶金过程。显然，焊接热过程和冶金过程对接头的质量和性能均会有决定性的影响。 众所周知，纯铝焊接时若采用气焊方法，由于热源温度低、热量分散以及保护不良 等原因，很难避免气孔、未焊透等缺陷，接头性能很差；如果采用氢弧焊方法，则接头 西安科技大学工程硕士学位论文 8 质量可完全满足使用要求。某些对过热十分敏感的低合金高强钢，为了降低焊接时的线 能量，宜于选择电子束焊、等离子焊和脉冲电弧焊之类的方法。与此相反，对于容易产 生白口组织的铸铁来说，却需要加大焊接线能量而减缓冷却速度，采用电渣焊、气焊等 功率密度低，加热较为分散的方法，对防止铸铁焊接时产生白口组织有利。所有这些都 是利用各种焊接方法的不同特点来改善工艺焊接性的实例。在各种工艺措施中，采用最 多的就是焊前预热和焊后热处理，这些措施分别对降低焊接残余应力，减缓冷却速度以 防止热影响区淬硬脆化，避免焊缝热裂纹或氢致冷裂纹等都是比较有效的。大厚板中部 槽用高强度钢焊接通常都采用焊前预热和层间温度的控制来减少焊接缺陷的产生。此 外，严格烘干焊条、焊剂，清洗焊丝及坡口，合理安排焊接顺序，控制焊前冷作变形， 保证坡口形状尺寸及装配间隙等工艺措施，也都必须充分重视。 结构因素 焊接接头的结构设计影响其受力状态，这里所指的是接头处的刚度、 应力集中和多轴应力等方面的因素。这些因素既可能影响焊接时是否发生缺陷，又可能 影响焊接后接头的强度、韧性等承载能力。当然，设计焊接结构时，应尽量使接头处于 拘束度较小、能够较为自由地伸缩的状态，这样有利于防止焊接裂纹。存在缺口、截面 突变、堆高过大、焊缝交叉等都应尽量避免，否则会造成应力集中，不利于使用性能的 提高。母材厚度或焊缝体积很大时会造成多轴应力状态，实际上影响承载能力，也就会 影响工艺焊接性。 使用条件 焊接结构必须符合使用条件的要求。因而，使用条件是否严酷，也必 然影响工艺焊接性。载荷的性质、工作温度的高低、工作介质有无腐蚀性等都属于使用 条件。焊接接头在高温下承载，必须考虑到某些合金元素的扩散和整个结构发生蠕变的 问题；承受冲击载荷或在低温下使用时，要考虑到脆性断裂的可能性；接头如需在腐蚀 介质中工作或经受交变载荷作用时，又要考虑应力腐蚀或疲劳破坏的问题。总之，使用 条件越是苛刻，实际上就是对接头的质量提出了更高的要求，工艺焊接性也就越不容易 保证。 综上所述，焊接性与材料、工艺、结构和使用条件等因素都有密切的关系，所以不 应脱离开这些因素而单纯从材料本身的性能来评价焊接性。此外，从上述分析也可以看 出，很难找到某一项技术指标可以概括材料的焊接性，只有通过综合多方面的因素，才 能讨论焊接性问题。 (3)冶金焊接性与热焊接性 金属在一定的工艺条件下进行熔化焊接时，在形成熔池及随后结晶成为焊缝的区域 会发生冶金反应和固态相变；而在热影响区内，主要发生固态相变。习惯上，人们对前 者引起的焊接性问题称作冶金焊接性，对后者引起的焊接性问题称作热焊接性。也就是 说，在焊缝区内主要是冶金焊接性，在热影响区内主要是热焊接性。冶金焊接性所涉及 的主要是化学冶金问题，热焊接性所涉及的主要是物理冶金问题。 2 中部槽所用材料的可焊性 9 冶金焊接性 由母材和焊接材料共同组成的熔池金属在高温液态下与熔渣和气相 之间发生物理化学反应、成分偏析以及随后的凝固结晶等过程中焊接性的变化都属于冶 金焊接性研究的范围。在上述的冶金过程中，由于合金元素的氧化、还原、蒸发等，易 造成焊缝金属化学成分、金相组织和各种性能的改变；氧、氮、氢等杂质气体溶入、析 出可以造成气孔或影响焊缝金属的性能；熔池结晶时的成分偏析及结晶方向等还可能导 致发生热裂纹。金属本身的材质对其冶金焊接性固然有着很重要的影响，但还应该充分 认识到焊接材料、焊接方法、保护条件及其他一些工艺措施对冶金焊接性的重要作用。 尤其像焊接材料的影响，甚至有可能超出金属本身材质的影响。在大多数情况下，对于 焊接工作者来说，提高冶金焊接性的途径并非研制新钢种或改进己有的钢种，而是应该 着重于开发新型焊接材料和焊接方法、改善保护条件等方面。 热焊接性 熔化焊接时，一般都要向接头区域输入很多热量，这就对邻近焊缝的 金属形成了加热和冷却的热处理过程，使金属发生固态相变，并引起其性能(强度、韧 性、耐腐蚀性等)变化，或由于脆化及应力而造成裂纹等缺陷，这些均属热焊接性问题。 与焊缝金属不同，热影响区的母材金属化学成分一般不可能发生明显的变化，焊接 材料中的合金元素通过熔池、熔合区向热影响区的母材金属扩散是微乎其微的。所以， 热焊接性基本上完全决定于母材的化学成分、热处理状态和焊接时的热循环条件。工程 上所使用的结构材料大都是合金，它们经过焊接热循环后都会有组织和性能的变化。例 如， 过热区因产生粗大晶粒而脆化， 熔合区因从高温急冷而淬硬脆化， 回火区的软化等。 即使是没有相变的单相奥氏体钢或一些纯金属如纯铝等，也可能由于晶粒长大、形变硬 化作用消失或晶界一些微量元素的扩散迁移而使其性能发生明显的变化。 改善热焊接性的方法，除正确选择母材之外，主要是正确选择焊接方法和焊接工艺 规范。例如在需要减少线能量时，应该选用那些功率密度大、加热时间短、焊接速度快 的焊接方法，诸如脉冲电弧焊、电子束焊等。此外，预热、缓冷、浸水或加冷却垫板等 工艺措施都可以对热焊接性发生影响。 2.2.2 材料焊接性理论分析 理论评定材料的可焊性是设计合理焊接工艺的前提条件，为了得到超高强钢与槽帮 完善的焊接工艺，首先从理论上研究其焊接性。 (1)超高强耐磨钢可焊性分析 碳当量的估算法 钢的焊接性主要取决于它的化学成分，钢中的合金元素有的能 提高钢的淬透性，有的能促使形成低熔点物质，这些元素在焊接热循环的作用下会促使 焊缝及热影响区出现各种不利的组织，使焊接接头性能降低，还可导致产生各种缺陷， 如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等。评价钢的焊接性的方法很多，由于焊接热 影响区的淬硬倾向和冷裂倾向与化学成分有着密切关系，其中碳是各种合金元素中对钢 西安科技大学工程硕士学位论文 10 的淬硬性和冷裂性影响最显著的元素，所以人们把各种合金元素对钢的焊接性的影响与 碳比较而折合成相当于若干碳量，而各种合金元素影响的总和称为这种钢的碳当量，以 此来作为评价钢的焊接性的参考性指标12-14。 碳当量公式有多种，适应范围各不同，如下几种公式15： a.国际焊接学会推荐的碳当量公式 ce(hw)： ce (hw)=c+mn/6+(cr+mo+v) /5+(ni+cu)/15(%) (2.1) b.日本 jis 和 wes 标准规定的碳当量公式： ceq(jis)=c+mn/6+si/24+ni/40+cr/5+mo/4+v/14(%) (2.2) 该式主要适用于低碳调质的低合金高强度钢(qb = 5001000 mpa)。 c.日本新日铁公司近年来为适应工程需要提出的新的碳当量公式： ce=c+a(c)si/24+mn/16+cu/15+ni/20+(cr+mo+v+nb)/5+5b(%) (2.3) 该 ce 公式是新日铁公司近年提出的，适用于 w(c)为 0.034%0.254%的钢种，是目 前应用较广、精度较高的碳当量公式。 d.美国金属学会提出的用于计算预热温度的碳当量 ce 经验公式： ce=c+mn/6+ni/15+mo/4+cr/4+cu/13 (%) (2.4) 该式适用于碳钢和低合金高强度钢。 e.美国焊接学会(aws )提出的碳当量公式： ce=c+mn/6+si/24+n i/15+cr/5+mo/4+cu/13+p/2(%) (2.5) 该式适用于碳钢和低合金钢。 根据我公司中板用材料的化学性质及机械性能，如下表所示，我们决定采用日本新 日铁公司提出的碳当量公式，由公式可得如下碳当量值： ce(jfe-eh400)=0.47，ce(jfe-eh450)=0.52。 冷裂敏感性计算法 碳当量只考虑了化学成分对硬化倾向和冷裂倾向的影响，而 没有考虑到其他因素的影响，如冷却速度、拘束度、扩散氢等。化学成分和碳当量值并 不能说明钢材的组织， 组织必须由连续冷却曲线图 （cct 图） 按不同的冷却速度来确定， 在氢和拘束力相同的情况下，冷裂敏感性是材料焊接性的一个主要方面，许多焊接性实 验方法实质上就是冷裂敏感性实验方法 1 6 。 60 年代后期， 伊藤爱典等人根据大约 200 种低合金高强度钢的实验数据归纳成一个 实验公式，称为裂纹敏感系数 pcm 公式： pcmc+si/30+mn/20+cr/20+cu/20+ni/60+mo/15+v/10+5b (2.6) 此公式实际上也是碳当量公式使用的化学成分范围：c0.070.30，si 0.60，mn 0.401.60，cr 1.20，cu 0.50，ni0.20，mo0.70，v0.12，b0.005，ti0.05， nb0.04 通过计算可得裂纹敏感系数 pcm 值： 2 中部槽所用材料的可焊性 11 pcm(jfe-eh400)=0.39，pcm(jfe-eh450)=0.46。 通过对钢的碳当量和冷裂敏感系数的估算，可以初步衡量高强度钢冷裂敏感性的高 低，这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。 长期的生产实践和理论研究证明：热影响区产生冷裂纹有三大因素，淬硬组织的比 例，焊接接头的扩散氢含量，焊接接头的拘束应力。由上表可看出高强耐磨钢的碳当量 大于 0.4%，冷裂敏感系数大于 0.3%，淬硬倾向高，冷裂倾向严重，而且强度高、板厚、 结构刚性大、焊接时接头拘束应力大，所以高强钢焊接存在的重要问题是热影响区的冷 裂和过热区的脆化现象，焊接性差。 (2)zg30mnsi 的可焊性分析 zg30mnsi 属于中碳低合金 mn-si 铸钢（c0.250.35） ，铸后通过调质处理获得 高强耐磨性能。由于 zg30mnsi 中 c、si 含量较高，且铸件 s、p 杂质元素含量偏高， 因此，固液阶段较长，即“脆硬温度区”较大。此时，s、p、si 形成的低熔点共晶物在 晶界处形成液态薄膜，在焊接应力（刚性越大，应力越大）作用下就产生了热裂纹。因 此，结晶热裂纹也是 zg30mnsi 焊接时要解决的问题，焊接性较差17。 通过上述高强钢和铸钢的焊接性理论分析，得知两者焊接性差，可焊性的影响因素 很复杂，评定金属可焊性的试验是非常必要而且直观的。 2.2.3 焊接性试验 评价焊接性的试验方法是多种多样的，每一种试验方法都是从某一特定的角度来考 核或说明焊接性的某一方面。 因此， 往往需进行焊接试验18才可能较全面地说明金属的 焊接性，从而说明应当选用什么焊接方法、焊接材料、工艺规范及必要的工艺措施等。 (1)焊接性试验方法分类 模拟类方法 这类焊接性试验方法一般不需要实际的焊接接头，而只是利用模拟 焊接热循环，人为制造缺口或电解充氢等手段，估价金属在焊接时可能发生的变化和问 题，为制定合理的焊接工艺条件提供依据。这类方法的优点是节省材料和工时，试验周 期一般可以比较短，而且可以将接头内某一区域局部放大，从而使有些因素孤立出来， 便于分析研究和寻求改善焊接性的途径。当然，这类方法与实际焊接相比是有一些差别 的，因为很多条件是被简化了的。 这类方法最常用的有热应力模拟试验、插销试验等。 理论计算类方法 这是一类在大量生产和科学研究经验的基础上归纳总结出来的 理论计算方法。它们主要是根据母材或焊缝金属的化学成分，加上某些其他条件(如接 头拘束度、焊缝扩散氢含量)，然后通过一定的经验公式计算，估计冷裂、热裂、再热 裂纹的倾向大小。由于是经验公式，这些方法的应用更是有条件限制的，而且多半是间 接、粗略地估计焊接性问题。这类方法中应用较多的是碳当量法及冷裂纹敏感系数等。 西安科技大学工程硕士学位论文 12 前面已经介绍过。 实焊类方法 这类方法的特点在于要在一定条件下进行焊接，通过实焊来评价焊 接性。有时是在生产条件下进行焊接，然后检查焊接接头是否发生缺陷，或进行机械性 能或其他方面的试验。也有时是使用一定形状尺寸的试样在规定的条件下进行焊接，再 做各种检查。 属于这类方法常用的有斜 y 坡口对接裂纹试验（小铁研） 、窗口拘束试验、刚性固 定对接裂纹试验以及不锈钢晶间腐蚀试验等。 (2)选择或制定焊接性试验方法的原则 针对性 进行焊接性试验时，其试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件。只要 在这样有明显针对性的情况下，才有可能在节省工时的条件下，使试验结果能够比较确 切地说明焊接性问题。 可靠性 焊接性试验应尽量避免人为因素的影响，试验结果要有较好的再现性， 数据不可过于分散。如果试验结果很不稳定，数据很分散，就很难看出变化规律，更不 可能用于指导生产实践。 为此， 一方面要严格试验条件， 另一方面还要尽可能用自动化、 机械化的方法取代手工操作。这样才能保证试验结果的可靠性。 经济性 在足以获得可靠结果的前提下，应该力求做到消耗材料少、加工周期短、 试验费用省。 根据我公司实验能力，针对产品性能情况，我们采用了小铁研试验，可靠而经济。 (3)小铁研试验 根据实际设备及生产需求，采用小铁研实验评定焊接性比较适宜。小铁研试验在日 本应用较广，已确定为标准试验方法（j i s z 3 1 5 8 ）19。 1956 年，日本铁道技术研究所的大谷碧提出铁研式试验，其试件为 150330mm， 上面开俩个切口，以后铃木村儀等把这种试件尺寸缩小为 150200mm，并改为一个切 口，成为铁研式试件的改良型，这就是小铁研式试件，其形状与尺寸见图 2.2 2 中部槽所用材料的可焊性 13 试验焊缝 8 06 06 0 1 5 0 6 0 2 a - ab - b 拘束焊缝 a a b b 2 32 3 2 0 0 t 2 t 2 图 2.2 小铁研式试件 试件两端 60mm 长度内预先焊为一体，中间 80mm 为 y 型坡口，准备熔敷试验焊 缝。 这种试件等于在刚性整板上中间的 80mm 长度内加工成 y 型坡口， 这样的坡口无法 加工。就分解为两半进行坡口加工，然后两端焊成一体，为了焊后的试件尽量平整，故 在两端拘束焊缝处开成 x 型坡口，正反两面交替焊接，以控制变形。 实验备料 根据中部槽中板、底板所用新材料为 eh400、eh450，为了实焊测定 其焊接性，我们选用 10mm 的 eh400 和 10mm 的 eh450 板材各一件做小铁研试验件。 10mm 厚度经 40mm 材料加工而成，试件尺寸与坡口加工成如上图 2.2 所示。 焊接步骤 第一步：把试件放平，坡口对接间隙为 2mm，两端用焊丝点固。 第二步：用 ghs-70 焊丝（直径 1.6mm） ，电流 240260a，分别给两端 60mm 范围 内打底，做拘束焊缝。焊完后，在反面同样的操作。做完后再翻回原来的那一面，敲去 焊渣，用同样的焊丝焊接第二层，电流 280300a。焊完后，反面第二层同样操作。 第三步：用直径 1.6mm 的 ghs-70 焊丝，焊接电流 260300a，在中间焊上试验焊 缝，试验焊缝尽量平整，与两端拘束焊缝留 23mm 的距离。 裂纹率计算 试件焊好后，在自然条件下放置 48 小时才可进行下一步。 第一步：敲去焊渣，清理焊缝表面污垢，用低倍放大镜观察焊缝表面。检查焊缝表 面裂纹情况，如图 2.2，并作记录，记下 l1、l2、l3（l 代表表面裂纹长度） 。 第二步：将试验焊缝用圆盘铣刀切成同样宽度的 6 片，检查 5 个断面的裂纹深度， 如图 2.3，并作记录，记下 h1、h2、h3（h 代表断面裂纹深度） 。 第三步：计算表面裂纹发生率和断面裂纹发生率。 西安科技大学工程硕士学位论文 14 a.表面裂纹发生率计算： 表面裂纹发生率(l1l2)/( lc)100%(li/lc)100% b.断面裂纹发生率计算： 断面裂纹发生率(h1h2)/( 5h)100%(li/lc)100% h l1l2 试件裂纹率计算 b横断面裂纹 a表面裂纹 h lc 图 2.3 试件裂纹示意图 实验结果记录 试验中所用的焊接材料、试验参数以及焊后表面裂纹数、裂纹长 度见表 2.4。焊后切开断面裂纹数、裂纹长度见表 2.5。 表表 2.4 表面裂纹记录表面裂纹记录 表面裂纹 焊丝型号 焊丝直径 试验层数 电流( a ) jfe-eh400 jfe-eh450 ghs-70 1.6mm 单层 150 l1=10.2mm l2=6.2mm l1=8.9mm, l2=7.6mm 表表 2.5 断面裂纹记录断面裂纹记录 jfe-eh400 jfe-eh450 断面号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 裂纹数 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 裂纹长度 0.2 0.5 0.6 0.2 0.2 焊缝高 h=6mm jfe-eh400 表面裂纹发生率(10.2mm+6.2mm)/80mm100%=20.50% jfe-eh450 表面裂纹发生率(8.9mm+7.6mm)/80mm100%=20.63% 2 中部槽所用材料的可焊性 15 jfe-eh400 断面裂纹发生率(0.5mm+0.2mm)/(56mm)100%=2.33% jfe-eh450 断面裂纹发生率(0.6mm+0.2mm+0.2mm)/(56mm)100%=3.33% 结果分析： 经放大镜观察，两条试验焊缝表面均出现裂纹；切开后，观察断面，裂纹均有两条， 出现在焊缝的底部和中部，经计算 jfe-eh400、jfe-eh450 的表面裂纹长度均大于焊缝 长度的 20%，说明生产中极易发生裂纹，因此可以初步判断 jfe-eh400、jfe-eh450 可 焊性均较差。 通过高强钢和铸钢的焊接性理论分析与实验验定，充分证明两者焊接存在难度，只 有通过选择合理的焊接工艺