液压支架用Q690高强钢的焊丝匹配性研究

1、Modern Welding 现代焊接 液压支架用高强钢的 焊丝匹配性研究 Study on welding wire matching of Q690 high-intensity steel used in hydraulic support 山东大学材料科学与工程学院 郑州煤矿机械集团股份有限公司 张 蕾 李亚江 付金良 蒋庆磊 徐宗林 摘要 本文对高强钢进行斜型坡口铁研试验，采用金相显微镜对焊接接头焊缝的显微组织进行研究，分 析焊接热输入和不同焊丝对钢焊接接头显微组织及裂纹的影响。试验结果表明：在铁研试验的拘束下，采用 、·和·焊丝，焊接热输入控制在范围内，焊接接头

2、裂纹率均小于。焊缝 中，、合金元素的加入使得焊缝组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和贝氏体转变为针状铁 素体和贝氏体。·焊丝接头的综合力学性能优于焊丝接头。 关键词 高强钢；焊丝；焊接热输入；显微组织；力学性能 前 言 迅猛发展的煤矿产业，对采煤机 高强钢是国内采煤机械液压 支架用钢，碳当量较高，应采用合理 的焊接工艺参数来防止焊接缺陷的产 生，以保证接头的性能。在焊接结构 件中，普遍存在而危害很大的缺陷之 一是焊接冷裂纹的出现，大多数的冷 裂纹是由淬硬组织、氢的扩散和接头 的拘束应力三要素共同作用的结果。 对于本试验而言，在铁研试板拘束和 低氢型焊接方法焊接条件下，焊接接

3、 头的显微组织对裂纹的影响占主导地 位 。因此，选择合理的焊接方法和合 适的焊接材料，控制好焊接工艺参数， 加强焊接过程控制，从而获得组织性 能良好的焊接接头，可使液压结构件 满足使用要求。 本文结合斜型坡口铁研试验， 对不同焊丝匹配的高强钢焊接接 头组织和力学性能进行了研究，分析 在不同热输入条件下，不同强度级别 的焊丝、·及· 对焊缝显微组织及裂纹率的影响，为 焊接工艺参数及焊丝的选择提供试验 数据和理论依据。 械的性能如高强度液压支架的使用可 靠性提出了更高要求 。液压支架是以 高压液体为动力，由若干液压元件与 一些金属构件组合而成的一种支撑和 控制顶板的采煤工作面设

4、备，具有强 度高、移动速度快、支护性能好、安 全可靠等特性。近年来，我国液压支 架制造技术水平发展迅速，但在支架 材料、加工工艺、性能和使用寿命等 方面与世界水平相比仍然有较大差距。 随着液压支架向大工作阻力和高可靠 性要求的发展，如何在保证强度的前 提下，减轻支架重量是迫切需要解决 的问题，采用高强钢是最有效的途径。 因此，有必要对高强钢材料的焊接性 进行试验研究，优化焊接工艺，提高 焊接接头的综合机械性能与承载能力， 以满足高可靠性支架设计需要。 作者简介：张蕾（），女，硕士，主要从事高强钢焊 接的研究。基金项目：山东省自然科学基金（）。 试验材料与方法 试验母材为高强钢，母材的 化学成分

5、和力学性能见表。通过斜 型坡口铁研试验，研究、 ·、·焊丝与高强 钢匹配性问题，分析焊接热输入对焊 接接头显微组织的影响，并研究低强 匹配时焊接接头的力学性能。 钢对接采用斜坡口形式， 试验试板尺寸为××， 焊后试板尺寸为××， 坡口角为°。试验焊接设备为 型气体保护焊机，保护气体为 ，气体流量为。 焊接在车间进行，焊前不预热，环境 温度，焊接电压，焊接 电流，焊接速度， 试板焊后不进行热处理。试验用焊丝 的化学成分及力学性能见表，焊丝直 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 Modern Welding 表 母材 高强钢的化

6、学成分及力学性能 力学性能 （） （） 化学成分（质量分数，） 时接头裂纹率较低，且均小于。 图（）为采用三种焊丝时焊接热输 入与接头断面裂纹率的关系。从图 （）中可以看出，当采用和 · 焊丝时，随着焊接热输入 增大到，接头裂纹率也随 之增大，在中等热输入条件下，裂纹 率均较小；而当采用· 焊 丝时，随着焊接热输入的变化，接头 裂纹率波动不大，且均明显小于其他 两种焊丝的接头裂纹率。这是由合金 元素对焊缝显微组织的影响造成的。 焊丝中合金元素、含量 的增加，提高了针状铁素体含量，减 少和细化了先共析铁素体，有利于提 高焊缝韧性和抗裂性，从而减小接头 裂纹率。对于和·

7、;焊丝， 焊接过程中应严格控制焊接热输入， 热输入过大，焊缝中形成粗大的铁素 体组织，甚至出现魏氏体组织，冲击 韧性下降，抵抗裂纹扩展能力差。加 大热输入还有可能形成上贝氏体，上 贝氏体中碳化物粗大，强化作用较弱， 当碳化物沿平行的铁素体条分布，微 裂纹很容易沿此方向扩展，韧性较差。 同时焊接热输入也不应过小，否则冷 却速度大，焊接接头组织易淬硬，增 大了冷裂倾向。合理的做法是充分保 证焊接接头韧性的前提下，适当提高 焊接热输入。 显微组织 焊接接头焊缝区的显微组织对接 头性能和冷裂倾向具有重要影响。不 同热输入和合金含量造成了焊缝组织 的差别。先共析铁素体、侧板条铁素 体组织抗裂纹扩展能力差

8、，应尽量减 少其含量；针状铁素体是在奥氏体向 铁素体转变过程中，以夹杂物为中心， 表 焊丝 试验用焊丝的化学成分及力学性能 力学性能 化学成分（质量分数，） （） （） （） · · （） 径为。利用线切割截取试板并磨 制抛光制备出金相试样，采用硝酸 酒精溶液腐蚀后，在 型金 相显微镜下观察焊缝显微组织。 对、·焊丝接头进 行力学性能试验，试板尺寸为 ××，接头形式为型坡 口平板对接，单边坡口角为°。按 国家标准 制备焊接接头 板状拉伸试样，试验设备为 型万能拉伸试验机。按国家标准 制备焊接接头冲击试样，试 样缺口位置为焊缝，开型坡口

9、。利用 金属材料冲击试验机进行冲击试 验，试验温度为。 按原国标规定的方法计算各 焊接试板的断面裂纹率。由于铁研试 验的拘束刚性大于实际焊接结构，且 焊缝根部应力集中较大，所以一般认 为，铁研试验的裂纹率小于时， 用于实际焊接生产是安全的。 在铁研试板拘束条件下，不同的 焊丝和焊接热输入对接头裂纹率产生 影响。焊接热输入的确定以焊接接头 抗裂性和热影响区的韧性要求为依据。 从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢 为佳，但对防止脆化来说，却要求冷 却快较好，因此应兼顾两者的冷却速 度范围，本试验采用的热输入范围为 。 图所示为不同焊丝、焊接热输入 与裂纹率的关系。从图（）中看出， 在大（）、中（ ）、

10、小（）三种焊接热 输入条件下，高强钢采用 、·、·焊丝焊接 试验结果及分析 接头裂纹率 铁研试板焊接后统计裂纹率， 所有焊接试板的焊缝均无表面裂纹。 焊接试板横剖后在焊缝根部发现裂纹， 现代焊接 年第期 总第期 Modern Welding 现代焊接 形核长大的。针状铁素体的微观形态 与焊缝金属组成，奥氏体大小及夹杂 物密度密切相关。针状铁素体晶粒较 细小，有效晶粒尺寸小；且其晶界为 大角度晶界，片间夹角较大，相互穿 插生长对裂纹扩展具有阻碍作用，可 使焊接接头强度和韧性提高。图为 钢母材显微组织和、· 、·三种焊丝焊接接头 的焊缝显微组织。 图（）为高

11、强钢母材的显 微组织，主要由贝氏体、回火索氏体 和块状铁素体组成。图（）中黑色 为索氏体组织，是铁素体与渗碳体的 机械混合物，但比珠光体组织细，具 有良好的综合机械性能。 图（）为采用低强度焊 丝，在热输入为条件下， 高强钢焊接接头焊缝区的显微组织， 主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、 针状铁素体、珠光体和贝氏体组成。 先共析铁素体沿奥氏体晶界呈块状生 长，侧板条铁素体以板条状从晶界向 晶内成长，晶内分布为针状铁素体及 少量的贝氏体、珠光体。大量的先共 析铁素体和侧板条铁素体，使得焊接 接头塑韧性降低，抗裂性变差。 图（）为采用低强度· 焊丝，在热输入为条件下， 高强钢焊接接头焊缝区

12、的显微组 织。与图（）相比，先共析铁素体 含量减少，呈细条状分布在奥氏体晶 界，侧板条铁素体含量也明显减少， 针状铁素体组织更加细小，分布较均 匀。这是由于焊缝金属中、元素 的加入，影响了相变过程，从而改变 了焊缝中各组织含量。是扩大相 区的元素，其作用是使奥氏体分解反 应移向较低温度，增加过冷奥氏体的 稳定性，降低点。焊缝金属中随着 含量的增加，针状铁素体含量增加， 先共析铁素体和侧板条铁素体减少 。 ， 的主要作用是推迟先共析铁素体转 变而有利于形成贝氏体结构。当其含 量为时，会在焊缝中生成稳 定的均匀的细针状铁素体组织，此时 冲击韧性也较高。的加入有助于针 状铁素体的形成，它不仅影响相变

13、动 力，而且会改变针状铁素体的形态 。 此外，含量在时，对焊 缝韧性有较好的作用，还可以减少微 观缺陷，如相间析出物、微裂纹等，。 因此，一定含量的元素使得焊缝可 以获得良好的强韧性。 图 为采用等强度· （） 焊丝，在热输入为条件下， 高强钢焊接接头焊缝区的显微组 织。与图（）、（）相比，在放 大倍数下观察的显微组织中，没有 观察到先共析铁素体和侧板条铁素体， 主要为细小均匀分布的针状铁素体和 少量的贝氏体。这是由于焊缝金属中 、等元素共同作用的结果。 等通过试验证明， 、元素的加入使得焊缝组织 由先共析铁素体、侧板条铁素体、魏 氏体铁素体和针状铁素体的混合组织 转变为针状铁素体、

14、贝氏体和少量低 碳马氏体的混合组织。同时，元素 的增加能显著提高焊缝的韧性，一方 面它能稳定奥氏体，避免形成韧性较 差的板条马氏体；另一方面是它对形 成铁素体形态的影响。因此，高 强钢采用等强焊丝匹配获得的焊缝组 织，可使焊接接头获得良好的塑韧性 和抗裂性，但在焊接过程中，也应严 格控制焊接工艺参数，以获得优异性 能的焊接结构件。 力学性能 保证焊缝具有良好的强韧性也是 （）母材的显微组织 （）焊丝焊缝组织 （）·焊丝焊缝组织 （）·焊丝焊缝组织 图 母材及不同焊丝焊缝的显微组织 现代焊接 年第期 总第期 现代焊接 Modern Welding 板条铁素体、针状铁素体和贝氏

15、体转 变为针状铁素体和贝氏体。 接头拉伸和焊缝冲击试验结果表 明，·焊丝接头的综合力学性 能明显优于焊丝接头。 参考文献 陈裕川 低合金结构钢焊接技术 北京： 机 械工 选择焊丝必须考虑的重要方面。传统 观点认为等强或超强匹配对焊缝强度 更安全。但对于承受动载荷、重载荷 和恶劣工作条件下的高强钢焊接 接头，除强度性能外，还要求较高的 韧性。此时，少许牺牲焊缝强度而使 韧性储备提高，对接头综合性能有利 性与其显微组织密切相关。大量细小 且均匀分布的针状铁素体提高了焊接 接头的塑韧性和抗裂性。 业出版社， 孙长春 液压支架的现状与发展思路 科技情报 开发与经济， ， （）： 张 群 焊在

16、工程建设中的应用 现代焊接， （）： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： í é， ， ， ， ， ： 李 亚江 焊接冶金学 北京： 机械工业出版社， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， （）： 结束语 利用 气体保护，在焊前不 预热条件下，当焊接热输入在 范围内，选用、· 和·三种强度级别的焊丝时， 高强钢铁研试验试板的断面裂纹 率均小于。为保证焊接接头的抗 裂性，应避免采用过大焊接热输入。 当采用、·焊丝时， 在中等热输入条件下，高强钢焊 接接头的裂纹率最小，而对于· 焊丝而言，当热输入控制在 范围内，裂纹率值

17、均较小且 波动不大。 焊缝中、合金元素的加 入使得焊缝组织由先共析铁素体、侧 。本试验主要针对低强匹配、 图为、·焊丝拉 ·焊丝接头进行力学性能研究。 伸试验结果，试样的断裂位置均为焊 缝处。从图中可看出，两种焊接接头 的抗拉强度相差不大，但·焊 丝接头的伸长率明显高于焊丝 接头，说明其塑性较好。图为两种焊 丝焊缝区的冲击试验结果。从图可知， ·焊丝接头焊缝区的冲击功高 于焊丝接头焊缝区的冲击功， 表明韧性也较好，与拉伸试验结果相 一致。·焊丝接头良好的塑韧 （上接第页） 但没有造成显微硬度大幅度升高。 焊缝内部元素分布均匀；在熔合 区中形成一个约的元素过渡 区，有少量弥散分布的的碳化物， 有利于提高接头的强度。 苏道胜， 刘国强 铝活塞耐磨镶圈 内燃机配件， ， （）： 李自军 高镍奥氏体铸铁耐磨镶圈的可切削性分 析 中国铸造装备与技术， ， （）： 申泽骥， 唐 骥， 苏贵桥 高镍奥氏