掘進機焊接回轉臺夾板開裂原因分析

摘 要:掘進機由本體架、截割頭、鏟板等若干部件組成，其中回轉臺是掘進機本體和截割頭部件的連接部位，一般回轉臺部件為低合金高強鋼的焊接結構件，在正常工況下，回轉臺部件長期承受重載荷、沖擊載荷等聯合作用，受力狀態復雜，對焊縫質量有嚴格要求，按企業內部標準A類焊縫進行超聲波和表面著色探傷檢測，達到Q/SY21073 002-2008規定A類II級焊縫標準，并按GB1134-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級標準》進行檢查，焊縫質量II級合格。

關鍵詞:掘進機焊接原因

中圖分類號:TH6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0071-01

1 回轉臺夾板母材縱向開裂現象

早期回轉臺部件為整體鑄造結構，鑄件質量合格率較低，影響生產正常進行，因此改為低合金高強鋼焊接結構件。在回轉臺焊接過程中發現有的夾板在母材中心線處開裂，裂紋平行于焊道，沿著整個環焊縫斷續分布，幾處裂紋長度不低于200mm，通過超聲波探傷檢測，確定裂紋深度，平均深度達25mm左右。

2 回轉臺部件結構及材料

掘進機回轉臺耳座結構如圖1所示，耳座由三塊鋼板疊加環焊而成，其中夾板厚度80mm，材質為Q345B，主要化學成份及力學性能見表1。

Q345B是一種應用非常廣泛的非熱處理強化低合金結構鋼，鋼中主要合金元素是Mn、Si等，通過Mn置換晶格中鐵原子引起晶格畸變，起固溶強化作用，還通過加入微量V、Nb等強碳化物形成元素進行沉淀強化、細晶強化，常溫下顯微組織主要是鐵素體和珠光體，珠光體為鐵素體和滲碳體層片狀有機結合產物，V、Nb元素的加入一定程度上改變這種層片狀結構，減少珠光體中滲碳體含量，形成VC、NbC等點狀碳化物，彌散分布在α-Fe鐵素體中，一方面可阻止高溫下晶粒長大，另一方面阻止位錯移動、晶面滑移，從而起到細化晶粒、沉淀強化的作用。

3 回轉臺耳座夾板焊接裂紋產生的原因

3.1 板材層狀撕裂傾向對夾板母材開裂的影響

Q345B的S、P含量達0.04%，最大Mn/S約為40，材料焊接的熱裂傾向小，但硫常以偏析狀態存在，局部Mn/S約為10左右，熱軋狀態下的Q345B，硫化物沿鋼材軋制方向以纖維狀或層片狀分布，大大削弱了板厚方向抗拉強度。一般冶煉條件下，熱軋及正火鋼都有一定程度的層狀撕裂傾向。

圖2所示為45mm厚板材T角接頭的宏觀腐蝕金相照片，圖中板材中心近10mm帶狀區域延軋制方向存在明顯的條狀腐蝕深溝，這些條狀深溝就是軋制過程中聚集在鋼板中心區域的曾片狀硫化物、低熔點共晶物，層片狀夾雜物的存在將大幅度削弱板厚方向的抗拉強度。

3.2 火焰切割下料及開坡口導致板材鈍邊過熱脆化

過熱區脆化現象，過熱區是指焊縫熱影響區中熔合線附近母材被加熱到1100℃以上的區域，又叫粗晶區，由于該區溫度高，發生奧氏體晶粒顯著長大和一些難熔質點溶入而導致性能變化，回轉臺夾板厚度80mm，雙邊開45°角30mm深坡口，需采用火焰切割及開坡口，由于氧乙炔火焰能量密度低，加熱范圍大，鈍邊部分金屬經歷三次高溫加熱，晶粒長大嚴重，形成熱加工粗晶區，回轉臺夾板裂紋斷口整齊，沒有韌性斷裂的韌窩特征，從斷口形貌可以判斷熱切割加工造成的材料脆化傾向較為嚴重。

3.3 焊接應力對夾板開裂的影響

焊接應力按應力作用的方向分為縱向應力、橫向應力及厚度方向的應力，縱向應力是指平行于焊縫長度方向的應力;橫向應力是垂直焊縫中心線的應力，產生橫向收縮應力的原因可分為焊縫縱向收縮和恢復橫向收縮兩方面，橫向收縮應力的分布規律為:焊縫兩端為壓應力，焊縫中間為拉應力。回轉臺耳座為三層板焊接結構，兩道環焊縫的焊接過程中產生的橫向收縮應力疊加作用在中間夾板上，拉力方向正好是鋼板的厚度方向，焊接橫向收縮應力的存在促進夾板的開裂及裂紋擴展。

4 夾板開裂問題的解決

針對上述原因，我們從兩個方面著手解決:

1)改變耳座結構的坡口設計形式，耳板開坡口;

2)采用小線能量參數焊接，嚴格控制焊接熱輸入量。

通過坡口形式改變，減少夾板熱切割加工的熱輸入量，降低夾板端面熱脆化傾向，在焊接過程中減小焊接線能量，減少焊接過程的熱輸入量，減小了焊縫橫向應力，夾板開裂問題得到了有效解決。

5 結語

通過上述問題的分析，使我們認識到:進行焊接結構件設計時，應充分考慮板材厚度方向層狀撕裂傾向嚴重的問題，盡量避免板材厚度方向承受重載荷作用，同時還要注意熱加工手段會對金屬的組織結構造成一定的影響，有些材料受熱后可能發生晶粒粗大，也可能產生淬硬組織，這些都會給焊接過程帶來不同程度的影響。

參考文獻

[1]程友勝.焊接應力和焊接變形的論述[J].煤礦機械，2009，24(7):59-60.