Q690鋼板在液壓支架結構件的應用

韓麗民

（大同煤礦集團電業(yè)公司山西大同037003）

0 引言

隨著集團公司資源整合力度加大，對薄煤層、特厚煤層開采成為發(fā)展趨勢，與之相匹配的煤機設備配套也朝向大阻力、大功率、高可靠性方向發(fā)展，對液壓支架的要求也朝向自重輕型化、材質高強化、控制自動化方向發(fā)展，同時支架應具有較高的支護強度和工作阻力，應能承受頂板的沖擊載荷。

液壓支架頂梁、掩護梁、前后連桿、底座等焊接結構件，在使用過程中承受拉壓彎扭交變應力，其強度對于整套支架的質量有著至關重要的作用。以前液壓支架結構件使用的母材80%以上為屈服強度為420 MPa左右的Q420鋼板，工作面支架的使用效果不好，頂梁、掩護梁、底座等結構件損壞嚴重，影響生產進度。

而屈服強度為690 MPa左右的Q690高強鋼具有良好的綜合性能，成為液壓支架頂梁、掩護梁、前后連桿及底座等重要結構件使用的主要鋼材，尤其是近年來制造的ZF15000/27.5/42型特厚煤層放頂煤液壓支架、ZY4400/10/20型薄煤層掩護式液壓支架中，Q690鋼板已占到使用板材的85%以上。但由于高強鋼焊接工藝不夠成熟，特別是厚板焊接情況復雜多變，在焊接過程中會出現(xiàn)性能惡化[1]問題，焊接時有一定的淬硬傾向，熱影響區(qū)極容易形成硬而脆的馬氏體組織，使塑性和韌性下降，加大冷裂紋傾向，從而影響液壓支架的使用性能。對液壓支架結構件失效形式的統(tǒng)計分析表明，因裂紋引起的結構件失效事故占總體事故的70%～80%[2]。因此，我們在支架結構件焊接工藝中采取一系列措施來控制接頭裂紋的產生。

1 Q690鋼板焊接特性分析

1.1 Q690鋼板化學成分及力學性能

Q690鋼板是在普通低合金結構鋼的基礎上，加入Mn、Si、Ni、Ti、V及Nb等合金元素，Mn、Si提高了鋼的強度，Ti、V及Nb細化晶粒，提高鋼的塑、韌性，稀土元素減少鋼中有害元素S、P含量，從而有效改善鋼的整體機械性能[3]，其化學成分及常溫力學性能如表1、表2所示。通過對Q690高強鋼母材成分分析，Cr與Mo均是淬透性元素，且含量較高，增加了鋼的淬硬型和裂紋可能性[4]。

表1 Q690鋼板化學成分表

表2 Q690鋼板力學性能

1.2 Q690鋼板焊接性能

Q690低合金高強度鋼焊接主要存在兩大問題[5]，首先是焊接的冷裂紋敏感性問題，其次是由于焊接熱循環(huán)可能導致熱影響區(qū)（HAZ)及焊縫金屬的強度和韌性[6]等力學性能降低。

1.2.1 碳當量評估鋼材可焊性

碳當量與焊接熱影響的淬硬及冷裂紋傾向有關，碳當量大時焊接熱影響區(qū)易產生淬硬的馬氏體組織，形成晶格缺陷，對裂紋和氫淬敏感。

碳當量(CEV)公式（1）計算：

一般熱機械軋制（TMCP）或熱機械軋制加回火狀態(tài)交貨Q690鋼板的碳當量在0.49%以上，當CEV=0.4%～0.6%時，特別當其大于0.5%時，焊接時有明顯的淬硬傾向，極易產生焊接裂紋等缺陷。

1.2.2 Pcm評估鋼材可焊性

焊接裂紋敏感性指數(Pcm)也可代替碳當量評估鋼材的可焊性。由公式(2)計算，

由計算結果可知，Pcm大于0.4%易產生裂紋。690鋼板在焊接時淬硬傾向明顯，熱影響區(qū)容易形成硬而脆的馬氏體組織[7]。

1.2.3 焊接熱輸入對氫致裂紋敏感性的影響

Q690抗拉強度達到770 MPa～940 MPa，焊接熱輸入對焊接熱影響區(qū)金屬組織與性能的影響較為明顯。所以焊接時，如果熱輸入太大，使焊接熱影響區(qū)溫度過熱，易導致焊接區(qū)脆化，母材力學性能降低，焊縫冷裂紋傾向增加。

1.3 焊接材料匹配性

在焊接結構中，焊縫與母材在強度上有三種配合關系:焊縫強度等于母材抗拉強度等級（等強匹配），或是超出（高強匹配）以及低于（低強匹配）。但實際生產中，我們一般是按照熔敷金屬強度來選擇焊接材料，而熔敷金屬強度并非是實際的焊縫強度[8]。國外學者的研究結果表明，只要焊縫金屬的強度不低于母材強度的80%，低強匹配是可行的[9]。但我國學者張玉鳳等人的研究指出[10]，超強匹配應該更有利。

以前我們焊接材料的選用一般多采用等強匹配的原則，即焊接材料的抗拉強度等級等同于母材的，但液壓支架在實際使用過程中，常發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象。為保證焊縫不開裂，幾年來，我們在液壓支架使用Q690鋼板焊接的過程中，選用高強匹配原則，采用GHS-80焊絲。這是因為焊材在填充焊縫時會發(fā)生合金元素的大量燒損，從而使填充金屬的實際強度要比原母材的機械強度低，大大降低了焊縫的機械性能。經過生產中的反復實驗我們發(fā)現(xiàn)在焊接材料的選用上采取高強匹配原則，不僅在結構的安全性方面得到保證，同時又很好的解決了焊縫開裂的現(xiàn)象。

2 消除裂紋及焊接應力的措施

2.1 焊前預熱溫度的確定

焊前預熱是防止Q690鋼板焊接產生裂紋的重要措施。預熱可以減緩焊縫的冷卻速度，減少或避免淬硬組織的形成；加速氫的逸出，防止氫致延遲冷裂紋的產生；有效降低母材與焊縫區(qū)的溫差，從而減少焊接接頭的殘余應力；增強抗應力腐蝕，改善接頭組織及力學性能，提高支架結構件長期使用的質量穩(wěn)定性和工作安全性。

經過查閱資料和反復實驗驗證，最終依據鋼材所含碳當量的不同制定了以下預熱措施：當碳當量介于0.45%～0.50%之間時，預熱溫度為50℃～100℃；碳當量≥0.50%，預熱溫度為200℃～300℃。

2.2 層間溫度測量

在焊接工件預熱過程中，為了保證預熱效果和層間溫度，要求加強溫度監(jiān)控測量，具體措施有：在焊接過程中，在焊接方向上取500 mm和1 000 mm做為測量點，在寬度范圍內當母材板厚≤50 mm時，測量范圍為距焊縫邊緣不超過50 mm距離處進行測量，當板厚＞50 mm時，測量范圍為距焊縫邊緣75 mm處，若焊縫兩邊母材厚度有差異，以厚板一邊為基準[2]（見圖1）。

圖1 溫度監(jiān)控測量示意圖

層間溫度要求不低于80℃，若低于80℃時，應用氧—乙炔火焰重新預熱至80℃以上，預熱后要求連續(xù)施焊，大型焊件采取對稱跳焊方法同時施焊。

2.3 焊接工藝參數的選擇

Q690母材原始狀態(tài)為軋后淬火+高溫回火，組織為回火索氏體。支架結構件焊接時選用MAG(80%Ar+20%CO2）混合氣體保護焊，焊絲選用直徑為φ1.6 mm的GHS-80環(huán)保型表面鍍銅實芯焊絲，該焊絲屈服強度為790 MPa,抗拉強度為830 MPa,有較好的延伸率。焊接電流選在280 A～320 A范圍之內，送絲速度選為18 m/s～20 m/s，氣體流量選為19 L/min～20 L/min。焊高根據母材尺寸的1/2～3/4尺寸范圍選擇。按此工藝參數進行施焊，可保證焊接熱輸入量較低，有效控制淬硬組織的產生。

Q690鋼焊接冷裂紋敏感性的影響，隨著焊絲強度級別的升高，焊接斷面裂紋率增加；且隨著焊接熱輸入的增加，接頭斷面的裂紋率也逐漸升高。隨著到熔合區(qū)距離的增加，Q690鋼熱影響區(qū)金相組織變化的順序依次為貝氏體—板條馬氏體+貝氏體—貝氏體+鐵素體+碳化物；隨著熱輸入的升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增多。焊縫區(qū)域的顯微組織如圖2所示，主要成分為均勻分布的針狀鐵素體、貝氏體和低碳馬氏體。熔合區(qū)的顯微組織如圖3所示，主要為板條狀馬氏體及一定量的貝氏體和針狀鐵素體[12]。

圖2 焊縫區(qū)金相組織

圖3 熔合區(qū)金相組織

焊接熱輸入從14 kJ/cm提高到20 kJ/cm時，Q690鋼熱影響區(qū)沖擊韌性先升高后降低；焊接熱輸入在16 kJ/cm時獲得較高的熱影響區(qū)沖擊韌性[13]。由此可見，焊接熱輸入量決定焊縫的組織和性能，在焊接作業(yè)時嚴格控制焊接熱輸入量是重要環(huán)節(jié)。因此焊接時，通過控制熱輸入量等工藝措施達到控制裂紋的目的。

2.4 焊后熱處理

支架結構件焊后整體退火，消除焊接中產生的變形和應力，保證Q690高強度鋼的組織形態(tài)和焊縫強度，嚴格控制退火爐溫度在600℃～650℃。保溫3～4小時，溫度隨爐溫降至260℃以下出爐空冷，用以消除焊接應力，提高支架結構件的尺寸和穩(wěn)定性。

2.5 支架結構件焊接工藝規(guī)程的制定

綜上所述，焊接參數對低合金高強結構鋼焊接有著直接的影響，Q690鋼板由于含Cr、Mo、V等稀有元素較多，屬于過熱敏感類鋼材，所以我們在支架結構件焊接時采用MAG富氬混合氣體保護焊，以減小焊接變形確保焊接質量，選用較小焊接工藝參數，即熱輸入小，以減小焊縫熱影響范圍，減少焊件在高溫停留時間；同時為減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，我們采取焊前預熱和焊后熱處理措施，即對Q690板采用入爐預熱150℃～250℃工藝，且焊接時每隔90分鐘～100分鐘檢查一次焊件層間溫度，低于100℃時，必須重新加熱至150℃以上；每道工序焊接后，均須入爐加熱至600℃～650℃進行焊后熱處理，以消除焊接殘余應力，改善熱影響區(qū)的顯微組織，使殘留在焊縫中的氫能夠溢出。

為保證焊縫的強度和機械性能，焊絲選用有一定含碳量和較高合金含量的80 kg級高錳中硅φ1.6 mm實芯焊絲(要求焊絲表面鍍銅，不允許生銹受潮)。

另外為了防止頂梁、掩護梁、前后連桿、底座等重要結構件焊縫接頭處產生應力集中，焊接時制定以下措施：用機械方法加工的坡口要去油污，用熱切割方法切割的坡口要去熔渣、氧化皮并打磨光順；組點時盡可能采用反變形法和加支撐焊接；拐彎處焊縫要求圓滑過渡，并壓住立縫；主筋板端頭角焊縫要求連續(xù)圓滑過渡，不得有接頭和斷點；任意800 mm焊縫長度只允許存在一個接頭，且每道接頭必須交錯，不得在同一位置；彎蓋板焊縫要求寬度方向焊縫壓住長度方向焊縫；為了防止和避免過大的焊接變形，規(guī)定先焊短焊縫，后焊長焊縫，保證尺寸的準確性。

3 效果及結論

針對液壓支架支護強度和工作阻力提高，我們對支架重要結構件使用Q690鋼板，對頂梁、底座等主要受力構件主筋進行加強，增加了箱梁中筋板，大大提高了結構件的抗彎強度，滿足礦方使用要求；針對Q690鋼板焊接易出現(xiàn)問題制定了相應的工藝措施，將焊縫改為填平焊加角焊縫或單純角焊縫結構，有效降低焊接殘余應力，減小殘余變形，提高了高強鋼焊接接頭質量。相比之前以Q420鋼板為主要材質的液壓支架而言，支架強度及焊接質量上了一個新的臺階，為公司向高端液壓支架制造轉型跨越奠定了堅實的基礎。