不同焊絲對液壓支架用Q690鋼的裂紋敏感性研究

丁高劍 侯書賓

1. 概述

隨液壓支架逐漸向超高端、超高可靠性方向發展，其結構件所選用的鋼材級別也逐漸升高，已由早期較低級別的Q345逐漸增加至Q690，甚至更高級別的低合金高強鋼。尤其是Q690在高端液壓支架制造領域應用已比較廣泛，但由于低合金高強鋼加入了過多合金元素大大提高了鋼材的淬硬傾向，導致焊接裂紋率增加，而焊接裂紋會導致承受動變載荷的液壓支架在井下服役過程中產生災難性的后果。

由于Q690鋼在液壓支架不同結構件焊接中所選用的焊絲級別也不相同，在同一部件中也有可能選用兩種及以上的焊絲，因此，系統評價不同級別焊絲對Q690鋼的焊接裂紋敏感性迫在眉睫。

2. 試驗材料與方法

（1）試驗材料 試驗用鋼板為調質態Q690鋼材，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。試驗用焊絲為：MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70、MK·GHS70—G四種常用焊絲，f1.2mm。其化學成分和熔敷金屬力學性能如表3所示。

（2）試驗方法 本試驗根據斜Y坡口焊接裂紋試驗（GB4675.1），考察四種焊絲對Q690鋼材焊接適用性，用表面裂紋率和斷面裂紋率評定其裂紋敏感性；同時進行顯微硬度、裂紋形態和顯微組織分析等，對Q690鋼不同焊材匹配的焊接性做出全面的評價。試驗所用試板尺寸為：200mm×75mm×20mm，“小鐵研”試驗的試板坡口形式如圖1所示。試板焊接在車間現場進行，采用奧太 NBC—500 CO2氣體保護焊機，保護氣體80%Ar+20%CO2，氣體流量18~20L/min。

表2 試驗用鋼的力學性能

表3 不同級別焊絲的化學成分及熔敷金屬力學性能

圖1 “小鐵研”試驗的試板坡口形式

針對“小鐵研”試驗，分析Q690鋼焊接接頭區的顯微組織和微觀斷口形貌，與小鐵研試驗的工藝參數和裂紋率，確定焊接區顯微組織對裂紋產生與擴展的影響，建立工藝參數、顯微組織與接頭裂紋率之間的內在聯系，為生產中制定和改善焊接工藝提供試驗依據。

3. 試驗結果和分析

（1）“鐵研試驗”的裂紋率 本文對Q690采用不同級別焊絲在不同工藝參數下斜Y坡口對接裂紋率進行了統計分析，試驗結果如表4所示。由試驗結果可知，當焊接熱輸入<20kJ/cm時，使用MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70三種焊絲對Q690鋼進行焊接的焊接裂紋率均較低，而使用MK·GHS70—G焊絲焊接接頭裂紋率相對較高；而當焊接熱輸入>20kJ/cm時，四種焊絲的焊接接頭裂紋率均明顯提高，但均遠小于20%。由圖2可知，Q690鋼焊接熱輸入對裂紋傾向的關系是裂紋率隨焊接熱輸入的增加而增加。因此，四種焊絲對于Q690鋼均具有良好的抗裂性，從焊接接頭裂紋率角度考慮用于液壓支架焊接生產均是安全的。

圖2 Q690鋼焊接熱輸入對裂紋傾向的關系

表4 Q690+Q690斜Y坡口對接裂紋率

（2）焊接區微觀裂紋形態分析 Q690鋼是含有Ni、Cr、Mo等元素的低合金高強鋼，合金元素（Ni、Cr、Mo等）加入的主要作用是保證淬透性，使其獲得低碳馬氏體或貝氏體組織。此外，這些合金元素還可提高鋼的抗回火性，提高鋼的強度性能，改善鋼的塑性和韌性。影響焊接區裂紋敏感性的因素很多，但起決定作用的是微觀組織，而焊縫顯微組織又取決于焊接材料和焊接工藝。采用Ar+CO2混合氣體保護焊的Q690鋼焊縫組織如圖3所示。照片中的焊縫組織為先共析鐵素體（PF）、針狀鐵素體（AF）、珠光體（P）和粒狀貝氏體（BG）。先共析鐵素體沿焊縫柱狀晶晶界分布，少量無碳貝氏體由晶界向晶內平行生長，晶內為粒狀貝氏體、珠光體和較多的針狀鐵素體。

當焊縫受拘束載荷（拉應力）時，塑性變形首先在晶界處發生，易使裂紋在此處萌生和擴展。以針狀鐵素體為主的焊縫組織晶粒細小均勻，抗拉強度高，塑性和韌性也較好。四種焊絲焊縫中的針狀鐵素體都很細小，晶粒邊界交角大，對裂紋的擴展有阻礙作用。但大熱輸入焊縫中晶界處的先共析鐵素體由于晶粒粗大，裂紋擴展時改變方向的次數少，阻力小，致使裂紋容易擴展。而且先共析鐵素體多沿著原奧氏體晶界分布，先共析鐵素體增多的焊縫組織塑性和韌性較差，易萌生裂紋，如圖4所示。因此，為獲得較多細小的針狀鐵素體組織，焊接過程中應控制焊接熱輸入值。

實際焊接結構大多為多層多道焊。在多層多道焊焊縫中，后焊焊道對前焊焊道有退火作用，使前焊焊道的組織細化。但前焊焊道同時對后焊焊道有預熱作用，使后焊焊道中的先共析鐵素體組織發達，先共析鐵素體數量也有所增加。在實際生產中，液壓支架焊接結構的連接部位一般需要焊接多層多道，焊縫金屬總體上以受退火作用的焊道構成，焊縫金屬以較細小的針狀鐵素體組織為主，韌性和抗裂性能優于單道焊焊縫。因此，根據“鐵研試驗”結果制定的焊接工藝及參數在實際焊接生產中是偏于安全的。

圖3 Q690焊縫顯微組織（Ar+CO2混合氣體保護焊）

圖4 Q690鋼焊接區裂紋（熱輸入20.042kJ/cm）

由于液壓支架逐漸趨向與超高端、超高可靠性性方向發展，我公司Q690鋼高端液壓支架考慮強度因素主要選用湖北猴王公司生產的MK·GHS70—G焊絲進行焊接，目前已成功應用于ZY18000/25/45D神東石圪臺、ZFY18000/25/39神東布爾臺、ZY18000/32/70神華7m等多套Q690鋼高端液壓支架焊接中。但當液壓支架處于疲勞載荷且要求較高壽命等特殊工況環境時，也會選用MK·G60—1、MK·G60、MK·GHS70三種類型焊絲。

4. 結語

（1）鐵研試驗結果表明，Q690高強鋼，采用Ar+CO2氣體保護焊進行焊接，四種焊絲的焊接接頭根部裂紋率可以滿足焊接生產要求。隨著焊絲強度級別的提高，裂紋率也逐漸增加，但都遠遠小于20%，用于焊接生產是安全的，均已成功應用于我公司Q690鋼高端液壓支架批量生產中。

（2）采用上述四種焊絲焊接Q690鋼時，焊接熱輸入控制在20kJ/cm以下，相應的焊接電流不應超過300A。增大焊接電流須相應提高焊接速度。

[1] 高有進. 6.2m液壓支架關鍵技術研究與優化設計[D].華中科技大學, 2008.

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[3] 崔忠圻.金屬學與熱處理[M]. 北京：機械工業出版社,1988, 250-279.