陈克华, 刘冰, 丁传昱
(西安煤矿机械有限公司,西安710032)
我公司掘进机机架体是由Q460C板材焊接而成,机架体连接板是与履带架连接板连接的,因此该位置承受较大的拉力,对焊缝的强度要求较高。目前,该机架焊后热时效后在室温10℃左右条件下出现两处裂纹,如图1。
图1 机架连接板处焊缝开裂位置图
针对裂纹出现的可能性进行分析,并提出相关的解决方案。
Q460C裂纹产生的原因分析如图2所示,通过结构观察可知,这两处的板材之间未受到其它位置的强制约束,不可能是拘束应力引起的开裂(原因一);机架体热时效出炉后焊工对机架体内外焊缝处进行了清磨,戴着手套的手和身体均未有灼烧感,可见机架出炉后温度在100℃以下,机架温度较低即使气温骤降也不会影响其焊缝变化,因此也不可能是原因二;下面着重分析是否为焊缝处自身问题引起的冷裂。
图2 Q460C裂纹产生原因分析
Q460C钢属于低碳高强度钢板,主要材料成分表如表1所示。
表1 Q460C化学成分质量分数%
Q460C为低合金高强度钢,其最大碳当量0.86,冷裂纹敏感系数0.497。当碳当量大于0.45%时易出现淬硬倾向,易形成高碳马氏体,使得焊缝处硬度提高、塑性下降而产生冷裂纹,这与冷裂纹敏感系数0.497具有较明显的冷裂纹倾向相一致,氢致冷裂纹是低合金结构钢焊接接头最危险的缺陷。
在室温条件下,该工件采用CO2气体保护焊,对接或嵌入板材接头处均为单侧V型接头。根据该批回厂板材试验报告知,其屈服强度为480 MPa,抗拉强度为650 MPa,根据等强匹配原则焊接选用50 kg级的ER50-6焊丝(焊丝直径φ1.2 mm)。焊接电流I=280~300 A,焊接电压V=28~32 V。焊前采用烤枪对焊缝及其两侧50 mm范围内进行150~200℃(红外测温仪测温)局部预热处理,焊后无保温缓冷措施空气中冷却,可能会因为冷速太快引起开裂。
通过对整个机架体进行观察,其它U型或V型焊缝无一处开裂。只有单V一侧出现开裂,坡口形式如图3所示。该处焊接时熔合较差,且相对坡口其它位置冷却速度较快,易出现裂纹。通过材料成分分析出厚板Q460C焊接性能较差,且缺少焊后保温措施,导致空冷放置后延迟裂纹的产生。
图3 焊接坡口示意图
Q460C钢的碳当量较高,含有较多的沉淀强化元素,在焊接过程中,线能量不宜过大,否则会出现过热区的脆化和软化;线能量也不能过小,否则会因冷速过快而出现淬火组织或冷裂纹。因此,在焊接时,要同时兼顾过热与冷裂纹两方面的问题,这方面我们前期已经充分考虑到,焊接参数设置没有问题。
通过裂纹处焊缝的形式和结构的分析,只要能降低此处的冷却速度就可以解决此问题。
根据低碳高强度钢要求焊前预热、焊后保温缓冷的原则,可以采用焊后放入温度为200℃的加热炉内,确保焊后缓冷。或采用陶瓷电加热片覆盖在工件上以实现保温缓冷。
焊接接头设计时,尽量避免一侧I型坡口,可以将坡口形式设计成两侧V型,增加焊缝填充量,以减小熔合区焊缝的冷却速度。
其它为了减少I型侧的冷却速度,可以在焊至该侧时焊枪摆动且稍微增加停留时间以增大该处的熔深,减少I型坡口的劣势,同时人为在该处多焊接一层或一道。这样第一道焊缝的焊接过程为第二道焊缝起到了预热作用,而后一道焊缝又为前一道起到保温缓冷目的,进一步减缓了冷却速度。本次机架体的修复就是采用2.3的方案。
我们在新产品中对坡口改进、焊后缓冷和焊接操作改进这三种方式均进行了尝试,三种方案均可以有效避免焊后裂纹的产生,保证了产品的焊接质量。但是从生产效率的角度考虑采用第三种方式更为合理。