液压支架用Q550_Q690高强钢焊接接头裂纹研究_刘毅

Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ现代焊接液压支架用Ｑ５５０＋Ｑ６９０ 高强钢焊接接头裂纹研究Study on the cracks in welding joints of Q550+Q690 high-intensity steel used in hydraulic support山东大学材料科学与工程学院连接技术研究所 郑 州 煤 矿 机 械 集 团 股 份 有 限 公 司 刘 毅 李亚江 付金良 王 娟 蒋庆磊 张 蕾 徐宗林摘 要：本文采用低强匹配ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０－１焊丝对Ｑ５５０与Ｑ６９０高强钢进行焊接，用铁研试验测定了Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头的 裂纹率，用扫描电镜分析了接头的裂纹形态及断口特征，研究了焊接热输入和焊丝对Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头强韧性的影响。结果表 明，采用ＭＫ Ｇ６０－１焊丝，严格控制焊接热输入１０￣２０ｋＪ／ｃｍ，Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头裂纹率小于２０％，裂纹大多沿熔合区扩 展， 个别裂纹在扩展过程中沿晶界转向焊缝；断口形貌呈现准解理断裂特征，在脆性解理台阶上有明显的塑性撕裂棱，局部还存 在韧窝断裂特征，接头强韧性满足液压支架的焊接生产要求。 关键词：Ｑ５５０＋Ｑ６９０高强钢；混合气体保护焊；裂纹；断口形貌；力学性能前言随着煤矿开采设备的生产能力和钢，目前在焊接生产中存在的主要问 题是焊接后易出现冷裂纹和淬硬组织。 液压支架为箱体式结构，焊缝密 集，拘束度较大，同时在工作过程中 承受动载荷较大。研究认为，选择焊 接材料时，略降低焊缝强度而提高其 韧性对于焊接接头性能更为有利 。 因此，本文采用低强匹配ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０－１焊丝对Ｑ５５０与Ｑ６９０高强钢进 行焊接，研究了Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头的裂纹 形态及断口特征，目的是为提高Ｑ５５０ ＋Ｑ６９０接头的可靠性提供依据。［９，１０］焊对Ｑ５５０与Ｑ６９０高强钢进行焊接，板 厚为２０ｍｍ，试板尺寸３００ｍｍ×１４８ｍｍ， 两板对接焊，开Ｖ形坡口，坡口角度 ３５°，钝边为４ｍｍ。焊接参数为：焊 接电流３００￣３２０Ａ，电弧电压２８￣３０Ｖ， 焊接速度为０．５￣０．８ｃｍ／ｓ，气体流量为 １８￣２０Ｌ／ｍｉｎ。焊前不预热，焊后不进 行热处理。 焊后采用线切割方法对焊接试板 进行加工，根据国家标准ＧＢ／Ｔ２２８－２００２ 和ＧＢ／Ｔ２６５１－２００８制备拉伸试验用试样， 每组焊接工艺制备两个试样，取其平 均值作为接头的抗拉强度，试验采用 的设备为ＷＡＷ－６００型微机控制电液伺 服万能试验机。夏比冲击性能试验设 备为３００Ｊ型金属材料冲击试验机，试 验温度为０℃。采用Ｎｉｋｏｎ ＡＦＸ－Ａ型 金相显微镜和ＪＳＭ－６６１０ＬＶ型扫描电镜 观察接头区的裂纹特征和断口形貌。可靠性的不断提高，对液压支架的承 载重量及稳定性的要求越来越高。支 架开始朝着大配套、大阻力、高可靠 性方向发展，同时液压支架用钢强度 级别也逐步提高［１，２］。但高强钢由于淬 硬性较大，焊接时易出现裂纹，影响 焊接件的使用性能。因此，如何控制 接头裂纹成为保证高强钢支架生产质 量的关键。 针对焊接裂纹的产生及防止，对 低合金高强钢焊接接头采用何种焊接 材料的匹配问题已进行了许多研究， 无论是施工、设计，还是试验研究， 多采用等强匹配的原则［３－５］１试验材料与方法试验母材为Ｑ５５０和Ｑ６９０高强钢，。然而近年填充焊丝为ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０－１，焊 丝直径为１．２ｍｍ。焊丝的化学成分及 熔敷金属的力学性能见表１。 采用８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ２ 混合气体保护表１焊 丝来发现，对某些强度级别较高的钢种， 除考虑强度问题之外，还必须考虑接 头的韧性和裂纹敏感性［６－８］。液压支架用Ｑ５５０与Ｑ６９０钢均为低碳低合金高强作者简介：刘毅（１９７５－），男，山东济南人，山东大学材 料科学与工程学院硕士研究生，主要从事高强钢焊接的研 究。ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０－１焊丝的化学成分及熔敷金属的力学性能力学性能 化学成分（质量分数，％） ＡｋＶ／Ｊ Ｒｍ／ＭＰａ Ｒ ｅＬ／ＭＰａ Ａ（％） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｔｉ Ｓ Ｐ ＥＲ５０－６ ０．０８ ０．８３ １．４１ — — ０．０１８ ０．０２０ ８４（－２９℃） ５６１ ４５９ ２４ ＭＫ Ｇ６０－１ ０．０８ ０．６９ １．６３ ０．０８ ０．１２ ０．０１１ ０．０１６ ６０（－４０℃） ６６５ ６００ ２３现代焊接 ２０１１年第７期 总第１０３期 Ｊ－ １５

现代焊接 Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ表２母 材 焊 丝Ｑ５５０＋Ｑ６９０钢直Ｙ坡口对接裂纹率热输入／ｋＪ ｃｍ ９．２ １３．８ １４．５ １５．５ １７．５ １０．２ １１．８－１表面裂纹率 ／％ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０断面裂纹率 ／％ １５．２ １３．３ １１．３ １２．６ １６．８ １２．６ １１．３ １０．６ １２．７ １３．２纹率也有一定的影响。同等焊接条件 下，以中等焊接热输入时的断面裂纹 率最小，这是因焊接热输入小，温度 梯度大，冷速快、淬硬性大、冷裂纹 倾向增大；但焊接热输入过大，一方 面焊接内应力叠加量增大；另一方面 会使熔合区奥氏体晶粒粗化，且随冷 速降低，导致产生上贝氏体组织，降 低了接头的抗裂性能。 采用金相显微镜观察Ｑ５５０＋Ｑ６９０ 接头的裂纹形态，焊接裂纹开裂于淬 硬性较大的Ｑ６９０钢根部熔合区附近的 应力集中处，并大多沿熔合区扩展， 见图１ａ。个别裂纹越过熔合区拐向焊 缝中并沿柱状晶界扩展，见图１ｂ。 由于强度较高的Ｑ６９０钢一侧淬硬 倾向大，所以裂纹易在近Ｑ６９０钢一侧 的熔合区萌发。随着焊后接头的逐渐 冷却，由于相变应力的存在，并且马 氏体转变温度较低，造成热影响区和 焊缝所承受的应力不同，热影响区因 体积膨胀而承受压应力，不利于裂纹 扩展；而焊缝中承受拉应力，所以个 别裂纹在应力作用下方向发生转变， 向焊缝中扩展。 ２．２ 接头力学性能 表３是Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头的拉伸试验Ｑ５５０＋Ｑ６９０ＥＲ５０－６Ｑ５５０＋Ｑ６９０ＭＫ Ｇ６０－１１３．２ １７．７ １９．７２２．１试验结果及讨论铁研对接裂纹试验 Ｑ５５０＋Ｑ６９０高强钢对接裂纹试验￣２０ｋＪ／ｃｍ条件下，获得的Ｑ５５０＋Ｑ６９０接 头最大断面裂纹率小于ＥＲ５０－６焊丝接 头。采用ＥＲ５０－６焊丝，Ｑ５５０＋Ｑ６９０接 头最大断面裂纹率为１６．８％；采用ＭＫ Ｇ６０－１焊丝，接头最大断面裂纹率为 １３．２％，但裂纹率均小于２０％，因此可以 安全用于Ｑ５５０＋ Ｑ６９０高强钢的焊接生 产。 焊接热输入对Ｑ５５０＋ Ｑ６９０接头裂结果表明，所有焊接试板的焊缝表面 均无表面裂纹，用线切割方法在铁研 试板上截取试样计算断面裂纹率，试 板横剖后在焊缝根部发现裂纹，统计 计算的断面裂纹率见表２。采用ＭＫ Ｇ６０－１焊丝，严格控制焊接热输入１０表３接头 Ｑ５５０＋Ｑ６９０ Ｑ５５０＋Ｑ６９０ 板厚 ／ｍｍ ２０ ２０Ｑ５５０＋Ｑ６９０焊接接头拉伸试验结果载荷／ｋＮ 抗拉强度／ＭＰａ 抗拉强度平均值／ＭＰａ 断裂位置 ３６３．５９ ７２７．２ 焊缝 ７３１ ３６７．１３ 焊缝 ７３４．３ ３７７．８８ ３７９．１１ ７５５．８ ７５８．２ ７５７ 焊缝 焊缝结果；表４是Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头的冲击试 验结果。 采用ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０－１焊丝， Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头拉伸试验断裂于焊缝， 获得的接头强度与Ｑ５５０钢强度级别等 同。并且，采用ＭＫ Ｇ６０－１焊丝，Ｑ５５０ ＋Ｑ６９０接头的冲击吸收功（１３９Ｊ）大于 采用ＥＲ５０－６焊丝接头（１１８Ｊ）。因此， 采用低强匹配ＭＫ Ｇ６０－１焊丝可获得１３９焊丝 ＥＲ５０－６ ＭＫ Ｇ６０－１表４接头 Ｑ５５０＋Ｑ６９０ 板厚／ｍｍ ２０Ｑ５５０＋Ｑ６９０焊接接头熔合区冲击试验结果（０℃）焊丝 ＥＲ５０－６ 缺口位置 Ｑ６９０侧熔合区 冲击吸收功／Ｊ １３４ ９６ １２４ １３６ １７４ １０７ 冲击吸收功平均值／Ｊ １１８Ｑ５５０＋Ｑ６９０２０ＭＫ Ｇ６０－１Ｑ６９０侧熔合区强韧性较好的Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头。 ２．３ 接头断口形貌Ｊ－ １６ 现代焊接 ２０１１年第７期 总第１０３期

Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ现代焊接显的塑性撕裂棱，局部还存在韧窝断 裂特征，如图４ｂ所示。 与ＥＲ５０－６焊丝相比，由于ＭＫ Ｇ６０－１焊丝中添加Ｃｒ、Ｔｉ合金元素，使 熔合区附近针状铁素体的含量增加， 减少先共析铁素体的含量，从而扩大 了断口中塑性区的面积，有效阻止脆 性区裂纹的扩展，有利于提高熔合区 的韧性。３结束语３．１ 采用低强匹配ＥＲ５０－６和ＭＫ Ｇ６０ －１焊丝对Ｑ５５０与Ｑ６９０高强钢进行Ａｒ＋ ＣＯ２混合气体保护焊，严格控制焊接热 输入１０￣２０ｋＪ／ｃｍ，铁研试验接头裂纹率 小于２０％；裂纹起源于焊道根部近Ｑ６９０ 钢一侧的熔合区，并大多沿熔合区扩 展，个别裂纹在扩展过程中沿晶界转 向焊缝。 ３．２ Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头拉伸试验断裂于 焊缝，获得的接头强度与Ｑ５５０钢强度 级别等同；采用ＭＫ Ｇ６０－１焊丝，Ｑ５５０ ＋Ｑ６９０接头的冲击吸收功为１３９Ｊ，强韧 性满足液压支架的焊接生产要求。 ３．３ 采用ＥＲ５０－６焊丝获得的Ｑ５５０＋Ｑ６９０ 焊接接头断口形貌呈现典型的解理断 口形貌，在解理面上分布有明显的河 采用扫描电镜对Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头 断口形貌进行观察。图２为ＥＲ５０－６和 ＭＫ Ｇ６０－１两种焊丝Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头 熔合区冲击试样缺口启裂处的形貌， 可见ＭＫ Ｇ６０－１焊丝冲击试样断口在 近缺口处形成的台阶较高，裂纹在扩 展过程中的路径更加曲折，从而形成 较多不同高度的解理台阶。 图３为ＥＲ５０－６焊丝接头冲击试样 的断口形貌。Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头断口呈现 典型的脆性解理断口特征，并且在解 理面上分布有明显的河流花样，如图 ３ａ所示。河流花样常出现于晶界附近， 晶界使解理面改变方向而呈现复杂形 态 。当与孪晶界相遇时，解理裂纹 会沿不同解理台阶前进，即从孪晶两 侧越过继续向前扩展，便形成了局部 的扇形花样，如图３ｂ所示。 图４为ＭＫ Ｇ６０－１焊丝接头冲击 试样的断口形貌。Ｑ５５０＋Ｑ６９０接头断口 呈现准解理断裂特征，既具有脆性断 口的解理台阶，如图４ａ所示；又有明［１１］流花样；ＭＫ Ｇ６０－１焊丝接头断口形 貌呈准解理断裂特征，在脆性解理台 阶上有明显的塑性撕裂棱，局部还存 在韧窝断裂特征。参考文献［１］ 王 凯岚． 液压支架中低合金调质高强钢的焊接［Ｊ］． 中国煤炭工业， ２００７ （１２）： ４０￣４１ ［２］ 刘占户， 李晓娜， 许先果， 等． ７０ ｋｇ级超低碳贝氏体 高强钢在液压支架中的应用［Ｊ］． 电焊机， ２００８， ３８（１１）： ３９￣４１ ［３］张蕾，李亚江， 蒋庆磊． 淬火＋回火低合金高强钢焊（下转第Ｊ－１９页）现代焊接 ２０１１年第７期 总第１０３期 Ｊ－ １７

Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ现代焊接表２名称 焊接１ 焊接２ 涂胶 折边 焊接３设备利用率利用率（％） １００ ９９．４８ １００ ４９．４４ ６１．４表４名称 焊接１ 焊接２ 涂胶 折边 焊接３优化后的设备利用率闲置率（％） ０ ０．５２ ０ ３８．１９ ３０．９９ 利用率（％） １００ ９９．４８ １００ ６１．８１ ６９．０１闲置率（％） ０ ０．５２ ０ ５０．５６ ３８．６表３名称 Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｂ４ 总输入 ２４１ ２６２ ２６２ ２８９ ２６２ ３２１ ３２１ ２０５ １５９ ２２１ １５８ １５７缓存区统计报告总输出 ２０６ ２０６ ２０６ ２０６ ２０６ ２２２ ２２２ １６０ １５９ １５９ １５８ ０ 现输入 ３５ ５６ ５６ ８３ ５６ ９９ ９９ ４５ ０ ６２ ０ １５７ 最大值 ３５ ５６ ５６ ８３ ５６ ９９ ９９ ４６ １ ６３ １ １５７ 名称 Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｂ４ Ｂ５ Ｂ６ Ｂ７ Ｂ８ Ｂ９ Ｂ１０ Ｂ１１ Ｂ１２表５优化后的缓存区统计报告总输出 ２０６ ２０６ ２０６ ２０６ ２０６ ２２２ ２２２ １８０ １７９ １７９ １７８ ０ 现输入 ３５ ５６ ５６ ８３ ５６ ９９ ９９ ２５ ０ ４２ ０ １７７ 最大值 ３５ ５６ ５６ ８３ ５６ ９９ ９９ ２６ １ ４３ １ １７７ ２４１ ２６２ ２６２ ２８９ ２６２ ３２１ ３２１ ２０５ １７９ ２２１ １７８ １７７总输入总成焊接工位的设备利用率分别只有 ４９．４４％和６１．４％。轿车左车门焊接生产 线单班８小时的产量为１５７台。缓存区 Ｂ９的数量为０，而缓存区Ｂ１０的等待数 量为６２，这表明内板２＃拼焊环节是该 轿车焊接生产线的生产瓶颈。Ｂ５ Ｂ６ Ｂ７ Ｂ８ Ｂ９ Ｂ１０ Ｂ１１ Ｂ１２３仿真与优化通过优化部分工位的工艺流程，的提高，缓存区Ｂ１０产品等待的数量有 了较大的下降，单班８小时产能从原先 的１５７台提升至现在的１７７台，很好地 缓解了该系统存在的瓶颈现象。颈环节并进行了优化，明显改善了部 分工位的设备利用率，单班产能也有 了较大的提高，满足了企业的市场需 求。达到优化部分工位作业时间的目的。 具体优化方案如下：将内板２＃拼焊工 位的两道作业工序的焊点数目均衡化， 将原来１８０ｓ的作业时间缩短为１６０ｓ。通 过调节折边工位液压机的保压时间， 将作业时间提高到１００ｓ。然后进行仿 真，将仿真结果汇总成表４和表５。 通过对比表２和表４，表３和表５可 以发现，经过仿真优化之后，折边工 位和涂胶工位设备利用率都有了较大４结束语优化之前的轿车左车门焊接生产参考文献［１］基于ｅＭ－Ｐｌａｎｔ的汽车车身焊装线系统仿真技术研 究［Ｊ］．工业控制计算机， ２０１０（１２）． ［２］ 王 红卫，谢勇等． 物流系统仿真． 北京： 清华大学出 版社， ２００９． ［３］王国新，宁汝新，王爱民等． 仿真优化在制造系统中 的应用现状及发展趋势［Ｊ］． 系统仿真学报， ２００８（１）：１￣６． ［４］北京威特尼斯科技中心．Ｗｉｔｎｅｓｓ工业物流仿真平 台基础教程［ＯＬ］．Ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉｔｎｅｓｓ－ｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．线存在瓶颈环节，部分工位的设备利 用率较低，单班产能也达不到市场的 需求，影响企业的生产管理。 通过运用Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真软件对该系 统进行建模和仿真，根据对仿真结果 的分析和研究，找出了系统存在的瓶（上接第Ｊ－１７页）接的研究现状［Ｊ］． 现代焊接， ２０１０， （１０）： １７￣２１ ［４］ 朱晓莹，谭伟，赵阳． 装甲钢ＣＯ气体保护焊焊接接 ２ 头组织和抗裂性分析［Ｊ］． 焊接学报， ２００７，２８（７）： ９４￣９６ ［５］ Ｓ． Ｚｅｎｉｔａｎｉ， Ｎ． Ｈａｙａｋａｗａ， Ｊ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏ－ ｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｌｏｗ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｏｎ－ ｓｕｍａｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｃｏｌｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ ｗｅｌｄｓ ［Ｊ］． Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ， ２００７， １２（６）： ５１６￣５２２ ［６］ 邹增大， 李亚江． ＨＱ１３０钢熔合区微裂纹扩展形态及断口特征［Ｊ］． 机械工程学报， １９９９， ３５（６）： ７０￣７４ ［７］ Ｓ． Ｒａｖｉ， Ｖ． Ｂａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ， Ｓ．Ｎ．Ｎｅｍａｔ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｉｓ －ｍａｔｃｈ ｒａｔｉｏ （ＭＭＲ） ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ＨＳＬＡ ｓｔｅｅｌ ｗｅｌｄｓ ［Ｊ］． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２００４， １１（３）： ４１３￣４２８ ［８］ Ｓ．Ｒａｖｉ，Ｖ．Ｂａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ， Ｓ．Ｎ．Ｎｅｍａｔ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎｏｔｃｈ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ－ｍｉｓ－ ｍａｔｃｈｅｄ ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｌｏｗ－ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ ｗｅｌｄｍｅｎｔｓ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒ－ ｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ２００４， １３（６）： ７５８￣７６５［９］ 赵俊丽，尹永霞． ９００ＭＰａ高强钢低匹配焊接研究及 应用［Ｊ］． 焊接技术， ２００９， ３８（９）： ２１￣２４ ［１０］ 蒋庆磊， 李亚江， 王娟等．坡口角度对低合金高强 钢接头性能的影响［Ｊ］． 现代焊接， ２０１０， （１１）： ２３￣２５ ［１１］ Ｋ． Ｎａｋａｓｈｉｍａ， Ｈ． Ｓｈｉｍａｎｕｋｉ， Ｔ． Ｎｏｓｅ， ｅｔ ａｌ． Ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ［Ｊ］ ． Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２０１０， ２４ （ ５）： ３４３￣３４９现代焊接 ２０１１年第７期 总第１０３期 Ｊ－ １９

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