汽车吊活动支腿焊接研究

汽车吊活动支腿焊接研究

芦山军,凌劲松,,刘磊,侯宇航

中联重科股份有限公司工程起重机分公司

摘要：通过对汽车吊大吨位活动支腿焊接性影响因素的分析,合理选择焊接工艺。

关键字：裂纹 MAG焊 国产960 

1　概　述

目前我国全路面起重机大型结构件大部分采用高强度钢板为主材,体积及自重普遍较大，给结构件的下料、结构都带来困难。我公司大吨位活动支腿所采用的材料全部为国产960钢材，其抗拉强度σb在1000～1050MPa的低合金调质高强度钢(以下简称高强钢)广泛用于起重机结构件中,并取得了较好的性能和经济效益。国内由于受高强钢焊接难度大、工艺复杂、易出现焊接缺陷等因素的限制,在这方面起步较晚。自1996年开始在高强钢的焊接方面进行了大量的焊接试件实验,从焊丝的选择、焊前预热、焊后处理、工艺参数选取等方面作了大量的分析和工艺研究,从而保证了起重机结构件焊接质量的可靠性。

2　大吨位吨活动支腿材料的焊接性分析

(1)热裂纹。高强钢一般含碳量较低,含Mn量较高,而且含S、P杂质控制较严,因此热裂纹的倾向较小。

(2)冷裂纹。高强钢的合金原理就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素(例如Si、Mn、Ni、Cr、Ti、N、Nb等)经过调质处理后获得强度高、韧性好的低碳马氏体来保证强度和韧性的。

冷裂纹是高强钢焊接最主要的焊接欠缺，因加入的合金元素较多，其必然加大冷裂纹出现的可能：

①焊接热循环不稳定,高强钢淬透性提高的同时也加大了脆硬组织出现的机率，并且焊后冷却过快又会出现较多的晶格缺陷,容易导致晶格发生破坏，这都为冷裂纹的出现埋下隐患。

②氢是引起高强钢焊接冷裂纹的主要因素。焊接接头中含氢量越高，产生裂纹的倾向就越大。焊接区域中的油、污、水、锈是熔池在高温下电解后焊缝中氢的主要来源。焊接材料中的水分,焊件坡口处的铁锈、油污 ,以及环境的湿度都是焊缝中富氢的重要原因。采用富氩混合气体保护焊（MAG）时使用的富氩混合气应注意其纯度，并且要注意气体的露点。

(3)热影响区性能的变化。高强钢的供货状态为调质，其热处理工艺要求非常严格。而焊接过程受实际因素限制，加热温度和冷却时间与调质处理有着很大差别。所以在母材的热影响区就容易出现两个问题：①过热区的脆化。由于焊接冷却速度快,焊后一般不进行热处理，在过热区内易出现诱发冷裂纹的脆性组织。②过热区的软化。调质状态下的钢材，只要加热温度超过它的回火温度,性能就会发生变化，使材料的强度低于母材本身的强度。因此焊接时由于热的作用使热影响区强度和韧性下降几乎是不可避免的,而且随着材料强度级别的提高越来越明显。

(4)焊接变形。因结构外形及形式限制，而且焊后结构形位公差控制较严格。因高强钢焊前需进行预热，对结构焊后变形影响很大，因此结构焊接的变形较大，这就要求焊接时必须采用严格的工艺来进行约束。包括装配顺序、预热区域的确定、焊接顺序、焊后处理，都应严格按要求进行，才能保证结构焊后变形。

3大吨活动支腿焊接影响因素的控制

(1)焊接方法的选择[2]。高强钢常用的焊接方法有手工电弧焊、CO2气体保护焊、富氩混合气体保护焊(15%CO2 + 85%Ar)、等离子弧焊、激光焊等，对于作业条件许可，特别是σs大于650MPa的高强钢为减少电弧热量的输入对母材的影响，应采用能量较为集中的焊接方式，在生产过程当中，等离子弧焊、激光焊因其设备成本太高，应用较少，CO2气体保护焊、富氩混合气体保护焊(15%CO2 + 85%Ar)则是高强钢焊接的主要焊接方法，为限制焊接热输入，不能采用大直径的焊条或焊丝，富氩混合气体保护焊(15%CO2 + 85%Ar)时用伯合乐GM120的焊丝。

(2)焊接材料。焊接材料选择时，一般要求焊缝金属在焊态下应具有接近于母材的机械性能，既“等强匹配”。在特殊条件下，如结构的刚度很大、冷裂纹很难避免时，选择比母材强度稍低的材料作为填充金属，即“低强匹配”，在少许牺牲焊缝强度而提高了韧性的情况下，对焊接接头的性能更为有利，尤其适用于抗拉强度σb大于800MPa的高强钢，并且低强匹配有利于提高承受动载结构的疲劳强度。

(3)保护气体。富氩混合气体保护焊(15%CO2 + 85%Ar)焊接高强钢时, 混合气体的纯度是影响高强钢焊接的重要因素之一 ，要求CO2气体纯度在99.5%、氩气纯度在99.98%以上。试验表明混合气体中CO2纯度小于98.1%时焊缝中易出现气孔，当CO2气体纯度高于99.5 %时才能得到致密焊缝。对CO2气体的提纯有两种方法：一是在使用前将气瓶倒立静置放水的简易方式；二是在供气装置和设备间设立2～3个干燥器以得到纯度较高的气体。

(4)坡口处理。坡口内的锈蚀、水分、油污等对气孔和冷裂的发生有较大的影响，所以在高强钢焊接时，一定要把坡口处理干净。坡口制备以后应保证破口面及坡口角度规则，以保证结构在装配后焊接的间隙一致。为了尽量减少焊接影响结构本身强度与刚度，焊接板厚大于

20mm的钢板时尽量采用熔敷量较小的U形或X形坡口，以得到最小的焊接热影响区。

(5)装配、焊接顺序。合理的装配、焊接顺序是保证大型结构件焊后形位公差的关键。

①装配活动支腿时应保证各料之间间隙均匀，定位焊应符合正常工艺要求，定位焊前需预热，预热温度与正式焊接相同，定位焊缝不允许存在焊接欠缺。

②活动支腿在装配时应采用工艺板将活动支腿内腔撑住，以保证活动支腿焊接时其不能自由变形，保证活动支腿焊后的形位公差。

③焊前预热应保证预热区域温升的均匀，不允许预热骤升，这将加大结构变形；预热温度应符合工艺要求，不能低于工艺品要求，否则会产生冷裂，也不能过高，过高则会加大结构焊接变形。

④焊接顺序是结构件焊接变形影响最大的因素，对于这种大结构件，应采用分段退焊、对称焊接、低热输入、多层多道的工艺措施，以减小焊接过程对结构变形的影响。

4　工艺参数的选择

(1) 焊接电流、电弧电压和焊接速度。从降低冷却速度以减少裂纹的方面出发，焊接电流要大，焊接速度慢些为佳。但从减少热影响区脆化的角度出发，电流要小，焊接速度要快。因此焊接电流的选择上要兼顾两者的冷却速度范围，上限取决于不产生裂纹，下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。在活动支腿生产中常用的高强板厚为δ8～20 ,接头形式有T形接头(上下盖板、腹板间)，对接接头(门形板、腹板，腹板拼接)，角接接头 (加强板与腹板间）。

(2) 焊接层数。为限制热量的输入，降低母材的过热程度，高强钢焊接时应尽量采用多层、多道焊，而且最好采用窄道焊而不作横向摆动的运条技术。每层焊道以不超过5mm为宜。这样前一层焊道对后一层焊道有预热作用，后一层焊道又对前一层焊道起到了缓冷的效果，相互影响，在严格控制层间温度( 层间温度应高于预热温度，但不能高于预热温度T+50℃。)的条件下，有效减少了裂纹的出现和热影响区性能的变化。

(3) 焊前预热和焊后热处理。高强钢经常在焊态下使用,焊后一般不进行焊后热处理。预热温度的选取请见上表。

(4) 焊后处理。活动支腿焊后校正一般采用火焰校正，应注意校正时加热温度不能超过500℃（高温回火温度），否则会影响母强度。

5　结　论

通过对活动支腿焊接性分析，尤其在焊接生产中易出现问题的分析：

1、制定了相应的工艺措施后，得到了良好的高强钢焊接接头

2、活动支腿焊接变形也得到了有效的控制，完全符合技术要求。

3、使公司高强钢焊接能力又上了一个新的台阶。

参考文献：

[1]金属手册，机械工业出版社译（美国金属学会），1984，11

[2]金属材料焊接，沈阳工业高等专科学校，宇永福，2005，4

[3] weldox960焊接参数分档，中联重科，彭声金，2004，3