李志強(qiáng) 張 誠

(寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，寧夏自治區(qū)石嘴山市，753001)

我國露天煤礦分布以東北和華北居多，這些地區(qū)都會遇到冬季寒冷的氣候條件，而移置、半固定帶式輸送機(jī)作為露天煤礦輸送系統(tǒng)的重要組成部分，長期處在這一環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，其結(jié)構(gòu)部件需要選擇一種在低溫環(huán)境下具有良好沖擊韌性的材質(zhì)。根據(jù)材質(zhì)特性，選用Q345E低合金高強(qiáng)度鋼作為其結(jié)構(gòu)件用材，因其在-40℃都具有良好沖擊韌性。國外將屈服強(qiáng)度在295～460MPa的低合金高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于井上 (露天采礦、港口輸送)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)部件中，在保證其性能的同時也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，而國內(nèi)煤機(jī)行業(yè)在這方面起步較晚。移置、半固定帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對焊縫質(zhì)量要求很高，因此，做好焊接工藝評定并制定切實可行的焊接工藝成為其制造技術(shù)的關(guān)鍵。

本文根據(jù)實際生產(chǎn)項目的需求，研究了Q345E材質(zhì)的焊接工藝，并利用 “焊接地圖”這一技術(shù)手段對產(chǎn)品中關(guān)鍵焊縫的質(zhì)量及整個生命周期進(jìn)行了有效的管理和控制。

1 Q345E材質(zhì)性能及焊接性分析

1.1 材質(zhì)性能

Q345E鋼屬于低碳合金鋼，符合GB／T1591-1994《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，其金相為帶狀分布的鐵素體＋珠光體，它是在16Mn合金鋼系列的基礎(chǔ)上增加了一些微量合金元素，并且嚴(yán)格控制P和S元素，以提高其低溫度沖擊性能 (在-40℃的沖擊吸收功不小于27J)。Q345E鋼在保證拉伸性能的基礎(chǔ)上，側(cè)重改善鋼材的沖擊韌性，為了防止低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)脆斷，增加了釩、鈮和鈦等細(xì)化晶粒的微量元素，Q345E的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:C≤0.18，Mn為1.0～1.6，Si≤0.55，P≤0.025，S≤0.025，V 為 0.02～0.15，Nb 為0.015～0.06，Ti為 0.02～0.2，Al≥0.015。Q345E的力學(xué)性能為:屈服點σS≥325MPa，抗拉強(qiáng)度σb為470～630MPa，伸長率δ5為22，沖擊吸收功AKV(縱向，-40℃)為27J。

1.2 Q345E焊接性分析

1.2.1 碳當(dāng)量基計算

選用國際焊接學(xué)會碳當(dāng)量公式，計算結(jié)果為Ceq＝C＋Mn／6＋ (Cu＋Ni)／15＋ (Cr＋Mo＋V)／5＝0.416。當(dāng)碳當(dāng)量＞0.4時有一定的淬硬傾向，焊接性一般，材質(zhì)在室溫 (16℃～20℃)情況下焊接通常不需要預(yù)熱，但厚板或在低溫環(huán)境下焊接則需要預(yù)熱，預(yù)熱能有效地防止裂紋的產(chǎn)生，并有一定的改善焊接接頭性能的作用，預(yù)熱溫度選擇在100℃左右。

1.2.2 焊接熱輸入分析

焊接熱輸入是決定焊接接頭組織性能的主要參數(shù)，熱輸入過大時會使焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化，形成粗大的鐵素體，甚至出現(xiàn)魏氏組織，降低韌性。還可能形成上貝氏體及M-A組元，對熱影響區(qū)的韌性十分有害。熱輸入過小時將會在熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，易產(chǎn)生焊接冷裂紋。這兩種情況皆直接影響焊接接頭的質(zhì)量，進(jìn)而影響整個結(jié)構(gòu)件的可靠性。因此，熱輸入必須控制在合理范圍內(nèi)。

2 焊接工藝評定

2.1 焊接工藝評定條件及程序

焊接工藝評定是驗證所擬定的焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗過程及結(jié)果評價，要求被焊材料在進(jìn)廠前要經(jīng)過嚴(yán)格檢驗，且檢驗結(jié)果符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。焊接工藝評定的所用設(shè)備、儀表與輔助機(jī)械均應(yīng)處于正常工作狀態(tài)，施焊時必須由有資質(zhì)的熟練焊接人員進(jìn)行試件焊接，焊后由有資質(zhì)的第三方進(jìn)行檢測，并出具檢驗報告。焊接工藝評定具體實施程序見表1。

表1 焊接工藝評具體實施程序

2.2 焊接試樣及坡口類型

根據(jù)移置、半固定帶式輸送機(jī)的特性及結(jié)構(gòu)件材質(zhì)，并依據(jù)GB／T 19869.1-2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》，制定出4組不同坡口形式的焊接接頭，編制焊接工藝評定任務(wù)書及相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程。具體焊接接頭及坡口類型如圖1所示。

圖1 焊接工藝評定試樣及坡口簡圖

2.3 焊接材料及工藝參數(shù)的選擇

高強(qiáng)度鋼焊接時，一般選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附硬牧?，且綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性及強(qiáng)度等滿足設(shè)計要求又能符合生產(chǎn)的實際情況，采用CO2氣體作為保護(hù)焊，選擇ER50-6焊絲作為填充金屬。

由于Q345E材質(zhì)沖擊功要求為-40℃時不小于27J，而ER50-6焊絲的保證值為-29℃不小于27J，低于母材要求。經(jīng)過反復(fù)試塊焊接并取樣分析后得出，采用合理的焊接電流和電壓，同時把焊接熱輸入控制在合理的范圍內(nèi)，可以提高焊縫的沖擊韌度，經(jīng)試驗最終得出表2所制定的焊接參數(shù)符合母材材質(zhì)要求。

2.4 試樣檢測項目及結(jié)果分析

試塊焊接后，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)取樣并檢測，所有的焊接工藝評定檢測項目由具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)來完成。每種試樣的檢測項目及檢測數(shù)量均按照下發(fā)的 《焊接工藝評定任務(wù)書》中相關(guān)內(nèi)容來執(zhí)行，同時符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。檢測項目有外觀檢測、拉伸試驗、彎曲試驗、-40℃低溫環(huán)境下沖擊試驗、無損檢測 (超聲波探傷、磁粉探傷)、接頭硬度檢測及宏觀金相。試樣結(jié)構(gòu)不同，所需檢測的試樣項目與數(shù)量也不同，具體檢測內(nèi)容及檢測結(jié)果見表3。

表2 焊接參數(shù)

表3 試樣檢測項目及檢測結(jié)果

另外，對所有試樣焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢測，均無夾雜、裂紋、未融合和氣孔等缺陷，焊縫成形良好。經(jīng)無損探傷檢測焊縫接頭均符合EN1714:2000焊縫無損探傷檢測標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級要求。

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，各項檢測指標(biāo)均符合相關(guān)要求，其中所有沖擊試樣的沖擊值均高于母材，可見焊縫的機(jī)械性能良好，這說明所編制的焊接工藝規(guī)程是合理的，完全可以在生產(chǎn)中得以應(yīng)用。

3 焊接質(zhì)量的控制及焊接地圖的應(yīng)用

焊接是鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的重要工序，影響其質(zhì)量的因素有很多，概括起來有人員、設(shè)備、材料、工藝方法和生產(chǎn)環(huán)境。對焊接質(zhì)量的控制所涉及的范圍比較寬，主要包括焊工考試、焊接工藝評定、焊接材料管理、焊接設(shè)備管理和焊接過程5條控制線。其中，產(chǎn)品焊接的控制又包括焊前清理、定位焊的控制、產(chǎn)品試板、焊工資質(zhì)、施焊記錄、施焊工藝紀(jì)律檢查、焊縫檢測、焊縫返修和控制及焊后熱處理等多道環(huán)節(jié)。通過上述內(nèi)容可以看出焊接質(zhì)量控制其程序比較繁雜，實施起來比較困難，很難做到面面俱到。焊接過程也是一種冶金反應(yīng)過程，其質(zhì)量主要在過程控制。這就需要有一種高效的技術(shù)手段對其進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制， 為此，我們創(chuàng)新的引入了 “焊接地圖”的概念。

“焊接地圖”是利用圖形及表格將產(chǎn)品中的關(guān)鍵焊縫和重要焊縫標(biāo)示出，規(guī)定其焊接方法、連接方式、施焊人員、所要參照的焊接工藝規(guī)程以及需要進(jìn)行的無損檢測項目和檢測率等，以此來對焊接過程和焊縫質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)控制，使產(chǎn)品中關(guān)鍵、重要焊縫的整個生命周期都有可追溯性。它的作用集工藝指導(dǎo)、質(zhì)量控制及生產(chǎn)管理與一身，使產(chǎn)品中的每一條關(guān)鍵重要焊縫都有法可依、有據(jù)可查。

焊接地圖由關(guān)鍵焊縫示意圖及焊接控制組織卡兩部分組成。關(guān)鍵焊縫示意圖是將結(jié)構(gòu)件中關(guān)鍵焊縫、重要焊縫 (全熔透焊縫)標(biāo)示出來，并用焊縫符號表示出其焊縫特點。焊接控制組織卡是對每條標(biāo)示出的焊縫進(jìn)行分析后，依據(jù)其焊縫與連接方式的特點規(guī)定了其所用的焊接方法、所要執(zhí)行的相關(guān)工藝規(guī)程、施焊人員、檢測人員、檢測項目及檢測率等。

4 結(jié)論

通過對Q345E焊接性分析及一系列的焊接工藝評定試驗得出，此次焊接材料的選擇能夠達(dá)到母材強(qiáng)度的要求且不易產(chǎn)生缺陷。通過合理的焊接參數(shù)的控制，可以選用沖擊性能低于母材的焊接材料焊接Q345E鋼，使得其焊接接頭質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。

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