楊明軒 李躍華 劉丹

摘要：針對液壓缸零件焊接時焊縫數(shù)量多、焊接難度大、容易產(chǎn)生缺陷等問題，選用液壓缸常用材料，用熔化極活性氣體保護焊進行試驗，為保證焊接質(zhì)量，防止產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷，針對不同材質(zhì)制訂相應(yīng)的焊接參數(shù)，并配以適宜的工藝措施。在對焊后試件進行工藝評定時顯示，焊縫成形好，焊接變形小，表面及內(nèi)部缺陷少，超聲探傷和力學性能檢測均合格。結(jié)果表明，焊接質(zhì)量好，焊接工藝合理、可行，完全能滿足工程機械液壓缸的工作要求。

關(guān)鍵詞：液壓缸;MAG;焊接性能

中圖分類號：TG406 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0118-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.24

0 前言

在工程機械出現(xiàn)的意外事故或疲勞損壞中，由液壓缸零件裂紋引起的居多，而裂紋幾乎都出現(xiàn)在焊縫處，因此焊接對液壓缸零件制造至關(guān)重要，將直接影響工程機械的性能。

1 液壓缸的結(jié)構(gòu)與材料

1.1 結(jié)構(gòu)原理

液壓缸一般由缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置等組成，如圖1所示。在缸體組件與活塞組件形成的密封容腔中，活塞把液壓缸體分成進油和出（回）油兩腔，依據(jù)帕斯卡原理實現(xiàn)直線往復運動或小于360°的擺動，從而將液壓能轉(zhuǎn)換成工作機構(gòu)的機械能，液壓缸是工程機械實現(xiàn)機構(gòu)運動的動力源。

缸體組件由缸筒和前后端蓋等組成。如圖1所示，缸筒10與缸底1在端面間對焊，是缸體最大、最重要的環(huán)焊縫;缸筒10與管接頭11是馬鞍型環(huán)焊縫，還有法蘭與缸筒的角焊縫，活塞桿與叉頭的焊接等?？梢娫谝簤焊字泻附拥念愋秃筒课欢?、難度大，而焊縫恰恰是薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷，工程機械的很多故障和用戶反饋的質(zhì)量意見都涉及液壓油缸缸體的焊接部位[1]。

1.2 材料性能

由于工程機械液壓缸承壓高，還伴隨沖擊負載的作用和嚴酷的工作環(huán)境，因此需要嚴格選擇液壓缸材料，材料與強度、韌性、密封性和加工工藝及經(jīng)濟性等密切相關(guān)[2]。根據(jù)GB/T17396-2009，對液壓缸常用材料可選擇20、35、45、27SiMn、25Mn、Q345B等材料。根據(jù)GB/T3077-1999、GB/T699-2015、GB/T17396-2009和GB/T1591-2018的規(guī)定，材料的化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

2 焊接工藝及評定

2.1 焊接工藝

2.1.1 焊前準備

（1）制備試件：以額定工作壓力16 MPa的某液壓前頂油缸為樣，材質(zhì)為35、45、25Mn、27SiMn、Q345B的無縫鋼管，尺寸為D×t（φ108×12）制備試件。

（2）坡口與止口。試件坡口和止口示意如圖2所示，U型圓角半徑R為4 mm，U型邊傾角α為2°，上沿口寬A約4.3 mm，管長L≥150 mm。為方便試件1和2組對，將試件加工成凹凸對接的止口（定心軸徑），止口軸向長度b1為5 mm，b2為6 mm，止口孔軸的基本尺寸為D1，D1為鋼管內(nèi)孔加5 mm，D1的配合公差為H10/f9，其倒角為0.2×45°，坡口鈍邊為1 mm，表面粗糙度為Ra1.6～3.2 μm。

試件開U型坡口。U型焊縫底部的圓弧比焊材大，底層焊接質(zhì)量好，熔焊、保溫性能優(yōu)于V形，且焊接面積小，不易變形，可減少母材熔入焊縫金屬的比例，減少焊縫含碳量，防止出現(xiàn)裂紋、未焊透和夾渣等缺陷[3-4]。

（3）試件裝夾。焊前用焊接轉(zhuǎn)臺主動端氣動三爪夾持試件1，從動端支撐試件2，中間用滾輪托架托起，為防試件在定位時因轉(zhuǎn)動而發(fā)生軸向竄動，從動端用中心錐孔定位。

2.1.2 焊接工藝

（1）焊接方法。由表1和碳當量可知，試件45、27SiMn等材質(zhì)的焊接性較差，有較強的冷裂紋敏感性。工程機械液壓缸生產(chǎn)企業(yè)常采用焊條電弧焊（SMAW）和熔化極氣體保護焊（GMAW），考慮到在相同電流下，GMAW熔深大于SMAW，效率高，可獲得含氫量較低的焊縫金屬，適用于焊接冷裂紋敏感的鋼材[5]。因此，選擇MAG工藝方法。

MAG焊可實現(xiàn)脈沖噴射過渡，熔滴細化，減少飛濺和煙霧，對熱敏感性較強的材料能有效地控制熱輸入，且能觀察到電弧及熔池加熱熔化過程，及時發(fā)現(xiàn)與處理問題。而脈沖電弧具有較強的熔池攪拌作用，可以改變?nèi)鄢匾苯鹦阅?，提高熔池的抗氧化性和抗氮氣孔能力，降低焊縫中氫、氧含量及夾雜物，提高焊縫金屬的塑性、韌性及抗冷裂能力。

（2）焊接材料。對于碳鋼及低合金高強鋼焊接，要求焊縫與母材等強度時，按等強匹配的原則選擇滿足力學性能要求的焊材;不要求等強時，可選用強度級別低于母材的焊材，以提高焊縫的塑性和抗冷、熱裂紋的能力;但不宜采用高強匹配[6]。因此，按低強匹配和等強匹配的原則，依MAG焊選φ1.2 mm的實心焊絲ER55-G和ER50-G，其化學成分及力學性能如表3所示。

（3）焊接設(shè)備。按MAG焊選擇NZC型環(huán)縫自動焊接機，直流反接（DCEN），保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量15～25 L/min，焊絲干伸長為12～18 mm，焊絲前傾角10°～15°，焊接速度8.5～7.3 （°）/s，線能量為15～20 kJ/cm。

（4）焊接過程。焊前先去除距焊縫邊緣100 mm范圍的鐵銹、油污、塵土和水分等雜物，再用氧-乙炔焰對試件坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)預熱，然后均勻焊4個定位點。為減少焊接應(yīng)力和變形，采用對稱施焊，等速送絲。定位后隨即進行打底焊，為保證背面焊道質(zhì)量，使用小電流焊接，控制道間溫度;打底焊后立即進行填充焊，可用較大的電流來熔合;蓋面焊時，為防咬邊和保證焊道成形美觀，焊接電流稍小。不同材質(zhì)MAG焊工藝參數(shù)如表4所示。對多層多道環(huán)縫焊，通過旋轉(zhuǎn)配合自動焊接，可減少偏析，確保焊縫組織均勻[7]。

2.1.3 焊后處理

焊縫中高含量的擴散氫是產(chǎn)生冷裂紋的主要原因之一，為使氫充分從熔敷金屬中擴散逸出，在焊后用石棉布包裹緩冷，以減少冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2 焊接性能分析

焊接35、45、27SiMn、Q345B等鋼時，若焊接工藝不當，將導致焊縫產(chǎn)生淬硬組織，降低焊縫金屬的塑性和韌性。

2.2.1 碳鋼焊接

20鋼含碳量為0.17%～0.23%，屬于低碳鋼，錳、硅含量少，其焊接性能優(yōu)良，但力學性能低，又不能調(diào)質(zhì)，且25Mn與其焊接性能相當，沖擊韌性好，在相同壁厚的條件下，25Mn冷拔管的強度比20鋼大幅提升，能承受較大沖擊載荷，因此可用25Mn替代20鋼[2]。

35鋼的含碳量為0.32%～0.39%，屬于中碳鋼，焊接性能尚好、可調(diào)質(zhì)，因此有較多的液壓缸零件選用35鋼。

45鋼的含碳量為0.42%～0.50%，屬于中碳鋼，因含碳量高，焊接性能變差，但調(diào)質(zhì)性能好，塑性韌性好，強度硬度高，是液壓缸的主選材料，特別是大型缸體的優(yōu)選材料。

2.2.2 合金鋼焊接

對于合金鋼，常用碳當量（Ceq）來評價其焊接性。當Ceq<0.45%，板厚<20mm時，淬硬傾向不大，焊接性能良好，焊前不預熱;當Ceq=0.4%～0.6%時，尤其Ceq>0.5%時，焊接性能變差，焊前需預熱。

27SiMn鋼碳當量為0.574%～0.737%，大于臨界值0.45%，焊接性能變差，但其調(diào)質(zhì)態(tài)下強度較高，適用于耐壓強度較高的液壓缸選材[2]。

Q345B鋼的碳當量不高（0.484%～0.549%），且w（C）<0.2%，其焊接性能與20鋼接近，熱軋態(tài)的屈服強度與45鋼相當，常溫下沖擊功大，抗拉強度高于35、20鋼，不低于45鋼，具有優(yōu)良的綜合性能，因此可用Q345B代替行業(yè)大量使用的45鋼[1-2]。

2.2.3 異種鋼焊接

由于熔化焊有部分母材熔入焊縫，在熔敷金屬與兩側(cè)焊接熱影響區(qū)及異種鋼母材間存在化學成分與金屬組織的不均，使接頭各區(qū)域的力學性能不同[8]。因此，為獲得良好的焊接接頭，既優(yōu)選焊接材料又嚴格控制焊前、焊中、焊后各參數(shù)，如表4所示。

2.3 焊接工藝評定

2.3.1 外觀檢驗

試件焊完后，先用低倍（5×）放大鏡或肉眼檢查焊縫外部成形情況。經(jīng)查焊縫表面無氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，焊縫周圍無飛濺、凹坑、電弧擦傷等缺陷，焊接變形很小，在許可范圍內(nèi);用焊接檢驗尺測量焊縫余高，沒有超過規(guī)定;焊后24 h，焊縫表面無延遲裂紋。焊縫與母材間過渡良好，焊縫高低整齊、寬窄一致，波紋均勻美觀，焊縫表面充分熔合。試件外觀檢查合格。

2.3.2 焊縫無損檢測

焊后24 h，經(jīng)外觀檢驗合格后，用超聲探傷內(nèi)部情況。因超聲對材料的缺陷和缺陷的定位準確，特別是對裂紋檢出敏感，屬無損檢測技術(shù)，因此用單面單側(cè)接觸法探傷，檢測范圍為100%焊縫（WM）+焊接熱影響區(qū)（HAZ）+臨近母材（nPM），未發(fā)現(xiàn)內(nèi)裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，達Ⅱ級中的A級標準。試件無損檢測合格。

2.3.3 力學性能檢驗

焊后48 h，試件經(jīng)外觀檢驗和無損檢測合格后，做力學性能檢測。試樣按GB/T19869.1-2005在規(guī)定的位置截取，如圖3所示。

拉伸試驗：根據(jù)GB/T2651-2008要求，將管頂端1固定，在如圖3所示的部位2和4各取一個試樣用于做拉伸試驗，其結(jié)果如表5所示。

彎曲試驗：根據(jù)GB/T2653-2008要求，在如圖3所示的部位2和4各取兩個試樣，用于做背彎和面彎試驗，其結(jié)果如表5所示。

沖擊試驗：根據(jù)GB/T2650-2008要求，在如圖3所示的部位3取試樣，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，用于在室溫中做沖擊試驗，以焊縫中心切V型缺口，缺口面平行于焊縫表面，其結(jié)果如表5所示。

硬度試驗：根據(jù)國標GB/T2654-2008要求，在如圖3所示的部位5取一個試樣，用于做維氏硬度試驗，測試點包括母材區(qū)、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)。經(jīng)測試焊縫區(qū)與母材區(qū)硬度值相當，而熱影響區(qū)的硬度值略高于母材區(qū)，但相差不大，其結(jié)果如表5所示。

金相組織檢驗：在如圖3所示的部位5取兩個試樣做金相組織檢驗，限于篇幅，在此僅給出Q345B和27SiMn鋼焊接各區(qū)的金相組織形貌，如圖4所示。

由表2可知，Q345B鋼為熱軋態(tài)，其組織為鐵素體+珠光體;27SiMn鋼為調(diào)質(zhì)態(tài)，其組織為索氏體，如圖4a、4b所示。圖4c、4d為熔合區(qū)組織形貌，圖4e為焊縫區(qū)組織形貌。兩區(qū)組織均呈柱狀晶，晶界處為鐵素體，晶體內(nèi)為索氏體和針狀網(wǎng)狀分布的鐵素體，且細小的先共析鐵素體沿柱狀晶向外析出，白色區(qū)域為鐵素體，黑色為索氏體。

通過對Q345B和27SiMn鋼焊接各區(qū)金相組織分析可知，沒有生成粗大的馬氏體組織，熔合區(qū)和焊縫區(qū)組織接近，則過熱區(qū)與母材組織的應(yīng)力小，產(chǎn)生焊接缺陷的危險性小，最終形成微裂紋的傾向也小。因此，金相組織檢驗最能直觀驗證材料的焊接性能。

3 結(jié)論

對液壓缸常用材料20、35、45、27SiMn、25Mn、Q34B等進行MAG焊試驗，通過焊前預熱、焊后緩冷工藝，避免馬氏體生成，從而降低熱影響區(qū)的淬硬性，焊后經(jīng)消氫處理，加速氫的擴散與逸出，防止產(chǎn)生焊接冷裂紋。結(jié)果表明，坡口設(shè)計合理，焊接工藝評定的各項性能指標均達標，焊接工藝參數(shù)匹配，可用于實際焊接生產(chǎn)。

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收稿日期：2020-04-02

基金項目：南充市科學技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)局2017年度應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目（17YFZJ0077）

作者簡介：楊明軒（1964— ），男，教授，主要從事機械設(shè)計與制造的研究與教學。E-mail：yanmxnc@163.com。