液压支架Q550钢焊材匹配及组织性能研究
针对液压支架用高强钢的焊接特点，研究高强钢在不预热条件下焊接材料和热输入对接头显微组织及裂纹的影响。结果表明，采用Ar+CO2气体保护焊，Q550 高强钢焊接区产生微裂纹的倾向不十分敏感。焊接接头的裂纹率随着焊丝强度级别的升高而增加；焊接区断面裂纹易产生于靠近熔合区的半熔化区且平行熔合线界面扩展。焊接工艺参数对接头组织和裂纹均有影响。焊接接头的裂纹率随焊接热输入的增加而升高，在结构件焊接中为提高接头抗裂性能，应限制焊接热输入在 20kJ/cm 以下。使用MK·G60-1 、MK·GHS70 和MK·GHS76焊丝，焊接热输入控制在 20kJ/cm以下时可获得以细小针状铁素体为主的混合组织，焊缝金属韧性较高，抗裂性增强。
1．引言
随着高产高效矿井建设不断的发展，国内综合采煤机械水平的不断提高，对综采设备的生产能力和可靠性要求也越来越高，液压支架开始向着大阻力、高可靠性方向发展，为减小支架自重，高强钢在液压支架中的应用量不断增加。
生产中高强钢的焊接加工是影响液压支架的综合性能的关键，焊接接头的裂纹倾向是高强钢焊接中的重要问题。
高强钢在焊接时通常采用焊前预热来防止冷裂纹的产生。预热温度视钢种、强度级别、钢板厚度、焊接材料和焊接方法等不同而变化。一般随着高强钢强度级别的提高和板厚的增加，焊接预热温度需要提高。但焊前预热存在降低生产效率、增加焊接施工费用和难以保证焊接质量等问题。从发展趋势来看，焊接技术正朝着高效率、高质量、低成本、低劳动强度和低能耗的方向发展，高强钢不预热焊符合焊接技术的发展方向。因此，对不预热条件下高强钢焊接接头组织性能的研究具有重要的意义。
高强钢焊接材料以及焊接热输入均影响焊接接头的微观组织，是决定接头裂纹敏感性的重要因素。本文在焊前不预热条件下，用不同强度焊丝及不同的热输入对高强钢实施焊接。分析不同强度焊材和不同热输入对焊接接头组织及裂纹敏感性的影响，并探讨接头组织对接头裂纹的影响规律，为高强钢不预热焊的推广应用提供基本数据和理论依据。
2．试验材料及方法
试验用钢为 Q550和 Q690 低合金钢。Q550 钢供货状态为热轧；Q690 钢供货状态为调质。试板厚度为 20mm，试验钢板的化学成分和力学性能见表 1。试验选用 5 种强度级别的焊丝，分别为ER50-6、MK·G60、MK·G60-1、MK·GHS70和MK·GHS76，焊丝直径均为1.2mm。
表1 Q550、Q690低合金钢的化学成分和力学性能
同种钢（Q550+Q550）对接裂纹试验采用斜 y坡口；为比较异种钢接头的裂纹敏感性, Q550+Q690钢对接试板焊接采用直 Y坡口。焊接试板尺寸：200mm×75mm×20mm，对接后尺寸为 200mm×150mm×20mm，试板坡口尺寸如图 1 所示。
a 斜y 接头坡口尺寸
a 直Y接头坡口尺寸
图1 试板坡口尺寸(mm)
坡口采用机械加工，拘束焊缝采用双面焊，首先从背面焊第一层，然后再焊正面一侧的第一层，然后各层正面和背面交替焊接，防止产生角变形和未焊透。在不预热条件下采用不同的焊接热输入实施焊接，试板焊后不进行热处理。Q550 钢斜 y坡口对接分别采用 ER50-6、MK·G60 和MK·G60-1 焊丝，Q550+Q690 钢直 Y坡口对接及 Q690 钢斜 y坡口对接分别采用ER50-6、MK·G60、MK·G60-1、MK·GHS70 和 MK·GHS76 焊丝。试件焊后放置 24h 后，机械加工方法截取试样进行表面裂纹和断面裂纹的检测。焊接设备为奥太 NBC-500 型气体保护焊机，保护气体为 Ar+CO2，气体流量 15–20L/min。焊接电流 200–320A，焊接电压26–31V，焊接速度 0.4–0.9/cm。
对焊接接头进行机械加工、磨制抛光制备金相试样，并采用 5%的硝酸酒精溶液腐蚀。
用金相显微镜和显微图像分析仪观察分析接头的裂纹形态和微观组织。
3．实验结果与讨论
3.1 接头裂纹率
对接头裂纹率检验统计显示，试验中焊接接头的表面裂纹率为 0，不同强度级别的焊丝对 Q550 + Q550及 Q690 + Q690 钢斜 y坡口接头断面裂纹率的影响分别如图 2a、2b 所示。结果表明，在铁研试验的拘束条件下，采用 Ar+CO2气体保护焊，焊前不预热，采用试验中的焊接热输入，断面裂纹率总体趋势是随着焊丝强度级别的提高逐渐增加，但均小于 20%，用于实际焊接生产是安全的。采用低强度焊丝时，可缓解熔合区附近的应力集中，有利于提高焊接接头的抗裂性能，防止焊接裂纹的产生。
a Q550 + Q550钢对接
b Q690 + Q690钢对接
图2 焊丝强度对接头断面裂纹率的影响
3.2 裂纹形态及微观组织
通过对焊接裂纹的观察可以发现，焊接裂纹产生于靠近熔合区的半熔化区，且平行熔合区边界线扩展，个别裂纹穿过熔合区向焊缝扩展。斜 y坡口接头焊接裂纹启裂点多位于具有双坡口侧的焊缝根部半熔化区拘束应力集中处。
Q55+Q690直 Y坡口接头裂纹启裂于淬硬性大的 Q690 一侧。
图 3 为不同焊丝的焊缝显微组织。ER50-6 的焊缝组织可分为两个区域，即柱状晶区和等轴晶区。柱状晶区的晶粒粗大，晶界上有先共析铁素体以及从晶界向晶内平行生长的侧板条铁素体，板条之间有少量珠光体；晶内为针状铁素体和珠光体。等轴晶区一般在焊缝中部，组织多为多边形铁素体和珠光体。ER50-6 焊缝中沿晶界分布的先共析铁素体比针状铁素体软，当焊缝受拉应力时，塑性变形首先在晶界处发生，易使裂纹在此处萌生和扩展。MK*G60焊丝焊缝组织主要是为针状铁素体、细小珠光体和少量先共析铁素体。MK*G60-1、MK*GHS70及 MK*GHS76 焊丝焊缝金属显微组织主要是大量针状铁素体和少量贝氏体。
随着焊丝金属强度的增高，焊缝中 Cr、Mo 等合金元素的含量增多，提高了奥氏体的稳定性，先共析铁素体不再析出。焊缝金属中除了发生中温组织转变外，还发生低温组织转变生成马氏体组织。焊缝金属组织几乎全部是针状铁素体、低碳马氏体和贝氏体，板条之间角度很小，板条内部位错密度很高。分布在基体上的岛状组织明显增多，尺寸也增大。部分M-A 组元由颗粒状变成长条状，断续或连续地分布在贝氏体的边界上。对不同强度级别焊丝的焊缝金属的组织分析表明，随着焊缝中合金元素含量的增加，焊缝组织由先共析铁素体+针状铁素体+珠光体转变成针状铁素体+粒状贝氏体，再转变成针状铁素体+条状贝氏体+马氏体。
a. ER50-6焊丝的焊缝组织 b.MK·G60焊丝的焊缝组织
c.MK·G60-1焊丝的焊缝组织 d.MK·GHS70焊丝的焊缝组织
图3 焊缝的显微组织
由于针状铁素体的晶界为大角度晶界，每个晶界都对裂纹的扩展起阻碍作用，并且晶粒较细，断裂途径非常曲折，裂纹扩展需要更多的能量即裂纹断裂通道易于沿晶界铁素体扩展，而较难在针状铁素体中扩展。所以在低合金钢组织中，以针状铁素体组织存在的形态韧性最高，是焊缝熔敷金属最适宜的金相组织。
在液压支架焊接结构的连接部位焊接生产中一般采用多层多焊，后焊焊道对前焊焊道有退火作用，使前焊焊道的组织细化。但前焊焊道同时对后焊焊道有预热作用，使后焊焊道中的先共析铁素体组织发展，先共析铁素体的数量也有所增加；焊缝金属总体上以受退火作用的焊道构成，焊缝金属以较细小的针状铁素体组织为主，韧性和抗裂性能优于单道焊焊缝。
图 4a 为 Q550+Q690 钢直 Y 坡口接头 Q550 钢侧熔合区显微组织，热影响区粗晶区（CGHAZ）组织主要为粗大的板条马氏体（ML）和少量 M-A 小块。图 4b 为 Q690 钢斜 y坡口接头熔合区显微组织，热影响区粗晶区（CGHAZ）组织主要为粗大的板条马氏体（ML）和少量粒状贝氏体。焊接热影响区在冷却过程中，γ→ML 组织转变时，相邻板条大致具有同一结晶方位，形成一束板条。当焊接热输入增大时，随着冷却速度的降低，会有马氏体和贝氏体同时存在，形成马氏体和贝氏体混合组织。当焊接热输入适当增大时，产生马氏体和下贝氏体（BL）混合组织，原奥氏体晶粒先被析出的BL有效分割，促进 ML 有更多的形核位置并限制了 ML 的生长。ML + BL不仅使组织细化，也细化混合组织的断裂单元；与单一ML 相比，ML+BL混合组织中有更多的大角度晶界，裂纹扩展在 ML 束界或 ML+BL 边界处受阻而转向，单位裂纹扩展的长度变短，使微裂纹扩展需要消耗更多的能量，提高熔合区抗裂纹能力，同时可增加接头韧性。如果焊接热输入太高，奥氏体晶粒严重长大，并形成上贝氏体(Bu)，热影响区为 ML+BL +Bu 混合组织，而 ML 及Bu板条间界属于小角度晶界，对解理裂纹扩展起不到有效阻挡作用，熔合区韧性和抵抗裂纹扩展能力有所减弱。因此为防止Bu对接头的不利影响，焊接热输入不宜过大。
a.Q550+Q690钢Q550侧熔合区(MK·GHS70焊丝) b.Q690钢(MK·GHS76焊丝)
图4 接头熔合区显微组织
3.3 热输入对裂纹率的影响
影响焊接区裂纹敏感性的因素很多，但起决定作用的是微观组织。同时焊缝金属的显微织对接头性能有明显的影响。粗大的柱状晶不但降低焊缝的强度，也降低焊缝的韧性。焊缝组织越细小，强韧性越好。通过控制焊接工艺参数(如焊接电流、焊接电压、焊接速度等)、填充金属等可以控制焊缝组织和性能。图 5a 为焊接热输入对 Q550+Q690 钢直 Y坡口接头裂纹敏感性的影响，图 5b 为焊接热输入对 Q690 钢斜 y坡口接头裂纹倾向的影响。图 5 表明焊接接头断面裂纹率总体趋势是随着热输入的提高而增加。在结构件焊接中为提高焊接接头的抗裂性能，焊接热输入应控制在 20kJ/cm以下。
a. Q550 + Q690钢对接
b. Q690 + Q690钢对接
图5 焊接热输入对裂纹倾向的影响
在焊接电流和焊接电压一样的焊接条件下，焊接速度增加时，焊接热输入减小，焊缝金属的冷却速度增加。较高的冷却速度使得金属固液界面的成分过冷度增加，从而促进细晶组织的生成，细晶组织使得接头有更好的机械性能，并可以降低裂纹倾向。焊接热输入增大时，焊接区冷却速度小，焊接接头热影响区熔合线附近的过热程度大，过热区晶粒明显粗大，这必然导致与之联生结晶的焊缝晶粒也相对粗大。焊缝中有较粗大的组织，抵抗裂纹形成和扩展能力差，接头冲击韧性低。控制焊接热输入使之获得细小、均匀的焊缝组织，增加针状铁素体含量，减少和细化先共析铁素体组织，可提高焊缝韧性，降低裂纹倾向。
4．结论
厚度为 20mm的 Q550、Q690 高强钢，采用 Ar+CO2 气体保护焊，在不预热条件下进行焊接，斜 y坡口焊接接头的裂纹倾向随着热输入的增加而升高，为保证焊接接头的抗裂性能，焊接热输入应控制在 20kJ/cm以下。
铁研试验表明，焊接接头区断面裂纹产生于靠近熔合区的半熔化区，平 行熔化边界线扩展，部分裂纹越过熔合区向焊缝扩展；Q550+Q690 钢直Y坡口接头裂纹产生与淬硬性大的 Q690 钢一侧。
使用 MK·G60-1、MK·GHS70 和 MK·GHS76 焊丝，焊接热输入控制在 20kJ/cm以下，可获得以细小针状铁素体为主（少量粒状贝氏体）的混合组织，焊缝金属韧性较高，抗裂性增强。
