掘进机焊接回转台夹板开裂原因分析

掘进机焊接回转台夹板开裂原因分析
摘要:掘进机由本体架、截割头、铲板等若干部件组成,其中回转台是掘进机本体和截割头部件的连接部位,一般回转台部件为低合金高强钢的焊接结构件,在正常工况下,回转台部件长期承受重载荷、冲击载荷等联合作用,受力状态复杂,对焊缝质量有严格要求,按企业内部标准A类焊缝进行超声波和表面着色探伤检测,达到Q/SY21073 002-2008规定A类II级焊缝标准,并按GB1134-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标准》进行检查,焊缝质量II级合格。

关键词:掘进机焊接原因
1 回转台夹板母材纵向开裂现象
早期回转台部件为整体铸造结构,铸件质量合格率较低,影响生产正常进行,因此改为低合金高强钢焊接结构件。

在回转台焊接过程中发现有的夹板在母材中心线处开裂,裂纹平行于焊道,沿着整个环焊缝断续分布,几处裂纹长度不低于200mm,通过超声波探伤检测,确定裂纹深度,平均深度达25mm左右。

2 回转台部件结构及材料
掘进机回转台耳座结构如图1所示,耳座由三块钢板叠加环焊而成,其中夹板厚度80mm,材质为Q345B,主要化学成份及力学性能见表1。

Q345B是一种应用非常广泛的非热处理强化低合金结构钢,钢中主要合金元素是Mn、Si等,通过Mn置换晶格中铁原子引起晶格畸变,起固溶强化作用,还通过加入微量V、Nb等强碳化物形成元素进行沉淀强化、细晶强化,常温下显微组织主要是铁素体和珠光体,珠光体为铁素体和渗碳体层片状有机结合产物,V、Nb元素的加入一定程度上改变这种层片状结构,减少珠光体中渗碳体含量,形成VC、NbC等点状碳化物,弥散分布在α-Fe铁素体中,一方面可阻止高温下晶粒长大,另一方面阻止位错移动、晶面滑移,从而起到细化晶粒、沉淀强化的作用。

3 回转台耳座夹板焊接裂纹产生的原因
3.1 板材层状撕裂倾向对夹板母材开裂的影响
Q345B的S、P含量达0.04%,最大Mn/S约为40,材料焊接的热裂倾向小,但硫常以偏析状态存在,局部Mn/S约为10左右,热轧状态下的Q345B,硫化物沿钢材轧制方向以纤维状或层片状分布,大大削弱了板厚方向抗拉强度。

一般冶炼条件下,热轧及正火钢都有一定程度的层状撕裂倾向。

图2所示为45mm厚板材T角接头的宏观腐蚀金相照片,图中板材中心近10mm带状区域延轧制方向存在明显的条状腐蚀深沟,这些条状深沟就是轧制过程中聚集在钢板中心区域的曾片状硫化物、低熔点共晶物,层片状夹杂物的存在将大幅度削弱板厚方向的抗拉强度。

3.2 火焰切割下料及开坡口导致板材钝边过热脆化
过热区脆化现象,过热区是指焊缝热影响区中熔合线附近母材被加热到1100℃以上的区域,又叫粗晶区,由于该区温度高,发生奥氏体晶粒显著长大和一些难熔质点溶入而导致性能变化,回转台夹板厚度80mm,双边开45°角30mm深坡口,需采用火焰切割及开坡口,由于氧乙炔火焰能量密度低,加热范围大,钝边部分金属经历三次高温加热,晶粒长大严重,形成热加工粗晶区,回转台夹板裂纹断口整齐,没有韧性断裂的韧窝特征,从断口形貌可以判断热切割加工造成的材料脆化倾向较为严重。

3.3 焊接应力对夹板开裂的影响
焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力及厚度方向的应力,纵向应力是指平行于焊缝长度方向的应力;横向应力是垂直焊缝中心线的应力,产生横向收缩应力的原因可分为焊缝纵向收缩和恢复横向收缩两方面,横向收缩应力的分布规律为:焊缝两端为压应力,焊缝中间为拉应力。

回转台耳座为三层板焊接结构,两道环焊缝的焊接过程中产生的横向收缩应力叠加作用在中间夹板上,拉力方向正好是钢板的厚度方向,焊接横向收缩应力的存在促进夹板的开裂及裂纹扩展。

4 夹板开裂问题的解决
针对上述原因,我们从两个方面着手解决:
1)改变耳座结构的坡口设计形式,耳板开坡口;
2)采用小线能量参数焊接,严格控制焊接热输入量。

通过坡口形式改变,减少夹板热切割加工的热输入量,降低夹板端面热脆化倾向,在焊接过程中减小焊接线能量,减少焊接过程的热输入量,减小了焊缝横向应力,夹板开裂问题得到了有效解决。

5 结语
通过上述问题的分析,使我们认识到:进行焊接结构件设计时,应充分考虑板材厚度方向层状撕裂倾向严重的问题,尽量避免板材厚度方向承受重载荷作用,同时还要注意热加工手段会对金属的组织结构造成一定的影响,有些材料受热后可能发生晶粒粗大,也可能产生淬硬组织,这些都会给焊接过程带来不同程度的影响。

参考文献
[1]程友胜.焊接应力和焊接变形的论述[J].煤矿机械,2009,24(7):59-60.。