工程机械用高强钢及其焊接研究现状

工程机械用高强钢及其焊接研究现状

摘要：随着工程机械用钢向高强高韧方向发展，其对焊接性的要求也越来越高。本文论述了工程起重机、土石方机械、混凝土机械及液压支架等工程机械用高强

钢及其焊接方法、焊接材料、焊接工艺等研究现状。

关键词：工程机械；高强钢；焊接现状

1导言

工程机械是机械工业的重要组成部分。随着工程机械的发展，其用钢强度级别也越来越高。在工程机械产品中，焊接结构件约占整机重量的50%～70%，液压支架主体几乎完全采

用焊接结构。因此，钢材的焊接性能对工程机械的产品质量起着重要的作用，也影响着钢材

的推广应用。钢的强度级别越高，其焊接难度越大，高强钢的焊接技术成为工程机械产品开

发的关键技术。

2工程机械用高强钢焊接研究现状

2.1工程起重机

起重机钢结构约占起重机总重量的40%～90%，制造成本占总成本的1/2以上。为了减轻

起重机自重，特别是吊臂自重，起重机械逐渐采用高强度钢制作箱形伸缩吊臂和桁架式吊臂。随着起重机吊起重量的增加，所采用的钢的强度也逐渐增加。国内外为了扩大高强度钢的应用，非常重视高强度钢的焊接工艺等技术的研究和应用。

为了适应国内最大型单机1000～1100MW及其以下火电机组建设，徐工重型公司研制的

单钩吊重达160t的FZQ塔式起重机，在不改变塔身截面尺寸的情况下，采用Q550D低合金

高强钢和Q460C管材代替原来的钢材，以最大程度降低生产成本。Q550D与Q460C焊接材

料的选取采用低强匹配原则，以Q460C为准，选用低氢钠型药皮的焊条J607R，焊前预热150～200℃，层间温度也控制在150～200℃，对塔身接头与弦杆处的焊缝进行焊后热处理，

并进行焊后消氢处理。对履带起重机臂架用强度高达1000MPa的FGS90WV钢管的焊接工艺

及接头性能进行了试验研究。对三种不同热输入下焊接接头的拉伸和弯曲性能进行了试验，

试验用焊接材料为TUnionGM120实芯焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO2，气体流量20L/min，层间温度为150～180℃，焊后进行消氢处理。试验结果表明，随着热输入增加，接头抗拉强

度和屈服强度先略有增加后迅速降低，冲击韧性逐渐降低，当热输入小于11.5kJ/cm时，接

头具有良好的强韧匹配。

2.2土石方机械

土石方机械主要包括挖掘机、装载机、推土机等，在作业过程中，受到很大的冲击载荷

和交变载荷，尤其是铲斗刃板会受到很大的磨损，所以其所用材料要求具有较高的强度、硬度、耐磨性以及承受较大冲击载荷的能力。对35m3大型挖掘机铲斗高锰钢焊接工艺进行了

研究。斗前体材料为低合金高强度结构钢Q690，斗唇和斗齿的主要材料为高锰钢ZGMn13，

此钢焊前不预热，Q690钢焊前预热温度100℃，焊接方法为药芯焊丝CO2气体保护焊，焊接

热输入控制在22kJ/cm以下，采用多层多道焊，焊接层间温度控制在100～150℃,焊后及时水冷处理来锤击，进行局部消应力热处理，保温温度500℃，保温时间4h。此方法焊接斗前体

与斗唇，效率高、成本低、具有良好的焊接质量。

徐工集团为了解决大功率推土机铲刀的磨损问题，采用低合金高强度耐磨钢板NM400作

为弧形板材料，并对其焊接性进行了研究。试验用NM400高强钢实测屈服强度为1114MPa，拉伸强度为1302MPa，其碳当量CE=0.465%，冷裂敏感指数Pcm=0.261%，具有一定程度的冷

裂倾向。试验未采取预热措施，采用CO2气体保护焊进行焊接，焊丝为ER50-G。试验结果表明，NM400具有较大的淬硬性，在焊接热影响区粗晶区有冷裂纹和韧性下降的倾向，应采用

低强匹配的原则选用焊材。为了获得韧性较好的焊接接头，焊后可进行150～200℃的后热处理，采取缓冷保温措施。

2.3混凝土机械

现代大型工程施工要求混凝土泵车用材料强度级别不断升高，混凝土泵车上的主要结构

件（包括:臂架、支撑台、回转台、支腿以及连杆）全部采用高强钢材，所以高强钢结构件的

焊接质量很大程度影响泵车的质量。国内徐工集团、三一重工、中联重科、山推楚天及福田

重机等都制造混凝土泵车，尤其是徐工集团，泵车制造技术已经达到了国际先进水平。

徐工施维英公司研究了不同热输入对WELDOX960E焊接接头疲劳寿命的影响，采用

80%Ar+20%CO2焊接方法，焊接热输入从8.16kJ/cm到13.92kJ/cm，试验用板10mm厚。试

验结果表明，焊接热输入越高，焊接接头热影响区软化程度越严重，试样疲劳寿命越低。

另外还研究了WELDOX700、WEL-DOX900、WELDOX960、DILIMAX690和DILIMAX-890系

列高强度钢在混凝土泵车上的焊接应用。结果表明，当板厚≤20mm时，上述高强钢都不需要预热，板厚和钢材强度增大，预热温度增高；焊接方法一般为富氩气体保护焊，一般屈服强

度700MPa等级的钢板，选用等强匹配焊丝，屈服强度900MPa左右的钢板；t8/5冷却时间为：700MPa等级的钢板控制在5～25s，900MPa左右的钢板控制在5～20s，强度级别越高，线能量范围越窄。

山推生产的混凝土泵车臂架构件中的板材大部分为WELDOX900和DOMEX700，主要采用85%Ar+15%CO2气体保护焊，焊后进行超声波或者磁粉探伤，焊材遵循等韧性原则，焊接方

法选择“低氢性”原则，预热方法选择整体预热+局部火焰预热相结合的方式。

太原钢铁集团研究了太钢生产的混凝土泵车臂架用屈服强度900MPa的超高强度钢

TS900QC的焊接工艺特点。结果表明：采用射流过渡焊接，将热输入控制在11～14kJ/cm，

焊接接头具有较好的综合性能。在结构允许情况下，焊后可进行热处理，但应将热处理温度

控制在350～400℃，保温时间1h左右。

2.4煤矿液压支架

液压支架是综合采煤工作面机械装备的核心，约占设备投资总额的70%。为了实现液压

支架高强度、高可靠性、低自重的要求，支架用钢强度级别越来越高。液压支架主体几乎完

全采用焊接结构，所选钢材除强度级别较高以外，还要具有良好的焊接性、缺口韧性及低敏

感性。宝钢、鞍钢、武钢、济钢、舞钢、太钢及首钢等已相继开发出屈服强度为460～

960MPa的高强度煤机用钢，以适应煤矿机械的需要，1000MPa及以上级高强钢也逐渐用于

液压支架中。

Q690高强钢在我国液压支架制造方面有广泛应用，其碳当量较高，具有一定的冷裂倾向。针对Q690高强板焊接工艺研究文献较多，主要涉及焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数等。Q690钢经常采用的焊接方法为80%Ar+20%CO2气体保护焊。控制焊接热输入在11～19kJ/cm

范围内，选用ER50-6，MKG60和MKGHS70三种强度级别的焊丝进行焊接时，Q690＋Q550

高强钢试验试板的断面裂纹率均<20％。为了保证焊接接头的抗裂性，应避免采用过大的焊

接热输入。

对高端液压支架用屈服强度900MPa级的SHT900D高强钢板的焊接工艺进行了研究，采

用80%Ar+20%CO2气体保护焊，采用MEGAFIL1100M焊丝。结果表明，SHT900D钢有较强的

淬硬倾向，焊接热输入量控制在10.4kJ/cm左右，预热温度不低于125℃，焊道间温度控制在150℃左右，获得的焊接接头的综合力学性能较好,能够满足液压支架的设计及使用要求。

郑州煤矿机械集团有限责任公司高端液压支架推杆用HG980D钢（屈服强度940MPa）的

冷裂纹敏感性、焊接工艺、焊后热处理工艺及焊接接头综合力学性能进行了试验研究。结果

表明，为防止焊接冷裂纹的产生，获得综合性能良好的焊接接头，采用HS-80焊丝和

80%Ar+20%CO2气体保护焊接25mm厚的HG980D钢时，预热温度一般为60～100℃，焊接

热输入量控制在14.6kJ/cm以下，焊道间温度控制在150～200℃，焊后消氢处理宜采用250℃保温2h的工艺。获得的焊接接头的综合力学性能较好,能够满足液压支架的设计及使用要求。

结束语

当前，工程机械用高强钢中，国外的高强钢品种占有很高的比例，其品种丰富，成系列

化发展，为适用不同的需求，采用不同的合金元素设计和热处理工艺，对成熟钢种的焊接性

研究也较成熟。

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