CN108515255B - 一种电铲斗杆的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢焊接技术领域，具体公开一种电铲斗杆的焊接方法。所述焊接方法，在‑25℃～35℃的环境中，以碱性药皮类奥氏体不锈钢焊条为焊接材料，采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢母材进行焊接，或采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢与16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接，所述焊接包括打底层焊接、填充层焊接、盖面层焊接。本发明有效提高了焊缝的低温冲击韧性，满足了其力学性能和低温条件下的使用要求，延长了焊修后斗杆的使用寿命。

Description

一种电铲斗杆的焊接方法
技术领域
本发明涉及钢焊接技术领域，尤其涉及一种电铲斗杆的焊接方法。
背景技术
电铲是露天采矿用主要重型装备之一，主要用于剥离矿山表面的覆盖物和对矿石进行采装，适用于地形复杂、环境恶劣矿山的开采。应用电铲进行露天采矿，具有过程自动化程度高、产量大、成本低、安全性高等特点，并且其开采效率比井下开采高5～10倍，能够满足人类对资源日益增长的需求。
斗杆作为电铲的主要工作装置之一，是由斗杆梁、推压齿条和抗扭箱三部分组成。它承担着连接铲斗和动臂的作用，经推压机构和提升机构的配合实现挖掘操作，在电铲的使用过程中，斗杆承受重复的交变应力，会产生疲劳裂纹，使斗杆发生断裂等故障，影响挖掘作业的正常进行。
研究表明，斗杆在高寒条件下工作过程中承受的冲击载荷和斗杆材料的低温冲击韧性下降是导致斗杆低温脆断的主要原因。斗杆的受力复杂，除承受推、拉过程的弯曲应力，偏载挖掘时的扭矩外，由于挖掘过程岩层硬度的不同还受频繁重负荷的冲击作用。电铲在高寒地区使用时，冬季气温可达零下40℃，低温使金属内部组织发生变异，降低材料的韧性，发生低应力断裂现象，需要对其进行焊接。焊接后的构件，若焊缝低温冲击性能较差，低温脆断最易于发生在焊缝处，由于焊缝在低温脆断前没有明显的宏观塑性变形，所以构件的断裂是突然的，不仅对设备和材料造成损失，严重者可能给人们的生命安全带来威胁，因此需要研发适用于电铲斗杆低温条件下的焊接方法，并且提高焊缝的低温冲击韧性，延长焊接后斗杆的使用寿命。此外电铲斗杆的推压齿条在使用过程中经常发生磨损，需要频繁更换，更换后也需将其与斗杆梁之间进行焊接。
电铲斗杆推压齿条的主要材料为低合金铸钢，斗杆梁的主要材料为低合金高强度钢，对斗杆的焊接涉及到齿条材料同种材料之间、斗杆梁同种材料之间及齿条与斗杆梁异种材料之间的焊接，其中异种钢之间的焊接难度较大，必须采取可靠的工艺方法才能确保焊接质量。目前常用的焊接电铲斗杆的焊接方法主要包括手工电弧焊和半自动二氧化碳焊，焊接过程在室温下进行，焊接材料多为低氢型焊条，如J506或J507等，焊前需要进行预热。现有方法不能满足高寒地区作业的电铲需要在低温下进行焊接修复的要求，且电铲斗杆结构尺寸较大，焊前预热和焊后热处理等措施不容易实现，尤其对于不严重的裂纹，焊接过程需要在电铲设备现场完成，现有方法进行焊接时，如果环境温度过低，焊前预热温度不够或焊后热处理不能达到要求会严重影响焊接质量。
发明内容
针对现有焊接方法不能满足低温下焊接修复要求，且电铲斗杆结构尺寸较大，焊前预热和焊后热处理等措施不容易实现等问题，本发明提供一种电铲斗杆的焊接方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种电铲斗杆的焊接方法，在-25℃～35℃的环境中，以碱性药皮类奥氏体不锈钢焊条为焊接材料，采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢母材进行焊接，或采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢与16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接。
相对于现有技术，本发明提供的电铲斗杆的焊接方法，采用碱性药皮类型的不锈钢焊接材料及相应的工艺设计，实现了低温、无预热条件下电铲斗杆用ZG28NiCrMo铸钢母材，或ZG28NiCrMo铸钢和16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接，有效提高了焊缝的低温冲击韧性，满足了其力学性能和低温条件下的使用要求，延长了焊修后斗杆的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种电铲斗杆的焊接方法，在-25℃～35℃的环境中，以碱性药皮类奥氏体不锈钢焊条为焊接材料，采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢母材进行焊接，或采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢与16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接。
本发明提供的电铲斗杆的焊接方法，其中斗杆齿条用材料为ZG28NiCrMo铸钢，斗杆梁材料为16Mn低合金高强钢，采用碱性药皮类型的不锈钢焊条、直流反接手工电弧焊方法对开裂母材进行多层多道焊接修复，焊接过程中控制焊接工艺参数及层间温度，但无需进行预热或焊后热处理，实现提高焊接接头低温冲击韧性的目的，满足焊修后斗杆的使用要求。同时实现了斗齿材料及斗杆与齿条异种材料之间的高质量焊接，简化了野外现场施工条件；且两种不同母材之间的焊接材料统一为碱性药皮类型的不锈钢焊接材料，有效提高了接头在零下40℃的低温冲击韧性，延长了焊修结构的使用寿命。
斗杆材料16Mn属于低合金高强度钢，根据其成分通过碳当量公式计算，其碳当量为0.32～0.46，淬硬倾向小，低温环境下采用小的热输入也不易产生冷裂纹。此外经计算其Mn/S为26～35，一般认为焊接中Mn/S大于25，焊接中不会出现热裂纹，故16Mn钢的整体焊接性好。
而齿条材料ZG28NiCrMo的碳当量为0.52～0.78，且Mn/S值为20～30，由于碳当量高，合金元素多，铸钢材料的淬硬倾向大，马氏体转变温度点低，因而当焊接参数控制不当易产生脆硬的马氏体，而热影响区经加热超过调质处理时回火温度的区域时，将会使软化区的强度和硬度低于母材，将有可能使接头强度降低，ZG28NiCrMo铸钢的可焊性比16Mn钢差，其热输入需高于16Mn并且工艺窗口需精确控制。
当16Mn与ZG28NiCrMo异种材料进行焊接时，焊接参数的选择主要需依据焊接性较差的ZG28NiCrMo而定。
本发明提供的电铲斗杆的焊接方法的焊接接头，力学性能为抗拉强度在520～550MPa之间，大于16Mn母材的抗拉强度；延伸率为17～20％；显微硬度为160～280HV0.3；室温下焊缝中心的冲击吸收功在109～124J，-40℃时焊缝中心的冲击吸收功在81～101J。
具体的，优选地，所述焊接材料为A307，所述A307的合金元素的质量分数为C：≤0.15％，Cr：22.0％-25.0％，Ni：12.0％-14.0％，Mo：≤0.75％，Si：≤1.00％，Mn：0.5％-2.5％，Cu：≤0.75％，其余是Fe。
通过母材和焊接材料的镍当量及铬当量的计算，结合舍夫勒组织分析可知，焊修后焊缝的组织为奥氏体和少量的铁素体，这种组织具有优良的抗裂性能。
优选地，所述焊接材料焊接前的预处理条件为：在245-255℃的下加热50-70min。加热时间优选为1h。
优选地，所述焊接包括打底层焊接、填充层焊接、盖面层焊接，其中，
所述打底面焊接的条件包括：焊接电流为100～130A，焊接电压为20～25V，焊接速度为11～13cm/min；
所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min；
所述盖面层焊接的条件包括：焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min。
ZG28NiCrMo铸钢的焊接，在外部环境低温，无预热的条件下，焊接电流小、热输入低时，冷却速度过快，铸钢的热影响区会形成马氏体组织，导致热影响区形成冷裂纹。所以需要增加焊接电流，提高热输入，降低冷却速度，避免马氏体组织的产生。优选打底焊的焊接电流选择为110A，填充及盖面焊电流为150A，焊后热影响区的组织主要为大小不一的铁素体和细小的珠光体组成。
16Mn钢的淬硬倾向小，在低温条件下焊接如-20℃，无需预热，也可以采用小的焊接电流，如打底焊电流90A，填充及盖面焊电流120A，焊后热影响区不会产生马氏体组织，而是由粗晶区(魏氏组织和索氏体组织)、细晶区(细小的铁素体和珠光体组织)、不完全重结晶区(大小不一的铁素体和珠光体组织)三部分组成。如热输入(焊接电流)过高，会导致粗晶区奥氏体严重长大，冷却后得到粗大的魏氏体组织，降低热影响区韧性，所以需要限制其热输入不能过高。
因此，当16Mn和ZG28NiCrMo铸钢异种钢进行焊接时，焊接参数的选择主要依据ZG28NiCrMo铸钢进行选择，优选打底焊的焊接电流区间为110～130A，填充及盖面焊焊接电流为140～170A。
优选地，所述焊接采用多层、分段连续焊的方式，每段长度为50-70mm，每层焊道厚度为3～5mm，层间温度为150～200℃。
选择手工电弧焊，多层多道焊方法，调整焊接工艺参数，控制层间温度，道间及层间要彻底清除焊渣，并用小锤轻击消除焊缝内应力。
控制层间温度，可以降低持续的热输入，减少高温停留时间，改善熔池的结晶状态。
优选地，所述盖面层焊接时将余高控制为0～4mm，焊后不锤击，在焊缝处盖若干层冷却至室温后，表面打磨至焊缝平滑。
采用角磨机进行表面打磨，使焊缝平滑过渡，避免应力集中。
优选地，所述焊接使用的焊条直径为φ3.2mm-φ4.0mm。
优选地，所述焊接方法还包括在进行焊接之前在所述待焊接母材的焊接部位开设V形坡口。所述V形坡口的坡口间隙为2～6mm，坡口角度为38-42°。坡口及焊修部位周围50mm范围用角磨机打磨至露出金属光泽。
V形坡口的破口角度为38-42°，优选为40°，可以使熔化的母材占焊道金属的百分比(即熔合比)降低。在焊接过程中，由于过大的熔合比会增加焊缝的稀释率，使过渡层更加明显，而上述的V形坡口的破口角度可以控制过度层的厚度，从而改善焊接接头的焊接性能。
为了更好的说明本发明实施例提供的，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种电铲斗杆的焊接方法，包括以下步骤：
步骤A、在-15℃的环境中，取一段ZG28NiCrMo铸钢和一段16Mn低合金高强钢母材，将两段待焊接的ZG28NiCrMo铸钢和16Mn低合金高强钢异种钢的焊接部位开设角度为40°的V形坡口，开口间隙为4mm，坡口以及焊接部位直径50mm范围用角磨机打磨至露出金属光泽。
步骤B、将焊接材料A307焊条在加热炉中将焊条加热到250℃烘干1h，放置在焊条保温筒中备用。
步骤C、采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢和16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接，所述焊接包括打底层焊接、填充层焊接、盖面层焊接，其中，
所述打底面焊接的条件包括：焊条直径φ3.2mm，焊接电流为100～130A，焊接电压为20～25V，焊接速度为11～13cm/min；
所述填充层焊接的条件包括：焊条直径φ4.0mm，焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min；
所述盖面层焊接的条件包括：焊条直径φ4.0mm，焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min。
所述焊接时采用多层、分段连续焊，每段长度为60mm，每层焊道厚度为4mm。每段焊后用小锤轻击焊缝，用以清除药皮并消除内应力，并采用热电偶控制层间温度在150～200℃之间。盖面层焊接时将余高控制为0～4mm，焊后不锤击，在焊缝处盖两层石棉毡冷却至室温后，采用角磨机进行表面打磨，使焊缝平滑过渡。
为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。
对比例1
本发明对比例提供一种电铲斗杆的焊接方法，以低氢钾型焊条J506为焊接材料，其余步骤和条件如实施例1所述，不在赘述。
对比例2
本发明对比例提供一种电铲斗杆的焊接方法，以金红石型不锈钢焊条A102为焊接材料，其余步骤和条件如实施例1所述，不在赘述。
为了更好的说明本发明实施例提供的电铲斗杆的焊接方法的特性，下面将实施例1和对比例1、2提供的电铲斗杆的焊接方法焊接的焊缝进行检测。对检测焊缝外观形状、表面缺陷，采用无损探伤的方法检测焊缝内部裂纹、孔洞缺陷，取样并检测焊缝的抗拉强度、延伸率、显微硬度和不同温度下的冲击吸收功焊缝。
对实施例1和对比例1、2提供的焊接接头进行拉伸试验，断裂位置均位于16Mn低合金高强钢异种钢一侧，且焊缝的抗拉强度大于母材。
将实施例1和对比例1、2提供的焊缝在室温及-40℃条件下做冲击性试验。结果如下：
室温条件下，采用A307焊条为焊接材料的实施例1焊缝冲击吸收功平均值为116.3J，与J506焊条为焊接材料的对比例1所得焊缝冲击性能相当，是以A102焊条为焊接材料的对比例2所得焊缝冲击性能的1.9倍。
-40℃条件下，采用A307焊条为焊接材料的实施例1焊缝冲击吸收功平均值为88J，是以J506焊条为焊接材料的对比例1所得焊缝冲击性能的9倍，是以A102焊条为焊接材料的对比例2所得焊缝冲击性能的2.2倍.
从上述试验检测结果可以看出，本发明以碱性药皮类奥氏体不锈钢焊条如A307为焊接材料，有效的提高了焊缝的低温冲击韧性，满足了其力学性能和低温条件下的使用要求，延长了焊修后斗杆的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：在-25℃的环境中，以碱性药皮类奥氏体不锈钢焊条为焊接材料，采用直流反接手工电弧焊对ZG28NiCrMo铸钢与16Mn低合金高强钢异种钢母材进行焊接；
所述焊接采用多层、分段连续焊的方式，每段长度为50-70mm，每层焊道厚度为3～5mm，层间需要进行锤击；多层焊接包括打底层焊接、填充层焊接、盖面层焊接，其中，
所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为100～130A，焊接电压为20～25V，焊接速度为11～13cm/min；
所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min；
所述盖面层焊接的条件包括：焊接电流为140～170A，焊接电压为20～25V，焊接速度为12～15cm/min；
上述各层之间的层间温度为150～200℃。
2.如权利要求1所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述焊接材料为A307。
3.如权利要求1所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述焊接材料焊接前的预处理条件为：在245-255℃的下加热50-70min。
4.如权利要求1所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述盖面层焊接时将余高控制为0～4mm，焊后不锤击，在焊缝处盖若干层冷却至室温后，表面打磨至焊缝平滑。
5.如权利要求1所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述焊接使用的焊条直径为φ3.2mm-φ4.0mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法还包括在进行焊接之前在待焊接母材的焊接部位开设V形坡口。
7.如权利要求6所述的电铲斗杆的焊接方法，其特征在于：所述V形坡口的坡口间隙为2～6mm，坡口角度为38-42°。
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