颚式破碎机机架的焊接

 

    1 引言
    颚式破碎机广泛用于公路、建筑工程机械中，由于其工作时受冲击载荷作用，所以提高其焊接质量，是焊接生产中研究的问题。某厂生产的颚式破碎机机架采用16mm和12mm钢板，结构为箱型结构，材质为16Mn，焊缝采用手工电弧焊。产品出厂后，使用一个月左右，多台机架主焊缝开裂，返修时发现主要是焊缝中气孔和裂纹。本人经过深入的调查和分析，提出了一些工艺措施。
    2 气孔和裂纹的危害
    气孔是焊接中常见的缺陷之一。气孔的存在首先影响焊缝的致密性(气密性和水密性)，其次将减小焊缝的有效面积。此外，气孔还将造成应力集中，显著降低焊缝的强度和韧性，对结构的动载强度有显著的影响。人们通过研究统计X射线探伤底片上的缺陷，发现大多数都是气孔(80％左右)，其次为夹渣、未焊透、裂纹。因此，防止气孔是保证焊缝质量的主要内容，也是提高焊缝一次合格率的主要措施。
    裂纹是焊接连接中最危险的缺陷。按产生的时间不同，可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的，后者是焊缝冷却过程中或冷却后产生的。在焊接结构中，使用过程中产生冷裂纹往往是很严重的质量问题。冷裂纹的产生和发展一般都比较隐蔽、时间较长，平时不会引起操作人员的注意，但一旦发生其后果却是灾难性的。
    3 焊接气孔和裂纹的产生
    3.1气孔
    构成气孔的气体，一是来自于周围介质，二是化学冶金反应的产物。
    焊接低合金钢时，形成气孔的气体主要是H2和CO，即通常所说的氢气孔和一氧化碳气孔。
    氢气孔的主要来源是焊条药皮和焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、焊丝与母材表面的油污、铁锈以及空气中的水分等，在高温下分解产生H2，氢分子进一步分解为氢原子和离子。氢在液态金属中的溶解度很高，在高温时熔池和熔滴就有可能吸收大量的氢。而当温度下降时，溶解度随之下降，即熔池开始凝固后，氢的溶解度要发生突变。随着固相增多，液相中氢的浓度必然增大，并聚集在结晶前沿的液体中，使其浓度升高处于过饱和状态，形成气泡。气泡长大到一定程度上浮，当气泡上浮速度小于结晶速度时就形成氢气孔。
    CO主要是FeO、O2或其它氧化物与C作用的产物。即
    [C]+[O]=CO    (1)
    [FeO]+[C]=CO+[Fe]    (2)
    [MnO]+[C]=CO+[Mn]    (3)
    [SiO2]+2[C]=2C0+[SiO]  (4)
    碳对氧的亲和力随温度升高而增大，高温下碳比铁、锰、硅等元素对氧的亲和力都大些。因此，上述反应主要发生在熔滴区和熔池头部。CO不溶于液态铁中，在高温形成后很容易形成气泡并迅速排出，不仅不会形成气孔，而且气泡析出时使熔池沸腾，有助于其它气体和杂质排出。
    生成气孔的CO是在冶金反应后期形成的。熔池开始凝固后，液体金属中的C和FeO的浓度随固相增多而加大，造成二者在液体金属某一局部富集，浓度增加促使了式(2)的反应进行，而生成一定数量的CO。这时形成的CO由于温度下降、液体金属粘度增加及冷却快等原因，难于从熔池中逸出，而被围困于树枝晶粒间。此外，式(2)的反应是吸热过程，促使冷速加大，对气体析出更有利。
    3.2裂纹
    在焊接生产过程中，由于采用的焊接材料不同，结构类型、刚度以及施工、安装的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹，比较常见的有焊趾裂纹、焊道裂纹、根部裂纹等。冷裂纹大多数具有一定的延时性即是一种延迟裂纹，一般是在有载荷的使用过程中产生的，裂纹发生之前有一段潜伏期，然后是裂纹的扩展，最后发生脆性断裂，因此危害性很大。
    大量的实践和理论研究表明，冷裂纹产生的原因主要有以下几种：焊接接头含氢量、材质的淬硬倾向现象以及约束应力的影响等。
    3.2.1氢对焊缝的影响
    焊接时，焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、焊丝和母材表面上的铁锈油污等杂质，在施焊时经电弧热分解而给焊缝中带人氢，而氢是引起焊接延迟裂纹的主要因素之一。焊接时，在高温条件下，大量的氢溶解在溶池中，在随后的冷却过程中，由于溶解度的急剧降低，氢将极力逸出，但因焊接时冷速过快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力扩散，焊缝中的含氢量是随时间而变化的。随着放置时间的增加，部分氢从焊缝中逸出，部分氢则扩散到钢微缺陷处，成为残余氢，而这些残余氢继续对焊缝起作用，成为冷裂纹的罪魁祸首。
    氢是钢中扩散最快的元素，其扩散的速度与温度的高低成正比，温度升高，氢扩散得越快。焊后焊件在较高温度停留时间长些或设法使焊件冷却得慢些就可以使氢充分扩散到焊件外面，使焊缝中的氢含量减少。焊前进行预热，或者焊后热处理使焊件在焊后缓慢冷却，都可以使氢充分逸出减少冷裂纹。
    3.2.2材质的淬硬倾向对冷裂纹的影响
    钢的淬硬倾向主要决定于其化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。其中化学成分有很大的影响。钢的淬硬倾向越大，越易产生裂纹。钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构和低合金结构钢。钢结构在在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235，低合金结构钢主要应用Q345。低合金钢含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。Q345的屈服强度比Q235提高将近一半，抗拉强度也提高不少。但抗拉强度提高时相对降低了塑性和韧性，对焊接结构来说增加了转脆倾向。
焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为马氏体。由金属强度理论可知，马氏体是一种脆硬组织，发生断裂时只消耗较低的能量。因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成并扩展。另外，淬硬会形成更多的晶格缺陷——空位和位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错会发生移动和聚集，当浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源，在应力和氢的作用下，裂纹源不断扩展，形成宏观裂纹。
    一般以焊后熔合区在800~500℃冷却时间小于出现铁素体临界冷却时间作为出现裂纹的判据。焊接生产中常采用预热、后热和调节线能量等方法来延长800-500~12区间的冷却时间，从而降低淬硬倾向。
    3.2.3拘束应力的影响
    焊接接头在拘束状态下产生的焊接应力对延时裂纹起着很大的作用。焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，会产生纵向和横向焊接残余应力。施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600℃左右，其近邻区域温度则急剧下降。不均匀的温度要求产生不均匀的膨胀，高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低、膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。另外，焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是在焊缝中部产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力。
    焊缝在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先焊的焊缝已经凝固，且具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。叠加焊缝上的后焊焊缝冷却收缩时受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，同时在先焊焊缝内产生横向压应力。横向收缩引起的横向应力与施焊方向、先后次序有关。
    在中厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，因此，除有纵向和横向残余应力外，还存在着沿钢板厚度方向的残余应力。这三种应力形成比较严重的三轴应力，大大降低了材料的塑性，增高了强度和硬度，在低温环境下，更使裂纹容易发生和发展，加速构件的脆性破坏。
    钢结构在焊接时，特别是板厚大，拘束应力大，使焊缝不能自由收缩，导致双向、三向焊接应力产生。这种焊接残余应力一般能达到钢材的屈服极限值，是产生延迟裂纹及板材层状撕裂重要的影响因素之一。结构的不合理，刚度过大，拘束力过大，焊接应力无法释放，均会造成裂纹的产生。因此，采用合理的结构接头设计，采用刚性较小的节点形式，并合理安排施焊次序等，可以降低拘束应力。
    4产生气孔和裂纹的主要原因分析
    4.1焊条烘干
    由于颚式破碎机机架焊接时，焊缝均采用手工电弧焊，所用焊条为低氢型E5016。要求焊前焊条进行350~400~(2烘干2小时，且保温后随用随取。但通过跟踪焊接过程发现，对焊条的烘干温度只有200~C左右，这样使焊条药皮中吸附的水分和药皮组成物中的结晶水未能清除干净，从而使由水分引起的气孑L和裂纹倾向增大。
    4.2  焊件清理
    由于焊条E5016对焊件表面的水、氧化皮、锈、油污等比较敏感，因此，为防止气孔，要求对焊件表面进行较严格的清理。但实际施焊过程中对工艺执行并不严格，因而使气孔和裂纹倾向增大。
    4.3环境温度较低
    由于当时焊接是在冬季，环紧温度低于0~C。低温条件下焊接时，由于焊缝金属冷却速度较快，因而裂纹倾向增大。特别是Q345，由于其合金元素含量比低碳钢多，淬硬倾向较低碳钢大，低温施焊时出现裂纹的倾向更大。
    4.4拘束应力
    机架主焊缝结构为封闭焊缝，加之焊接顺序采用直通焊，造成较大焊接应力和拘束应力。
    4.5无后热、消氢措施
    低合金高强钢中焊接冷裂纹的产生，焊缝中的氢是罪魁祸首。焊前预热、后热可以使焊件在焊后降低冷却速度，延长冷却时间，氢可以较充分地释放，从而减少焊缝中的氢含量，减少冷裂与材料硬化现象。
    焊后及时后热，不但可以使氢充分逸出，还可以在一定程度上降低残余应力、降低材料的淬硬性。选用合适的后热温度可弥补预热温度的不足，降低预热温度。
    5焊接工艺措施
    针对上述因素，决定清除开裂焊缝，对颚式破碎机机架主焊缝采取如下工艺：
    (1)保持焊条干燥和焊件清洁
    焊条选用抗裂性较好的E5017。焊条在烘干箱内进行350-400℃，2小时的烘干，烘干后的焊条装入保温筒内随用随取。焊前严格清理焊件坡口及附近50-100mm范围的油锈及杂质，并用手砂轮打磨出金属光泽。
    (2)预热和焊后脱氢处理
    焊前对工件进行150℃的预热。
    焊后将工件加热到300-400℃，保温1 h，然后盖石棉被缓冷至室温。
    (3)合理的焊缝焊接顺序
    焊缝焊接顺序进行调整，将直通焊改为对称、分段、退步、多层窄道焊，通过调整焊接顺序控制变形，减少焊接拘束应力。除盖面层、底层外，每层焊道焊后必须用风镐捶击消除应力。
    6结语
    用手工电弧焊焊接16Mn钢颚式破碎机机架时，为防止使用过程中出现问题，焊前必须制定合理的焊接工艺，除了正确选择焊条外，焊前对工件表面的油锈、水分等进行清理，并严格控制焊条的烘干温度及时间，焊前预热、焊后消氢处理、合理的焊接顺序等措施，就可防止气孔和裂纹的产生，使生产的颚式破碎机焊缝质量得到大大提高，经使用七、八年后效果良好，一直未出现焊缝质量问题。