27SiMn液压缸体材料选择及焊接特性浅析

摘 要： 通过对设备加工、监造过程中对液压缸材料选择及焊接性能分析和对比，找出适合制造液压缸体的材料及焊接工艺。

关键词： 液压缸；材料；焊接特性；

概述

液压缸是液压支架中重要的部件，由于它经常工作在巷道下，一直承受交变载荷，并长期遭受井下污水及含酸性水质的腐蚀，在缸体的金属表面表面容易产生了麻点和锈蚀，从而影响其使用寿命，因此，在实际工作中，选择缸体材料具有非常重要的意义。本文通过监理实践中的多年经验，对缸体材料的选用和焊接加工工艺进行分析及探讨。

1.焊接性分析

1.1.化学成分及力学性能

1.1.1.化学成分

27simn （一般直接选液压支柱管GB/T17396-1998）属低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2008），化学成分见表1。

表1 27SiMn钢化学成分（质量分数） （%）

27siMn液压支柱管是在优质碳素结构钢基础上，适当地加入一种或几种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性能。这类钢在制成后，通常均需经过调质、化学热处理、表面淬火等热处理。与优质碳素结构钢相比较，具有良好的综合力学性能，多轧制成型材，用作机械或机器中的重要结构件. 硬度达HB285，一般以调质态的供货料。

1.2.焊缝中的热裂纹

27SiMn调质钢含碳量较低，含锰量较高，而且对S、P杂质的控制也较因此热烈倾向小。该钢含碳量高，合金元素含量亦多。根据各合金元素含量其碳当量计算应依据美国焊接学会提供的公式：

1.3.冷裂纹

这种钢的淬硬倾向相当大，本应有很大的冷裂倾向，但由于这种钢的特点是马氏体含量很低，所以它的开始转变温度Ms点较高，如果在该温度下冷却较慢，则此时生成的马氏体还能来得及进行一次“自回火”处理，因而实际上冷裂倾向并不一定很大。也就是说，在马氏体形成后如果从工艺上提供一个“自回火”处理条件，既保证马氏体转变时的冷却速度较慢，则冷裂纹是有可能避免的；若马氏体转变时的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向就必然会增大。

图1：缸筒横截面由外向内硬度分布 （缸筒壁厚32mm）

1.4.热影响区的性能变化

1.4.1.过热区的脆化

在焊接热影响区受热时未完全奥氏体化的区域，以及受热时最高温度低于Ac1、高于钢调质处理时的回火温度的那个区域有脆化倾向。

1.4.2.焊接热影区的软化

这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，而且温度越接近于Ac1的区域，软化越严重，因此对焊后不再进行调质处理的这种钢来说尤其重要。从强度出发，这是焊接接头中的一个薄弱环节，强度级别越高这一节问题越突出。

此外，软化的程度和软化区的宽度与焊接工艺也有很大关系。因此，在制定这种钢的焊接工艺时必须考虑到这一问题。

2.坡口焊接裂纹试验

2.1.试件的形状和尺寸（如下图）：

2.2. 焊接试验条件如下表：

2.3.结果分析

对于高强钢通常是采用预热焊接，考虑到该钢为超低碳贝氏体钢，为了最大限度的考察在恶劣条件下的冷裂纹敏感系数，我们参考原冶金工业部钢铁研究总院采用不预热焊接进行斜Y坡口对接裂纹试验，其环境条件及结果如下：

从试验结果来看，在较为苛刻的试验条件下，试件仅在起弧端热影响区开裂，根部裂纹在热影响区中扩展的最大长度仅为2mm。通过试验分析表明，27SiMn钢表面裂纹率、根部裂纹率、五个横断面平均裂纹率都为零。27SiMn钢焊接接头机械性能、斜Y型坡口焊接裂纹试验均表明，27SiMn钢，具有良好的焊接性能，综合机械性能可以满足强度要求，说明27SiMn钢焊接性能良好。

3.工艺过程控制

3.1. 焊接表面喷砂处理，去除氧化皮、油污及其他杂物。下料时选用机床切削。坡口等不可加工部位，清净熔渣，打磨至表面呈金属光泽，完工检验。

3.2.拼装间隙保证控制在0-2mm以内。

3.3.拼焊前检查零件的下料质量，按照生产图纸、焊接工艺的要求，使用定位胎具保证间隙，使装配产生的拘束应力降到最小。易变形处增加辅助支撑。

3.4.定位用焊条选用冲击韧性好的低氢碱性焊条（E7016直流反接），烘干后方可使用。当定位焊缝出现裂纹时，必须清除，重新焊接定位焊缝。

3.5.焊接过程的控制

3.5.1.操作焊工必须通过职业技能鉴定，达到高级工以上水平，资格证书处于有效期内。操作前经过工艺知识及焊接理论培训。

3.5.2.焊接材料进厂应具有有效质量保证书。焊条、焊丝无锈蚀、油污、破损等现象。保护气体纯度达到国家焊接用气标准要求。

3.5.3.焊接设备的选择

选用自适应控制模式、工作频率高达20KHz以上、参数稳定、动特性良好的逆变式焊机。

3.5.4.预热温度及层间温度

预热的主要作用在于减少过热区淬硬组织和有利于氢的逸出。预热采用氧气-乙炔火焰预热，预热温度为100～150℃，要求连续施焊，以保证作业温度不低于预热温度最低值。必要时使用石棉板保温，同时要求随时用红外线测温仪测试，达不到温度，重新预热。

3.5.5.焊接操作

3.5.5.1.引弧、收弧时易产生焊接缺陷。

引弧时要控制焊丝伸出长度为，防止过长引起的爆断，在定位焊焊缝上引弧，采用间断灭弧法或回焊法收弧，填满弧坑，防止产生热裂纹。焊接时根据焊接位置、装配间隙和熔合情况即时调整焊枪倾角，避免焊接过程中发生液态金属超前流动造成的假焊现象。焊丝端部始终在熔池前半部燃烧，焊丝不能脱离熔池。控制焊接速度，严禁风扇直吹焊接工作区，以免空气侵入电弧和熔池，防止产生夹渣、咬边等焊接缺陷。

3.5.5.2.焊接应采用多层（窄焊道）技术，即多层多道焊。促成较好的组织结构和韧性；焊接时不允许摆动；对接焊缝必须采用拖拉法，提高穿透避免未熔合，不允许在焊道以外起弧，意外的起弧点须磨掉并检查有无裂纹。

3.5.5.3.焊接顺序

为保证焊件低应力和低变形，控制焊接顺序，焊前均要进行打底焊。

焊接顺序：从焊道中部或工件中部开始向外焊，在全封闭环缝时打底焊和第一道填充焊道不能焊成全圆以避免高的收缩应力导致开裂，应至少分成两半焊接，且方向相反。

所有焊缝必须首尾相接形成闭环。

3.5.6.焊后热处理

3.5.6.1.改善焊接接头的组织和性能，软化淬硬区，降低硬度，提高塑性、韧性，防止焊接结构的脆性破坏。

3.5.6.2.松驰或消除焊接应力，防止延迟裂纹的产生和发展，提高焊接结构的使用可靠性和寿命。

3.5.6.3.熔氢作用。焊接接头由于焊角较大，在控制预热温度的同时，严格控制层间温度，即不能低，也不能过高，以保证焊接接头良好的综合机械性能。

4.焊接工艺确定

4.1.焊前预热

当焊件厚度较小或接头拘束度也较小时，焊前可不进行预热。随着焊件厚度的增加，为了防止产生冷裂纹，必须进行预热，但是应当严格控制预热温度。因为过高的预热温度会使热影响区的冷却速度过于缓慢，使得强度和韧性均下降。因此一般在焊接这种低碳调质钢时都采用较低的预热温度（≤200℃）。

4.2.焊接材料

为防止产生冷裂纹，必须使用低氢型或不锈钢焊接材料。用于CO2焊的CO2气体或Ar+CO2混合气体，应符合I级气体或II级气体的要求。

4.3.施焊技术

为避免过度损伤热影响区的韧性，应避免采用过大的热输入。

据以上分析，焊接的主要问题是设法避免焊接裂纹。为此，我们从降低热影响区的淬硬性，增加修复区域的耐腐蚀性，减少焊缝的扩散氢含量，以及降低焊接区的拘束应力等几个方面入手，制定了以下焊接工艺：

4.3.1.针对27SiMn钢淬硬倾向很大的特点，我们采取小线能量施焊。因为采用小线能量减少了高温停留时间，避免了奥氏体晶粒的过热，增加了奥氏体成分的不均匀性，从而降低了奥氏体的稳定性。

4.3.2. 焊丝的选用，针对筒体出现腐蚀和要有较高的强度，我们使用直径1.2mm的Mn7Mo焊丝，这种焊丝可以在焊接前不用预热。焊丝化学成分见表2

表2焊丝化学成分（质量分数） （%）

4.3.3. 接头尺寸及焊接参数分别见图1和表3（使用直径1.2mm的Mn7Mo焊丝、电源直流反接）。注意下一道焊缝要压住上道焊缝的2/3。

图1

表3

4.3.4.气体选用Ar+CO2混合气体以20%Ar+80%CO2混合配比作保护气体。其特点如下：

4.3.4.1.提高熔滴过渡的稳定性.

4.3.4.2.稳定阴极斑点，提高电弧燃烧的稳定性.

4.3.4.3.改善焊缝外观成形.

4.3.4.4.增大电弧的热功率.

4.3.4.5. 控制焊缝的冶金质量，减少焊接缺陷.

4.3.4.6.焊丝伸出长度焊丝伸出长度与焊丝直径、焊接电流及焊接电压有关，焊接过程中，导电嘴到母材间的距离一般为焊丝直径的10-15倍。

4.3.4.7.将缸体卡在旋转台上，工件转速0.8-1.0/rpm的转速要与焊接参数匹配。

4.3.4.8.焊接前将防焊接飞溅剂喷洒在焊接区附近30mm内，以防止飞溅物伤了螺纹。

5. 结语

实践证明，合理的控制焊接工艺参数和焊接的速度，焊接后的液压缸焊缝没有产生裂纹和脆化现象。通过采用焊丝Mn7Mo提高了抗腐蚀性，大大提高了液压缸的使用寿命，对保证设备按期完成和煤机的安全运行起到了积极有效的作用，而且带来了可观的经济效益和社会效益，提高了整机的使用可靠性和可维护性。