高强度材料在无轨胶轮车上的应用

魔神

    随着煤矿生产向高产高效发展，井下辅助运输机械也在向轻便和运行可靠的方向发展。无轨胶轮车是新型高效井下辅助运输机械，具有运输效率高、快速灵活、省时省工、安全性高和运行成本低等特点，应用前景广阔。在英国、美国、澳大利亚等国家无轨胶轮车已有20多年的历史，并已被大量使用，取得了令人瞩目的成效。我国目前尚无定型产品。为此，在消化澳大利亚Truk4和Pet6客货两用车的基础上，结合国内使用情况，进行了FKH6井下防爆低污染中型客货两用胶轮车的研制，以加速实现我国煤矿辅助运输现代化，缩小同世界先进水平的差距。

　　FKH6井下防爆低污染中型客货两用胶轮车主要由防爆发动机装置及进排气和电器防爆系统、液力传动装置、驾驶操纵装置、铰接式机架、客货两用车厢、液压气动系统等部件组成。其中，机架是该车的重要承载结构件，分前后机架两部分，均采用高强度钢板焊接式结构。前后机架通过铰接转盘铰接。机架主要用于安装动力、传动、行走操纵等部件和承载物料，受力状况比较复杂。因此，其结构性能的优劣对整车的使用性能与寿命都有着直接的关系。为了保证胶轮车的整体使用性能和运输效率，要求机架在具有较高的强度、刚度和可靠的承载能力下，尽可能降低自身重量，以提高其载重量，降低成本，获得较高的经济效益。为此，我们选用英国特雷克斯EEMS系列1008、10083和10072高强度钢板作为无轨胶轮车机架用材，对其使用的技术途径进行了探索。

    1　高强度钢板介绍

　　近年来，随着设备的大型化发展，世界各国都在加强研制高强度钢板，开发加工性能好、使用性能优良且成本低的低合金钢，例如硼钢、锰钢、高硅钢等，并采用先进的冶金技术、钢材轧制工艺和热处理工艺来提高钢材的冶金质量、强度和强韧性。对高强度钢板来说，不管用于结构件还是用于耐磨件，大多需要焊接。因此，提高材料的强度，改善材料的韧性和焊接性，已成为低合金高强度钢发展的世界性趋势，其应用范围也日益广泛。例如工程机械、矿业设备等均已广泛采用此类材料。下面重点分析有代表性的EEMS10072钢板的机械和焊接性能。

    1.1　EEMS10072钢板的化学成分和机械性能

　　EEMS10072钢是英国特雷克斯公司的一种经调质处理的低碳锰硼钢，采用控制轧制温度之后可以得到最好的综合性能。经热轧、淬火(水淬)和高于430℃的回火处理，具有较高的强度和塑性，尤其是具有较高的低温韧性，且有良好的延展性和成形性，故已被广泛应用于工程机械大型自卸式矿车上，使其具有可靠性高、疲劳寿命长的特点。该钢的化学成分和机械性能分别见表1、表2。

表1　EEMS10072钢化学成分%

板厚δ／mm	ω（C）	ω（Mn）	ω（Si）	ω（S）	ω（P）	ω（Ni）	ω（Cr）	ω（Mo）	ω（B）
4.8≤δ＜15.9	≤0.2	≤1.35	0.15～0.4	≤0.05	≤0.04	-	-	-	≤0.0005
15.9≤δ＜25.4	≤0.2	≤1.6	0.15～0.4	≤0.05	≤0.04	-	-	-	≤0.0005
25.4≤δ＜50.8	≤0.24	≤1.6	0.15～0.4	≤0.05	≤0.04	≤0.25	≤0.25	≤0.08	≤0.0005

表2　EEMS10072钢机械性能

σb／MPa	σs ／MPa	δ ／％	Akv(-45℃) ／J	HB
≥690	≥621	≥16	≥20.3	229～285

 

    1.2　EEMS10072钢焊接性能分析

　　不同板厚EEMS10072钢板的碳当量，可依据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式算出（参见表3）：

表3　EEMS10072钢板碳当量C_eq

板厚δ／mm	ω（Ceq）／％
4.8≤δ＜15.9	0.42
15.9≤δ＜25.4	0.46
25.4≤δ＜50.8	0.50

     式中各元素含量见表1。

　　碳当量ω（Ceq）值愈高，钢材淬硬倾向愈大，冷裂敏感性也愈大。当ω（Ceq）＞0.45%～0.55%时，焊接就容易产生冷裂纹。由表3可见，当板材较薄(δ＜12mm)时，可焊性良好;而对于δ≥12mm的板材，为避免产生裂纹应进行焊前预热及焊后技术处理。

    2　高强度钢板的焊接方法、材料和设备

    2.1　焊接方法和材料

　　焊接方法为药芯焊丝CO₂电弧焊。

焊接材料采用美国林肯(Lincoln)公司Outershield71M(?1.2)和Outershield70(φ2.4)药芯焊丝。前者用于定位焊和小焊道(δ≤10mm)的焊接。这两种药芯焊丝均为既可获得高强度，又可获得良好冲击韧性的低氢系列药芯焊丝，具有焊接质量好、飞溅少、脱渣容易、成形美观和焊接效率高的特点，已广泛应用于各种低碳钢和低合金钢的焊接工程中。
　　Outershield71M和Outershield70焊丝的化学成分和力学性能见表4、表5。

表4　熔敷金属化学成分%

焊丝型号	保护气体	ω（C）	ω（Mn）	ω（Si）	ω（P）	ω（S）
Outershield70	CO2	0.084	1.4	0.75	0.009	0.011
Outershield71M	CO2	0.05	1.3	0.65	0.005	0.007

表5　熔敷金属力学性能

焊丝型号	保护气体	σb ／MPa	σs ／MPa	δA ／％	Akv ／J
Outershield70	CO2	570～655	480～570	22～29	34～95
Outershield71M	CO2	540～585	470～540	25～30	34～135

 

    2.2　焊接设备

　　采用美国林肯(Lincoln)公司的DC-400、DC-600电源、LN-9送丝机、焊枪和保护气体装置。

    3　焊接工艺的制定
　　为保证结构件的最终质量和结构性能，在制定焊接工艺时，应采取以下主要措施：

　　(1)预热。焊前预热能减缓焊接接头的冷却速度，防止淬硬组织的产生，减少冷裂倾向。但主要问题是如何根据钢的化学成分、材料的厚度及连接的约束程度来选择合理的预热温度和最低层间温度。通过试验得出：对板厚为12mm以下的钢板可不进行预热，板厚为12～16mm的钢板预热温度为(100±10)℃，大于16mm的钢板预热温度定为(200±10)℃为宜。

　　(2)后热。对板厚为12mm和大于12mm的零件，为避免在多层焊缝中产生横向裂纹，同时也为防止由于焊前预热不足而引起的裂纹，焊接结束后，应立即进行加温回火去应力处理，以消除焊缝与母材连接间的焊接应力。回火温度应保持在350℃左右。

　　(3)直流反接法。为增大熔深，避免熔合区缺陷，电源采用直流电反极性接法。

　　(4)焊接参数。焊接参数的选用见表6。

表6　焊接参数

焊接材料	焊丝规格	焊机 型号	焊接 电流 ／A	焊接 电压 ／V	送丝 速度 ／m．min－1	气体 流量 ／L．min－1
Outershield 71M	φ1.2	DC- 400	140～ 180	26～ 29	6.5～ 8	10～15
Outershield 70	φ2.4	DC- 600	300～ 400	28～ 32	3～5	15～ 20

        4　施　焊

　　(1)用氧乙炔焰对δ≥12mm的厚板连接焊道及附近进行预热，并用测温笔进行测量，保证预热温度要求；
　　(2)焊接应连续进行，中途不能停止，以保证层间温度高于预热温度；
　　(3)应采用焊接工装，如用工艺轴来保证结构件孔间的同轴度、平行度等技术要求，并采用多道工艺拉筋控制变形；
　　(4)焊接过程中，随时检查各个方向的尺寸，做到及时控制和校正变形；
　　(5)每层(道)焊后要彻底清渣，发现任何缺陷应及时采用砂轮机清除，进行补焊，补焊时仍采取前述预热措施；
　　(6)焊后立即对δ≥12mm的厚板连接焊道及附近加热到350℃进行回火去应力处理，并缓冷至室温；
　　(7)完成焊接24h后，拆除工艺轴、工艺拉筋，自然时效后再进行机加工，以利于应力释放。

    5　探伤检验
　　前、后机架焊接完放置48h后，经采用CTS-26型超声波探测仪，按CB/T3559-93标准进行超声波探伤，证明焊缝合格；经磁粉探伤，未发现焊缝有缺陷。

    6　结　论
　　经无损探伤检验和出厂验收检验证明：

　　(1)高强度钢板EEMS10072具有较高的强度、良好的焊接性、压延性和良好的冲击韧性，尤其是具有较好的低温韧性。所以，该种钢板用于井下无轨胶轮车机架是可行的，达到了预期的设计要求。

　　(2)采用药芯焊丝CO₂电弧焊，一是成本低；二是可以提高焊接质量，成形美观，避免出现气孔、夹渣等缺陷；三是提高工效，使预热、焊接、后热处理能一次完成。