工程机械用焊接结构钢板种类与研发方向.doc

工程机械用焊接结构钢板种类与研发方向工程机械是指土方工程和建筑工程施工用机械，种类非常多。在日本，河川和道路工程以及城市设施工程用的油压挖掘机和小型挖掘机数量最多，其次是建筑工程施工用的起重机。从世界范围来看，由于对资源需求的增长，矿山机械的需求量不断增加。矿山机械比工程机械大得多，例如常见的中型挖掘机的重量为20t左右，而矿山用的油压挖掘机重量达到300-800t，使用的钢板也是厚钢板。工程机械是以土砂岩石为工作对象的，因此，挖掘机的铲斗、推土机的刮板、翻斗载重汽车车厢等部位要求使用耐磨钢板。1、工程机械的焊接结构部件工程机械的焊接部件大小不同、形状各异。以中型油压挖掘机为例，可分为下部行走体、上部回转体和工作机构（动臂、斗杆、铲斗）。这些部分的制作材料主要是铸钢和钢板。大部分钢板是廉价的抗拉强度40kgf级的低碳钢，厚度6-50mm。焊接方法是高效率自动焊接的活性气体保护电弧焊。焊接的熔敷效率高达80%-90%，并且焊接电流可达到500A以上，以提高焊接效率。超大型油压挖掘机的焊接部件使用的是抗拉强度50-80kgf级的高强度钢，厚度达40-250mm。铲斗与土石摩擦部分使用了大量的耐磨钢板。超大型油压挖掘机焊接部件的成本约占全部成本的30%，其中大部分为钢板材料费，因此降低钢板成本是一项紧迫的问题。2、工程机械用钢板表1是日本小松工程机械采用的焊接结构钢板种类，钢板抗拉强度的范围包括了从40kg/mm2级的低碳钢到80kg/mm2、110kg/mm2级的高强度钢板。除了表1中的拉伸试验和冲击试验，还对钢板的弯曲性能和焊接裂纹敏感性参数（化学成分）进行了规定。110kg/mm2级的高强度钢板用于推土机刮板，所以钢板应具有对土砂的耐磨性。表2是耐磨钢板的种类，耐磨钢板的硬度有HB360-440的SAR400和HB450-520的SAR500两个级别。这些耐磨钢板对焊接裂纹敏感性参数也有要求。图1是工程机械中使用钢板的比例。图中也有SPHC等薄钢板，这些薄钢板主要用于机械的外包装和油箱，板厚6mm。从图中可知，工程机械使用的钢板中，抗拉强度为40-110kg/mm2焊接结构钢板的比例为87.5%，耐磨钢板的比例为2.4%，薄钢板比例为10.1%。在焊接结构用钢板中以低碳钢为主占薄钢板的比例达67.2%。对于大量使用低碳钢的原因，一方面是低碳钢价格低廉，另一方面是使用高强度钢板时，焊接接头的疲劳强度没有多大变化，不能降低钢板厚度，高强钢的优点不能充分发挥出来。但根据降低燃料消耗和提高工作效率的要求，悬臂式工程机械对轻量化的要求不断增强，因此，大型液压电铲也采用了高强度钢以减小板厚，实现轻量化。翻斗汽车的车箱支撑着荷重，因此也迫切需要轻量化。由于车箱多采用耐磨钢板，因此，可以通过采用耐磨性更好的钢板来实现厚度减薄和轻量化。表1：日本小松工程机械采用的焊接结构钢板种类牌号拉伸试验冲击试验屈服强度，N/mm2抗拉强度，N/mm2试验温度，夏比吸收能，JSM400235400-590027SHT490295490-610-527SHT560410560-740-531SHT780685780-930-20SHT10809801080-12700表2：日本小松工程机械采用的耐磨钢板种类牌号硬度试验冲击试验布氏硬度，HB试验温度，夏比吸收能，JSAR400360-440020SAR500450-520032图1：工程机械使用钢板的比例3、工程机械用钢的研发方向工程机械用钢的研发方向主要体现在提高焊接接头的疲劳强度、不预热焊接、提高钢板光洁度三个方面。1）提高焊接接头的疲劳强度设计是基于疲劳强度的设计，因此工程机械焊接部件的制约性部位是焊接接头。在试验台进行试验产生大应力的情况下，对焊接接头可进行砂轮机精整或在焊接区配置加强板。最近对采用焊趾进行喷丸来提高疲劳强度的方法进行了研究。图2是焊接状态（未进行喷丸处理）角焊接头和焊趾喷丸处理后的角焊接头疲劳强度的对比。喷丸处理后的角焊接头疲劳寿命是焊接状态角焊接头疲劳寿命的3倍左右。此外，还对使用低相变温度焊接材料，对焊接区附加残余压缩应力提高疲劳强度的方法进行了研究。这些方法都是通过焊接材料或焊后处理提高疲劳强度的方法。另一方面，对提高钢板本身的焊接接头疲劳强度的高疲劳强度钢板的开发和应用也在加快进行。这些提高焊接接头疲劳强度的方法的开发和应用都是工程机械焊接结构部件的重要研发课题。图2：焊趾喷丸处理后的疲劳强度2）不预热焊接如前所述，工程机械焊接结构部件主要使用的钢板是低碳钢钢板。对于低碳钢钢板不论厚度多大，都可进行不预热焊接。但对于矿山大型工程机械采用的高强钢板，和厚度大于100mm的50kg/mm2钢板和厚度大于40mm的80kg/mm2钢板，焊前要进行100预热焊接。对于耐磨钢板，SAR400级可不预热焊接，但SAR500级要进行100预热焊接，矿山大型工程机械使用的大厚度耐磨钢板则要进行150预热焊接。这些预热焊接虽然是工程机械制造中的一部分，但影响了焊接效率的提高，特别是使焊接自动化（机械手）难以实现。因此需要开发焊前不预热钢板和焊接材料。3）高光洁度钢板工程机械用户对工程机械的外观质量也有很高的要求。近10多年来在这方面已经有了很大提高。焊接