劉 淼 閆軍成 白樹華

(中國二重集團公司重容分廠，四川618013)

2010年初，我公司承擔(dān)了某重點項目模鍛壓機C型板的焊接任務(wù)。該C型板的基體材料為20MnMo。由于該部件在使用中承受高載荷，因此對焊縫質(zhì)量有很高的要求。并且該部件尺寸大、坡口深，焊接精度要求高，給焊縫的質(zhì)量控制和焊接變形控制帶來很大難度。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

C型板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該件精加工后整體尺寸為350 mm×4 650 mm×36 190 mm，總重260多噸。在36 190 mm尺寸方向上分布有8條聯(lián)接焊縫，由不同厚度、長度的厚板按一定的組裝順序焊接而成。其中件3與件4、件6與件7間的焊縫采用窄間隙氣體保護焊方法，這里不進行闡述。

焊縫坡口采用不對稱雙面U型坡口，如圖2所示。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 材料焊接性能分析

圖1 C型板結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of C-plate

圖2 坡口形式Figure 2 Groove type

20MnMo屬于低合金高強度鋼(化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2所示)，具有較好的綜合力學(xué)性能。合金化后珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變推遲，使得馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度下降，鍛件的淬透性增強，因此該鍛件具有足夠的強度和韌性。但由于其碳當(dāng)量較高，所以焊接性較差。根據(jù)碳當(dāng)量的計算公式，20MnMo鋼碳當(dāng)量為0.52%～0.67%。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.5%時，鋼的淬硬傾向逐漸增大，在焊后冷卻過程中，熱影響區(qū)易出現(xiàn)低塑性的脆硬組織，使硬度明顯提高，而塑性、韌性降低。尤其是厚板的焊接，剛度和拘束度較大，因此產(chǎn)生的焊接應(yīng)力較大，非常容易產(chǎn)生延遲裂紋。為避免產(chǎn)生焊接缺陷，焊前需預(yù)熱≥150℃。為提高焊接效率，獲得性能優(yōu)良的焊縫，我們選用埋弧自動焊來進行焊接。

表1 20MnMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 20MnMo steel(mass fraction, %)

表1 20MnMo鋼的力學(xué)性能Table 1 The mechanical property of 20MnMo steel

2.2 焊接材料的選用

根據(jù)等強性原則，我們在焊材選擇時選用與母材強度匹配的焊絲(H10MnMo2)和焊劑(HJ250G)。修補采用手工電弧焊，焊條采用E5515-G(J557)。焊材使用前經(jīng)復(fù)驗合格，并經(jīng)過烘干處理。

2.3 埋弧焊槍的改進

為保證C型板的焊接質(zhì)量，提高效率降低成本，工藝上采用窄間隙坡口形式。對于C型板焊縫直而長的坡口形式，很適合于采用埋弧焊小車進行焊接。但埋弧焊小車原配焊槍尺寸較大，而C型板坡口焊縫相對較窄，使原配焊槍無法使用。為此我們針對焊槍結(jié)構(gòu)形式進行了改制。將焊槍由原來的適用于V型坡口焊接的圓棒型改成了適合于U型坡口焊接的窄扁型。槍的表面進行絕緣處理，且在機頭部分增加了橫向移動和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使得焊槍能夠比較靈活的進行調(diào)整，以便適用于窄而深的U型坡口的施焊要求。改造后的埋弧焊槍經(jīng)過試驗證明，槍的各項性能優(yōu)良，達到了焊接C型板的使用要求。

2.4 焊接準(zhǔn)備與工藝要求

(1)坡口要求:坡口采用機械加工，成型后對坡口的表面以及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等進行清理，最后對坡口表面進行100%磁粉探傷，要求100﹪合格。

(2)裝配及焊后要求：由于該板件長而重，加工量有限，要求裝配誤差在2 mm以內(nèi)。焊接過程中要求嚴(yán)格控制變形，平面度和直線度在3 mm內(nèi)。這是該C型板焊接過程控制的重點之一，也是焊后檢驗的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。焊縫消氫熱處理后須經(jīng)100%超聲波探傷，符合國標(biāo)JB/T4730—2005 I級。

(3)焊接參數(shù)：焊接參數(shù)見表3，焊接前經(jīng)焊接工藝評定合格，焊接均為平焊位置。

表3 焊接參數(shù)Table 3 The welding parameter

3 焊接過程控制

3.1 質(zhì)量控制

在板件達到裝配要求后，對焊件進行預(yù)熱，采用天然氣加熱方式。當(dāng)焊縫及近縫區(qū)溫度達到150℃以上就可以準(zhǔn)備進行打底層的焊接。在焊前一定要確保設(shè)備各項性能都正常，校直焊絲，調(diào)整焊接參數(shù)等。從打火開始，就要精確操作設(shè)備，確保焊縫質(zhì)量。每焊完一道，要將焊劑等清理干凈，認(rèn)真檢查焊縫，對熔合不良，有焊接缺陷的地方采用碳弧氣刨或角磨機進行清理，完全清理干凈后，用焊條電弧焊進行修補，和其他焊道確保一致，焊縫邊緣融合良好。在確定沒有焊接缺陷的情況下，再進行下一道的焊接。

3.2 變形控制

變形控制主要是控制兩方面，平面度和直線度。在焊接過程中，焊件的變形不容易觀察，板件過長，使板件自身的撓度增大，造成測量變形不準(zhǔn)確。實際生產(chǎn)中我們按以下方式控制變形：

(1)平面度的控制

造成平面度難以控制的主要原因是由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致的角變形。在焊接厚板時，鋼板厚度方向上的溫度分布是不均勻的，溫度高的一面受熱膨脹較大，另一面膨脹小甚至不膨脹。由于焊接面膨脹受阻，出現(xiàn)較大的壓縮塑性變形，這樣，冷卻時在鋼板厚度方向上產(chǎn)生收縮不均勻的現(xiàn)象，使得焊件不平整。角變形的大小與焊接熱輸入、板厚、焊件的剛性等因素有關(guān)。在熱輸入一定時，板厚越大厚度方向上的溫差越大，角變形越大。但當(dāng)板厚增大到一定程度，此時構(gòu)件的剛度增大，抵抗變形的能力增強，角變形反而減小。實際生產(chǎn)中，在同等外界條件下、同樣的熱輸入，焊縫增加同樣厚度的前提下，打底階段的變形大于蓋面階段的變形。在C型板的焊接過程中，我們采用雙面非對稱U型坡口正反兩面交替焊，使得正反兩面所產(chǎn)生的角變形相互抵消最終使得焊件整體平面度達到檢測要求。具體是先焊接深坡口面到一定厚度，然后翻面焊接淺坡口面，使其產(chǎn)生的角變形稍大于先焊的深坡口面。這樣交替的進行，直到整條焊縫焊完。注意在翻面時，當(dāng)焊件處于側(cè)立狀態(tài)時可以準(zhǔn)確測量焊件的變形量。如果焊件整體呈“∧”，則繼續(xù)焊接，不翻面。如果呈“∨”或幾乎水平，則需要翻面。并且C型板的自重可以抵消一部分的收縮變形，在制造過程中可以想辦法加以利用，從而減少翻面的次數(shù)。

(2)直線度的控制

由于板件較長，直線度也是不易控制的。前面介紹了焊件收縮變形的原因，焊縫的起弧端和收弧端的收縮是不一樣的，一般是收弧端大于起弧端。為了保證直線度，應(yīng)該經(jīng)?；Q起弧端和收弧端，盡量使焊縫的起弧端和收弧端的收縮量一致，最好的是焊一層換一次。這樣，就可以比較好的控制側(cè)彎，保證焊件的直線度。最好是焊幾層就測量焊縫的坡口寬度，以便做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4 焊后熱處理

由于該板件比較厚，焊接周期較長，為防止裂紋的出現(xiàn)，在焊完之后立即進行消氫處理。待探傷等工序完成之后再進行整體去應(yīng)力退火處理。熱處理工藝參數(shù)如表4。

表4 熱處理工藝參數(shù)Table 4 The technological parameter for heat treatment

在整體熱處理前應(yīng)該對焊縫質(zhì)量、焊件變形量進行檢測，對不合格的進行返修。熱處理裝爐時應(yīng)使板件側(cè)立并點好墊鐵，防止彎曲變形。

5 結(jié)論

(1)用以上工藝進行20MnMo大型模鍛壓機C型特厚板的焊接，經(jīng)焊后檢驗，所焊板件的變形量≤2 mm，符合檢驗要求。超聲波探傷后，焊縫達到GB4730—2005探傷標(biāo)準(zhǔn)一級焊縫要求。C型板的焊接成功，表明焊接過程中所采取的控制措施切實可行。

(2)焊接特厚板件時，在防止焊接缺陷的同時一定要加強焊件的變形控制，且要注意應(yīng)力的影響，防止焊縫拘束過大而產(chǎn)生裂紋。

(3)所研制的專用焊槍在C型板焊接過程中證明是成功的，為實現(xiàn)C型板窄間隙坡口焊接，保證焊接質(zhì)量提供了有力的支持。

[1] 陳路. 工業(yè)焊接技術(shù)與質(zhì)量試驗檢測評定標(biāo)準(zhǔn)實用手冊. 北京：電子出版物出版中心，2003.

[2] 鄧洪軍. 焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn). 北京：機械工業(yè)出版社，2004.1.

[3] 雷世明. 焊接方法與設(shè)備. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.1.

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