45#鋼回轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)焊接和熱處理方案探討

劉思成　劉洪江　何志敏

(中山廣船國(guó)際船舶及海洋工程有限公司)

45#鋼回轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)焊接和熱處理方案探討

劉思成劉洪江何志敏

(中山廣船國(guó)際船舶及海洋工程有限公司)

本文主要介紹如何用45#焊接制作封閉型回轉(zhuǎn)輪，通過(guò)從切割、焊接、熱處理幾個(gè)步驟對(duì)45#這種中碳鋼以及回轉(zhuǎn)輪這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)制作提供理論依據(jù)。

45#鋼回轉(zhuǎn)輪焊接熱處理礦山設(shè)備

0　前言

回轉(zhuǎn)輪作為一種輸送系統(tǒng)的一部分，廣泛應(yīng)用于礦山設(shè)備上，起到偏轉(zhuǎn)和張緊作用。為了達(dá)到更高的硬度要求，回轉(zhuǎn)輪往往采用45#作為制作原材料，而45#作為一種中碳鋼，具有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑形、韌性和焊接性較差。本文希望探究一種通過(guò)切割+焊接+熱處理就能達(dá)到所需機(jī)械性能的新方法，從而降低鍛造45#所帶來(lái)的巨大成本。

1　回轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

本文以塔克拉夫刮板式取料機(jī)（簡(jiǎn)稱刮板取料機(jī)）的回轉(zhuǎn)輪為典型結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行研究，此類結(jié)構(gòu)一般執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN10083-2(淬火和回火鋼第2部分非合金鋼的技術(shù)交付條件)。刮板取料機(jī)重量為633噸，外形長(zhǎng)寬高為72800×33700×30000mm，每臺(tái)機(jī)需要回轉(zhuǎn)輪四個(gè)?；剞D(zhuǎn)輪一般起到偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖1）和張緊（見(jiàn)圖2）作用，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)安裝位置如圖1。

圖1　回轉(zhuǎn)輪布置圖

圖2　回轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)制作圖

從圖2中可以看出，回轉(zhuǎn)輪主要分為兩部分，分別是中間輪轂和外圈輪廓。中間輪轂為提高耐磨性，采用Q345B+N材料鍛造，外圈輪廓采用45#鋼板材切割得到，本文主要介紹的就是45#鋼外輪廓的制作?；剞D(zhuǎn)輪整體制作流程見(jiàn)圖3。

圖3　回轉(zhuǎn)輪整體制作流程圖

2　原材料采購(gòu)及加工

2.1板材采購(gòu)

由于回轉(zhuǎn)輪外圈結(jié)構(gòu)是一個(gè)封閉的整圓，為避免出現(xiàn)焊接拼板，板材尺寸應(yīng)能涵蓋整個(gè)零件，因此板材采購(gòu)尺寸為125×2580×5280mm，在直徑和厚度上都預(yù)留了機(jī)加余量。由于國(guó)內(nèi)缺乏適用于45#鋼的板材現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，只能按照與要求性能最接近的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WTB007-2008進(jìn)行采購(gòu)。材料到貨后，按GB/T709檢測(cè)外觀尺寸，并做了夾層探傷及理化實(shí)驗(yàn)，保證了原材料在加工前的質(zhì)量。

2.2板材下料

對(duì)于超過(guò)60mm以上的鋼板，為了保證切割邊的垂直度，一般采用火焰切割，同時(shí)增大氧氣壓力以有效防止割斜情況出現(xiàn)。回轉(zhuǎn)輪外圈零件下料外徑為φ2515mm，內(nèi)徑為φ400mm，均預(yù)留40mm機(jī)加工余量，減輕孔按照?qǐng)D紙要求未留余量。火焰切割后進(jìn)行MT探傷，發(fā)現(xiàn)切割面中心線上出現(xiàn)裂紋，后通過(guò)打磨消除掉。

裂紋原因分析：4 5#鋼碳當(dāng)量為CE≈0.42-0.50，淬硬性大，加上此零件板厚超厚，拘束度大，十分有利于冷裂紋的行成。經(jīng)分析，45#鋼的熔點(diǎn)在1350℃，原材料從臨界溫度以上迅速冷卻，厚板屬三維傳熱，因此板厚方向中心線附近的溫度散失最快，在冷卻和結(jié)晶過(guò)程中，此區(qū)域的組織未來(lái)得及奧氏體化便直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。馬氏體是一種硬脆的組織，塑韌性相對(duì)較差。且在應(yīng)力釋放時(shí)，在夾雜、碳、錳偏析位置由于應(yīng)力集中形成裂紋源，在應(yīng)力的作用下裂紋源沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋。因此，為防止45#鋼冷裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡量降低材料所受的拘束度，當(dāng)拘束度不能改變時(shí)，應(yīng)通過(guò)預(yù)熱及焊后保溫緩冷的措施，降低內(nèi)應(yīng)力減少馬氏體組織的產(chǎn)生（此項(xiàng)措施被應(yīng)用在了回轉(zhuǎn)輪與輪轂的焊接過(guò)程3.1）；當(dāng)條件允許時(shí)，可通過(guò)熱處理方式降低材料內(nèi)應(yīng)力，防止冷裂紋的產(chǎn)生（此項(xiàng)措施被應(yīng)用在了熱處理的焊后回火4.1）。

2.3隨爐試樣

在切割外圈零件的同時(shí)，在內(nèi)減輕孔位置還切割了隨爐試樣，為滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 10083-2，9.1～9.4“樣品及試樣的準(zhǔn)備”的要求，試樣選用弧長(zhǎng)300mm。內(nèi)外徑與切割零件相同，切割后機(jī)加工內(nèi)外圓及厚度，如圖3所示。使其數(shù)值與原圖相同，以便更準(zhǔn)確的測(cè)量熱處理后硬度隨深度變化情況。

圖3　隨爐試樣取樣位置示意圖

3　焊接

3.145#與Q345B角焊縫

內(nèi)圈輪轂與外圈圓環(huán)之間采用角焊縫進(jìn)行連接。為了降低施工難度，焊接時(shí)把工件放在平地上，先焊一側(cè)角焊縫，探傷合格后焊翻身，焊另一側(cè)角焊縫。采用手工電弧焊進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1　45#與Q345B角焊縫焊接工藝

注意事項(xiàng)：

①輪轂裝配

輪子與輪轂的配合公差范圍為440(h9,0.000,-0.155;H8,+0.097,0.000)，裝配時(shí)應(yīng)考慮輪子與輪轂的水平度，避免因輪子傾斜導(dǎo)致安裝失敗，同時(shí)裝配采用冷卻法，使用液氮冷卻輪轂后穿進(jìn)輪子中。

②預(yù)熱和保溫

如2.2分析，為防止冷裂紋的產(chǎn)生，借鑒經(jīng)驗(yàn)在焊接時(shí)采取了預(yù)熱和保溫措施，見(jiàn)圖4、圖5。預(yù)熱用電磁片進(jìn)行加熱，保證了加熱的均勻，焊后在焊接范圍覆蓋石棉進(jìn)行保溫，保溫2小時(shí)反身焊接另一面。焊后磁粉探傷一次合格，證明焊接工藝完全可行。

圖4　焊前預(yù)熱

圖5　焊后保溫

③焊接順序

為了盡量減小焊接應(yīng)力，單面焊接時(shí)采用了對(duì)稱焊的方式進(jìn)行焊接，如下圖6所示。焊后測(cè)量回轉(zhuǎn)輪的整體平面度，幾乎無(wú)變形。

圖6　輪轂焊接順序

3.245#補(bǔ)焊工藝

下料過(guò)程中，除了裂紋，在減輕孔轉(zhuǎn)圓位置還出現(xiàn)了一些崩坑，這些位置需要補(bǔ)焊處理，因此額外增補(bǔ)了45#鋼補(bǔ)焊的焊接工藝評(píng)定，工藝參數(shù)如表2所示。補(bǔ)焊需要注意事項(xiàng)與角焊縫基本一致，同樣需要進(jìn)行預(yù)熱和保溫工作，在此不再贅述。

表2　45#鋼堆焊工藝

4　熱處理

4.1焊后回火

回火的目的在于消除內(nèi)應(yīng)力。在不降低或適當(dāng)降低鋼的硬度和強(qiáng)度的條件下改善鋼的塑性和韌性，以獲得所希望的性能，回火曲線如圖5所示。之所以選擇高溫回火，是因?yàn)榘宀牟少?gòu)為正火板，正火加高溫回火的形式對(duì)于消除內(nèi)應(yīng)力更有利也更徹底。

圖6　焊后回火曲線

4.2中頻淬火

中頻淬火是感應(yīng)加熱表面淬火方式的一種，電流頻率選擇在2.5～8kHz之間。通常感應(yīng)電流頻率越高，電流集中的表層越薄，加熱層也越薄，淬硬層深度越小，因此選擇了中頻淬火確保了材料表面3～4mm深度下，仍可以達(dá)到硬度55±5HRC。淬火工藝參數(shù)如表3所示，回轉(zhuǎn)輪與淬火感應(yīng)圈之間的間隙為1～2mm。

表3　中頻淬火工藝參數(shù)

中頻淬火后進(jìn)行了一次低溫回火，目的仍為消除應(yīng)力?；鼗饻囟瓤刂圃?60℃-200℃，時(shí)間8小時(shí)。實(shí)際操作回火曲線如圖7所示?；鼗鸷鬁y(cè)量外圈表面硬度，可以達(dá)到58～64HRC，符合圖紙要求。

采用如上工藝對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，并在厚度方向進(jìn)行線切割，測(cè)量隨深度變化硬度下降的情況，結(jié)果為深度3mm以內(nèi)，硬度值可以維持在58～64HRC范圍內(nèi)，符合圖紙要求，但超過(guò)3mm以后，硬度下降較多，每毫米下降幅度在5～12HRC不等。分析原因是焊后回火溫度過(guò)高，回火有利于釋放應(yīng)力、軟化金屬和提高韌塑性，但相應(yīng)的也是以犧牲硬度和強(qiáng)度為代價(jià)的，因此焊后回火應(yīng)根據(jù)不同材料選擇不同溫度和時(shí)間，并應(yīng)避開(kāi)容易引起回火脆性的溫度范圍。

圖7　淬火后低溫回火曲線圖

4.3熱處理后結(jié)果

按上述工藝對(duì)回轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)EN10083-2中10.2和10.3對(duì)隨爐試樣進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，理論數(shù)值和實(shí)際檢測(cè)數(shù)值對(duì)比數(shù)據(jù)如下表4。從表可見(jiàn)，回轉(zhuǎn)輪熱處理后的各項(xiàng)機(jī)械性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。尤其在硬度方便，45#鋼鋼板材料的硬度為HB195，約等于HRC11.5，處理后回轉(zhuǎn)輪距表面3mm處的平均硬度為HRC55.3，滿足設(shè)計(jì)3～4mm深度，硬度HRC55±5的要求，可見(jiàn)本文介紹的熱處理方案對(duì)提高表面硬度的效果比較顯著，可以滿足回轉(zhuǎn)輪的硬度要求。但遺憾的是在熱處理后進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，外圈淬火位置局部出現(xiàn)了裂紋，部分深度有3～5mm，雖然可以通過(guò)打磨等方式去除，但打磨后的補(bǔ)焊又會(huì)造成補(bǔ)焊位置及熱影響區(qū)域硬度下降，需進(jìn)行更深入的研究以避免此類問(wèn)題。

原因分析：造成表面裂紋的原因應(yīng)有以下兩個(gè)。一是焊后回火的溫度過(guò)高，回火時(shí)的溫度一般選擇715℃～745℃之間以避開(kāi)可能引起回火脆性的溫度區(qū)間，而本文方案中的熱處理溫度達(dá)到了850℃。二是回轉(zhuǎn)輪自身結(jié)構(gòu)封閉缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力無(wú)法充分釋放。從結(jié)果上來(lái)看，對(duì)于這種完全封閉的圓形結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力即使通過(guò)回火也很難有效消除，很容易在淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋。

表4 　熱處理后機(jī)械性數(shù)據(jù)與理論值比較

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的探究，雖然45#鋼作為一種中碳鋼，具有脆性和焊接性差的缺點(diǎn)，但仍然可以通過(guò)合理的焊接工藝來(lái)完成焊接，減少鍛造的巨大成本，并通過(guò)合理的熱處理工藝，得到滿足使用要求的硬度。同時(shí)要警惕制作過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生，如何控制好在火焰切割、焊接、熱處理過(guò)程中可能出現(xiàn)的裂紋，是制作成功與否的的關(guān)鍵。

通過(guò)本次探究，提出以下兩點(diǎn)改進(jìn)措施。一是適當(dāng)降低焊后的回火溫度，避開(kāi)可能引起回火脆性的溫度進(jìn)行回火，一般選擇715℃～745℃為宜；二是在后續(xù)礦山設(shè)備生產(chǎn)上應(yīng)警惕此類大型、超厚的封閉結(jié)構(gòu)，在接單時(shí)就應(yīng)規(guī)避此種結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，或在技術(shù)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，把回轉(zhuǎn)輪分為三段或四段，通過(guò)螺栓的連接方式來(lái)拼圓，在斷口位置加余量，既有位置可以充分釋放內(nèi)應(yīng)力，又可通過(guò)機(jī)加工掉余量保證精度。

[1]丁建生，金屬學(xué)與熱處理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007。

[2]趙俊麗，電焊工[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2009。

[3]吳福善，陳吉強(qiáng)，45#鋼切割開(kāi)裂分析與改進(jìn)。柳鋼科技，2013,5期，32～34

[4]丁昌等，不同熱處理方法消除焊接殘余應(yīng)力的研究。鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，第20卷第4期，68～70

[5]AWS-D1.1，美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范。

[6]EN10083-2，淬火和回火鋼第2部分非合金鋼的技術(shù)交付條件。

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.01.008

劉思成（1988--），男，助理設(shè)計(jì)師，船舶與海洋工程。

劉洪江（1988--），男，助理設(shè)計(jì)師，焊接工程與技術(shù)。

（2015-6-1）