800 MN模鍛壓機(jī)夾緊梁窄間隙埋弧焊工藝

杜 娟，侯 勇，冉傳海，張 翔，翟大軍

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

800 MN模鍛壓機(jī)夾緊梁窄間隙埋弧焊工藝

杜 娟，侯 勇，冉傳海，張 翔，翟大軍

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

分析800MN模鍛壓機(jī)關(guān)鍵部件夾緊梁焊接結(jié)構(gòu)制造難度，其制造難點(diǎn)在于產(chǎn)品平面度要求較高、易產(chǎn)生冷裂紋、目前常規(guī)窄間隙焊機(jī)設(shè)備能力有限。針對(duì)上述制造難點(diǎn)及低合金、高強(qiáng)度鋼大厚板的焊接特點(diǎn)，選用合適的焊接方法和焊接材料，采用對(duì)稱兩條焊縫的交替焊接，并根據(jù)產(chǎn)品要求對(duì)焊槍部分進(jìn)行改進(jìn)及焊后立即進(jìn)行消氫處理等措施，保證產(chǎn)品制造的精度和質(zhì)量，很好地控制了焊接變形和焊接接頭質(zhì)量。相關(guān)工藝及措施對(duì)類似大厚板焊接工程應(yīng)用具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

夾緊梁；焊接工藝；窄間隙埋弧焊

1 結(jié)構(gòu)及制造難度

1.1 結(jié)構(gòu)

800 MN模鍛壓機(jī)夾緊梁是中國二重800 MN模鍛壓機(jī)關(guān)鍵部件，重達(dá)210 t[1]，其結(jié)構(gòu)為三組大厚度20MnMo鍛件按一定組裝順序焊接而成，結(jié)構(gòu)

本文參考文獻(xiàn)引用格式：杜娟，侯勇，冉傳海，等.800 MN模鍛壓機(jī)夾緊梁窄間隙埋弧焊工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（06）：59-62.形式如圖1所示。裝焊完成后，粗加工留量僅為單邊15 mm。4條對(duì)接焊縫探傷等級(jí)要求為超聲波探傷Ⅰ級(jí)、無損檢測(cè)二Ⅱ級(jí)，焊接完成后要求平面度在5 mm之內(nèi)。

1.2 制造難度

（1）平面度要求較高，焊接坡口深度520 mm，長度2 040 mm，容易產(chǎn)生變形，工藝措施不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致無法滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）易產(chǎn)生冷裂紋。由于鍛件厚板非常大，導(dǎo)致焊接時(shí)剛度和拘束度較大，將會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生延遲裂紋[2]。焊縫探傷要求高，坡口深處出現(xiàn)問題很難修復(fù)。

圖1 800MN模鍛壓機(jī)夾緊梁結(jié)構(gòu)示意

（3）設(shè)備能力有限。目前常規(guī)窄間隙焊機(jī)設(shè)備都只適于坡口深度小于350 mm的焊縫，采用埋弧焊，常規(guī)設(shè)備無法勝任該焊縫的焊接[3]。在制造過程中，應(yīng)制定嚴(yán)格的焊接工藝并合理改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備，方能完成該結(jié)構(gòu)件的制造。

2 材料焊接性分析

2.1 材料化學(xué)成分及力學(xué)性能

根據(jù)相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，查到20MnMo化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表1和表2所示。

表1 20MnM化學(xué)成分 %

表2 20MnMo力學(xué)性能

2.2 材料焊接性分析

根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量公式[4]計(jì)算其碳當(dāng)量Ceq（max）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.23+1.4/6+（0.3+0.35+0）/5+（0.30+0.25）/15=0.63%。

20MnMo屬于低合金高強(qiáng)度鋼，具有較好的綜合力學(xué)性能。合金化后使得珠光體和貝氏體轉(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(qiáng)。因此該鍛件具有足夠的強(qiáng)度和韌性，根據(jù)碳當(dāng)量的公式計(jì)算，20MnMo鋼碳當(dāng)量為0.52%～0.63%，碳當(dāng)量較高，焊接性較差。特別是當(dāng)碳當(dāng)量大于0.5%時(shí)，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[4]。特別是工件厚度超過50 mm，焊接區(qū)將出現(xiàn)三相應(yīng)力狀態(tài)，加之焊縫中氫對(duì)裂紋的影響，問題更為嚴(yán)重。

3 焊接工藝措施

3.1 焊接方法及焊接材料選擇

對(duì)于此類坡口較深的焊接構(gòu)件，焊接工作量較大，為提高工作效率，防止工件變形，滿足圖紙技術(shù)要求，采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，修補(bǔ)采用焊條電弧焊。

選用強(qiáng)度與母材強(qiáng)度匹配的焊絲、焊劑（CHWS9、HJ250G），修補(bǔ)采用焊條電弧焊，焊條采用E5515-G（J557）。埋弧自動(dòng)焊時(shí)，CHW-S9和HJ250G匹配，熔寬相對(duì)要小一點(diǎn)，調(diào)整焊絲和母材邊距時(shí)比其他焊絲和焊劑小0.1～0.2 mm，HJ250G是熔煉型低錳中硅中氟焊劑，且焊劑的顆粒較大，對(duì)防止氣孔等缺陷有利。E5515-G（J557）屬堿性低氫鈉型焊條，強(qiáng)度和韌性較高。焊前進(jìn)行350℃×2 h烘焙，采用直流反接。

3.2 焊前準(zhǔn)備

3.2.1 坡口加工及要求

坡口采用機(jī)械加工，成形后清理坡口表面以及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等，最后對(duì)坡口表面進(jìn)行100%超聲波探傷，以清除可能存在的缺陷

3.2.2 確定預(yù)熱溫度

碳當(dāng)量CE=0.4%～0.6%時(shí)，特別是大于0.5%時(shí)鋼材易于淬硬，焊接時(shí)必須預(yù)熱才能防止裂紋[5]隨著碳當(dāng)量的增加，預(yù)熱溫度也相應(yīng)增高，一般在70℃～200℃之間，由于夾緊梁板厚較大，選擇預(yù)熱溫度為150℃～200℃。在工件達(dá)到裝配要求后，對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，采用天然氣加熱方式將焊縫及近縫區(qū)溫度加熱到150℃以上。

3.3 焊接工藝制定

3.3.1 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表3所示，焊接均為平焊位置。

表3 焊接工藝參數(shù)

3.3.2 操作技巧

當(dāng)焊縫及近縫區(qū)溫度達(dá)到150℃以上進(jìn)行打底層的焊接，從引弧開始，需要確保設(shè)備的操作精確度和焊縫質(zhì)量，每焊一道都要精細(xì)操作，保證每一道的焊接質(zhì)量，從而保證整條焊縫的合格率。在焊接過程中要時(shí)刻注意焊槍（焊絲）與坡口的相對(duì)位置，可以通過機(jī)頭部位的紅色光標(biāo)來標(biāo)記焊槍的位置，達(dá)到直觀的判斷。若出現(xiàn)焊接異常，需要及時(shí)停機(jī)進(jìn)行檢查，待查明原因，處理得當(dāng)后再進(jìn)行下一道焊接。特別要注意在焊接過程中，焊槍兩頭的引弧板應(yīng)該處于手動(dòng)狀態(tài)，在焊槍完全處于焊縫中時(shí)再轉(zhuǎn)換成自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，避免產(chǎn)生缺陷和損壞焊槍。

3.3.3 變形控制

變形控制主要是控制平面度。大厚板焊接時(shí)，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[6]。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(shí)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(shí)，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后，構(gòu)件的剛度增大，抗變形的能力增強(qiáng)，角變形反而減小。在同等外界條件、熱輸入和焊縫增加厚度相同的前提下，打底階段的變形大于蓋面階段的變形。

在夾緊梁的焊接過程中，采用兩條焊縫對(duì)稱交替焊接，使得夾緊梁整體所產(chǎn)生的角變形相互抵消最終使得焊件整體平面度達(dá)到檢測(cè)要求。先焊一面，然后翻面焊接另外一面，使其產(chǎn)生的角變形稍大于先焊的一面。在焊接過程中，隨時(shí)檢測(cè)平面度（對(duì)于變形量的測(cè)量可以采用拉粉線和測(cè)量另一側(cè)坡口寬度），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。這樣交替進(jìn)行，直到兩條焊縫焊完。

3.4 焊接設(shè)備改造

3.4.1 設(shè)備要求

根據(jù)目前現(xiàn)有的窄間隙設(shè)備，更換更長的窄間隙焊槍來完成該夾緊梁的焊接工作。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)備方面必須達(dá)到以下幾個(gè)要求：

（1）焊槍長度至少要大于550 mm，焊槍厚度不宜過大，且需要足夠的強(qiáng)度，不至于在高溫環(huán)境中發(fā)生變形。

（2）焊槍表面需要進(jìn)行絕緣處理，避免不必要的損失。

（3）焊接過程需要有跟蹤系統(tǒng)的保證，避免產(chǎn)生焊接缺陷。

3.4.2 設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)產(chǎn)品要求主要對(duì)焊槍部分進(jìn)行改進(jìn)，研制了適合的焊槍，該焊槍可以焊接600 mm深的窄間隙坡口，且焊槍部分的主體材料采用具有良好力學(xué)性能、耐磨性和良好導(dǎo)電性能的鉻青銅，因而具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐高溫和導(dǎo)電性能。導(dǎo)電部分的外表面采用陶瓷噴涂，絕緣性良好且不易剝落，以防止焊槍導(dǎo)電臂與工件側(cè)壁導(dǎo)電。焊槍外觀如圖2所示。

圖2 改造后的焊槍

設(shè)備繼續(xù)沿用以往窄間隙的跟蹤系統(tǒng)，采用橫向和高度兩維跟蹤。橫向跟蹤機(jī)構(gòu)采用雙側(cè)接觸式跟蹤方式，兩個(gè)橫向跟蹤爪始終與坡口的兩側(cè)接觸（彈性接觸），通過傳感器的控制，來調(diào)節(jié)機(jī)頭滑板的位置，保證焊槍（絲）與坡口邊緣的距離保持不變。高度也同樣采用接觸式的跟蹤方式。另外，考慮到焊縫坡口較深，根部不易觀察，設(shè)備上配置較強(qiáng)的照明設(shè)施，利于操作人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的觀測(cè)和調(diào)整。

3.5 焊后熱處理

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

表4 熱處理工藝參數(shù)

在整體熱處理前檢測(cè)焊縫質(zhì)量和焊件變形量，對(duì)不合格的進(jìn)行返修，熱處理裝爐時(shí)應(yīng)使板件側(cè)立并點(diǎn)好墊鐵，防止變形。

4 實(shí)施效果

現(xiàn)場(chǎng)施工中確保按工藝執(zhí)行，通過對(duì)設(shè)備的有效改造，夾緊梁焊接完成后，經(jīng)檢驗(yàn)焊件的變形量小于等于2 mm，符合檢驗(yàn)要求，超聲波探傷后，焊縫達(dá)到JB/T 4730-2005探傷標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)焊縫要求。焊縫取樣化驗(yàn)，各項(xiàng)性能良好，合金元素達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)施焊如圖3所示。

圖3 夾緊梁現(xiàn)場(chǎng)施工

深坡口的焊接在防止焊接缺陷的同時(shí)，加強(qiáng)了焊件的變形控制，防止焊縫拘束過大而產(chǎn)生裂紋。

[1]于今，胡宇航，黃國勤，等.800 MN模鍛壓機(jī)主動(dòng)同步系統(tǒng)的建模與分析[J].鍛壓技術(shù)，2016，41（12）：88-94.

[2]鄧洪軍.焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3]王鑫，魏愛玲，郝貴敏.窄間隙埋弧焊技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].技術(shù)研發(fā)，2016，23（4）：130.

[4]英若采.熔焊原理及金屬材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000.

[5]雷世明.焊接方法與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]謝義斌.大厚板焊接工藝[J].金屬加工（熱加工），2016（16）47-50.

Narrow gap submerged arc welding technology of the clamping beam of 800 MN die forging press

DU Juan，HOU Yong，RAN Chuanhai，ZHANG Xiang，ZHAI Dajun
（Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China）

In this paper，the manufacturing process of clamping beam，which is the key components of 800MN die forging press，was studied.The difficulties of manufacturing process are high planeness，easy to produce cold cracks and the limited capability of the conventional narrow-gap welding machine.In consideration of the above manufacturing difficulties and the welding characteristics of thick plate of low-alloy high-strength steel，proper welding method and material，alternate welding of two symmetrical welds，the improvement of welding torch and hydrogen elimination treatment after welding immediately are adopted to improve the accuracy and quality of product，thus to some extent，the deformation of weld was relieved，and the quality of welding joints was improved.This research will be help to prompt the widely use of similar welding of thick plate in the welding project.

clamping beam；welding technology；narrow gap submerged arc welding

TG445

B

1001－2303（2017）06－0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.13

2016-07-12；

2017-06-11

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201612763003）

杜 娟（1987—），女，碩士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)制造與工藝相關(guān)的研究工作。E-mail：406537091@qq.com。