大型35CrMo圓筒的制作新工藝

李普陽(yáng) 王玉柱 齊 李

上海船舶設(shè)備研究所 上海 200030

0 引言

隨著升降設(shè)備的快速發(fā)展，各種特殊用途的升降設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)不同使用工況升降設(shè)備的立柱各有不同，根據(jù)不同使用環(huán)境材質(zhì)的選擇也各不相同。本文介紹一種特殊承重用途的立柱，該立柱為圓筒形，立柱直徑、長(zhǎng)度、壁厚的尺寸均較大，材質(zhì)選用35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼板。

通常35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的設(shè)備的重要零件，常用的形式為鍛造件，屈服強(qiáng)度為835 MPa，抗拉強(qiáng)度為980 MPa，材料的整體性能優(yōu)越。本文所述設(shè)備為了降低制作成本，選用一定厚度的35CrMo 鋼板溫卷后焊接制作圓筒，這樣既可降低制造成本，又可滿足設(shè)備的特殊使用需要。

35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量值為Ceq＝0.72%，含碳量較高，屬于較難焊接的材料，由于該材料焊接性能差，焊接件并未得到廣泛使用。本文所制作的圓筒直徑和長(zhǎng)度偏大，整體鍛造成本較高，鍛造時(shí)壁厚大，調(diào)質(zhì)調(diào)不透，圓筒中間和外側(cè)性能不一致，熱處理難以滿足設(shè)備的使用需要，故采用3 層鋼板卷制再熱套的工藝制作。

1 圓筒的卷制

1.1 圓筒的外形尺寸

如圖1 所示，圓筒內(nèi)徑為2 500 mm，外徑為3 140 mm，壁厚為320 mm，單節(jié)長(zhǎng)度為2 000 mm。由于圓筒直徑和壁厚都較大，鍛造件制作困難，熱處理工藝難以保證整個(gè)圓筒不同部位的機(jī)械性能一致。為了滿足圓筒機(jī)械性能的需要，同時(shí)降低制作成本，采用厚度為120 mm 的鋼板卷制成3 個(gè)不同直徑的圓筒，通過(guò)熱處理工藝保證圓筒不同部位的機(jī)械性能一致，最后再精加工圓筒的內(nèi)外壁，將不同直徑、不同壁厚的圓筒熱套在一起，組成一個(gè)320 mm 的厚圓筒。

圖1 筒體的尺寸示意圖

鋼板厚度為120 mm，卷制前使用超聲波對(duì)鋼板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，鋼板內(nèi)部無(wú)缺陷，目測(cè)表面無(wú)裂紋，用游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼板的不同部位，板厚基本一致，滿足卷板機(jī)的卷板需要。鋼板入廠檢測(cè)合格后進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 35CrMo 的化學(xué)成分

1.2 卷板機(jī)的合理選擇

由于圓筒鋼板較厚，材料屈服強(qiáng)度較高，卷校圓所需要的卷制力較大，選擇合適的設(shè)備非常重要。卷板機(jī)的工作能力由卷板板寬、卷板厚度、卷筒直徑和板材的屈服極限等參數(shù)決定。應(yīng)用較廣泛的對(duì)稱上調(diào)式三輥卷板機(jī)，一般在使用說(shuō)明書中僅給出機(jī)器最大工作能力，即所卷板材屈服極限為δ，最大板厚H，卷制最小卷筒直徑D，最大板寬B。

由卷板設(shè)備能力換算可知，當(dāng)鋼板厚為定值時(shí)，板寬越小需要的卷制力越小，鋼板的屈服強(qiáng)度越小，對(duì)設(shè)備的卷制力就越小。以對(duì)稱上調(diào)式三輥卷板在最大工作能力時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求為標(biāo)準(zhǔn)，在卷筒直徑、卷板寬度和鋼板屈服強(qiáng)度確定后，即可校核選擇卷板的最大厚度[1]。

圓筒板寬與圓筒的使用相關(guān)，選擇2 000 mm 的寬度較合適。鋼板出廠狀態(tài)為正火板，屈服強(qiáng)度約為550 MPa，硬度約為HBW 162。為了提高卷板機(jī)的卷板能力，避免鋼板卷制時(shí)產(chǎn)生裂紋，鋼板在卷制前采用火焰加熱，將鋼板整體加熱至350℃～450℃，使鋼板受熱均勻。圖2 為 Cr-Mo 鋼的屈服強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，圖中曲線顯示，隨著溫度的上升，材料的屈服強(qiáng)度大大下降；圖3 為 Cr-Mo 鋼的伸長(zhǎng)率隨溫度的變化曲線，圖中曲線顯示，隨著材料溫度的上升，材料的伸長(zhǎng)率變化不大，35CrMo 鋼板加熱卷制表面不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖2 Cr-Mo 鋼的屈服強(qiáng)度隨溫度的變化

圖3 Cr-Mo 鋼的伸長(zhǎng)率隨溫度的變化

經(jīng)過(guò)對(duì)卷板機(jī)卷板能力核算，選取設(shè)備滿足鋼板厚度為120 mm 的卷制需要，鋼板的卷制過(guò)程如圖4 所示。鋼板溫卷的加熱溫度僅為350℃～450℃，低于550℃，該溫度下材料的性能不會(huì)發(fā)生不可逆變化，溫卷不影響圓筒調(diào)質(zhì)的整體性能。由于使用大型卷板機(jī)卷板時(shí)存在圓度誤差，為了保證圓筒的尺寸，卷板前預(yù)留部分機(jī)加工余量，具體余量可參考表2 所示數(shù)據(jù)。

表2 圓筒的尺寸（焊接前） mm

圖4 卷板機(jī)卷板狀態(tài)

1.3 圓筒縱焊縫的焊接

在卷板時(shí)，按照加工前的直徑卷制內(nèi)圓筒、中圓筒和外圓筒。為了焊接圓筒縱焊縫方便，制作焊接坡口，圓筒縱焊縫的坡口形式如圖5 所示。

圖5 縱焊縫坡口形式

35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)量較高，焊接性能差主要表現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)脆化、軟化和裂紋傾向嚴(yán)重。在焊接時(shí)，應(yīng)采取焊前預(yù)熱和后熱處理措施，預(yù)熱溫度為200℃～350℃，后熱溫度為300℃左右。由于焊后不能及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，焊后需要進(jìn)行中間熱處理，即在等于或高于預(yù)熱溫度下進(jìn)行保溫一段時(shí)間的熱處理，如低溫回火或650℃～680℃高溫回火。為了減少熱裂紋，焊材選用低碳焊絲，焊接時(shí)采用小線能量焊接。考慮到卷板后的焊接變形和熱處理變形，采用補(bǔ)償法滿足圓筒直徑要求，卷板時(shí)圓筒直徑較小，焊接和調(diào)質(zhì)后圓筒直徑變大，變大后的直徑機(jī)加工后可滿足圓筒的直徑要求。焊接完成后進(jìn)行射線檢測(cè)，焊縫強(qiáng)度需要設(shè)計(jì)要求。

35CrMo 鋼板在焊接前需要預(yù)熱，預(yù)熱后的筒體溫度較高，不適合工人長(zhǎng)期貼近筒體作業(yè)，筒體開(kāi)坡口后焊縫深度＞100 mm，焊條利用率大大降低，焊縫較長(zhǎng)，焊縫截面尺寸較大，工人手工焊接效率特別低，采用專用設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)焊可節(jié)省人工，提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量。為了保證焊縫強(qiáng)度和母材強(qiáng)度一致，選擇合適的自動(dòng)焊焊材和焊接方案尤為重要[2]。通過(guò)多次嘗試找到了合適的焊材，可匹配合理地自動(dòng)焊工藝做出試樣。經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定（見(jiàn)表3），焊縫強(qiáng)度接近母材強(qiáng)度，滿足圓筒的強(qiáng)度和剛度需要[3]。

表3 焊縫焊接工藝評(píng)定統(tǒng)計(jì)表

表4 不同回火溫度試樣的常規(guī)力學(xué)性能

2 圓筒的調(diào)質(zhì)和熱套

2.1 圓筒在不同回火溫度下的性能

35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過(guò)860℃淬火，再經(jīng)200℃、300 ℃、400 ℃、550 ℃、650 ℃等不同溫度回火，在200℃或300℃回火后可得到回火馬氏體，在400℃回火時(shí)可得到回火屈氏體，在550℃或650℃回火時(shí)可得到回火索氏體，每種回火組織測(cè)定3 ～5 個(gè)試樣的常規(guī)力學(xué)性能，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如4 表所示[4]。

根據(jù)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制常規(guī)機(jī)械性能與回火溫度關(guān)系曲線，如圖6 所示。由圖6 可知，35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及硬度隨回火溫度升高而單調(diào)下降，伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌性隨回火溫度升高而單調(diào)上升[5]?？紤]到圓筒的特殊用途，確定筒體的回火溫度為560℃。

圖6 常規(guī)力學(xué)性能與回火溫度的性能曲線

2.2 圓筒的調(diào)質(zhì)

在圓筒體卷板時(shí)，加熱溫度不高于550℃，板材卷制后仍為正火態(tài)。為了使板材發(fā)揮較好綜合性能，板材需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)。為了降低熱處理對(duì)圓筒的變形影響，圓筒調(diào)質(zhì)前制作工裝，在圓筒一周添加約束，以避免筒體在熱處理時(shí)發(fā)生較大變形。將帶有工裝的工件裝入爐中，升溫至860℃±10℃，保溫1.5 h；出爐油淬至常溫，再將工件裝入井式爐中，升溫至560℃±10℃，保溫3 h；出爐空冷[6]，熱處理過(guò)程如圖7 所示。采用油淬火，由于其冷卻速度比水淬火小得多，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也小得多，故圓筒在油淬火時(shí)不易開(kāi)裂[7]。

圖7 圓筒的調(diào)質(zhì)

在圓筒調(diào)質(zhì)完成后，經(jīng)檢測(cè)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。圓筒調(diào)質(zhì)后綜合性能滿足使用要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精加工，加工完成后圓筒體的外形尺寸如表6 所示，筒體滿足熱套的要求。

表5 圓筒力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 圓筒的尺寸（機(jī)加工后） mm

2.3 圓筒的熱套

熱膨脹系數(shù)用來(lái)表示金屬尺寸隨溫度的變化規(guī)律，一般是指線膨脹系數(shù)，平均線膨脹系數(shù)是物體在溫度t1～t2時(shí)，溫度平均變化1℃相應(yīng)熱膨脹率為α，金屬的熱膨脹系數(shù)公式為

式中：α為材料的熱膨脹系數(shù)，L0為金屬材料的長(zhǎng)度，L1為材料加熱前的長(zhǎng)度，L2為材料加熱后的長(zhǎng)度，t1為材料的加熱前的溫度，t2為材料的加熱后的溫度。

35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼在20℃～400℃的線膨脹系數(shù)為（12.3 ～14.6）×10-6℃-1。材料的熱膨脹系數(shù)是材料自身屬性的一部分，不會(huì)隨著材料的外形尺寸變化發(fā)生較大改變[8]。

當(dāng)圓筒體熱套時(shí)，需要再次加熱溫度為300℃，如圖8 所示。該溫度低于圓筒調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度560℃，熱套時(shí)加熱材料的力學(xué)性能不發(fā)生改變。假定室溫溫度為20℃，筒體熱套時(shí)的溫度為300℃，取線膨脹系數(shù)為13×10-6℃-1，將溫差帶入公式計(jì)算筒體的熱膨脹量，即

圖8 圓筒熱套的火焰加熱

式中：ΔL為筒體沿圓周方向的膨脹長(zhǎng)度，L為筒體周長(zhǎng)，t1為筒體加熱前的溫度，t2為筒體加熱后的溫度。

將筒體周長(zhǎng)的熱膨脹長(zhǎng)度換算為直徑的增大尺寸Δd，即有

式中：Δd為筒體沿半徑方向的膨脹長(zhǎng)度。

由圓筒半徑的熱膨脹計(jì)算可知，半徑的熱膨脹量遠(yuǎn)大于筒體的半徑加工公差，中圓筒均勻加熱后可順暢地與內(nèi)圓筒熱套，外圓筒均勻加熱后順暢地與中圓筒熱套。在熱套過(guò)程中，應(yīng)避免因2 個(gè)圓筒不平行導(dǎo)致的卡死現(xiàn)象。當(dāng)圓筒局部卡住時(shí)，可用液壓壓機(jī)將2 個(gè)圓筒體壓合在一起，應(yīng)避免套不進(jìn)拔不出的情況發(fā)生。待加熱的圓筒冷卻至室溫時(shí)，圓筒收縮，內(nèi)外側(cè)筒壁可有效地貼合在一起，內(nèi)外筒壁之間為小間隙配合，既可保證圓筒承載時(shí)受力均勻，又可內(nèi)外筒體之間不會(huì)脫開(kāi)，內(nèi)外筒壁之間無(wú)滑動(dòng)。

2.4 法蘭的制作

圓筒法蘭采用35CrMo 結(jié)構(gòu)合金鋼板卷制，法蘭的內(nèi)徑為3 140 mm，高度為210 mm，厚度為145 mm。由于調(diào)質(zhì)時(shí)法蘭與圓筒的變形不一致，法蘭和圓筒在調(diào)質(zhì)不能焊接在一起，如果焊接成整體再調(diào)質(zhì)，圓筒和法蘭的收縮率不一致會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂，使整個(gè)圓筒不能使用。

法蘭在單獨(dú)調(diào)質(zhì)時(shí)，直徑大，呈現(xiàn)圓形細(xì)長(zhǎng)狀態(tài)。由于法蘭自身剛性較差，在調(diào)質(zhì)時(shí)不僅圓度會(huì)發(fā)生變形，其徑向也會(huì)發(fā)生扭曲波浪變形。為了降低法蘭在熱處理時(shí)發(fā)生的較大變形，調(diào)質(zhì)前應(yīng)以工裝加固法蘭，盡可能避免法蘭發(fā)生過(guò)大變形而無(wú)法校正[9]。在調(diào)質(zhì)完成后，測(cè)量法蘭的平面度，平面度誤差約40 mm，用加熱校正的方法將法蘭的平面度校正到5 mm 以內(nèi)再進(jìn)行機(jī)加工，加工后法蘭與圓筒的熱套尺寸滿足過(guò)渡配合要求。

2.5 圓筒與法蘭的連接

圓筒和法蘭的連接與圓筒多層之間的連接類似，均采用過(guò)渡配合尺寸加工再熱套成整體。過(guò)渡配合既可使圓筒與法蘭之間不滑動(dòng)，也可保證法蘭不受圓筒的內(nèi)應(yīng)力影響，圓筒和法蘭均可具有較好的使用狀態(tài)。圖9 所示為多段圓筒焊接完成后使用螺栓連接的狀態(tài)。

圖9 圓筒與法蘭焊接后的狀態(tài)

2.6 多段圓筒之間的連接

圓筒之間內(nèi)外徑相同，圓筒在承受軸向載荷時(shí)通過(guò)筒徑直接傳遞，法蘭僅起到連接作用，其傳遞載荷的強(qiáng)度不會(huì)影響到筒體整體的承載能力。

3 結(jié)論

1）使用35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼板卷制承載圓筒代替35CrMo 鍛造件可達(dá)到材料的綜合性能要求，是一種既節(jié)省成本又滿足使用需要的新工藝。

2）通常使用手把焊即可使焊縫強(qiáng)度和母材強(qiáng)度保持一致，在手把焊不合適的情況下，通過(guò)合理的焊接工藝，圓筒縱焊縫全部使用自動(dòng)焊焊接，焊縫強(qiáng)度也能達(dá)到母材的強(qiáng)度。

3）使用不同直徑的薄圓筒熱套成一個(gè)厚圓筒，熱套后不同直徑的圓筒內(nèi)外壁之間無(wú)間隙，內(nèi)外圓筒之間不產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力。

4）法蘭在調(diào)質(zhì)時(shí)與筒體在調(diào)質(zhì)時(shí)熱變形不一致，法蘭和圓筒需單獨(dú)制作調(diào)質(zhì)，精加工后再熱套成整體。

5）圓筒與圓筒之間、法蘭與圓筒之間熱套時(shí)的溫度低于材料調(diào)質(zhì)的回火溫度，材料的綜合力學(xué)性能不因熱套2 次加熱而降低。