王占亮 富泉 李鍇 劉建平

30CrMnSiA大型結(jié)構(gòu)焊接

王占亮 富泉 李鍇 劉建平

【摘要】本結(jié)構(gòu)件所用材料為30CrMnSiA，根據(jù)結(jié)構(gòu)件所用板材的規(guī)格選用30mm板材進(jìn)行了兩種焊絲的焊接工藝評定，并根據(jù)對照性試驗(yàn)，制定了合理的焊接工藝及參數(shù)，成功完成大型結(jié)構(gòu)件的焊接工作，同時(shí)也為此類材料的焊接提供了解決方案。

1. 概述

我公司接到某軍工產(chǎn)品（見圖1、圖2），外形尺寸為690mm×φ4500mm/φ3500mm（圓環(huán)）；材料為30CrMnSiA；最大板厚為80mm；質(zhì)量8.4t；要求所有焊縫進(jìn)行連續(xù)焊接，焊后要求進(jìn)行MT、PT探傷；并要求所有外露面均需加工，且一些面的加工精度要求達(dá)到Ra=0.4um。

此大型結(jié)構(gòu)件為某軍工產(chǎn)品最為關(guān)鍵的部件，在整臺機(jī)床上為主要的受力和支撐部件。該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上相對比較簡單，但由于其材料的特殊性給焊接方面帶來了極大的困難。該構(gòu)件使用的材料全部為30CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼，且是公司第一次接觸，無制作經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過查閱大量的資料，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并多次與相關(guān)技術(shù)人員交流，進(jìn)行了焊接工藝評定，選取了合適的焊前預(yù)熱溫度、保護(hù)性氣體和焊絲，經(jīng)一系列的試驗(yàn)之后確定了一套完整的焊接工藝。

2. 材料焊接性分析

30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼。這種鋼退火狀態(tài)下的組織是鐵素體和珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體（統(tǒng)稱回火馬氏體），其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算，其CE=0.73%，具有較高的淬硬傾向，焊接接頭極易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂傾向。

鑒于以上情況，結(jié)合本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用焊前預(yù)熱、焊后緩冷，并需要根據(jù)實(shí)際板材厚度進(jìn)行焊接工藝評定。

3. 焊接工藝評定

（1）焊接方法的確定根據(jù)本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證生產(chǎn)周期及產(chǎn)品的過程控制，采用焊接效率較高的氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。

（2）焊絲確定查閱相關(guān)文件，對于合金結(jié)構(gòu)鋼，通常要求焊縫金屬的主要合金成分與母材金屬相同或相近的焊絲。根據(jù)實(shí)際選用H18CrMoA、ER50—6。

圖1　結(jié)構(gòu)三維

圖2　截面

表1　30CrMnSiA鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

（3）氣體選擇保護(hù)性氣體選擇20%CO2+80%Ar的混合氣體，純度為99.9%。

（4）試板厚度選擇本結(jié)構(gòu)的板厚為20～80mm，根據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)中“對接焊縫試件厚度與焊件厚度規(guī)定”選用了36mm厚鋼板。

（5）預(yù)熱溫度及保溫時(shí)間選擇預(yù)熱溫度初步確定為250℃，在分件制作過程中選用的是預(yù)熱帶對焊接位置進(jìn)行加熱，加熱到250℃以后保溫1h，使焊縫附件的母材內(nèi)外溫度達(dá)到一致，這樣在焊接過程中就使得熔池溫度達(dá)到穩(wěn)定一致，并且有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋。同時(shí)也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性，確保了焊縫質(zhì)量。

（6）焊后探傷焊接工藝評定試板規(guī)格為兩組36m m× 150mm×350mm，焊接完成24h后對試板進(jìn)行了UT和MT探傷，使用JB/4730—2005標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級。經(jīng)專業(yè)探傷人員檢查合格后進(jìn)行熱處理。

（7）焊后熱處理為了消除焊接的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定焊縫組織，在焊接完成后需要進(jìn)行熱處理，在330～350℃保溫3～4h，升溫速率為50～70℃/h，然后閉爐冷卻。

（8）試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)制作了4組試板，對其進(jìn)行拉伸和彎曲等試驗(yàn)，在每塊試板上分別取兩個(gè)試塊分別做拉伸、彎曲、宏觀金相試驗(yàn)，其中各項(xiàng)指標(biāo)如表2、表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，利用氣體保護(hù)焊，兩種焊絲均能達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)要求，但從實(shí)際生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益考慮，決定采用ER50—6作為生產(chǎn)使用焊絲，并確定了一套完整的焊接工藝，具體焊接參數(shù)如表4所示。

表2　拉伸試驗(yàn)

表3　彎曲試驗(yàn)與宏觀試驗(yàn)

表4　橫焊焊接參數(shù)

4. 實(shí)際焊接生產(chǎn)

（1）材料選擇及排版對圖樣零件重新拆分，制作三維圖形確定焊接坡口形式，多次對下料尺寸進(jìn)行修正，經(jīng)多次修改后，確定出幾種可以相互替代的板材規(guī)格，由最初計(jì)劃的65.4t降為46.9t，節(jié)省成本為30.5萬元。在材料到公司之后，質(zhì)檢人員對板材按JB 4730—2005全部進(jìn)行UT探傷。

（2）分件制作本結(jié)構(gòu)為8個(gè)重要部分組成，其中4個(gè)圓環(huán)的制作由于焊縫位置較為脆弱，所以要求在滾圓拼焊完成之后不允許再次上滾床進(jìn)行重新滾圓，并且φ4 500mm的圓環(huán)在拼焊完成之后誤差≤3mm，使分號件滿足工藝要求。

（3）整體焊接根據(jù)工藝要求整體預(yù)熱是在公司的退火爐中進(jìn)行加熱的，加熱到300℃保溫一段時(shí)間，待工件冷卻至250℃，從爐體中直接拉出，24h不間斷進(jìn)行焊接，一次性完成焊接任務(wù)。

具體焊接工藝如下：

第一，爐內(nèi)工件溫度升溫至300℃，保溫2h，隨爐冷卻，待工件緩冷至250℃左右時(shí)出爐。除需焊接部位外，其他外露部分均采用石棉覆蓋，達(dá)到緩冷效果。

第二，施焊過程中，采取均布、多層多道的焊接方法，同時(shí)，同一道焊縫不要一次性完成，每道焊采用均勻布焊，完成焊接。

第三，焊接過程中存在兩次翻面：第一次翻面的時(shí)間為對分件1兩道平坡口焊，件2與件3、件4與件3、5橫坡口焊時(shí)，待焊縫完成1/2時(shí)，進(jìn)行翻面；裝車，按預(yù)熱要求進(jìn)行另一面的焊接，做到均勻、均布，完成該面所有焊接，然后進(jìn)行第二次翻面，按預(yù)熱工藝要求完成第一面的焊接。

第四，然后進(jìn)燜火爐，按燜火工藝進(jìn)行燜火處理。

5. 結(jié)語

通過嚴(yán)格控制制作過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，對每一個(gè)可能出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)事先一一進(jìn)行解決，利用已有的焊接經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，再加上技術(shù)人員、檢驗(yàn)人員及焊接工人師傅們的共同努力，最終保質(zhì)保量按時(shí)完成攻關(guān)的任務(wù)。該大型結(jié)構(gòu)件的成功焊接，不僅在對30CrMnSiA這種特殊材料焊接的工藝方案制作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為今后此類大型結(jié)構(gòu)件的制作提供了實(shí)例依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭昌永，范如源，郭鵬．調(diào)質(zhì)態(tài)30CrMnSiA支架的等強(qiáng)度焊接及變形控制研究[J]．工程材料應(yīng)用，2013，40(3)：53-55.

[2]邊鋒．熱處理工藝參數(shù)對30CrMnSiA調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能和組織的影響[J]．特鋼技術(shù)，2008，14(2)：24-25.

作者簡介：王占亮等，武漢武重金屬結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司。