索曉溪

大型高精度無縫軌道焊接技術(shù)研究

索曉溪

對(duì)于材質(zhì)為42CrMo大型高精度無縫軌道焊接時(shí)，采用焊接改性層、填充層、堆焊層的焊接結(jié)構(gòu)形式，通過預(yù)熱、反變形、控制溫度和焊后熱處理等措施，可有效的確保焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊接裂紋，也可以有效的消除焊接應(yīng)力，確保整個(gè)軌道的平面度，滿足大型射電望遠(yuǎn)鏡方位軌道的連續(xù)、高精度、高強(qiáng)度、高耐磨性的設(shè)計(jì)要求。

1 概述

隨著我國深空探測事業(yè)的日益發(fā)展，大型射電望遠(yuǎn)鏡的需求也日益增大，射電望遠(yuǎn)鏡的精度越來越高，口徑越來越大，如何實(shí)現(xiàn)方位軌道的連續(xù)、高精度、高強(qiáng)度是急待突破的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

目前大型輪軌式天線方位軌道有分段拼接軌道和整體軌道兩種形式。雖然分段拼接軌道具有加工、安裝工藝相對(duì)容易，造價(jià)低的優(yōu)勢，但在拼接處接觸應(yīng)力大，變形大，整體剛性差等弊端。隨著天線口徑的增大，使用性能要求的增加，近年來國內(nèi)外建造的輪軌式天線大多采用了方位軌道整體焊接技術(shù)。大型天線方位軌道要求具有高強(qiáng)度、高耐磨性要求，材料選擇為中碳合金鋼，其焊接性能差。另外由于承受載荷大，軌道設(shè)計(jì)尺寸大，導(dǎo)致焊接焊縫尺寸大，所以在方位軌道整體焊接后極易產(chǎn)生較大變形，也容易出行焊接裂紋等問題。

針對(duì)大型整體焊接軌道的特點(diǎn)，我們在焊接變形控制、焊接熱能控制、焊接應(yīng)力釋放等方面深入研究分析，通過焊接試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)件的檢驗(yàn)測試，獲取可靠可行的軌道整體焊接技術(shù)。

2 材料的選擇

對(duì)于大型輪軌式天線的方位軌道的材料來說，它必須具有高強(qiáng)度、高耐磨性和良好的機(jī)械性能，才能滿足設(shè)計(jì)要求。為了滿足性能要求，軌道采用的材料是42CrMo，它具有高的強(qiáng)度，表面感應(yīng)淬火后具有高的硬度和耐磨性，淬透性好使得軌道整體具有良好的機(jī)械性能，但同時(shí)它是一種具有淬硬傾向比較明顯、冷裂紋傾向比較嚴(yán)重、相對(duì)比較難焊接的材料。所以為保證質(zhì)量，焊接方法就尤為重要。

3 焊接技術(shù)

考慮到42CrMo材料焊接裂紋傾向嚴(yán)重，直接在焊縫中焊接具有高強(qiáng)度的材料會(huì)容易出現(xiàn)焊接裂紋，所以采用在焊縫上先堆焊層低碳合金鋼材料的改性層，然后在堆焊高強(qiáng)度的填充層，然后在表面堆焊高硬度的堆焊層，增加耐磨性。

3.1 焊接方式

采用手工電弧焊，焊條直徑為3.2mm，焊接電源為直流反接，多層多道焊接。

3.2 溫度控制

由于42CrMo材料焊接難度大，所以焊接溫度的選擇和焊接溫度的控制是核心問題。焊接溫度包括：預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度。

預(yù)熱溫度

預(yù)熱方式。采用厚板焊接中慣用的履帶式電加熱器預(yù)熱，再加上石棉布封閉覆蓋的預(yù)熱方法。

預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度的確定，主要與焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量、坡口形式、母材化學(xué)成分、焊接構(gòu)件的拘束度大小等因素有關(guān)，對(duì)預(yù)熱溫度公式計(jì)算僅作參考，在實(shí)際焊接過程中，需要一些工藝試驗(yàn)及修正，使預(yù)熱溫度和層間溫度不低于計(jì)算值。

層間溫度控制

采用多層焊接方式，雖然在焊接過程中次層可對(duì)前層有消氫作用，能改善淺層焊縫及熱影響區(qū)的淬硬組織，但由于焊接環(huán)境不能嚴(yán)格控制層間溫度，會(huì)造成氫量的逐層積累，導(dǎo)致延遲裂紋的傾向更大。為了滿足不產(chǎn)生裂紋的施工條件，在整個(gè)施焊過程中，用履帶式加熱器進(jìn)行保溫，用溫度計(jì)監(jiān)測層間溫度，使層間溫度控制在240~260℃范圍內(nèi)。

焊后熱處理溫度

焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理可以減少或消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊層的顯微組織，并可加速焊縫中的氫向外擴(kuò)散。焊后熱處理對(duì)42CrMo的熱影響區(qū)和焊縫組織還具有韌化結(jié)果。為了使焊縫金屬中的氫加速擴(kuò)散逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)的含氫量，工件應(yīng)在焊后立即進(jìn)行消氫處理。采用較高溫度的去應(yīng)力處理，可使焊層和熱影響區(qū)的氫含量和內(nèi)應(yīng)力降至很低的水平，從而避免出現(xiàn)延時(shí)裂紋。根據(jù)42CrMo調(diào)質(zhì)回火溫度，選擇焊后熱處理溫度為380～420℃，加熱保溫還是采用履帶式加熱器和石棉布保溫。

4 焊接實(shí)驗(yàn)

4.1 焊前準(zhǔn)備

為了焊接質(zhì)量高，焊接前應(yīng)該做好如下準(zhǔn)備：焊前必須清除地軌焊縫100mm處的油污、鐵銹、水等雜質(zhì)；把地軌放置在焊接工裝上，調(diào)整水平；準(zhǔn)備好履帶式加熱器和石棉布；焊條在使用前按說明進(jìn)行300℃烘干，保溫1小時(shí)以上；準(zhǔn)備好焊機(jī)和焊接保護(hù)工具。

4.2 焊接過程

改性層的焊接。按前面所提的焊接方法，并采用履帶式加熱器加熱保溫，以保證層間溫度，焊接低合金鋼材料，對(duì)焊縫坡口表面進(jìn)行改性焊接。

填充層的焊接。填充層采用中碳合金鋼焊條對(duì)焊縫進(jìn)行填充，盡量不要擺動(dòng)焊條，在不產(chǎn)生裂紋情況下每個(gè)焊縫盡量薄，不大于3mm，且引弧位置錯(cuò)開，收弧是填充弧坑。在焊接過程中，對(duì)每層焊道進(jìn)行清渣并檢查，對(duì)已產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，再進(jìn)行焊接，為減小焊接應(yīng)力與變形，對(duì)每層道都進(jìn)行錘擊。

堆焊層的焊接。堆焊層焊接的焊條為高硬度、高強(qiáng)度，在焊接過程中要嚴(yán)格控制層間溫度，對(duì)已產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，在表面與母材連接的地方要注意焊接角度，避免咬邊現(xiàn)象。

4.3 焊后熱處理

整個(gè)工件焊接完畢后，立即用石棉布纏緊焊縫周圍，加熱帶全部加熱，并在焊縫與加熱帶之間用厚度為4mm厚的銅板隔開，加熱至250～350℃，保溫8小時(shí)以上，并在包裹嚴(yán)密的情況下緩冷。

4.4 焊縫打磨

熱處理完成后要對(duì)焊縫打磨，用可移動(dòng)式磨床對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，保證焊接部位的軌道平面度。

5 變形控制

變形過程的監(jiān)控。在整個(gè)焊件過程中，由于焊接熱量集中及母材厚度大，焊縫深度深等原因，焊件將發(fā)生較大變形，為監(jiān)控變形量，在每個(gè)軌道表面八個(gè)位置做標(biāo)識(shí)，用水準(zhǔn)儀實(shí)施監(jiān)測。

變形調(diào)整與控制。采用支撐千斤頂和工裝上方壓的方法和反變形相結(jié)合，調(diào)整變形。焊前反變形預(yù)留1mm高差的變形量。最終變形量調(diào)整在0.50mm以內(nèi)。

6 消除焊接應(yīng)力

為了保證軌道的整體水平度在0.5mm以內(nèi)，應(yīng)該減少和控制焊接應(yīng)力，在焊接過程中采用下面的措施來減小焊接應(yīng)力：用錘頭圓角為1～1.5mm的風(fēng)鏟逐層錘擊焊道表面；在焊件破口根部加工12mm的應(yīng)力釋放孔；焊接結(jié)束后熱處理。

經(jīng)過多次的焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，地軌母材采用42CrMo時(shí)，采用焊接改性層、填充層、堆焊層的焊接結(jié)構(gòu)形式，通過預(yù)熱、反變形、控制溫度和焊后熱處理等措施，可有效的確保焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊接裂紋，也可以有效地消除焊接應(yīng)力，確保整個(gè)軌道的平面度，滿足大型射電望遠(yuǎn)鏡方位軌道的連續(xù)、高精度、高強(qiáng)度、高耐磨性的設(shè)計(jì)要求。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所）