潘子祥

(攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617062)

推土機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等重型設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)油缸焊縫處產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，在修復(fù)TY320型推土機(jī)松土器油缸的1只油缸時(shí)，油缸后缸蓋與缸筒焊接產(chǎn)生大量裂紋，經(jīng)多次清除裂紋后重新焊接，裂紋均難以避免。

1 焊接性分析

（1）TY320型推土機(jī)松土器油缸的缸筒材質(zhì)為35#鋼，由無(wú)縫鋼管加工制作而成，壁厚25mm。油缸后缸蓋材質(zhì)為35#鋼鍛件，缸蓋厚度48mm。其結(jié)構(gòu)如圖1。作為35#鋼，兩者焊接性能較好，一般不會(huì)出現(xiàn)裂紋，35#鋼的化學(xué)成分見表1。

圖1 TY320松土器提升液壓油缸圖

但實(shí)際焊接修復(fù)過(guò)程中卻反復(fù)出現(xiàn)焊縫中心裂紋，為此，我們對(duì)其分別進(jìn)行了取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油缸后缸蓋化學(xué)成分中碳和硫的含量超標(biāo)，見表2。

由表2的分析結(jié)果可見，油缸后缸蓋的C含量達(dá)到0.49%，特別是S含量達(dá)到0.068%，高S是引起焊縫熱裂紋的主要原因。硫在焊接冶金條件下與鐵形成Fe－FeS共晶體，其熔點(diǎn)僅有985℃。在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，這些低熔點(diǎn)共晶體被排擠在柱狀晶交遇的中心部位，此時(shí)由于收縮而受到拉伸應(yīng)力，這些低熔點(diǎn)共晶體就成了薄弱地帶，在拉伸應(yīng)力的作用下容易在薄弱地帶開裂而形成裂紋。從圖2：Fe－C相圖可知，含碳量增加，熔池結(jié)晶時(shí)的初生相可由δ相轉(zhuǎn)為γ相，而有害元素硫在γ相中的溶解度比在δ相中低得多，因而會(huì)有較多的硫析出富集在晶界，從而加大裂紋的傾向。故含碳量的增加又加劇了硫的有害作用，造成油缸后缸蓋與缸筒的焊接在焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。

圖2 Fe－C相圖

表1 35#鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 后缸蓋的化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

（2）對(duì)于高C鋼焊接時(shí)，如果焊后冷卻速度較快，熱影響區(qū)可能產(chǎn)生硬脆的馬化體組織，容易造成延遲裂紋。如果焊接材料未烘干或焊接處油污、水分清理不干凈，焊縫中的擴(kuò)散氫含量較高，也易出現(xiàn)氫致冷裂紋。

（3）裂紋所處位置在油缸后缸蓋與缸筒的焊接焊縫中，因?yàn)楦淄埠陀透缀蟾咨w的厚度達(dá)到48mm，焊接拘束度大。在裂紋修復(fù)補(bǔ)焊過(guò)程中受到拘束而不能自由的收縮，焊接措施和方法不當(dāng)時(shí)，焊接接頭會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而增加了焊縫開裂的可能。

2 修復(fù)工藝方案的確定

（1）堆焊過(guò)渡層。油缸后缸蓋化學(xué)成分中碳和硫的含量超標(biāo)，并不影響使用后缸蓋所要求的力學(xué)性能，但會(huì)造成油缸后缸蓋與缸筒在焊接過(guò)程中產(chǎn)生熱裂紋，要消除含量超標(biāo)的碳和硫的影響問題，需采用低碳和低硫的焊接材料進(jìn)行堆焊過(guò)渡層的辦法來(lái)解決。

（2）焊前預(yù)熱。由于后缸蓋與缸筒兩相焊元件的厚度較大，可能產(chǎn)生焊接冷裂紋，焊前需進(jìn)行預(yù)熱。但考慮控制焊接變形的需要，我們采用較低的預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度控制在150℃以下。

（3）消除焊接應(yīng)力。后缸蓋與缸筒的焊縫只存在局部裂紋，裂紋長(zhǎng)約143mm。在修復(fù)補(bǔ)焊過(guò)程中，修復(fù)焊縫受到很大拘束而不能自由的收縮，存在很大內(nèi)應(yīng)力。我們采用將后缸蓋與缸筒的原焊縫完全刨除，在后缸蓋上堆焊好過(guò)渡層后，再將后缸蓋與缸筒進(jìn)行焊接。采用此方法焊接量較直接、焊補(bǔ)大，可能產(chǎn)生焊接變形，為此采用錘擊焊縫表面的措施，釋放應(yīng)力，避免因拘束度過(guò)大導(dǎo)致根部焊縫的開裂。

3 焊接工藝及措施

（1）焊前準(zhǔn)備。采用扁形炭精棒對(duì)油缸后缸蓋與缸筒焊接的部位刨4～6mm深，并用砂輪機(jī)清除滲碳層。

（2） 堆 焊。 用E5015、Φ3.2mm焊 條 堆 焊，查E5015焊條熔敷金屬的S含量為0.01%。焊前焊條需經(jīng)350℃烘干，保溫2h。施焊中采用小電流(90～100A)、焊條不作橫向擺動(dòng)的辦法，盡量降低稀釋率，以減少母材中的S元素向堆焊層中過(guò)渡。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，手工焊條電弧焊在堆焊條件下的熔合比一般在30～35%。根據(jù)資料中關(guān)于焊縫金屬化學(xué)成分中的熔合比(稀釋率)計(jì)算公式如下，其概念示意圖如圖3。

圖3 熔合比概念示意圖

式中：θ是熔合比(稀釋率)；Ab是焊縫橫截面上熔化母材所占有的面積；Ad是焊縫橫截面上填充金屬所占有的面積。

計(jì)算焊縫金屬中某合金元素的實(shí)際含量w(Mw)公式：

式中：w(Mb)為該元素在母材中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w(Md)為焊接材料的熔敷金屬中該元素的實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；θ為熔合比(稀釋率)。

根據(jù)公式2，計(jì)算第1層堆焊E5015焊條后，堆焊焊縫中的S含量為：w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～35%)×0.068%+[1-(30%～35%)]×0.01%=0.0274%～0.0303%

如果再堆焊第2層E5015焊條，各層的熔合比(稀釋率)恒定，那么第2層堆焊焊縫中的S含量為：

w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～3 5%)×(0.0 2 7 4%～0.0 3 0 3%)+[1-(3 0%～35%)]×0.01%=0.0152%～0.0171%

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)堆焊2層E5015焊條金屬后，堆焊焊縫中的S含量只有0.0152～0.0171%，完全可以滿足焊接需要。堆焊前預(yù)熱待堆焊面至100℃左右。在焊完一段焊縫時(shí)，立即填滿弧坑，避免弧坑裂紋產(chǎn)生。焊完第1層后，清除焊渣，并用著色檢查，合格后按同樣的方法堆焊第2層，直到填平。用手持式砂輪機(jī)將堆焊層表面打磨平，并對(duì)堆焊層金屬取樣化驗(yàn)，結(jié)果見表3，檢驗(yàn)結(jié)果表明該堆焊層金屬中碳和硫含量已大大減小。

表3 堆焊層金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

（3）預(yù)熱。將油缸后缸蓋與缸筒裝配焊接。焊前用對(duì)坡口兩側(cè)50mm范圍內(nèi)預(yù)熱至150℃，以減小焊接應(yīng)力。焊條需經(jīng)350℃烘干，保溫2h。焊接時(shí)，要求每焊完一道都要把焊渣清除干凈。

（4）焊接。①層間溫度控制。焊接過(guò)程中始終控制層間溫度在100～150℃，中間中斷焊接時(shí)應(yīng)采取石棉包裹保溫緩冷的措施。再次焊接前，必須再次預(yù)熱100～150℃。②焊接操作措施。選擇直流反接，采取短段多層多道焊以減小焊縫橫向的收縮量。施焊中盡量使用小電流，在熔合良好的情況下速度稍快，以減小母材熔化量和降低熱輸入量。每一道的短段均采取分段退焊，以降低應(yīng)力和使應(yīng)力分布均勻，接頭處應(yīng)錯(cuò)開20～30mm，收弧時(shí)填滿弧坑。除底層和蓋面層外，每焊一段，應(yīng)即用帶圓頭的小錘錘擊焊道表面，達(dá)到布滿麻點(diǎn)為止，可消除部分應(yīng)力，有利于防止產(chǎn)生裂紋。③焊后緩冷。焊后采用石棉包裹油缸后蓋的方式進(jìn)行保溫緩冷，避免冷速過(guò)快形成馬氏體脆硬組織。

4 焊后檢驗(yàn)

焊后冷卻到室溫后用5倍的放大鏡檢查焊縫表面，未發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，焊趾處于母材均圓滑過(guò)渡，無(wú)咬邊缺陷。然后再進(jìn)行表面著色探傷，也未發(fā)現(xiàn)裂紋等其他缺陷。

5 使用情況

經(jīng)我們采用此方案修復(fù)后，TY320型推土機(jī)松土器油缸投入使用，油缸后缸蓋與缸筒相焊焊縫直到油缸其他部分出現(xiàn)損壞導(dǎo)致油缸報(bào)廢時(shí)，仍然未出現(xiàn)任何焊接缺陷，由此證明了該修復(fù)方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李亞江等編著. 焊接修復(fù)技術(shù),化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

[2]劉云龍.《焊接技師手冊(cè)》,機(jī)械工業(yè)出版社.