張仲勇，楊書學(xué)，賈永軍

(蘭州蘭石集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

20CrMnTi的焊接性能比較好，有比較成熟的焊接工藝及熱處理工藝參數(shù)，但對于焊縫質(zhì)量要求較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，在焊接及熱處理過程中，需要改變參數(shù)及常規(guī)熱處理方法，以便達(dá)到圖紙和使用的要求。我公司承接的某產(chǎn)品零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分機(jī)加成型后通過焊接形成工作所需要的通道，焊后形成的角焊縫高度不得低于4 mm，且要求進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，各部分部件的硬度要達(dá)到260～280 HB。該部件在安裝前需進(jìn)行高壓打壓，合格后方可使用，該部件在產(chǎn)品使用過程中，起到至關(guān)重要的作用，它的焊接、熱處理質(zhì)量，直接影響到產(chǎn)品的使用效果。對該部件的焊接、熱處理工藝難點(diǎn)做詳細(xì)介紹，以供今后學(xué)者參考。

1 焊 接

1.1 焊前工藝探索

該結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由三部分組成(橫道、立道、三角道)，如圖1所示。選擇材料為合金鋼20CrMnTi，化學(xué)成分符合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求(見表1)，為突破工藝難點(diǎn)保證質(zhì)量，對焊接質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)性探索，首先，采用手工焊焊接，焊條為J857Cr，直徑為φ2.5，焊后檢查，焊縫強(qiáng)度達(dá)到圖紙及使用要求，但試驗(yàn)件整體變形量過大，特別內(nèi)孔最大變形達(dá)到3 mm，必須單邊留磨1.5 mm以上才能將內(nèi)孔磨到圖紙要求范圍。費(fèi)工、費(fèi)時、且不好找正，磨削后的筒體壁厚也不均勻。更重要的是焊接表面質(zhì)量很差，焊縫高度很不均勻，手工焊接時焊渣容易傷到工件的其它表面，焊接熱影響區(qū)的沖擊功雖然在標(biāo)準(zhǔn)及要求的范圍內(nèi)，但接近標(biāo)準(zhǔn)要求下限值，影響部件的使用性能。

表1 20CrMnTi鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

1.2 焊前工藝評定

經(jīng)過焊前工藝探索以及后期工藝試驗(yàn)，最終選擇手工鎢極氬弧焊熔絲焊接，單道不擺動多層焊接。為了保證焊接性能,首先按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備用工藝評定》的要求，進(jìn)行焊接工藝評定,試板焊接后經(jīng)過超聲波探傷合格后，進(jìn)行熱處理。焊接試板檢測后的各項(xiàng)指標(biāo)如下:

拉伸性能：Rel=500 MPa，Rm=800 MPa

焊縫處-30 ℃時的AKV(J)為：178、167、137

熱影響區(qū)-30 ℃時的AKV(J)為： 46、58、67

熱處理后硬度(HB) ：

焊縫處：260、262、263

熱影響區(qū)：276、279、274

母材：266、262、260

各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)以上評定的結(jié)果及預(yù)焊接工藝，確定焊接工藝如表3 所列。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 焊接工藝

利用評定后的工藝規(guī)范對工件施焊。焊前去毛刺、檢查焊接坡口清潔度，按圖紙要求將部件定位，檢查安裝尺寸后，[N]預(yù)熱，要求焊前電爐預(yù)熱150～300 ℃，根據(jù)電爐的大小，每批不能超過15件，按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，控制層間溫度150～250 ℃，焊接后立即進(jìn)行后熱處理，控制溫度300～350 ℃，后熱時間1 h。如果焊后能直接進(jìn)行去應(yīng)力退火，可不進(jìn)行后熱處理，但去應(yīng)力加熱時間相對需要延長。特別注意的是要求焊接坡口清潔、無油污，不得有毛刺、油漆等雜物。焊后檢查焊縫，高度均勻，表面光滑，檢查內(nèi)孔變形量保持在0.15～0.30 mm以下，內(nèi)孔留量小，縮短磨內(nèi)孔所需的時間，而且易找正，筒體壁厚均勻，保證了工件的加工尺寸。

焊后X射線無損探傷檢查過程中，發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)的圓形缺陷，線切割解剖工件發(fā)現(xiàn)大部分圓形氣孔缺陷，為了消除缺陷，采取了如下措施：

(1) 選用純度為99.99%以上的純氬氣。檢測氬氣純度方法：正式焊接之前清理干凈的鐵板試焊，不要加絲，如出現(xiàn)氣孔則需更換氣體。直到?jīng)]有氣孔則認(rèn)為該氬氣純度為99.99%以上。

(2) 根據(jù)噴嘴的大小來調(diào)節(jié)氣流量的大小，一般噴嘴越大，氣流量越大。氣流量過大，或過小都會在焊接過程中產(chǎn)生氣孔。

(3) 檢查噴嘴內(nèi)是否有飛濺物，或鎢極夾頭膨脹，消除氣體紊流現(xiàn)象。

(4) 檢查氣管是否破損。當(dāng)氣管破損時，在焊接起弧或起弧不久產(chǎn)生氣孔時就會出現(xiàn)氣孔，之后又會恢復(fù)到正常。

(5) 改變施焊環(huán)境，要求在室內(nèi)焊接，一般當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s以上容易吹散保護(hù)氣體。

(6) 鎢極伸出量要短，鎢極的伸出長度，一般為鎢極直徑的2～3倍。

(7) 檢查焊槍是否有漏氣現(xiàn)象，保證焊槍不能有一絲的漏氣。

(8) 檢查氣瓶出氣接頭、焊機(jī)進(jìn)、出氣管接頭處是否擰緊，產(chǎn)生漏空氣。

(9) 嚴(yán)格按照工藝評定的速度進(jìn)行，速度太快易出現(xiàn)氣孔。

(10) 焊槍要穩(wěn)，否則容易漏氣進(jìn)去。

(11) 檢查焊槍及氬氣管溫度是否過低，焊接過程溫差過大，產(chǎn)生水汽，易形成氣孔；施焊環(huán)境溫度不宜低于5 ℃，環(huán)境溫度過低，冷熱交替易產(chǎn)生水氣，形成氣孔。

(12) 工件充分預(yù)熱。焊絲干凈，無油污等雜物。

通過對以上焊接條件的改善，有效的消除了圓形缺陷的產(chǎn)生。

2 熱處理

該部件要求焊后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，熱處理后硬度要求260～280 HB，因工件其它面熱處理后不需要加工，只需將內(nèi)孔磨到尺寸即可。所以，熱處理時要求各表面不得有氧化物，且要求變形量足夠小。如果采用真空熱處理，保證質(zhì)量不存在問題。受設(shè)備限制，先采用鹽爐加熱，但淬火后發(fā)現(xiàn)，鹽浴加熱時，熔化的鹽進(jìn)入工件內(nèi)通道，冷卻后，清洗殘鹽困難，無法滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的工件清潔度的要求，影響產(chǎn)品使用性能。在現(xiàn)有設(shè)備允許的情況下，采用傳統(tǒng)的裝罐保護(hù)電爐加熱。裝罐前，采用專用堵頭對工件小孔進(jìn)行堵塞，以免鑄鐵屑進(jìn)入流道；裝罐時，加熱胎具底部裝30～50 mm鑄鐵屑，工件與夾具保持在20 mm左右，鑄鐵屑隔開，上部用50 mm厚的鑄鐵屑埋好、搗實(shí)。[N]電爐爐溫加熱到500°進(jìn)爐，加熱到860 ℃保溫2 h，出爐后軸向熱油淬火,冷卻至室溫，后在420 ℃電爐加熱回火3.5 h，淬后檢查硬度和變形量，變形量0.10 mm，均達(dá)到工藝要求，且小孔很干凈。裝罐所需的鑄鐵屑,一定要干凈,不得參雜任何雜質(zhì)，最好每次使用更換。由于工件表面不允許有任何缺陷，不允許在表面檢測測試硬度，做了與工件厚度相同的試塊，每次與工件同等條件下加熱淬火，最后通過測試塊的硬度來確定工件是否合格。

3 結(jié) 語

通過以上焊接和熱處理工藝的改進(jìn)，有效控制了焊接過程中工件的變形，提高了產(chǎn)品的焊接合格率，焊接過程中內(nèi)孔的變形也非常的小，熱處理采用裝罐的方式加熱，降低產(chǎn)品表面氧化，淬火、回火后檢測硬度，均在圖紙要求的范圍內(nèi)。完全能夠滿足產(chǎn)品圖紙和使用的要求。