樊志勤，陳清陽

太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司 山西太原 030024

1 序言

太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司為國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)生產(chǎn)的350MN多向復(fù)合擠壓液壓模鍛設(shè)備，打破了以往壓機(jī)設(shè)備單向擠壓的傳統(tǒng)理念。該設(shè)備集立式壓機(jī)、臥式壓機(jī)于一體，梁亦柱、柱亦梁，從而形成雙向同時(shí)復(fù)合擠壓效果，主要生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端鍛件（95%用于海洋裝備閥體），可實(shí)現(xiàn)一次成形，提高了擠壓機(jī)的工作效率和鍛件出品率。該產(chǎn)品的主要部件：立柱、上下橫梁，每件凈重均超過400t，單件鋼液重達(dá)800～935t，尤其是關(guān)鍵部件立柱（見圖1），輪廓尺寸為11 500mm×7480mm×4347mm，設(shè)計(jì)鑄件毛重600多t，總鋼液量需935t。據(jù)有關(guān)資料介紹，這種500t級(jí)的超大型結(jié)構(gòu)鑄件在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外都未生產(chǎn)制造過，目前為亞洲最大的鑄鋼件。

圖1 立柱部件

2 問題的提出

為滿足立柱部件鑄造技術(shù)要求，需在圖樣設(shè)計(jì)中留有多個(gè)工藝出砂孔，出砂孔為φ800mm、厚度240～320mm。經(jīng)過有限元計(jì)算，其中8個(gè)出砂孔（見圖2）為擠壓機(jī)工作受力部位，為保證鑄件使用壽命、質(zhì)量，需對(duì)出砂孔進(jìn)行焊接封堵。

圖2 立柱出砂孔需補(bǔ)焊位置

立柱使用G20Mn5鑄鋼，其化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見表1、表2，部件執(zhí)行DIN EN 10293標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦碳當(dāng)量計(jì)算公式，得出G20Mn5鑄鋼的碳當(dāng)量為0.4%～0.5%，表明材料的焊接性較差，焊接接頭淬硬傾向較大[1，2]，冷裂紋敏感性較高，焊接過程中需要采用必要的預(yù)熱和后熱處理，同時(shí)還應(yīng)嚴(yán)采用較小的熱輸入進(jìn)行焊接。

表1 G20Mn5鑄鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 G20Mn5鑄鋼力學(xué)性能（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3 焊接材料的選用

焊接材料的選擇是制定合理焊接工藝的關(guān)鍵。本次對(duì)該超大型鑄鋼件出砂孔焊接材料選用，討論過以下幾種方案。

1）采用等強(qiáng)匹配，因鑄件材質(zhì)與鋼板和鍛件相比較晶粒度組織粗大，鑄鋼件G20Mn5材料裂紋敏感性高，焊后容易產(chǎn)生冷裂紋。

2）采用塑性、韌性較好的不銹鋼焊材進(jìn)行焊接，因焊后鑄件焊接應(yīng)力較大，需進(jìn)行兩次550℃中間退火處理，而奧氏體不銹鋼在450～850℃又是晶間腐蝕最敏感溫度區(qū)間，另外如果焊接過程中產(chǎn)生缺陷，需再進(jìn)行返修，困難加大。

3）采用低匹配，選用塑性、韌性好的焊接材料，焊絲熔敷金屬的屈服強(qiáng)度高于G20Mn5鑄鋼，而抗拉強(qiáng)度級(jí)別略低于母材的焊材進(jìn)行焊接。

考慮到立柱材料淬硬傾向和結(jié)構(gòu)拘束度均較大，決定采用低匹配工藝方案。首先，選用伸長(zhǎng)率和沖擊韌度較好、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量低的堿性藥芯焊絲E71T-5M-J（焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表3）對(duì)鑄件本體和堵塊坡口內(nèi)進(jìn)行20mm厚的過渡層堆焊和根部焊接，這樣可以有效地減小焊接應(yīng)力對(duì)鑄件本體的影響。其次，中間填充部位采用焊工操作容易、力學(xué)性能好、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的實(shí)芯焊絲ER50-6（焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表4）進(jìn)行焊接，這樣既保證了焊接接頭的力學(xué)性能，又可以有效降低生產(chǎn)成本。

采用低匹配+過渡層工藝方法，焊材熔敷金屬抗拉強(qiáng)度雖然低于母材抗拉強(qiáng)度的下限，但焊材熔敷金屬屈服強(qiáng)度高于母材[3]，且焊材的屈服強(qiáng)度達(dá)到部件最大使用屈服極限的兩倍多。低匹配焊材不僅可提高焊縫金屬的塑韌性，而且有利于防止焊接接頭產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

表3 E71T-5M-J焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

表4 ER50-6焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

按照ISO 15614-1：2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。采用氣體保護(hù)焊（80%Ar+20%CO2），板厚180mm，雙U形坡口對(duì)接焊（見圖3），預(yù)熱溫度為150～200℃，后熱消氫處理工藝為（300～350）℃×2h，消應(yīng)力退火工藝為550℃×8h，焊接參數(shù)見表5。

圖3 U形坡口及焊縫層道順序

表5 工藝評(píng)定焊接參數(shù)

焊接工藝評(píng)定試板經(jīng)過UT檢測(cè)達(dá)DIN EN 12680-1Ⅰ級(jí)，焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分別見表6～表10。

工藝評(píng)定試板因經(jīng)過中間550℃消應(yīng)力退火，焊接接頭除熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度低于母材外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，表明選用的低匹配焊接材料是安全可靠的。

表6 焊接工藝評(píng)定拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 焊接工藝評(píng)定彎曲性能

表8 焊接工藝評(píng)定沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 焊接工藝評(píng)定金相檢驗(yàn)結(jié)果

5 部件焊接的難點(diǎn)

結(jié)合以往歷年來對(duì)鑄鋼件補(bǔ)焊、缺陷焊接修復(fù)的體會(huì)，立柱這種超大型鑄鋼件出砂孔焊接存在以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

1）鑄件的幾何尺寸和重量是建廠以來遇到的最大鑄鋼件，目前國(guó)內(nèi)外尚無此類鑄鋼件出砂孔焊接的成熟工藝。

2）鑄件材質(zhì)選用G20Mn5，其力學(xué)性能要求較高，如果焊接工藝制定不合理，焊接過程監(jiān)控不嚴(yán)，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

3）出砂孔形狀為封閉性圓形孔洞，焊接拘束應(yīng)力釋放困難，容易在焊縫附近產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

4）鑄件晶粒度組織較粗大，焊接產(chǎn)生的應(yīng)力易造成沿晶間開裂現(xiàn)象。

5）一般鑄件內(nèi)部均有標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的小孔穴缺欠，但這些孔穴相對(duì)于焊縫來說屬于超標(biāo)缺陷。判斷缺陷是鑄鋼件允許標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的還是焊縫的超標(biāo)缺陷，位置判定困難。

表10 焊接工藝評(píng)定維氏硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù) （HV10）

6）出砂孔焊縫質(zhì)量要求達(dá)到超聲波檢測(cè)DIN EN 12680-1標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級(jí)Ⅰ級(jí)，經(jīng)初步計(jì)算焊絲用量需2～3t，對(duì)鑄件焊接來講難度較大。

7）直徑大、厚度大且數(shù)量多，工件整體加熱時(shí)工人勞動(dòng)條件差、強(qiáng)度高，這將不同程度地給焊接帶來不利影響。

6 焊接工藝優(yōu)化方案

經(jīng)對(duì)鑄鋼件現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、模擬計(jì)算擠壓機(jī)使用狀況、對(duì)材料力學(xué)性能試驗(yàn)、熱處理工藝與焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，經(jīng)相關(guān)技術(shù)專家多次評(píng)審后，決定采用多項(xiàng)綜合措施施焊，并對(duì)現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，以確保鑄鋼件出砂孔的焊接質(zhì)量。具體過程如下：

1）選用堵塊封堵法，制作材質(zhì)、厚度、大小相近的圓形餅（見圖4），作為出砂孔封堵堵塊，進(jìn)行焊接封堵[4]。

2）焊前對(duì)鑄件和堵塊焊接區(qū)域兩倍板厚范圍內(nèi)，分別進(jìn)行無損檢測(cè)，同時(shí)對(duì)鑄件本身存在的不超標(biāo)缺欠的位置、大小和深度做好記錄，如有超標(biāo)缺陷，先進(jìn)行處理后再進(jìn)行無損檢測(cè)及補(bǔ)焊。

圖4 制作的堵塊

3）焊前對(duì)鑄件出砂孔封堵部位，機(jī)加工開雙U形坡口，該坡口形式具有應(yīng)力分布較好、焊接工作量小、易于焊接操作等優(yōu)點(diǎn)。

4）使用80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)焊，采用堿性藥芯焊絲在鑄件和堵塊坡口內(nèi)先堆焊約20mm厚的過渡層（見圖5），堆焊后要求進(jìn)行無損檢測(cè)和根部焊接，填充焊縫則采用焊工操作容易的實(shí)芯焊絲進(jìn)行焊接。

圖5 出砂孔堆焊過渡層

5）將部件整體加熱到150～200℃開始焊接，施焊過程中若溫度低于預(yù)熱溫度150℃，需重新加熱后，方準(zhǔn)繼續(xù)焊接，這有利于降低冷卻速度，減少焊接應(yīng)力。

6）當(dāng)焊接到出砂孔厚度一半時(shí)，對(duì)工件進(jìn)行整體消應(yīng)力退火處理，每焊接20～30mm厚，加熱到300～350℃，保溫2h，進(jìn)行一次后熱消氫處理。

7）焊接時(shí)要采用小的熱輸入，φ1.6mm的E71T-5M-J焊絲：I=260～320A、U=28～36V；φ1.2mm的ER-506實(shí)芯焊絲：I=260～280A、U=26～32V，層間溫度不得高于350℃。

8）施焊過程中，采用風(fēng)槍清理、錘擊焊縫，錘擊要求快速、細(xì)密、有力，以改善焊接應(yīng)力分布狀態(tài)。施焊時(shí)應(yīng)及時(shí)清理焊渣及飛濺，保證逐道焊縫熔合良好，每層焊道厚度要求≤3.5mm，焊縫最后的余高控制在2～4mm，采用機(jī)加工去掉余高。

9）施焊時(shí)，多工位、多孔同時(shí)施焊，注意焊接順序。每個(gè)出砂孔按圖6順序施焊，避免焊接過程的間斷，要求正反面交替焊接每個(gè)出砂孔。

圖6 施焊順序

10）焊接采用分段退焊或跳焊法，先進(jìn)行坡口表面堆焊、先焊兩邊再焊中間（見圖7）、多層多道焊接，焊接過程中不得出現(xiàn)裂紋等超標(biāo)缺陷，若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷應(yīng)立即清理，重新施焊。

圖7 出砂孔焊縫層道截面

11）施焊時(shí)，要做好完整的焊接原始記錄，將鑄件出砂孔編號(hào)進(jìn)行記錄，技術(shù)人員要做好全程監(jiān)督和技術(shù)服務(wù)。

12）焊接操作人員焊接前進(jìn)行模擬培訓(xùn)考試，合格后方能進(jìn)行焊接操作。

13）焊后按照?qǐng)D樣技術(shù)要求，進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè)。

部件施焊工藝流程：焊前準(zhǔn)備（坡口加工、無損檢測(cè)）→鑄件整體預(yù)熱→堆焊過渡層→過渡層無損檢測(cè)→藥芯焊絲封底填充→實(shí)芯焊絲填充→中間消應(yīng)力退火→填充→焊后消應(yīng)力退火→焊縫表面清理→焊后檢查。

7 結(jié)束語

經(jīng)過大家的共同努力，按照修復(fù)工藝焊接的8個(gè)出砂孔，全部按標(biāo)準(zhǔn)要求順利完成，直接挽回經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬余元。該工藝方案的實(shí)施確保了產(chǎn)品使用的質(zhì)量，也成為超大型鑄鋼件出砂孔焊接的成功案例，再一次刷新了國(guó)內(nèi)外超大型鑄件焊接的記錄。