王玲，齊盛文，劉益民

（鞍鋼重型機械有限責任公司，遼寧 鞍山 114031）

“十一五”之后，國內(nèi)大型鍛造液壓機數(shù)量和最大噸位均達到世界之最，且特大型鍛造液壓機裝備水平、結(jié)構(gòu)形式、傳動方式、技術(shù)性能等均為世界先進水平[1]。隨著對鍛壓機的壓力和驅(qū)動缸體尺寸的要求越來越高，以往采用鑄鋼材質(zhì)的缸體因制作成本低被優(yōu)先使用，但對于工作壓力高于30 MPa 的高壓液壓缸，鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量難以滿足設(shè)計的承壓要求。 鞍鋼重型機械有限責任公司大型液壓機驅(qū)動缸體為鑄鋼件，材質(zhì)為ZG35CrMo，缸體內(nèi)孔工作腔體直徑為Φ900 mm，凈重3.2 t，缸體工作壓力32 MPa，要求試驗壓力為42 MPa。但是在線使用5 年，缸體內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋缺陷，造成壓力泄露。焊接后再次使用，缸體又出現(xiàn)油壓上不去、漏油等問題，影響快鍛機的生產(chǎn)作業(yè)。經(jīng)分析，鑄鋼件缸體在鑄造過程中不可避免的存在非金屬夾雜物，夾雜物會降低鋼的力學性能，尤其是對韌性的削弱作用較大[2]。且鑄鋼件內(nèi)部還存在不可避免的氣孔、砂眼、縮孔等微小鑄造缺陷，在使用時由于振動產(chǎn)生的應力、 材料的疲勞極限及缸體內(nèi)部應力釋放等因素，缸體內(nèi)部缺陷會逐漸擴散至表面，產(chǎn)生裂紋。 如果點檢不及時，容易出現(xiàn)缸體突然開裂的情況，嚴重時甚至會造成安全生產(chǎn)事故。為了減少這種內(nèi)部缺陷，采用鍛造方式制造缸體是比較理想的選擇。 鍛造優(yōu)點是鍛件內(nèi)部微密組織比較均勻，性能高于鑄鋼件及焊接件[3]。 與鑄鋼件相比，鍛鋼件金屬纖維組織連續(xù)性、致密性、機械性能及使用壽命均更好，但缺點是鍛鋼件不能完全鍛出缸體內(nèi)腔形狀，對于大型缸體，鍛件毛坯重量約為3～4 倍的工件凈重，因此制造成本非常高。 而鍛焊結(jié)合的方式不但能夠使缸體具有鍛鋼件的組織結(jié)構(gòu)，又可以減少鍛鋼件毛重，是一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方法。本文以使用壓力32 MPa 的液壓機缸體為例，采用鍛焊結(jié)合形式制造液壓機缸體，并對此缸體的制造技術(shù)做一介紹。

1 鍛焊結(jié)合技術(shù)

鍛焊結(jié)合技術(shù)是由鍛造筒節(jié)經(jīng)焊接而成一種工件的制造方法。缸體的鍛焊結(jié)合技術(shù)就是將缸體分為缸筒和缸底兩部分，分別采用鍛鋼件，經(jīng)粗加工后，再焊接在一起，進行精加工，最終得到的缸體具有較好的組織結(jié)構(gòu)及機械性能，又能降低制造成本。這種技術(shù)的制造難度主要集中在坡口焊縫質(zhì)量上，對于厚壁鍛件焊接，坡口設(shè)計為窄間隙小角度坡口焊接形式，須采用專用窄間隙焊接設(shè)備完成，且需在坡口反向進行清根處理，去除焊接根部的缺陷。 通過采用一種凹形墊板免清根的坡口焊接形式，再結(jié)合自動埋弧焊，調(diào)整焊接角度位置，從而完成窄間隙坡口焊接，保證了缸體的制造質(zhì)量。

2 缸體制造技術(shù)要求

（1）材質(zhì)

缸底和缸筒選用材質(zhì)為35CrMo，其化學成分見表1。

表1 35CrMo 化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical Compositions in 35CrMo Steel（Mass Fraction）%

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文以2 500 t 快鍛機的缸體為例進行說明。缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示，缸體為鍛焊結(jié)合結(jié)構(gòu)，缸筒和缸底為單獨兩個鍛件，焊口處為了減少焊接應力，采用窄間隙焊縫焊接為一個整體結(jié)構(gòu)。

圖1 缸體示意圖Fig. 1 Cylinder Block Diagram

（3）熱處理

采取調(diào)質(zhì)處理，性能滿足JB/T6396-2006《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》規(guī)定要求執(zhí)行，缸體力學性能技術(shù)要求見表2。

表2 缸體力學性能技術(shù)要求Table 2 Technical Requirements for Mechanical Properties of Cylinder Block

（4）探傷檢測

缸體本體采用超聲波探傷，鍛鋼件執(zhí)行JB/T 5000.15-2007 《重型機械通用技術(shù)條件鍛鋼件無損探傷》質(zhì)量等級滿足III 級標準。

焊縫采用超聲波探傷，驗收執(zhí)行GB11345-89《鋼焊縫手動超聲波探傷方法和探傷結(jié)構(gòu)分類》，檢驗等級為B 級，焊縫質(zhì)量不得低于II 級標準。

精加工后焊縫表面進行磁粉探傷，不允許存在裂紋缺陷。

（5）試壓要求

缸體工作壓力為32 MPa，試驗壓力為42 MPa，保壓30 min 無泄漏。

3 缸體制造方案

3.1 工藝流程設(shè)計

冶煉→鍛造 （鍛后正火）→粗加工→工藝探傷→調(diào)質(zhì)→加工→探傷 （包括坡口）→兩件焊接（包括消應力）→半精加工→超聲波探傷→精加工→磁粉探傷→打壓試驗→成品→檢測

3.2 制造工藝要點

3.2.1 冶煉、鑄錠

為了保證缸體屈服強度和硬度，冶煉化學成分控制目標見表3。

表3 冶煉化學成分控制目標Table 3 Control Objectives for Chemical Compositions during Steelmaking %

鋼錠質(zhì)量超聲波檢驗按JB/T 5000.15-1998 III 級要求，全部鋼水用電弧爐冶煉，經(jīng)爐外精煉和真空處理，氫含量≤2×10-6。

3.2.2 鍛造

鍛造時保證心部鍛透，鍛造比不小于3，缸筒端內(nèi)孔鍛出。 每件端面留一個切向試樣，試樣長度為50 mm。鍛造過程中若發(fā)現(xiàn)裂紋，要及時熱清理，并嚴格控制始、終鍛溫度。鍛后立即入爐進行正火+球化熱處理以及去氫處理。 再按JB/T 5000.15-2007Ⅱ級要求進行超聲波初步探傷，無粗晶現(xiàn)象后轉(zhuǎn)入下一工序。 缸體鍛件設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 缸體鍛件設(shè)計圖Fig. 2 Design Drawing for Forged Pieces to Cylinder Block

3.2.3 粗加工及工藝探傷

加工各處單面留5 mm 加工余量，斜面和孔不加工，余量滿足調(diào)質(zhì)要求。

該步驟超聲波屬于工藝性探傷檢測，盡早發(fā)現(xiàn)鍛件內(nèi)部缺陷，為后續(xù)調(diào)質(zhì)做準備。內(nèi)外表面做磁粉探傷檢驗，不得有裂紋性缺陷。

3.2.4 調(diào)質(zhì)處理

缸體調(diào)質(zhì)工藝見圖3，切去試片后，進行力學性能檢測，結(jié)果見表4。 表中結(jié)果表明，缸筒、缸底力學性能均滿足設(shè)計要求。

圖3 缸體調(diào)質(zhì)工藝Fig. 3 Quenched and Tempered Process for Cylinder Block

表4 缸體力學性能檢測結(jié)果Table 4 Test Results for Mechanical Properties of Cylinder Block

3.2.5 加工及超聲波探傷

加工各處留余量，余量滿足焊后加工要求，表面粗糙度達到Ra6.3 以上，滿足探傷要求。 加工焊口處符合窄間隙焊接和磁粉探傷要求。

按照設(shè)計標準對鍛件本體進行超聲波探傷，探傷結(jié)果作為最終檢驗依據(jù)。 對坡口進行磁粉探傷，不允許存在裂紋缺陷，滿足焊接要求。

3.2.6 缸筒和缸底兩件焊接

缸筒和缸底的結(jié)合采用單面焊不清根焊接法，焊接是該件加工的難點，為了保證全熔透的焊接質(zhì)量，一般在焊縫根部進行反向清根后，再進行焊接，但是該缸體內(nèi)孔的操作空間不夠焊工長時間操作，只能通過單面焊接來保證。然而單面焊接根部質(zhì)量差，不能滿足需要。 因此，通過在外部采用自動埋弧焊機焊接，加深焊縫，然后加工內(nèi)孔去掉焊接根部差的區(qū)域，以保證焊接質(zhì)量。

（1）焊前準備

首先為保證焊接時定位準確，在缸體內(nèi)腔焊接支撐環(huán)，支撐環(huán)與缸筒和缸底分別焊接，保持原有的結(jié)構(gòu)和精度，在缸筒開口端設(shè)計帶止口的擋板，一方面防止缸體內(nèi)孔變形，另一方面在擋板中心部位打中心孔，為自動埋弧焊接做準備。

在缸體左端面上將端板 （見圖4）和缸體用M64 螺栓把合，再將支撐環(huán)（見圖5）焊接在缸體焊縫內(nèi)孔處。 組成整體結(jié)構(gòu)后的焊接準備示意圖見圖6。 在缸體焊接板上，按照缸體外圓找正，兩端加工中心孔。 在車床，按已加工外圓找正，加工焊縫處按坡口示意圖 （圖7）的尺寸重新加工坡口，深度要超過缸體壁厚，一直加工至支撐環(huán)上，確保支撐環(huán)達到5～10 mm 深度，以保證焊接根部區(qū)域留在支撐環(huán)上。 最后通過加工方式，去除支撐環(huán)和底部焊接區(qū)域，從而保證了缸體本體焊縫質(zhì)量。

圖4 端板示意圖Fig. 4 Diagram for Endplates

圖5 支撐環(huán)示意圖Fig. 5 Diagram for Support Rings

圖6 焊接準備示意圖Fig. 6 Diagram for Welding Preparations

圖7 坡口加工示意圖Fig. 7 Diagram for Groove Processing

（2）坡口檢查

對加工完的坡口處進行著色探傷，確認無裂紋缺陷。 硬度檢查結(jié)果顯示，坡口處硬度≤180 HB，之后采用埋弧自動焊。

（a）局部采用煤氣加熱，預熱到200～300 ℃。

（b）采用自動埋弧焊機，焊絲為1CrMn2NiMo+260 焊劑。

（c）焊接采用分兩層焊接方式。 每層焊接厚度約100 mm。

（d）選擇合理焊接參數(shù)，連續(xù)焊接，層間溫度為300 ℃，要保證焊肉質(zhì)量滿足要求，控制整體變形，焊接時清除焊條藥皮，錘擊消除應力，嚴格清渣，避免出現(xiàn)焊接缺陷。

（e）焊好一層后，進行一次退火處理。 退火溫度為600 ℃，保溫時間6 h。

（f）進行超聲波探傷確認，執(zhí)行GB11345-2003 標準，檢驗等級為B 級，焊縫質(zhì)量不得低于II 級，合格后再進行第二層焊接。

（g）第二層焊接工藝與第一層相同，焊后退火處理，進行超聲波探傷，標準與上一層相同，如有缺陷，需及時進行清理，合格后轉(zhuǎn)加工工序。

（h）去掉端板和尾部鋼塊，缸體打磨平整。

3.2.7 精加工和表面探傷檢測

焊后精加工過程，去掉缸體內(nèi)孔支撐環(huán)，加工缸體內(nèi)孔及各處尺寸與圖紙要求一致，對焊縫表面進行磁粉探傷檢驗，表面無氣孔、夾渣、裂紋、咬肉等缺陷。

4 打壓試驗

為了保證缸體滿足設(shè)計要求的工作壓力，檢驗坡口的焊接質(zhì)量，防止使用過程中出現(xiàn)漏油、裂紋等缺陷，造成整個缸體開裂的質(zhì)量問題，需要將整個缸體密封為一個腔體，進行壓力試驗。

4.1 試驗方案

圖8 為打壓方案示意圖，圖中缸蓋法蘭一為悶蓋，厚度為150 mm，采用紫銅墊和O 型圈復合密封方式。法蘭二為進油口，厚度為100 mm，采用紫銅墊和O 型圈復合密封方式。 通過連接膠管與泵站連接，采用乳化液作為試驗用介質(zhì)。泵站能力為50 MPa。 大缸蓋厚度為340 mm，在法蘭止口的徑向和端面上各加工兩個環(huán)形槽，采用四道O 型圈密封。 缸蓋把合示意圖和法蘭把合密封示意圖分別見圖9 和圖10。所有法蘭均采用45#鋼鍛件，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后進行精加工，所有螺栓均采用12.9 級高強度螺栓。

圖8 打壓方案示意圖Fig. 8 Schematic Diagram for Pressurizing Scheme

圖9 缸蓋把合示意圖Fig. 9 Schematic Diagram for Closing Cylinder Head

圖10 法蘭把合密封示意圖Fig. 10 Diagram for Flange Sealing

4.2 試驗過程及結(jié)果

（1）開始安裝缸體兩側(cè)進出油口法蘭及其密封，同時將側(cè)壁的排氣口封堵上；之后將缸體注滿乳化液，再將端蓋大法蘭壓入，壓入的同時乳化液溢出，由此保障缸體內(nèi)沒有空氣。

（2）將所有的法蘭及其密封件安裝緊固到位，接入液壓系統(tǒng)管道，經(jīng)查驗均符合安裝要求。

（3）為防止可能的因密封損壞而造成高壓介質(zhì)噴出造成的危害，在缸體密封件安裝完成后，在其上面加裝了特質(zhì)鋼桶保護罩。

（4）開始升壓試驗，初次將壓力調(diào)整為30 MPa，經(jīng)檢查各部位均無滲漏現(xiàn)象和其它任何狀況出現(xiàn)，隨即將壓力升至42 MPa，關(guān)停壓力泵，進行系統(tǒng)檢查和觀察，進入保壓階段。

（5）始終監(jiān)控壓力表，保壓過程中將保護罩摘下，目視檢查，無任何泄露情況。

（6）保壓階段對壓力表進行實時監(jiān)測和拍照，30 min 的保壓時間內(nèi)沒有絲毫降壓現(xiàn)象發(fā)生，壓力表數(shù)值一直維持42 MPa 試驗壓力。

5 實際效果

通過采用支撐環(huán)定位支撐，并將坡口加工深度加大至支撐環(huán)上，實現(xiàn)了不用清根處理的單面焊接，保證了內(nèi)部焊接區(qū)域的質(zhì)量要求。其檢測結(jié)果如下：

（1）鍛 件 超 聲 波 探 傷 檢 查：按 照JB/T 5000.15-1998 《重型機械通用技術(shù)條件鍛鋼件無損探傷》，質(zhì)量等級滿足III 級要求。

（2）焊縫內(nèi)部質(zhì)量：超聲波探傷結(jié)果滿足GB 11345-2003，檢驗等級為B 級標準。

（3）表面探傷：缸體焊縫內(nèi)表面磁粉探傷無缺陷，焊縫外表面著色探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，存在4 個點狀缺陷，當量為Φ1.0～Φ1.5 mm，著色探傷合格。

（4）試壓壓力42 MPa，保壓30 min 無泄漏，保壓合格。

6 結(jié)論

（1）采用鍛焊結(jié)構(gòu)制造缸體的難點是窄間隙焊縫，通過設(shè)計一種凹形支撐環(huán)的定位墊板，并結(jié)合單面埋弧自動焊接，嚴格控制焊前預熱溫度、焊接層間溫度和焊后分層退火緩冷的方式，保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

（2）通過加工去除焊接底部容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷區(qū)域，缸體內(nèi)外焊縫區(qū)域表面進行磁粉探傷檢驗，無裂紋缺陷，保證了鍛焊結(jié)構(gòu)缸體的制造質(zhì)量。

（3）壓力測試結(jié)果表明，當壓力為42 MPa，保壓時間30 min 時，缸體無泄漏發(fā)生，證明滿足設(shè)計要求。

（4）該缸體結(jié)構(gòu)及制造方法可推廣應用在大型厚壁合金鋼鍛件的焊接中，用以替代窄間隙焊接專用設(shè)備。 采用自動埋弧焊接，可以保證焊接質(zhì)量。