焊接技术·绝活

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30CrMnSiA大型结构焊接

 
李锴、王占亮、富泉、刘建平
武汉武重金属结构工程技术有限公司
 
摘要:本结构件所用材料为30CrMnSiA,根据结构件所用板材的规格选用30mm板材进行了两种焊丝的焊接工艺评定,并根据对照性试验,制定除了合理的焊接工艺及焊接参数,成功完成大型结构件的焊接工作,同时也为此类材料焊接方面提供了解决方案和参考。
The structure of the materials used for 30CrMnSiA, according to the specification structure of the sheet metal optional 30mm plate for welding procedure qualification two wire, and according to the control test, developed a reasonable welding process and welding parameters, the successful completion of the large-scale structure welding work, while also providing solutions and reference for such material welded areas.
关键词: 30CrMnSiA;预热;焊接工艺评定;大型结构件;焊丝
 
引言
我公司接到某军工产品,外形尺寸:690×Φ4500/Φ3500(圆环);材料:30CrMnSiA;最大板厚:80mm;重量:8.4t;焊缝要求:所有焊缝进行连续焊接,焊后要求进行MT(磁粉)、PT(渗透)探伤;加工要求:所有外露面均需要加工,而且一些面的加工精度要求达到Ra0.4

 
         
1结构三维图                            2截面图
此大型结构件为某军工产品最为关键的部件,在整台机床上为主要的受力和支撑部件。该构件在结构上相对比较简单,但由于其材料的特殊性给焊接方面带来了极大的困难。该构件使用的材料全部为30CrMnSiA低合金高强度钢,因为材料较为特殊、且钢材每吨单价达16500元,所以在制作前期做了大量的调查研究。走访了一些大型企业,但由于他们所涉及的产品板厚较薄,且采用氩弧焊进行焊接,对此结构件来说指导意义不大。
这种材料我单位第一次接触,同样也未有这方面的制作经验。经过查阅大量的文献,总结出一些理论上面的数据,积累了一些经验,多次相关技术人员交流,制定了焊接工艺评定,选取了合适的焊前预热温度、保护性气体和焊丝,经做了一系列的试验之后确定了一套完整的焊接工艺。
1.      30CrMnSiA材料的焊接性分析
30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系统的中碳调质钢。30CrMnSiA钢因不含过多贵重的Ni,在我国得到了较为广泛的应用。这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体,调质状态下的组织为回火索氏体(统称回火马氏体)[1]其抗拉强度达到1080MPa,屈服强度为835 MPa,但这种材料的伸长率 δ5 (%)≥10。按照国际焊接学会推荐的碳当量公式计算,该钢的碳当量高达0.73%,具有较高的淬硬倾向,焊接接头极易出现硬脆的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂倾向[2-3]
鉴于以上情况结合本结构特点采用焊前预热焊后缓冷,并需要根据实际板材厚度制定合理的焊接工艺评定。
2.      焊接工艺评定
2.1     焊接方法的确定:
根据本结构特点如采用氩弧焊及焊条电弧焊显然工作强度增大了,对生产周期及产品的过程控制是难以保证的,并且不适合大批量的工业生产。所以在此基础上我们优先选用了气体保护焊进行焊接。
2.2     焊丝的确定:
查阅相关文件,对于合金结构钢,通常要求焊缝金属的主要合金成分与母材金属相同或相近的焊丝[4]。在此情况下选择了三种焊丝H18CrMoAER50-6H08Mn2SiMoA,根据实际材料周期选用了H18CrMoAER50-6,这两种焊丝。
2.3     气体选择
保护性气体选择CO2Ar混合气体,混合比为2:8,气体纯度为99.9%;混合气焊接可以克服由于纯CO2气体保护焊的缺点,因CO2气体本身具有较强的氧化性,因此在焊接过程中会引起合金元素烧损,产生气孔和引起较强的飞溅,而在富氩气氛中飞溅问题得到有效控制,同时增加了熔池的深度。
2.4     试板厚度选择
本结构所使用的板材厚度为20-80,根据NB/T 47014-2011标准中“对接焊缝试件厚度与焊件厚度规定”选用了36mm厚钢板,这样就能对所使用的钢板进行上下覆盖。
2.5     预热温度及保温时间选择
预热温度初步确定为250℃,在分件制作过程中选用的是预热带对焊接位置进行加热,加热到250℃以后保温一个小时,使焊缝附件的母材内外温度达到一致,这样在焊接过程中就使得熔池温度达到稳定一致,并且有利于焊缝金属中扩散氢的逸出,避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度,提高了焊接接头的抗裂性,确保了焊缝质量。
2.6     焊后探伤
焊接工艺评定试板规格为两组36×150×350组成,焊接完成24小时之后对试板进行了UT(超声波探伤)和MT(磁粉探伤),使用JB/4730-2005标准Ⅱ级。经专业探伤人员检查合格以后进行热处理。
2.7     焊后热处理温度选择
为了消除焊接的残余应力,稳定焊缝组织,在焊接完成后需要进行热处理,并制作了热处理曲线。
 
 
 
   
 
 
3热处理曲线
2.8     试验结果及数据分析:
根据NB/T 47014-2011标准制作了4组试板,在试板上进行编号,其中试板编号对照表如下所示:
焊接位置:H:横焊,P:平焊;
焊丝代号:B:ER50-6CH18CrMoA
字母说明:L:拉伸,W:弯曲,J:金相
在每块试板上分别取两个试块分别做拉伸、弯曲、宏观金相试验,其中各项指标如下所示。
 
 
 
试样编号
No
焊缝形式
最大载荷
Fm/KN
抗拉强度
Rm/(N/mm2)
伸长率
A(%)
断口位置
说明
HCL1
对接
118
670
14.5
母材
无缺陷
HCL2
对接
125
625
13.0
母材
无缺陷
HBL1
对接
121
640
17.0
母材
无缺陷
HBL2
对接
114
600
10.0
母材
无缺陷
PCL1
对接
126
675
15.0
母材
无缺陷
PCL2
对接
120
650
14.0
母材
无缺陷
PBL1
对接
124
660
15.5
母材
无缺陷
PBL2
对接
124
675
14.5
母材
无缺陷
表1拉伸试验
 
弯曲试验
宏观金相
试样编号
No
焊缝形式
试验方法
实验结果
试样编号
No
焊缝形式
实验结果
HBW1
对接
背弯
弯曲拉伸面无裂纹和焊接缺陷
HBJ1
对接
焊缝处无裂纹,未焊透等缺陷。
HBW2
HBJ2
HCW1
HCJ1
HCW2
HCJ2
PBW1
PBJ1
PBW2
PBJ2
PCW1
PCJ1
PCW2
PCJ2
2弯曲试验与宏观试验
根据试验数据分析,利用气体保护焊两种焊丝均能达到图纸设计要求,但从实际生产及经济效益考虑,决定采用ER50-6作为生产使用焊丝,并确定了一套完整的焊接工艺。
3.      实际焊接生产保障措施
3.1     材料选择及排版:
30CrMnSiA材料在市场上较难买到合适的板材,接到制作任务之后,首先对图纸零件重新拆分,制作三维图形确定焊接坡口形式,多次对下料尺寸进行修正,经多次修改后,确定出几种可以相互替代的板材规格,由最初计划的65.4吨降为46.9吨,节省成本为30.5万。在材料到公司之后,质检人员对板材全部进行了UT探伤,执行的标准为JB 4730-2005
3.2     分件制作:
本结构为8个重要部分组成,其中4个圆环的制作尤为困难,因为焊缝位置较为脆弱,所以要求在滚圆拼焊完成之后不允许再次上滚床进行重新滚圆,并且直接4500mm的圆环在拼焊完成之后误差不能超过3mm,使分号件满足工艺要求
3.3     整体焊接:
本结构整体的预热温度要达到工艺要求,根据工艺要求整体预热是在公司的退火炉中进行加热的,加热到300℃保温一段时间,待工件冷却至250℃,从炉体中直接拉出,24小时不间断进行焊接,一次性完成焊接任务。具体焊接工艺如下:
3.3.1              炉内工件温度升温至300℃,保温2小时,随炉冷却,待工件缓冷至250℃左右时出炉。除需焊接部位外,其它外露部分均采用石棉覆盖,达到缓冷效果;
3.3.2              施焊过程中,采取均布、多层多道的焊接方法,同时,同一道焊缝不要一次性完成,每道焊采用均匀布焊,完成焊接;
3.3.3              焊接过程中存在两次翻面,第一次翻面的时间为:对分件1两道平坡口焊,件2与件3、件4与件35横坡口焊时,待焊缝完成1/2时,进行翻面。装车,按预热要求进行另一面的焊接,做到均匀、均布,完成该面所有焊接,然后进行第二次翻面,按预热工艺要求完成第一面的焊接;
3.3.4              然后进焖火炉,按焖火工艺进行焖火处理。
 
4.      结论:
通过严格控制制作过程中的各个环节,对每一个可能出现问题的环节事先一一进行解决,利用已有的焊接经验和和成熟技术,再加上公司拥有的大型退火炉,在各级领导带领下,通过技术人员、检验人员及焊接工人师傅们的共同努力,最终保质保量按时完成的攻关的任务,并且提高了技术人员、检验人员、工人师傅们的技术水平,同时对30CrMnSiA这种特殊材料焊接的工艺方案制作积累了丰富的经验,同时也为此类大型结构件的制作方面提供了实例依据。
 
 
 
 
[1]彭昌永,范如源,郭鹏。调质态30CrMnSiA支架的等强度焊接及变形控制研究[J]。 工程材料应用,2013 ,40(3):53-55
[2]边锋。热处理工艺参数对30CrMnSiA调质钢力学性能和组织的影响[J]。 特钢技术,2008,14(2):24-25
[3]王月华,石兴玉。 30CrMnSiA薄板的焊接 [J] 金属铸锻焊技术。2009,91:23-124
[4]张鼎勋。焊条的选择与使用(一) [J]。焊接。1983,02:27-33

  
 
来源:湖北焊协