王迎君

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川 618013)

工藝

800MN模鍛壓機(jī)主工作缸體的焊接

王迎君

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川 618013)

采用不同組合的焊接材料，在不同的焊接線能量下經(jīng)歷不同的焊后熱處理后獲得的0℃沖擊功，確定合理的焊接線能量和焊后熱處理工藝參數(shù)，確保了500 mm厚埋弧焊焊接工藝評定合格，確保了800 MN模鍛壓機(jī)主工作缸體的焊接質(zhì)量。為今后在承制類似產(chǎn)品的制造提供了科學(xué)依據(jù)。

主工作缸體；埋弧焊；焊接工藝評定；模擬件

中國二重集團(tuán)公司承制的800 MN模鍛壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)大型模鍛件的整體精密成形，是大飛機(jī)國產(chǎn)化制造的關(guān)鍵設(shè)備。而主工作缸體則是800 MN模鍛壓機(jī)中重要部件之一，它直接承受著系統(tǒng)的壓力，是壓機(jī)的動力機(jī)構(gòu)。主工作缸體的材料為20MnNiMo鍛件，要求該材料的抗拉強(qiáng)度在600～780 MPa之間，屈服強(qiáng)度不得低于450 MPa。主工作缸體內(nèi)徑為?3 m，受煉鋼和鍛造能力限制，無法實(shí)現(xiàn)主工作缸體的整體鍛造，必須通過焊接來進(jìn)行主工作缸體的制造，焊接厚度約為600 mm，精加工后最大板厚達(dá)到565 mm，每個缸體由兩個零件焊接而成。

1 主工作缸體在焊接過程中存在的問題

主工作缸體厚度約為600 mm，屬于超深坡口范疇，二重沒有此規(guī)格的埋弧焊焊接先例，在其焊接過程中存在中斷弧不易進(jìn)行打磨起弧、焊接過程中不容易觀察等諸多問題，因此要保證產(chǎn)品一次合格，焊接設(shè)備、焊接過程中的焊接參數(shù)以及焊接過程中熱處理的時(shí)機(jī)都相當(dāng)重要。

為保證產(chǎn)品焊縫一次合格，我們制作了與產(chǎn)品坡口形式一致的模擬件，要求在產(chǎn)品正式焊接前對模擬件進(jìn)行焊接，以確保產(chǎn)品萬無一失。

2 焊接材料的選擇及焊接工藝試驗(yàn)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)、焊后消應(yīng)熱處理工藝參數(shù)均對焊接接頭的力學(xué)性能有一定的影響，為了保證超厚焊接試板的力學(xué)性能合格，借鑒800 MN模鍛壓機(jī)與主工作缸體相同材料的其它較薄件剩余試料，進(jìn)行了一系列的焊接試驗(yàn)工作。

2.1 390 mm厚度20MnNiMo鋼板的工藝試驗(yàn)

2.1.1 化學(xué)成分分析及性能試驗(yàn)

經(jīng)過查閱資料，最終選定焊接材料為CHW-S10/HJ250G組合，首先對采購的焊絲CHW-S10進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

根據(jù)常規(guī)的焊接經(jīng)驗(yàn)，采用焊接材料CHW-S10/HJ250G組合，給定了線能量為33 kJ/cm，熱處理溫度為590±10℃×15 h。CHW-S10/HJ250G組合焊縫處的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，對焊接接頭試板的沖擊及彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果如表3～表5。

結(jié)果顯示，焊接材料CHW-S10/HJ250G組合，采用線能量為33 kJ/cm，熱處理溫度為590±10℃×15h。焊接試板的性能不理想，特別是沖擊功過低。

表1 焊絲CHW-S10的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of wire CHW-S10 (Mass,%)

表2 CHW-S10/HJ250G組合焊縫處的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of combination welding of CHW-S10/HJ250G

表3 全焊縫金屬T/2處沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impact test result at full welding metal T/2

表4 兩組焊縫及熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)Table 4 Impact test at two groups of welding and heat-affected zone

表5 390 mm厚焊接接頭彎曲試驗(yàn)Table 5 Bending test of 390 mm thickness welded joint

表6 兩組不同焊劑組合的焊縫金屬力學(xué)性能Table 6 Mechanical property of welding metal by two different groups of weld flux

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Impact test result

表8 焊縫金屬沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Impact test result of welding metal

表9 390 mm焊接接頭T/4焊縫位置的性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 9 Performance test result at T/4 welding position of 390 mm welded joint

2.1.2 選用另外兩種焊劑進(jìn)行試驗(yàn)

我們與焊材廠家進(jìn)行了聯(lián)系，采用了對方推薦的另外兩種焊劑，在其余參數(shù)不變的情況下，焊接了試板，對全焊縫金屬進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.1.3 確定焊材及焊接工藝規(guī)范

2.1.3.1 確定焊材

通過與之前的焊接材料的試驗(yàn)結(jié)果的對比，性能結(jié)果更不理想，因此不更改焊劑，仍然采用HJ250G。兩組不同焊劑組合的焊縫金屬力學(xué)性能見表6。

2.1.3.2 焊接工藝規(guī)范及力學(xué)性能試驗(yàn)

考慮到焊絲中含有大量的Ni元素，晶粒很容易長大，因此我們決定通過控制焊接的線能量和焊接后的熱處理規(guī)范來改善焊縫性能，主要解決0℃沖擊問題。

對采用線能量30 kJ/cm、熱處理溫度590±10℃×15 h的焊接試板進(jìn)行解剖檢驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7。

對采用線能量28kJ/cm，熱處理工藝分別為570℃×15 h、590℃×15 h、610℃×15 h的焊接試板進(jìn)行試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表8。

圖1 390 mm厚焊接接頭全斷面力學(xué)性能檢測結(jié)果
Figure 1 Mechanical property test result of full section of 390 mm thickness welded joint

表10 390 mm焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Hardness test result of 390 mm welded joint

表11 焊縫的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 11 Chemical composition of welding (Mass,%)

圖2 焊接接頭硬度檢測部位示意圖Figure 2 Schematic diagram of location for the hardness test of weld joint

表12 沖擊和彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 12 Results of impact test and bending test

圖3 500 mm焊接接頭全斷面力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Mechanical property test result of full section of 500 mm thickness welded joint

2.1.3.3 檢驗(yàn)結(jié)果確定

根據(jù)上述結(jié)果，考慮到鋼板的回火溫度以及各個溫度的沖擊值，確定焊接材料為CHW-S10/HJ250G，線能量為28 kJ/cm，熱處理工藝為570℃×15 h，在此條件下390 mm厚焊接試板的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表9，均滿足圖樣要求。

按照J(rèn)B 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》，對390 mm厚焊接接頭全斷面進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。焊接接頭強(qiáng)度檢測結(jié)果見圖1，硬度檢測位置如圖2所示，硬度試驗(yàn)見表10。彎曲試驗(yàn)結(jié)果：無裂紋，均合格。

2.2 500 mm 20MnNiMo鋼板埋弧焊焊接試驗(yàn)

根據(jù)焊接390 mm試板的經(jīng)驗(yàn)，我們確定了焊接材質(zhì)為20MnNiMo的500 mm試板的焊接材料及焊接工藝規(guī)范，焊接材料選為CHW-S10/HJ250G，控制線能量不得高于28 kJ/cm的情況下焊接試板，而后進(jìn)行了570℃×15h的熱處理，其焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果見表11。500 mm焊接接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見圖3。沖擊和彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表12，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表13。評定結(jié)果符合技術(shù)要求。

3 模擬件的焊接

雖然500 mm厚的焊接工藝試驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC焊縫的性能質(zhì)量，但鑒于主缸體的焊接厚度達(dá)到了600 mm，為保證焊接質(zhì)量，我們按1∶1的比例制作了3件主缸體模擬件。對模擬件進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

表13 硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 13 Hardness test result

為控制成本，模擬件采用的材質(zhì)為16Mn的鋼板進(jìn)行制作，采用深坡口埋弧焊設(shè)備進(jìn)行焊接。焊接前采用天然氣進(jìn)行≥150℃的預(yù)熱，焊接過程中及時(shí)清渣，觀察焊道成型，出現(xiàn)不良焊道及時(shí)處理，保證焊接質(zhì)量，焊接過程中應(yīng)隨時(shí)用測溫儀測量層間溫度，并監(jiān)測預(yù)熱溫度，保證溫度一直≥150℃。焊接過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如因故必須中斷焊接過程，需在預(yù)熱溫度下保溫，直到焊接工作重新開始。焊接工藝參數(shù)按照500 mm厚埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)中的焊接規(guī)范參數(shù)執(zhí)行。

焊縫的300 mm厚度以上為超深坡口焊接位置，后續(xù)焊縫為常規(guī)窄間隙焊縫，因此在焊接了350 mm后，即停止焊接，立即進(jìn)行(300～350)℃×2 h消應(yīng)處理，待溫度降低到常溫，24 h后，從鋼板側(cè)面進(jìn)行100%UT，JB/T4730.3—2005《承壓設(shè)備無損檢測》Ⅰ級合格檢測技術(shù)等級B級的探傷，探傷結(jié)果合格。

通過焊接模擬件，總結(jié)出避免焊縫未熔合等缺陷的辦法，總結(jié)了新焊接設(shè)備的操作經(jīng)驗(yàn)，對焊縫的收縮量有了一定認(rèn)識，并且制定了合理的焊接坡口、焊接工藝、焊工焊接操作要領(lǐng)。

4 實(shí)際產(chǎn)品的焊接及結(jié)果

實(shí)際產(chǎn)品件的焊接坡口形式采用單面U型坡口，坡口寬度控制在40 mm左右。按圖紙尺寸進(jìn)行裝配，進(jìn)爐預(yù)熱，控制出爐溫度≥200℃。采用專用的窄間隙埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接。焊接過程中應(yīng)及時(shí)清渣，觀察焊道成型，出現(xiàn)不良焊道應(yīng)及時(shí)處理，保證焊接質(zhì)量。焊接過程中應(yīng)隨時(shí)用測溫儀測量層間溫度，并檢測預(yù)熱溫度≥180℃。焊接過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如因故必須中斷焊接過程，需在預(yù)熱溫度下保溫，直到焊接工作重新開始。焊接到250 mm左右(即焊完一盤焊絲后)?；。⒓催M(jìn)爐進(jìn)行消應(yīng)處理。待出爐冷卻后對焊縫進(jìn)行100%UT，JB/T4730.3—2005《承壓設(shè)備無損檢測》Ⅰ級合格探傷，檢測技術(shù)等級B級，后期內(nèi)部加工，故根部5 mm范圍內(nèi)缺陷不計(jì)。合格后按照上述工藝加熱、焊接，直至外坡口填滿，然后消應(yīng)、探傷。

主工作缸體按照上述工藝過程進(jìn)行焊接、消應(yīng)，并進(jìn)行了無損檢測，全部合格。

5 結(jié)論

經(jīng)過近2年的實(shí)施，完成了800 MN主工作缸厚壁模擬件窄間隙焊接，探傷以及性能試驗(yàn)合格，同時(shí)完成了焊接工藝評定以及焊工培訓(xùn)，完成了800 MN模鍛壓機(jī)主缸體(焊接厚度為600 mm)的焊接，達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙要求。保證了焊縫質(zhì)量，同時(shí)減少了返修工序，降低了生產(chǎn)制造成本。

編輯 陳秀娟

The Welding of Master Working Cylinder in 800MN Die Forging Press

WangYingjun

The impact energy at 0℃ of weldments can be obtained by using different combination of welding consumables under the different welding heat input and the different post weld heat treatment methods. The reasonable welding energy input and the post weld heat treatment processing parameters can be determined. The welding procedure qualification of 500mm thickness submerged arc welding is guaranteed, the welding quality of master working cylinder in 800MN die forging press is ensured. It provides a scientific basis for the manufacture of similar products in future.

master working cylinder; submerged arc welding; welding procedure qualification; welding simulation

2017—06—10

王迎君(1969—)，女，高級工程師，1991年7月畢業(yè)于西安石油學(xué)院機(jī)械系，現(xiàn)從事壓力容器焊接工藝及試驗(yàn)工作。

TG315.4+2

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