大型高精度無縫軌道焊接技術研究

索曉溪

大型高精度無縫軌道焊接技術研究

索曉溪

對于材質為42CrMo大型高精度無縫軌道焊接時，采用焊接改性層、填充層、堆焊層的焊接結構形式，通過預熱、反變形、控制溫度和焊后熱處理等措施，可有效的確保焊縫質量，避免出現焊接裂紋，也可以有效的消除焊接應力，確保整個軌道的平面度，滿足大型射電望遠鏡方位軌道的連續、高精度、高強度、高耐磨性的設計要求。

1 概述

隨著我國深空探測事業的日益發展，大型射電望遠鏡的需求也日益增大，射電望遠鏡的精度越來越高，口徑越來越大，如何實現方位軌道的連續、高精度、高強度是急待突破的一個技術難點。

目前大型輪軌式天線方位軌道有分段拼接軌道和整體軌道兩種形式。雖然分段拼接軌道具有加工、安裝工藝相對容易，造價低的優勢，但在拼接處接觸應力大，變形大，整體剛性差等弊端。隨著天線口徑的增大，使用性能要求的增加，近年來國內外建造的輪軌式天線大多采用了方位軌道整體焊接技術。大型天線方位軌道要求具有高強度、高耐磨性要求，材料選擇為中碳合金鋼，其焊接性能差。另外由于承受載荷大，軌道設計尺寸大，導致焊接焊縫尺寸大，所以在方位軌道整體焊接后極易產生較大變形，也容易出行焊接裂紋等問題。

針對大型整體焊接軌道的特點，我們在焊接變形控制、焊接熱能控制、焊接應力釋放等方面深入研究分析，通過焊接試驗及對試驗件的檢驗測試，獲取可靠可行的軌道整體焊接技術。

2 材料的選擇

對于大型輪軌式天線的方位軌道的材料來說，它必須具有高強度、高耐磨性和良好的機械性能，才能滿足設計要求。為了滿足性能要求，軌道采用的材料是42CrMo，它具有高的強度，表面感應淬火后具有高的硬度和耐磨性，淬透性好使得軌道整體具有良好的機械性能，但同時它是一種具有淬硬傾向比較明顯、冷裂紋傾向比較嚴重、相對比較難焊接的材料。所以為保證質量，焊接方法就尤為重要。

3 焊接技術

考慮到42CrMo材料焊接裂紋傾向嚴重，直接在焊縫中焊接具有高強度的材料會容易出現焊接裂紋，所以采用在焊縫上先堆焊層低碳合金鋼材料的改性層，然后在堆焊高強度的填充層，然后在表面堆焊高硬度的堆焊層，增加耐磨性。

3.1 焊接方式

采用手工電弧焊，焊條直徑為3.2mm，焊接電源為直流反接，多層多道焊接。

3.2 溫度控制

由于42CrMo材料焊接難度大，所以焊接溫度的選擇和焊接溫度的控制是核心問題。焊接溫度包括：預熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度。

預熱溫度

預熱方式。采用厚板焊接中慣用的履帶式電加熱器預熱，再加上石棉布封閉覆蓋的預熱方法。

預熱溫度。預熱溫度的確定，主要與焊縫金屬中的擴散氫含量、坡口形式、母材化學成分、焊接構件的拘束度大小等因素有關，對預熱溫度公式計算僅作參考，在實際焊接過程中，需要一些工藝試驗及修正，使預熱溫度和層間溫度不低于計算值。

層間溫度控制

采用多層焊接方式，雖然在焊接過程中次層可對前層有消氫作用，能改善淺層焊縫及熱影響區的淬硬組織，但由于焊接環境不能嚴格控制層間溫度，會造成氫量的逐層積累，導致延遲裂紋的傾向更大。為了滿足不產生裂紋的施工條件，在整個施焊過程中，用履帶式加熱器進行保溫，用溫度計監測層間溫度，使層間溫度控制在240~260℃范圍內。

焊后熱處理溫度

焊后及時進行熱處理可以減少或消除焊接殘余應力，改善焊層的顯微組織，并可加速焊縫中的氫向外擴散。焊后熱處理對42CrMo的熱影響區和焊縫組織還具有韌化結果。為了使焊縫金屬中的氫加速擴散逸出，降低焊縫和熱影響區的含氫量，工件應在焊后立即進行消氫處理。采用較高溫度的去應力處理，可使焊層和熱影響區的氫含量和內應力降至很低的水平，從而避免出現延時裂紋。根據42CrMo調質回火溫度，選擇焊后熱處理溫度為380～420℃，加熱保溫還是采用履帶式加熱器和石棉布保溫。

4 焊接實驗

4.1 焊前準備

為了焊接質量高，焊接前應該做好如下準備：焊前必須清除地軌焊縫100mm處的油污、鐵銹、水等雜質；把地軌放置在焊接工裝上，調整水平；準備好履帶式加熱器和石棉布；焊條在使用前按說明進行300℃烘干，保溫1小時以上；準備好焊機和焊接保護工具。

4.2 焊接過程

改性層的焊接。按前面所提的焊接方法，并采用履帶式加熱器加熱保溫，以保證層間溫度，焊接低合金鋼材料，對焊縫坡口表面進行改性焊接。

填充層的焊接。填充層采用中碳合金鋼焊條對焊縫進行填充，盡量不要擺動焊條，在不產生裂紋情況下每個焊縫盡量薄，不大于3mm，且引弧位置錯開，收弧是填充弧坑。在焊接過程中，對每層焊道進行清渣并檢查，對已產生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，再進行焊接，為減小焊接應力與變形，對每層道都進行錘擊。

堆焊層的焊接。堆焊層焊接的焊條為高硬度、高強度，在焊接過程中要嚴格控制層間溫度，對已產生的氣孔、裂紋等缺陷須徹底清除后，在表面與母材連接的地方要注意焊接角度，避免咬邊現象。

4.3 焊后熱處理

整個工件焊接完畢后，立即用石棉布纏緊焊縫周圍，加熱帶全部加熱，并在焊縫與加熱帶之間用厚度為4mm厚的銅板隔開，加熱至250～350℃，保溫8小時以上，并在包裹嚴密的情況下緩冷。

4.4 焊縫打磨

熱處理完成后要對焊縫打磨，用可移動式磨床對焊縫進行打磨，保證焊接部位的軌道平面度。

5 變形控制

變形過程的監控。在整個焊件過程中，由于焊接熱量集中及母材厚度大，焊縫深度深等原因，焊件將發生較大變形，為監控變形量，在每個軌道表面八個位置做標識，用水準儀實施監測。

變形調整與控制。采用支撐千斤頂和工裝上方壓的方法和反變形相結合，調整變形。焊前反變形預留1mm高差的變形量。最終變形量調整在0.50mm以內。

6 消除焊接應力

為了保證軌道的整體水平度在0.5mm以內，應該減少和控制焊接應力，在焊接過程中采用下面的措施來減小焊接應力：用錘頭圓角為1～1.5mm的風鏟逐層錘擊焊道表面；在焊件破口根部加工12mm的應力釋放孔；焊接結束后熱處理。

經過多次的焊接實驗，結果表明，地軌母材采用42CrMo時，采用焊接改性層、填充層、堆焊層的焊接結構形式，通過預熱、反變形、控制溫度和焊后熱處理等措施，可有效的確保焊縫質量，避免出現焊接裂紋，也可以有效地消除焊接應力，確保整個軌道的平面度，滿足大型射電望遠鏡方位軌道的連續、高精度、高強度、高耐磨性的設計要求。

（作者單位：中國電子科技集團公司第三十九研究所）