萬噸液壓機滑塊焊接工藝分析研究

嚴建文 ，楊善林 ，張 強 ，張麥虎 ，王玉山

（1.高端成形機床成套裝備安徽省技術創新中心，安徽 合肥 230123；2.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230123；3.合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230009）

鈦及鈦合金由于強度高、比重小、耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕等優點，被廣泛應用于航空、航天、船舶、海洋開發、化工、生物醫用等諸多高科技領域。由于鈦合金壓制需要很高的比壓，因此壓制鈦合金的液壓機必須設計足夠緊湊，才能保證設備具有足夠剛性，滿足鈦合金壓制需要。

以某萬噸液壓機為例，滑塊臺面尺寸為3200mm×3500mm，而主油缸直徑已達2560mm，因此在結構設計時將油缸體和滑塊設計成一個整體焊接件（圖1）。這樣的設計可簡化壓機結構，減輕設備重量，從而降低設備制造成本。然而，加工難度卻大大提高，特別是滑塊的焊接難度大大提高。

該滑塊焊接難度主要體現在如何避免出現焊接裂紋。焊接裂紋的產生不僅給生產帶來困難，而且會使設備造成結構性破壞，甚至會造成重大事故，損失不可估量，因此必須制定完善的工藝方案和可靠的檢驗措施。

1 厚板（厚壁）零件裂紋產生原因分析

圖1 整體焊接件

一般情況下，厚度超過40mm的鋼板稱為厚板。萬噸液壓機滑塊鋼板厚度普遍在100mm以上，最厚的甚至達到220mm，油缸體壁厚達320mm。焊接時，在焊接應力作用下，易產生縱向裂紋。由于厚板焊接填充量大、焊接應力很大，出現各種裂紋的傾向很大。油缸與上下板連接為環形焊縫，由于環形焊縫受周邊360°方向約束，應力釋放困難及焊道熱輸入量不均勻，更易產生裂紋。厚板及厚壁焊縫常見焊接裂紋包括冷裂紋、熱裂紋和結晶裂紋。

1.1 冷裂紋

冷裂紋指焊接接頭冷卻到溫度較低時產生的裂紋，主要是指延伸裂紋。這種裂紋生成溫度約在100℃至150℃之間，存在潛伏期、緩慢擴散和突然斷裂三個連續過程。產生原因主要有：①含氫量的影響；②淬硬作用；③拘束應力。

1.2 熱裂紋

熱裂紋指焊接接頭在較高溫度時產生的裂紋，主要是指結晶裂紋。它是焊縫金屬在結晶過程中處于固相線附近的溫度范圍內，由于凝固金屬的收縮，而此時殘余的液相又不充足，在承受拉伸應力時，就會造成晶界的開裂。

1.3 結晶裂紋

結晶裂紋是沿焊縫樹枝狀交界處發生和發展的，因此焊縫結晶過程中晶界是薄弱環節，晶界間易形成“液態薄膜”，“液態薄膜”是形成結晶裂紋的根本原因，而拉伸應力則是產生結晶裂紋的必要條件。影響結晶裂紋產生的因素有：①坡口形式；②焊接工藝。

2 零件材料分析

假定滑塊本體材料為Q345B熱軋鋼板，凈重180噸；中間的油缸體材料為20MnMoNb鍛焊結構，重75噸，缸體焊前調質處理HB180～210。20MnMoNb和Q345B均為低碳合金結構鋼。其中20MnMoNb抗拉強度 σb約 510MPa，Q345B 抗拉強度σb=470～630MPa，它們的化學成份如表1所示。

碳當量是焊接工藝的重要指標。鋼的碳當量就是把鋼中包括碳在內的對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當含量。通過對碳當量和冷裂敏感指數的估算，可以初步衡量低合金高強度鋼冷裂敏感性的高低。這對焊接工藝條件，如預熱、焊后熱處理、線能量確定等都具有重要的指導作用。按照國際焊接協會推薦的計算公式：

該計算公式主要適用于中、高強度非調質合金高強鋼（σb=500～900MPa）。通常，20MnMoNb的 CE（IIW）值在0.47%～0.63%之間，Q345B的CE（IIW）值在0.37%～0.5%之間。當板厚＜20mm時，CE（IIW）＜0.40%對鋼材淬硬傾向不大，焊接性能好，不需要預熱。若CE（IIW）在0.40%～0.60%范圍，特別當CE（IIW）≥0.50%時，鋼材易于淬硬，焊前需要預熱。此外，按照日本JIS和WES標準計算公式如下：

表1 Q345B熱軋鋼板和20MnMoNb鍛焊結構的化學成分

該標準主要適用于低碳調質的低合金高強鋼（σb=500～1000MPa）。通常，20MnMoNb 的 Ceq（JIS）值在 0.49%～0.67%之間，Q345B的 Ceq（JIS）值的范圍為0.39%～0.5%。

3 焊接工藝要點

3.1 油缸體焊接

油缸體的坡口由立車車成，形式如圖2所示，其焊接工藝流程及要點如下。

圖2 坡口

（1）焊前處理。缸筒和缸底材料為20MnMoNb鍛件，為細化材料晶粒、保證材料組織均勻工件需調質處理HB180～210。由于工件太重（焊后重量達42312kg），焊后無法調質，只能焊前調質，因此對焊接提出了更高的要求。為保證焊接質量，焊接前需要對焊接坡口及周邊進行MT磁粉探傷檢查，并對焊縫及周邊100mm范圍內進行清理，確保無水、銹、油等雜物。

（2）焊接方式。對接焊縫一般采用埋弧焊焊接，但因此工件外徑為?2580mm，內徑為 ?1890mm，筒壁厚度達到345mm。采用常規的埋弧焊，坡口太大（坡口最寬處約為150mm），總計填充量約為1840kg，熱影響區和焊接應力都非常大。而采用圖2所示的窄間隙焊接坡口及窄間隙焊接方式，坡口最大寬度約為32mm，總計填充量約為500kg，熱影響區和焊接應力大幅下降。因此我們采用窄間隙埋弧焊對工件進行焊接。。

（3）焊材。焊絲采用直徑?4mm的H08Mn2MoA低合金鍍銅埋弧焊絲，抗拉強度為620～690MPa，與調質后的20MnMoNb抗拉強度相當。該焊絲焊接工藝性能優良，電弧燃燒穩定，脫渣容易，焊縫成型美觀，具有優良的抗裂性能，配合使用熔煉劑SJ101。為去除焊絲及焊劑中的結晶水和吸附的水分，以降低焊絲和焊劑中的氫進入到電弧氣氛中，防止氣孔、裂紋等缺陷的產生，焊絲焊劑焊前需烘焙至350℃，并且保溫2h。

（4）工件預熱和保溫。一般情況下，對于重要結構件、合金鋼、厚壁的焊接，都需要在焊前對工件進行預熱，其主要作用為：①減緩焊后工件的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。②預熱可降低焊接應力。對于大型工件，局部預熱難以讓工件預熱均勻，因此采 用整體進加熱爐預熱。這可以減少焊接區域被焊工件這間的溫度差（也稱溫度梯度）。一方面可降低焊接應力，另一方面可降低焊接應變速率，有利于避免焊接裂紋。③預熱可以降低焊接結構的約束度，溫度越高，裂紋發生率越低。

在本工件焊前，我們采用將工件進天然氣爐加熱至240℃。為避免風對焊接的不利影響，焊接時需在無風處進行。由于焊接時間太長，為避免工件自然冷卻，焊接過程中還需對工件持續加熱和保溫，并采用連續不間斷焊接，直到焊完工件。

（5）焊接。打底焊的主要目的是控制變形和焊縫隙成型好，先用適當的電流和焊材打底，然后再用稍大的電流進行填充，這樣成型好、速度快，如果不打底就直接填充，有可能出現焊穿或未焊透等焊接缺陷。本件因坡口深，采用一般焊接方式打底，焊縫難以熔透、焊渣難以清理干凈，采用氬弧焊打底不存在夾渣的缺陷，而且單面焊雙面成形的合格率也要比普通電焊高很多。為保證打底焊質量，本工藝采用氬弧焊打底。但氬弧焊因填充量小、效率太低，不適合填充焊道的工作。因此填充焊和蓋面焊均采用埋弧焊焊接。填充焊和蓋面焊焊接時需要保證層間為200℃～260℃的溫度范圍。焊接一道清理一道，埋弧焊電壓28～42V，焊接電流450A～670A，焊接速度450～550mm/min，焊接過程要保持連續不間斷。

（6）焊后熱處理。焊后熱處理的目的有三個：消氫、消除焊接應力、改善焊縫組織和綜合性能。

焊縫消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區中氫的逸出，對防止低合金鋼焊接時產生焊接裂紋的效果明顯。消應力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態下，其屈服強度下降，來達到松馳焊接應力的目的。合金鋼焊接后，其焊接接頭會出現淬硬組織，使材料機械性能變壞，此外這種淬硬組織在焊接應力及氫的作用下，可能導致接頭的破壞。經過合適的熱處理后，接頭的金相組織得到改善，提高了接頭的塑性、韌性，從而達到改善焊接接頭機械性能的目的。

為此，焊后立即在現場用巖棉包裹工件并轉熱處理，包裹工件時缸體開口端需添加堵板。熱處理加熱及保溫曲線一般如圖3所示。

（7）焊縫檢驗。采用超聲波對焊縫進行100%的掃查檢驗，探傷標準執行NB/T47013.3-2015《承壓設備無損檢測第3部分超聲檢測》，焊縫質量需滿足GB/T12469《焊縫質量保證鋼熔化焊接頭的要求和缺陷分級》的II級要求。

3.2 滑塊焊接

圖3 熱處理加熱及保溫曲線

滑塊焊接工藝流程及其要點為：

（1）坡口。為減少焊接量及焊接變形，焊接坡口盡量采用U型坡口并經機械加工，不能機械加工的坡口采用火焰切割V型坡口。V型坡口面需由人工打磨清理，保證表面光潔，粗糙度達到Ra12.5以內。

（2）焊前處理。所有鋼板零件焊前需進行噴丸除銹處理。

（3）焊接方法。GMAW熔化極二氧化碳氣體保護焊接。

（4）焊材。焊絲牌號ER50-6，焊絲直徑?1.2mm，焊前烘干處理；保護氣體為CO2。

焊絲ER50-6化學成份如表2所示，與母材相適應。

焊絲熔敷金屬力學性能與母材機械性能如表3所示，抗拉及屈服強度均優于母材。

（5）預熱。采用天然氣加熱爐對工件進行整體預熱，鋼板預熱溫度100～150℃，缸體預熱溫度240～260℃。焊接需在無風處進行，焊接過程中需對工件進行保溫并在工件溫度降低時用加熱帶或烘槍對工件局部加熱。

表2 焊絲ER50-6與母材Q235B化學成份

表3 焊絲ER50-6與母材Q235B機械性能

（6）焊接。采用多層多道焊接，層間溫度200～280℃。第1～2層焊接電流為230～270A，電弧電壓30～35V。第3層以后焊接電流為260～290A，電弧電壓為32～35V。焊接速度為 270～290mm/min，氣體流量為16～20L/min。每焊完一道或一層，均需用氣動風槍和鋼絲刷對焊道進行清理，以避免出現夾渣。此外，鉚裝和焊接順序需要嚴格按工藝卡片執行，以確保焊接應力和變形能得到有效控制。

（7）焊后熱處理。滑塊焊接的焊后熱處理與缸體相同，熱處理加熱及保溫曲線也如圖3所示。

（8）焊縫檢驗。執行GB/T11345-2013的《焊縫無損檢測、超聲檢測技術和檢測等級和評定》檢測標準，并按照GB/T29712-2013的《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》II級驗收。

4 結論

萬噸壓機的滑塊結構緊湊、空間小，操作困難，且具有厚板和厚壁圓筒、高強鋼、環形焊縫等諸多不利焊接的復雜因素，如何保證焊接質量是熱加工工藝的一道難題。通過認真的工藝驗證，設計完善的工藝方案并在施工過程中嚴格按工藝方案執行，最終制造出合格的零件。