30CrMnSiA大型結構焊接

王占亮 富泉 李鍇 劉建平

30CrMnSiA大型結構焊接

王占亮 富泉 李鍇 劉建平

【摘要】本結構件所用材料為30CrMnSiA，根據結構件所用板材的規格選用30mm板材進行了兩種焊絲的焊接工藝評定，并根據對照性試驗，制定了合理的焊接工藝及參數，成功完成大型結構件的焊接工作，同時也為此類材料的焊接提供了解決方案。

1. 概述

我公司接到某軍工產品（見圖1、圖2），外形尺寸為690mm×φ4500mm/φ3500mm（圓環）；材料為30CrMnSiA；最大板厚為80mm；質量8.4t；要求所有焊縫進行連續焊接，焊后要求進行MT、PT探傷；并要求所有外露面均需加工，且一些面的加工精度要求達到Ra=0.4um。

此大型結構件為某軍工產品最為關鍵的部件，在整臺機床上為主要的受力和支撐部件。該構件在結構上相對比較簡單，但由于其材料的特殊性給焊接方面帶來了極大的困難。該構件使用的材料全部為30CrMnSiA低合金高強度鋼，且是公司第一次接觸，無制作經驗。經過查閱大量的資料，總結經驗，并多次與相關技術人員交流，進行了焊接工藝評定，選取了合適的焊前預熱溫度、保護性氣體和焊絲，經一系列的試驗之后確定了一套完整的焊接工藝。

2. 材料焊接性分析

30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系統的中碳調質鋼。這種鋼退火狀態下的組織是鐵素體和珠光體，調質狀態下的組織為回火索氏體（統稱回火馬氏體），其化學成分及力學性能如表1所示。按照國際焊接學會推薦的碳當量公式計算，其CE=0.73%，具有較高的淬硬傾向，焊接接頭極易出現硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂傾向。

鑒于以上情況，結合本結構特點采用焊前預熱、焊后緩冷，并需要根據實際板材厚度進行焊接工藝評定。

3. 焊接工藝評定

（1）焊接方法的確定根據本結構特點，為了保證生產周期及產品的過程控制，采用焊接效率較高的氣體保護焊進行焊接。

（2）焊絲確定查閱相關文件，對于合金結構鋼，通常要求焊縫金屬的主要合金成分與母材金屬相同或相近的焊絲。根據實際選用H18CrMoA、ER50—6。

圖1　結構三維

圖2　截面

表1　30CrMnSiA鋼化學成分及力學性能

（3）氣體選擇保護性氣體選擇20%CO2+80%Ar的混合氣體，純度為99.9%。

（4）試板厚度選擇本結構的板厚為20～80mm，根據NB/T 47014—2011標準中“對接焊縫試件厚度與焊件厚度規定”選用了36mm厚鋼板。

（5）預熱溫度及保溫時間選擇預熱溫度初步確定為250℃，在分件制作過程中選用的是預熱帶對焊接位置進行加熱，加熱到250℃以后保溫1h，使焊縫附件的母材內外溫度達到一致，這樣在焊接過程中就使得熔池溫度達到穩定一致，并且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，提高了焊接接頭的抗裂性，確保了焊縫質量。

（6）焊后探傷焊接工藝評定試板規格為兩組36m m× 150mm×350mm，焊接完成24h后對試板進行了UT和MT探傷，使用JB/4730—2005標準Ⅱ級。經專業探傷人員檢查合格后進行熱處理。

（7）焊后熱處理為了消除焊接的殘余應力，穩定焊縫組織，在焊接完成后需要進行熱處理，在330～350℃保溫3～4h，升溫速率為50～70℃/h，然后閉爐冷卻。

（8）試驗結果根據NB/T 47014—2011標準制作了4組試板，對其進行拉伸和彎曲等試驗，在每塊試板上分別取兩個試塊分別做拉伸、彎曲、宏觀金相試驗，其中各項指標如表2、表3所示。

根據試驗數據分析，利用氣體保護焊，兩種焊絲均能達到圖樣設計要求，但從實際生產及經濟效益考慮，決定采用ER50—6作為生產使用焊絲，并確定了一套完整的焊接工藝，具體焊接參數如表4所示。

表2　拉伸試驗

表3　彎曲試驗與宏觀試驗

表4　橫焊焊接參數

4. 實際焊接生產

（1）材料選擇及排版對圖樣零件重新拆分，制作三維圖形確定焊接坡口形式，多次對下料尺寸進行修正，經多次修改后，確定出幾種可以相互替代的板材規格，由最初計劃的65.4t降為46.9t，節省成本為30.5萬元。在材料到公司之后，質檢人員對板材按JB 4730—2005全部進行UT探傷。

（2）分件制作本結構為8個重要部分組成，其中4個圓環的制作由于焊縫位置較為脆弱，所以要求在滾圓拼焊完成之后不允許再次上滾床進行重新滾圓，并且φ4 500mm的圓環在拼焊完成之后誤差≤3mm，使分號件滿足工藝要求。

（3）整體焊接根據工藝要求整體預熱是在公司的退火爐中進行加熱的，加熱到300℃保溫一段時間，待工件冷卻至250℃，從爐體中直接拉出，24h不間斷進行焊接，一次性完成焊接任務。

具體焊接工藝如下：

第一，爐內工件溫度升溫至300℃，保溫2h，隨爐冷卻，待工件緩冷至250℃左右時出爐。除需焊接部位外，其他外露部分均采用石棉覆蓋，達到緩冷效果。

第二，施焊過程中，采取均布、多層多道的焊接方法，同時，同一道焊縫不要一次性完成，每道焊采用均勻布焊，完成焊接。

第三，焊接過程中存在兩次翻面：第一次翻面的時間為對分件1兩道平坡口焊，件2與件3、件4與件3、5橫坡口焊時，待焊縫完成1/2時，進行翻面；裝車，按預熱要求進行另一面的焊接，做到均勻、均布，完成該面所有焊接，然后進行第二次翻面，按預熱工藝要求完成第一面的焊接。

第四，然后進燜火爐，按燜火工藝進行燜火處理。

5. 結語

通過嚴格控制制作過程中的各個環節，對每一個可能出現問題的環節事先一一進行解決，利用已有的焊接經驗和成熟技術，再加上技術人員、檢驗人員及焊接工人師傅們的共同努力，最終保質保量按時完成攻關的任務。該大型結構件的成功焊接，不僅在對30CrMnSiA這種特殊材料焊接的工藝方案制作積累了豐富的經驗，同時也為今后此類大型結構件的制作提供了實例依據。

參考文獻：

[1]彭昌永，范如源，郭鵬．調質態30CrMnSiA支架的等強度焊接及變形控制研究[J]．工程材料應用，2013，40(3)：53-55.

[2]邊鋒．熱處理工藝參數對30CrMnSiA調質鋼力學性能和組織的影響[J]．特鋼技術，2008，14(2)：24-25.

作者簡介：王占亮等，武漢武重金屬結構工程技術有限公司。