重型機械油缸裂紋的修復

潘子祥

(攀鋼集團工程技術有限公司，四川 攀枝花 617062)

推土機、裝載機、挖掘機等重型設備經常出現油缸焊縫處產生裂紋的現象，在修復TY320型推土機松土器油缸的1只油缸時，油缸后缸蓋與缸筒焊接產生大量裂紋，經多次清除裂紋后重新焊接，裂紋均難以避免。

1 焊接性分析

（1）TY320型推土機松土器油缸的缸筒材質為35#鋼，由無縫鋼管加工制作而成，壁厚25mm。油缸后缸蓋材質為35#鋼鍛件，缸蓋厚度48mm。其結構如圖1。作為35#鋼，兩者焊接性能較好，一般不會出現裂紋，35#鋼的化學成分見表1。

圖1 TY320松土器提升液壓油缸圖

但實際焊接修復過程中卻反復出現焊縫中心裂紋，為此，我們對其分別進行了取樣化驗，發現油缸后缸蓋化學成分中碳和硫的含量超標，見表2。

由表2的分析結果可見，油缸后缸蓋的C含量達到0.49%，特別是S含量達到0.068%，高S是引起焊縫熱裂紋的主要原因。硫在焊接冶金條件下與鐵形成Fe－FeS共晶體，其熔點僅有985℃。在焊縫金屬凝固結晶的后期，這些低熔點共晶體被排擠在柱狀晶交遇的中心部位，此時由于收縮而受到拉伸應力，這些低熔點共晶體就成了薄弱地帶，在拉伸應力的作用下容易在薄弱地帶開裂而形成裂紋。從圖2：Fe－C相圖可知，含碳量增加，熔池結晶時的初生相可由δ相轉為γ相，而有害元素硫在γ相中的溶解度比在δ相中低得多，因而會有較多的硫析出富集在晶界，從而加大裂紋的傾向。故含碳量的增加又加劇了硫的有害作用，造成油缸后缸蓋與缸筒的焊接在焊接過程中產生裂紋。

圖2 Fe－C相圖

表1 35#鋼化學成分（質量分數） %

表2 后缸蓋的化學成分分析結果（質量分數） %

（2）對于高C鋼焊接時，如果焊后冷卻速度較快，熱影響區可能產生硬脆的馬化體組織，容易造成延遲裂紋。如果焊接材料未烘干或焊接處油污、水分清理不干凈，焊縫中的擴散氫含量較高，也易出現氫致冷裂紋。

（3）裂紋所處位置在油缸后缸蓋與缸筒的焊接焊縫中，因為缸筒和油缸后缸蓋的厚度達到48mm，焊接拘束度大。在裂紋修復補焊過程中受到拘束而不能自由的收縮，焊接措施和方法不當時，焊接接頭會產生較大的內應力，從而增加了焊縫開裂的可能。

2 修復工藝方案的確定

（1）堆焊過渡層。油缸后缸蓋化學成分中碳和硫的含量超標，并不影響使用后缸蓋所要求的力學性能，但會造成油缸后缸蓋與缸筒在焊接過程中產生熱裂紋，要消除含量超標的碳和硫的影響問題，需采用低碳和低硫的焊接材料進行堆焊過渡層的辦法來解決。

（2）焊前預熱。由于后缸蓋與缸筒兩相焊元件的厚度較大，可能產生焊接冷裂紋，焊前需進行預熱。但考慮控制焊接變形的需要，我們采用較低的預熱溫度，預熱溫度控制在150℃以下。

（3）消除焊接應力。后缸蓋與缸筒的焊縫只存在局部裂紋，裂紋長約143mm。在修復補焊過程中，修復焊縫受到很大拘束而不能自由的收縮，存在很大內應力。我們采用將后缸蓋與缸筒的原焊縫完全刨除，在后缸蓋上堆焊好過渡層后，再將后缸蓋與缸筒進行焊接。采用此方法焊接量較直接、焊補大，可能產生焊接變形，為此采用錘擊焊縫表面的措施，釋放應力，避免因拘束度過大導致根部焊縫的開裂。

3 焊接工藝及措施

（1）焊前準備。采用扁形炭精棒對油缸后缸蓋與缸筒焊接的部位刨4～6mm深，并用砂輪機清除滲碳層。

（2） 堆 焊。 用E5015、Φ3.2mm焊 條 堆 焊，查E5015焊條熔敷金屬的S含量為0.01%。焊前焊條需經350℃烘干，保溫2h。施焊中采用小電流(90～100A)、焊條不作橫向擺動的辦法，盡量降低稀釋率，以減少母材中的S元素向堆焊層中過渡。根據文獻介紹，手工焊條電弧焊在堆焊條件下的熔合比一般在30～35%。根據資料中關于焊縫金屬化學成分中的熔合比(稀釋率)計算公式如下，其概念示意圖如圖3。

圖3 熔合比概念示意圖

式中：θ是熔合比(稀釋率)；Ab是焊縫橫截面上熔化母材所占有的面積；Ad是焊縫橫截面上填充金屬所占有的面積。

計算焊縫金屬中某合金元素的實際含量w(Mw)公式：

式中：w(Mb)為該元素在母材中的質量分數，%；w(Md)為焊接材料的熔敷金屬中該元素的實際質量分數，%；θ為熔合比(稀釋率)。

根據公式2，計算第1層堆焊E5015焊條后，堆焊焊縫中的S含量為：w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～35%)×0.068%+[1-(30%～35%)]×0.01%=0.0274%～0.0303%

如果再堆焊第2層E5015焊條，各層的熔合比(稀釋率)恒定，那么第2層堆焊焊縫中的S含量為：

w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～3 5%)×(0.0 2 7 4%～0.0 3 0 3%)+[1-(3 0%～35%)]×0.01%=0.0152%～0.0171%

通過計算，當堆焊2層E5015焊條金屬后，堆焊焊縫中的S含量只有0.0152～0.0171%，完全可以滿足焊接需要。堆焊前預熱待堆焊面至100℃左右。在焊完一段焊縫時，立即填滿弧坑，避免弧坑裂紋產生。焊完第1層后，清除焊渣，并用著色檢查，合格后按同樣的方法堆焊第2層，直到填平。用手持式砂輪機將堆焊層表面打磨平，并對堆焊層金屬取樣化驗，結果見表3，檢驗結果表明該堆焊層金屬中碳和硫含量已大大減小。

表3 堆焊層金屬化學成分(質量分數) %

（3）預熱。將油缸后缸蓋與缸筒裝配焊接。焊前用對坡口兩側50mm范圍內預熱至150℃，以減小焊接應力。焊條需經350℃烘干，保溫2h。焊接時，要求每焊完一道都要把焊渣清除干凈。

（4）焊接。①層間溫度控制。焊接過程中始終控制層間溫度在100～150℃，中間中斷焊接時應采取石棉包裹保溫緩冷的措施。再次焊接前，必須再次預熱100～150℃。②焊接操作措施。選擇直流反接，采取短段多層多道焊以減小焊縫橫向的收縮量。施焊中盡量使用小電流，在熔合良好的情況下速度稍快，以減小母材熔化量和降低熱輸入量。每一道的短段均采取分段退焊，以降低應力和使應力分布均勻，接頭處應錯開20～30mm，收弧時填滿弧坑。除底層和蓋面層外，每焊一段，應即用帶圓頭的小錘錘擊焊道表面，達到布滿麻點為止，可消除部分應力，有利于防止產生裂紋。③焊后緩冷。焊后采用石棉包裹油缸后蓋的方式進行保溫緩冷，避免冷速過快形成馬氏體脆硬組織。

4 焊后檢驗

焊后冷卻到室溫后用5倍的放大鏡檢查焊縫表面，未發現有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，焊趾處于母材均圓滑過渡，無咬邊缺陷。然后再進行表面著色探傷，也未發現裂紋等其他缺陷。

5 使用情況

經我們采用此方案修復后，TY320型推土機松土器油缸投入使用，油缸后缸蓋與缸筒相焊焊縫直到油缸其他部分出現損壞導致油缸報廢時，仍然未出現任何焊接缺陷，由此證明了該修復方案的可行性。

參考文獻：

[1]李亞江等編著. 焊接修復技術,化學工業出版社.2005.

[2]劉云龍.《焊接技師手冊》,機械工業出版社.