承受動載荷鑄鋼設(shè)備裂紋焊接修復技術(shù)

李麗丹

（攀鋼集團工程技術(shù)有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

攀鋼冶材公司1250 t 壓磚機體（材料35 鑄鋼）由于長期超負荷動載使用，在液壓缸一側(cè)產(chǎn)生320 mm長的疲勞裂紋，不能繼續(xù)使用，須進行裂紋修復。用碳弧氣刨和角向砂輪機清理缺陷深度已達120 mm 深處時還有裂紋缺陷存在（圖1）。由于距離液壓缸太近，不能繼續(xù)清除裂紋缺陷。如果裂紋清除不干凈就對焊縫進行焊接，焊縫中會有殘留的裂紋缺陷，如設(shè)備運行，可能不到幾小時或最多不超過3 d，在動載荷的作用下殘余裂紋就會延伸直至斷裂，造成設(shè)備報廢和較大經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)遇有無法清除裂紋缺陷的情況下，多采取在裂紋處的正反兩面加裝背板，并鉆孔進行鉚接或穿螺栓緊固的方式來解決。由于壓磚機體裂紋處背面是液壓缸，而正表面有不規(guī)則的弧度，不能采取加裝背板的方法。為保障生產(chǎn)任務(wù)、減少經(jīng)濟損失，須研究解決這一修復難題。

1 裂紋原因分析

因壓磚機體是鑄造加工件，某些部位不可避免地會出現(xiàn)細小的鑄造缺陷，這些缺陷處會產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于設(shè)備運行中是承受交變動載荷，在長期交變動載荷的疲勞作用下，首先在應(yīng)力集中處出現(xiàn)破裂點，然后形成微觀裂紋；在繼續(xù)加載下，裂紋逐漸延伸擴大，就成為了宏觀的裂紋。如果產(chǎn)生的裂紋不及時修復，裂紋會繼續(xù)增加，使工件截面積縮小，直到工件破斷或脆斷為止。

圖1 清理裂紋處的坡口形狀

2 焊接分析

（1）35 鋼屬中碳鋼，含碳量約0.35%，淬硬傾向較大，焊接性比低碳鋼差，其化學成分和力學性能見表1 和表2。

（2）熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織和冷裂紋。35 鋼屬易淬火鋼，熱影響區(qū)被加熱超過淬火溫度的區(qū)段時，受工件低溫部分的迅速冷卻作用，將出現(xiàn)馬氏體淬硬組織。

（3）焊縫金屬熱裂縫傾向大。由于母材含碳量與硫、磷雜質(zhì)，遠高于焊條鋼芯。母材熔化后進入熔池，使焊縫金屬含碳量增加塑性下降，加之存在硫、磷低熔點雜質(zhì)，焊縫及熔合區(qū)在相變前就可能因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

表1 35 鋼的化學成分 %

表2 35 鋼的力學性能

（4）焊縫中易產(chǎn)生氣孔缺陷。因母材含碳量高，所以對氣孔的敏感性增加，當選擇的焊接材料的脫氧性差，對坡口的清理不干凈，以及焊接材料的烘干不符合要求時，在焊縫中易產(chǎn)生氣孔，使焊縫強度降低和增大應(yīng)力集中系數(shù)。

（6）在焊接的研究中，焊接接頭處還有未清除的裂紋缺陷存在的情況下進行焊接，焊縫中殘留的裂紋根部附近會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使在低于材料屈服極限情況下受載荷時，殘留裂紋就會擴展延伸直至斷裂。所以，有裂紋未清除完的情況下，要防止裂紋延伸擴展，必須消除裂紋附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，才能保證所焊接的接頭處性能不受應(yīng)力的影響。

（7）由于殘留裂紋的擴展與裂紋附近的應(yīng)力集中和受到拉應(yīng)力有關(guān)，為降低有裂紋處的應(yīng)力集中系數(shù)、減小殘余應(yīng)力，通過分析研究，可采用鎳含量高的焊接材料在裂紋處焊接過渡層（圖2）。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，能保持良好的塑性和韌性，可提高鋼對疲勞的抗力和減小鋼對缺口的敏感性。焊縫熔敷金屬中鎳含量高時，還可吸收焊接過程中產(chǎn)生的較多應(yīng)力，對氫的溶解度也高。鎳含量高的焊縫為奧氏體組織，雖然塑性、韌性好，但焊縫金屬的強度并不高，會影響焊縫的承載力。再進一步分析研究，可以在鎳基過渡層焊縫表面堆焊一層強度較高的焊接材料，對上一層有加固作用（圖2），防止鎳基層金屬因受到較大外力或拉應(yīng)力而被拉裂。

（8）為防止焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對根部焊縫的影響，研究在焊接底部過渡層和加固層時，采取焊后立即用帶圓頭的小錘對焊縫表面和熔合區(qū)進行錘擊（小錘重0.45～0.67 kg、圓頭直徑3～5 mm）的措施，這樣可使表面金屬晶粒破碎、延展，并能改拉應(yīng)力為壓應(yīng)力，有效防止和減小裂紋附近產(chǎn)生殘余的拉應(yīng)力。

圖2 焊接裂紋過渡層及加固層

3 焊接材料的選擇

（1）由于有裂紋處焊接需選擇鎳含量高的焊接材料，根據(jù)公司現(xiàn)有材料選擇Z308 焊條焊接，化學成分含量見表3。其中鎳含量≥90%，因焊條電弧焊小電流焊接時，焊條電弧焊堆焊層的熔合比為30%～35%（母材熔入焊縫中的量），可計算出在熔敷金屬中鎳的質(zhì)量分數(shù)均＞50%以上，堆焊層金屬為奧氏體組織。

表3 Z308 焊條化學成分 %

（2）堆焊加固層材料選擇比過渡層和母材強度較高的奧氏體A507 焊條。因A507 焊條是在含有較多Ni、Cr 元素的基礎(chǔ)上加入有一定量的其他合金元素，能提高熔敷金屬強度及保持良好的塑性和韌性，其特性還不受熱處理的影響，焊接工藝性能好，并與母材熔合良好。

（3）填充和蓋面層焊接選擇比母材抗拉強度略低的低氫型J427焊條。由于母材較厚，焊材填充量大，焊接接頭又承受交變動載荷，采取選擇與母材較低的焊接材料，可增加焊縫的塑性儲備，降低開裂傾向。

4 工藝實施

4.1 焊前準備

（1）用碳弧氣刨清理裂紋缺陷并修磨成U 坡口，再用角向砂輪機清除坡口面及兩側(cè)氧化物等雜質(zhì)。

（2）焊接材料按規(guī)定進行烘干，并放在100～150 ℃的保溫桶內(nèi)，隨用隨取。

4.2 焊接工藝及措施

（1）焊前預(yù)熱。焊前預(yù)熱溫度可通過鋼材的碳當量值CE來估算，預(yù)熱溫度，公式中考慮了焊件的厚度因素，C總=CE+C厚，C厚=0.005δCE，δ 為焊件厚度，這里取160 mm。通過公式計算，得出焊前應(yīng)預(yù)熱的溫度約為T0≈331 ℃。所以，焊前對坡口及兩側(cè)200～300 mm 均勻預(yù)熱到300～350 ℃，以降低焊接接頭冷卻速度，防止產(chǎn)生淬硬組織。

（2）在熔合良好的情況下，盡量選擇小電流、快速焊，以防止溫度上升過快對組織的影響。焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊工藝接參數(shù)

（3）由于所開的坡口有一端出頭，且有320 mm 長，焊接過程應(yīng)從里向外按1～3 的順序分3 段進行焊接（圖3），以使應(yīng)力分布較均勻，使部分應(yīng)力向外排除。中途接頭處應(yīng)錯開至少20 mm 以上。

（4）焊接過程應(yīng)采取多層多道焊。控制層間溫度等于或略高于預(yù)熱溫度，以防止溫度過高產(chǎn)生粗大組織而降低塑韌性。

（5）過渡層和加固層焊接過程中，每焊完一根焊條，立即用帶圓頭的小錘進行焊道錘擊，先錘擊焊道中間，再錘擊焊道與母材的熔合處，達到焊道表面布滿麻點為止，以消除部分應(yīng)力。

（6）整個焊接過程應(yīng)一次完成，中途不能停止，如遇溫度降低到300 ℃以下時，應(yīng)從新加熱到預(yù)熱溫度后才能焊接。

（7）焊接完成后，用氧—乙炔焰將焊縫及兩側(cè)加熱到350 ℃左右，并保持1～2 h 的后熱處理；然后再用已烘干的石棉覆蓋在表面使其緩冷，以消除部分應(yīng)力和焊縫中的含氫量，防止產(chǎn)生延遲冷裂紋。

（8）焊縫冷卻到室溫后，用角向砂輪機修磨焊縫表面余高與母材表面齊平，并與母材結(jié)合處過渡圓滑，以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中而在設(shè)備運行中產(chǎn)生疲勞裂紋。再用著色探傷檢查焊縫及兩側(cè)無缺后，交付使用。

圖3 箭頭所指焊接方向

5 結(jié)論

（1）在鑄鋼件產(chǎn)生的裂紋缺陷無法徹底清除的情況下，采取鎳基焊接材料在裂紋表面堆焊一層過渡層后，再在鎳基過渡層上堆焊一層鎳、鉻含量較多及強度較高的奧氏體焊接材料進行加固的雙過渡層方法，可有效減少殘留裂紋處的應(yīng)力及應(yīng)力集中和防止受到拉應(yīng)力而出現(xiàn)殘余裂紋的延伸。填補國內(nèi)在鋼裂紋清除不干凈的情況下，直接進行焊接修復的技術(shù)難題。

（2）由于修復處母材較厚，焊材填充量大，焊接接頭又承受交變動載荷，采取選擇與母材強度較低的焊接材料焊接，可增加焊縫的塑性儲備，降低焊縫開裂的傾向，延長使用壽命。

（3）設(shè)備運行至今1 年多時間，焊接修復處未出現(xiàn)任何問題，證明所采取的焊接工藝及措施是正確的，值得推廣應(yīng)用。