350MN多向復合擠壓模鍛設備立柱出砂孔焊接工藝研究與應用

樊志勤，陳清陽

太原重型機械集團有限公司 山西太原 030024

1 序言

太原重型機械集團有限公司為國內某大型企業生產的350MN多向復合擠壓液壓模鍛設備，打破了以往壓機設備單向擠壓的傳統理念。該設備集立式壓機、臥式壓機于一體，梁亦柱、柱亦梁，從而形成雙向同時復合擠壓效果，主要生產結構復雜的高端鍛件（95%用于海洋裝備閥體），可實現一次成形，提高了擠壓機的工作效率和鍛件出品率。該產品的主要部件：立柱、上下橫梁，每件凈重均超過400t，單件鋼液重達800～935t，尤其是關鍵部件立柱（見圖1），輪廓尺寸為11 500mm×7480mm×4347mm，設計鑄件毛重600多t，總鋼液量需935t。據有關資料介紹，這種500t級的超大型結構鑄件在國內乃至國外都未生產制造過，目前為亞洲最大的鑄鋼件。

圖1 立柱部件

2 問題的提出

為滿足立柱部件鑄造技術要求，需在圖樣設計中留有多個工藝出砂孔，出砂孔為φ800mm、厚度240～320mm。經過有限元計算，其中8個出砂孔（見圖2）為擠壓機工作受力部位，為保證鑄件使用壽命、質量，需對出砂孔進行焊接封堵。

圖2 立柱出砂孔需補焊位置

立柱使用G20Mn5鑄鋼，其化學成分、力學性能分別見表1、表2，部件執行DIN EN 10293標準。依據國際焊接學會推薦碳當量計算公式，得出G20Mn5鑄鋼的碳當量為0.4%～0.5%，表明材料的焊接性較差，焊接接頭淬硬傾向較大[1，2]，冷裂紋敏感性較高，焊接過程中需要采用必要的預熱和后熱處理，同時還應嚴采用較小的熱輸入進行焊接。

表1 G20Mn5鑄鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 G20Mn5鑄鋼力學性能（質量分數）（%）

3 焊接材料的選用

焊接材料的選擇是制定合理焊接工藝的關鍵。本次對該超大型鑄鋼件出砂孔焊接材料選用，討論過以下幾種方案。

1）采用等強匹配，因鑄件材質與鋼板和鍛件相比較晶粒度組織粗大，鑄鋼件G20Mn5材料裂紋敏感性高，焊后容易產生冷裂紋。

2）采用塑性、韌性較好的不銹鋼焊材進行焊接，因焊后鑄件焊接應力較大，需進行兩次550℃中間退火處理，而奧氏體不銹鋼在450～850℃又是晶間腐蝕最敏感溫度區間，另外如果焊接過程中產生缺陷，需再進行返修，困難加大。

3）采用低匹配，選用塑性、韌性好的焊接材料，焊絲熔敷金屬的屈服強度高于G20Mn5鑄鋼，而抗拉強度級別略低于母材的焊材進行焊接。

考慮到立柱材料淬硬傾向和結構拘束度均較大，決定采用低匹配工藝方案。首先，選用伸長率和沖擊韌度較好、熔敷金屬擴散氫含量低的堿性藥芯焊絲E71T-5M-J（焊絲熔敷金屬力學性能見表3）對鑄件本體和堵塊坡口內進行20mm厚的過渡層堆焊和根部焊接，這樣可以有效地減小焊接應力對鑄件本體的影響。其次，中間填充部位采用焊工操作容易、力學性能好、質優價廉的實芯焊絲ER50-6（焊絲熔敷金屬力學性能見表4）進行焊接，這樣既保證了焊接接頭的力學性能，又可以有效降低生產成本。

采用低匹配+過渡層工藝方法，焊材熔敷金屬抗拉強度雖然低于母材抗拉強度的下限，但焊材熔敷金屬屈服強度高于母材[3]，且焊材的屈服強度達到部件最大使用屈服極限的兩倍多。低匹配焊材不僅可提高焊縫金屬的塑韌性，而且有利于防止焊接接頭產生焊接裂紋等缺陷。

表3 E71T-5M-J焊絲熔敷金屬力學性能

表4 ER50-6焊絲熔敷金屬力學性能

4 焊接工藝評定試驗

按照ISO 15614-1：2004標準進行焊接工藝評定。采用氣體保護焊（80%Ar+20%CO2），板厚180mm，雙U形坡口對接焊（見圖3），預熱溫度為150～200℃，后熱消氫處理工藝為（300～350）℃×2h，消應力退火工藝為550℃×8h，焊接參數見表5。

圖3 U形坡口及焊縫層道順序

表5 工藝評定焊接參數

焊接工藝評定試板經過UT檢測達DIN EN 12680-1Ⅰ級，焊接接頭的力學性能試驗結果分別見表6～表10。

工藝評定試板因經過中間550℃消應力退火，焊接接頭除熔敷金屬的抗拉強度低于母材外，其他各項指標均符合標準技術要求，表明選用的低匹配焊接材料是安全可靠的。

表6 焊接工藝評定拉伸試驗結果

表7 焊接工藝評定彎曲性能

表8 焊接工藝評定沖擊性能試驗結果

表9 焊接工藝評定金相檢驗結果

5 部件焊接的難點

結合以往歷年來對鑄鋼件補焊、缺陷焊接修復的體會，立柱這種超大型鑄鋼件出砂孔焊接存在以下關鍵技術問題。

1）鑄件的幾何尺寸和重量是建廠以來遇到的最大鑄鋼件，目前國內外尚無此類鑄鋼件出砂孔焊接的成熟工藝。

2）鑄件材質選用G20Mn5，其力學性能要求較高，如果焊接工藝制定不合理，焊接過程監控不嚴，容易產生焊接裂紋等缺陷。

3）出砂孔形狀為封閉性圓形孔洞，焊接拘束應力釋放困難，容易在焊縫附近產生應力裂紋。

4）鑄件晶粒度組織較粗大，焊接產生的應力易造成沿晶間開裂現象。

5）一般鑄件內部均有標準允許范圍內的小孔穴缺欠，但這些孔穴相對于焊縫來說屬于超標缺陷。判斷缺陷是鑄鋼件允許標準范圍內的還是焊縫的超標缺陷，位置判定困難。

表10 焊接工藝評定維氏硬度試驗數據 （HV10）

6）出砂孔焊縫質量要求達到超聲波檢測DIN EN 12680-1標準質量等級Ⅰ級，經初步計算焊絲用量需2～3t，對鑄件焊接來講難度較大。

7）直徑大、厚度大且數量多，工件整體加熱時工人勞動條件差、強度高，這將不同程度地給焊接帶來不利影響。

6 焊接工藝優化方案

經對鑄鋼件現場勘測、模擬計算擠壓機使用狀況、對材料力學性能試驗、熱處理工藝與焊接工藝評定試驗等數據進行綜合分析，經相關技術專家多次評審后，決定采用多項綜合措施施焊，并對現有焊接工藝進行優化，以確保鑄鋼件出砂孔的焊接質量。具體過程如下：

1）選用堵塊封堵法，制作材質、厚度、大小相近的圓形餅（見圖4），作為出砂孔封堵堵塊，進行焊接封堵[4]。

2）焊前對鑄件和堵塊焊接區域兩倍板厚范圍內，分別進行無損檢測，同時對鑄件本身存在的不超標缺欠的位置、大小和深度做好記錄，如有超標缺陷，先進行處理后再進行無損檢測及補焊。

圖4 制作的堵塊

3）焊前對鑄件出砂孔封堵部位，機加工開雙U形坡口，該坡口形式具有應力分布較好、焊接工作量小、易于焊接操作等優點。

4）使用80%Ar+20%CO2混合氣體保護焊，采用堿性藥芯焊絲在鑄件和堵塊坡口內先堆焊約20mm厚的過渡層（見圖5），堆焊后要求進行無損檢測和根部焊接，填充焊縫則采用焊工操作容易的實芯焊絲進行焊接。

圖5 出砂孔堆焊過渡層

5）將部件整體加熱到150～200℃開始焊接，施焊過程中若溫度低于預熱溫度150℃，需重新加熱后，方準繼續焊接，這有利于降低冷卻速度，減少焊接應力。

6）當焊接到出砂孔厚度一半時，對工件進行整體消應力退火處理，每焊接20～30mm厚，加熱到300～350℃，保溫2h，進行一次后熱消氫處理。

7）焊接時要采用小的熱輸入，φ1.6mm的E71T-5M-J焊絲：I=260～320A、U=28～36V；φ1.2mm的ER-506實芯焊絲：I=260～280A、U=26～32V，層間溫度不得高于350℃。

8）施焊過程中，采用風槍清理、錘擊焊縫，錘擊要求快速、細密、有力，以改善焊接應力分布狀態。施焊時應及時清理焊渣及飛濺，保證逐道焊縫熔合良好，每層焊道厚度要求≤3.5mm，焊縫最后的余高控制在2～4mm，采用機加工去掉余高。

9）施焊時，多工位、多孔同時施焊，注意焊接順序。每個出砂孔按圖6順序施焊，避免焊接過程的間斷，要求正反面交替焊接每個出砂孔。

圖6 施焊順序

10）焊接采用分段退焊或跳焊法，先進行坡口表面堆焊、先焊兩邊再焊中間（見圖7）、多層多道焊接，焊接過程中不得出現裂紋等超標缺陷，若發現超標缺陷應立即清理，重新施焊。

圖7 出砂孔焊縫層道截面

11）施焊時，要做好完整的焊接原始記錄，將鑄件出砂孔編號進行記錄，技術人員要做好全程監督和技術服務。

12）焊接操作人員焊接前進行模擬培訓考試，合格后方能進行焊接操作。

13）焊后按照圖樣技術要求，進行超聲波和磁粉檢測。

部件施焊工藝流程：焊前準備（坡口加工、無損檢測）→鑄件整體預熱→堆焊過渡層→過渡層無損檢測→藥芯焊絲封底填充→實芯焊絲填充→中間消應力退火→填充→焊后消應力退火→焊縫表面清理→焊后檢查。

7 結束語

經過大家的共同努力，按照修復工藝焊接的8個出砂孔，全部按標準要求順利完成，直接挽回經濟損失數千萬余元。該工藝方案的實施確保了產品使用的質量，也成為超大型鑄鋼件出砂孔焊接的成功案例，再一次刷新了國內外超大型鑄件焊接的記錄。