ZG20Mn鑄鋼吊掛連接座焊接工藝的研究

韓 鋒

(河鋼集團(tuán)承鋼公司 河北承德 067000)

1 前言

吊掛和托圈是轉(zhuǎn)爐的重要承載和傳動部件。托圈在工作中承受爐殼、爐襯、鋼水的靜負(fù)荷和傳遞傾動力矩外，還要承受頻繁起動、制動以及碰撞、合鐵產(chǎn)生的動負(fù)荷，受爐體、鋼水罐、渣罐以及噴濺物的熱輻射，工作條件惡劣(1)。隨著轉(zhuǎn)爐的逐步大型化及爐齡的增加，轉(zhuǎn)爐托圈與爐殼的連接形式由傳統(tǒng)的三點(diǎn)球面支承式逐步向連桿吊掛式和彈簧鋼板吊籠式發(fā)展。但在實(shí)際應(yīng)用中三點(diǎn)球面支承式和連桿吊掛式應(yīng)用較為廣泛，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)托圈、爐殼與吊掛連接鉸接點(diǎn)處焊接區(qū)域產(chǎn)生裂紋故障。在工程建設(shè)期間吊掛與爐殼和托圈采用現(xiàn)場焊接施工，當(dāng)使用過程中出現(xiàn)裂紋及斷裂情況也需要現(xiàn)場進(jìn)行焊接施工，對焊接質(zhì)量要求較高。吊掛球鉸支座材質(zhì)為ZG20Mn，厚度為110mm；爐殼及托圈材質(zhì)為Q345R(舊標(biāo)準(zhǔn)為16MnR)，厚度為70mm及120mm，焊縫質(zhì)量要求較高。焊縫要求“UT”檢查按GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，檢查等級為B級，缺陷等級不大于Ⅰ級；焊縫兩側(cè)及周圍40mm區(qū)域內(nèi)進(jìn)行“MT”檢查，檢查執(zhí)行JB/T4730.4-2005，缺陷等級不大于Ⅰ級。

設(shè)備在線診斷與監(jiān)測技術(shù)，設(shè)備智能制造技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，節(jié)能與環(huán)保技術(shù)，人工智能技術(shù)，設(shè)備再制造工程，等等將是報道的重點(diǎn)。

2 材料的理化性能和可焊性計算

鉸鏈支座140mm材料為ZG20Mn，材料的化學(xué)成分要求和力學(xué)性能如表1所示，同時，太原重工提供出廠產(chǎn)品合格證(0005782)，確認(rèn)了解理化檢測實(shí)際結(jié)果。并提供探傷報告。

表1 ZG20Mn化學(xué)成分

爐殼70mm、托圈120mm材料為16MnR GB6654-1998(2008年該鋼號逐漸被GB713-2008 Q345R所取代)，材料的化學(xué)成分要求和力學(xué)性能如表2所示，太原重工提供出廠產(chǎn)品合格證(0005782)，確認(rèn)了解理化檢測實(shí)際結(jié)果。并提供探傷報告。

表2 Q345R化學(xué)成分

按照國際焊接學(xué)會提出的碳當(dāng)量計算公式，進(jìn)行碳當(dāng)量計算如下：

Ceg=(C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5)×100%

? ZG20Mn時

取C=0.19，Mn=1.15，Ni=0.4，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

則Ceg=0.19+(1.15/6)+(0.4/15)=0.41333

? Q345R時

取C=0.2，Mn=1.4，Ni=0，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

則Ceg=0.2+(1.4/6)+0=0.43333

如采用美國焊接學(xué)會碳當(dāng)量計算公式：

Ceg=(C+Mn/6+ Cr/3+ V /5+Ni/15+Cu/13+P/2+Mo/4)×100%

? ZG20Mn時

取C=0.19，Mn=1.15，Ni=0.4，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

則Ceg=0.19+(1.15/6)+(0.4/15)=0.41333

? Q345R時

取C=0.2，Mn=1.4，Ni=0，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

則Ceg=0.2+(1.4/6)=0.43333

隨著碳當(dāng)量的增加，鋼材的焊接性會變差，一般當(dāng)碳當(dāng)量小于0.4%時，不需要預(yù)熱(板厚太大時也得預(yù)熱)。當(dāng)碳當(dāng)量值大于0.4%—0.6%時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需要采取預(yù)熱。通過碳當(dāng)量比較，我們必須采取措施，制定合適的焊接工藝，才能獲得合格的焊縫。

3 裂紋分析

3.1 熱裂紋

熱軋鋼一般含碳量較低，而含錳量較高，因此它們Mn/S比較大, 具有良好的抗熱裂性能。正常情況下焊縫中不會出現(xiàn)熱裂紋, 但當(dāng)材料成分不合格或有嚴(yán)重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出現(xiàn)熱裂紋。錳在鋼中可與硫形成硫化錳，減少了硫的有害影響，增強(qiáng)了鋼的抗熱裂性能。

3.2 冷裂紋

鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向, 而鋼材的淬硬傾向又主要取決于它的化學(xué)成分。 熱軋鋼由于含有少量合金元素, 其碳當(dāng)量比低碳鋼碳當(dāng)量略高些，所以這種鋼淬硬傾向比低碳鋼要大些，而且隨鋼材強(qiáng)度級別的提高，合金元素的增加, 它的淬硬傾向逐漸增大, 應(yīng)根據(jù)接頭形式和鋼材厚度來調(diào)整線能量、 預(yù)熱和后熱溫度, 以控制熱影響區(qū)的冷卻速度, 同時降低焊縫金屬的含氫量等措施，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

3.3 再熱裂紋

從鋼材的化學(xué)成分考慮, 由于熱軋鋼中不含強(qiáng)碳化物形成元素, 因此對再熱裂紋不敏感, 而且還可以通過提高預(yù)熱溫度和焊后立即后熱等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

4 脆化分析

4.1 過熱區(qū)脆化

熱軋鋼焊接時近縫區(qū)中被加熱到100℃以上粗晶區(qū)，易產(chǎn)生晶粒長大現(xiàn)象，是焊接接頭中塑性最差的部位, 往往會承受不住應(yīng)力的作用而破壞。 防止過熱區(qū)脆化的措施是提高冷卻速度, 尤其是提高奧氏體最小穩(wěn)定性范圍內(nèi)的冷卻速度，縮短在這一溫度區(qū)間停留時間,減少或防止奧氏體組織的出現(xiàn), 以提高鋼的沖擊韌度，而且為防止過熱區(qū)粗晶脆化，也不宜采用過大線能量。

4.2 熱應(yīng)變脆化

熱應(yīng)變脆化是由于焊接過程中熱應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形使位錯增值, 同時誘發(fā)氮碳原子快速擴(kuò)散聚集在位錯區(qū), 出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化。Q345R和ZG20Mn這類鋼具有一定的熱應(yīng)變脆化傾向, 焊接時消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是焊后退火處理。

5 板材厚度對焊接性能的影響

雖然前Q345R和ZG20Mn具有良好的焊接性，但隨著板材厚度的增加，其焊接性也逐漸變壞。其原因在于：

一是由于局部的不均勻加熱和冷卻，造成較大的焊接殘余應(yīng)力，而大厚度的板材，其剛性較大，無法通過塑性變形來緩解一部分應(yīng)力，因此，大厚度板材Q345R和ZG20Mn鋼在焊后殘余應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生裂紋。

二是由于板材厚度較大，在焊接時，局部的加熱和冷卻易造成溫度在厚度方向上分布不均勻，從而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。而且，若采用較大的熱輸入，則熱影響區(qū)的晶粒易長大形成粗晶組織或出現(xiàn)魏氏體組織從而降低韌性：若采用較小的熱輸入，由于冷卻速度較快，熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，也會降低韌性。

6 焊接工藝控制

為了解決上述問題，在Q345R和ZG20Mn鋼厚板焊接工藝上，應(yīng)采取一定的措施以保證焊接質(zhì)量。

6.1 焊接性分析

Q345R和ZG20Mn的可焊性在低合金鋼中較好，由于含有一定量的合金元素，淬硬、冷裂傾向都比低碳鋼大一些。常溫下焊接Q345R和ZG20Mn時，焊接熱影響區(qū)一般不出現(xiàn)淬硬組織，其最高硬度通常小于300HBS。在常溫下施焊時，焊接工藝與低碳鋼的基本相同。Q345R和ZG20Mn的抗拉強(qiáng)度為460～640 MPa，按照等強(qiáng)度要求，應(yīng)采用E50型焊條。增大焊接電流時，因冷卻速度變慢，所以硬度較低，即淬硬傾向變小。在低溫下焊接時可能會出現(xiàn)脆硬組織，易產(chǎn)生焊接裂紋。因此，在低溫焊接、厚板焊接時應(yīng)采取預(yù)熱的措施，防止脆硬組織導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

6.2 焊接內(nèi)部缺陷分析

Q345R和ZG20Mn鋼常見的焊接缺陷包括外觀缺陷和內(nèi)部缺陷。外觀缺陷有咬邊、焊瘤、凹陷、表面氣孔、冷裂紋等；內(nèi)部缺陷有熱裂紋、冷裂紋、內(nèi)部氣孔、夾渣、未焊透等。

6.2.1 冷裂紋

Q345R和ZG20Mn鋼屬于低合金壓力容器專用鋼，其碳當(dāng)量0.4%左右，焊接性優(yōu)良。除大厚度鋼板和環(huán)境溫度很低等情況下焊接外，一般不需要預(yù)熱和嚴(yán)格的控制熱輸入來控制焊接冷裂紋。所以ZG20Mn在正常的焊接條件下不易產(chǎn)生焊接冷裂紋。防止冷裂紋的措施有：采用低氫型焊條，嚴(yán)格烘干，保存溫度為350～400℃，隨取隨用；選用較強(qiáng)規(guī)范等，減少焊縫中馬氏體的含量，增加其奧氏體的含量選用合理的焊接順序，減少焊接變形和焊接應(yīng)力；焊后進(jìn)行消氫熱處理。

6.2.2 熱裂紋

Q345R和ZG20Mn因其含Mn量較高。Mn/S的比值可以達(dá)到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋的能力。在母材化學(xué)成分正常、焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。

6.2.3 氣孔

堿性焊條按規(guī)定在350-400℃溫度下烘干1.5-2.5小時，酸性焊條按規(guī)定在200-250℃溫度下烘干1-1.5小時。要保證焊接的地方保持干凈清潔，在焊接的過程中應(yīng)該注意焊接電流要適當(dāng)，焊接的時候避免速度過快，熔池內(nèi)的氣體要完全地放出，一旦有余存的氣體就可能影響到焊接的質(zhì)量。在焊接過程中產(chǎn)生的氣孔主要是CO、N2及H2氣孔，CO氣孔的出現(xiàn)主要和焊接材料的含碳量有一定的關(guān)系，解決的辦法是在焊絲中添加合金元素；N2氣孔的出現(xiàn)主要是由于空氣的擾動現(xiàn)象，避免產(chǎn)生N2氣孔的方法是在焊接的時候給操作區(qū)域增加一個擋風(fēng)的屏障；H2氣孔的出現(xiàn)主要是由于焊接面可能有水或者油污，具體的控制措施是要嚴(yán)格地控制CO2氣體的純度和焊件的清潔等。

6.2.4 焊縫夾渣

焊接夾縫的產(chǎn)生主要是由以下因素造成的：在坡口的地方不干凈，或者尺寸不合適；在進(jìn)行多層焊接的時候，清渣沒有徹底；焊縫的散熱速度太快；使用的焊條藥皮的成分不對，熔渣難以上浮。

6.2.5 未焊透

未焊透的原因主要有：坡口和間隙的尺寸不合適；磁偏吹影響；焊條偏芯度太大；焊接根處以及層間的清理不當(dāng)。防止未焊透的最基本的方法就是焊接的時候使用較大線的能量。

6.3 焊接變形和應(yīng)力分析

在金屬結(jié)構(gòu)中是非常容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力和各種變形的，焊接應(yīng)力和變形直接導(dǎo)致了金屬產(chǎn)生焊接裂紋，并且非常容易造成熱應(yīng)變脆化這種現(xiàn)象發(fā)生，在一定的條件下一旦焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的話就會影響焊接的剛度、強(qiáng)度和加工精度等方面。焊接變形一旦發(fā)生就會影響焊件的形狀和尺寸發(fā)生變化，這樣就需要大量的矯正工作來改變這些不完美的地方，矯正工作費(fèi)時費(fèi)力，而且成本很高，一旦處理不當(dāng)甚至還會有新的問題產(chǎn)生，所以控制和避免焊接應(yīng)力和變形的發(fā)生，對于整個金屬構(gòu)件的焊接質(zhì)量是非常有必要的。

6.3.1 焊接過程中減少焊接變形的主要方法

? 合理的裝配順序和焊接順序。正確地選擇裝配順序和焊接順序，一般應(yīng)依照下述原則：a)收縮量大的焊縫先焊，因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時受阻較小，故應(yīng)力較??；b)采取對稱焊，這樣大大減少了焊后出現(xiàn)的再變形，對于對稱焊縫，可以同時對稱施焊，少則兩人，大的結(jié)構(gòu)可以多人同時施焊，使所焊的焊縫相互制約，使結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生整體變形；c)長焊縫焊接時，應(yīng)采取對稱焊、逐步退焊、分中逐步退焊、跳焊等焊接順序。

? 盡可能地減少焊縫的尺寸和數(shù)量。

? 反變形法。反變形法是生產(chǎn)中經(jīng)常使用的方法，它是按照事先估計好的焊接變形的大小和方向，在裝配時預(yù)加一個相反的變形，使其與焊接產(chǎn)生的變形相抵消。

? 剛性固定法。該法是在沒有反變形的情況下，將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，此種方法對角變形和波浪變形比較有效。

6.3.2 焊接過程中減少焊接應(yīng)力的主要方法

? 避免焊縫過分集中，焊縫與焊縫之間應(yīng)保持足夠的距離。

? 盡量避免三軸交叉的焊縫，不應(yīng)把焊縫布置在工作應(yīng)力最大的區(qū)域。

6.4 焊材的選擇

6.4.1 ZG20Mn和Q345R鋼若采用焊條電弧焊時，一般選用E5015或E5016(J506或J507)具有較好抗裂性能的堿性焊條。

6.4.2 ZG20Mn和Q345R鋼若采用CO2焊接方法，其焊接材料可選擇ER50-6。

6.5 焊前準(zhǔn)備

6.5.1 焊接坡口形式的設(shè)計應(yīng)避免采用焊不透或局部焊透的坡口，還要盡量減少焊縫的橫截面積，以降低接頭的殘余應(yīng)力，同時也可減少焊接材料的消耗量。

6.5.2 焊接坡口加工采用熱切割時應(yīng)注意防止母材邊緣會形成一定深度的淬硬層，這種低塑性的淬硬層往往成為冷加工的開裂源。

6.5.3 焊前必須消除焊接區(qū)鋼板表面的水分，坡口表面的氧化皮、銹斑、油脂以及其他污物。

6.5.4 焊接材料在使用前應(yīng)按生產(chǎn)廠推薦的規(guī)范進(jìn)行烘干。

6.5.5 裝配定位焊縫必須采用與正式焊縫同一類型的焊條。

6.6 焊接線能量的選擇

線能量的參數(shù)是指焊接電流、電弧電壓和焊接速度。低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時, 線能量參數(shù)除要保證接頭的熔透性和焊縫成型外, 還要考慮其對接頭性能的影響。焊接含碳量低的熱軋鋼Q345R以及含碳量偏下限的ZG20Mn鋼時，對焊接線能量沒有嚴(yán)格的限制, 但從提高過熱區(qū)塑性和韌性考慮還是采用偏小線能量更為有利；當(dāng)焊接含碳量偏高的ZG20Mn和Q345R鋼時，為降低淬硬傾向，防止冷裂紋產(chǎn)生，焊接時線能量應(yīng)偏大些。

6.7 預(yù)熱

焊前預(yù)熱能降低焊后冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織，減小焊接應(yīng)力，是防止裂紋的有效措施，也有助于改善接頭組織與性能。對于屈服點(diǎn)在390MPa以下的低合金鋼，一般仍可不預(yù)熱。但當(dāng)板材較厚時，為減小厚度方向的溫度差，減小焊接應(yīng)力，則應(yīng)進(jìn)行100℃～150℃的預(yù)熱。

焊前預(yù)熱的有利作用還在于：①改變了焊接過程的熱循環(huán), 降低焊接接頭各區(qū)高溫轉(zhuǎn)變和低溫轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的冷卻速度, 避免或減少了淬硬組織的形成；②減少焊接區(qū)的溫度梯度，降低了焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力, 并使之較均勻地分布；③擴(kuò)大了焊接區(qū)的溫度場，使焊接接頭在較寬的區(qū)域內(nèi)處于塑性狀態(tài)，減弱了焊接應(yīng)力的不利影響；④延長了焊接區(qū)在 100℃以上溫度的停留時間，有利于氫從焊縫金屬中逸出。預(yù)熱溫度的確定，隨鋼材碳當(dāng)量、 板厚、結(jié)構(gòu)的拘束度的增加而增加，環(huán)境溫度的升高而降低。

6.8 后熱及熱處理

后熱或焊后熱處理可避免形成淬硬組織及使H逸出焊縫表面，防止裂紋產(chǎn)生，也可消除焊接殘余應(yīng)力，軟化淬硬部位，改善焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能，提高接頭的塑性和韌性，穩(wěn)定工件結(jié)構(gòu)的尺寸。

當(dāng)Q345R和ZG20Mn鋼厚度不大時，一般不需進(jìn)行焊后熱處理，只有當(dāng)板材較厚或強(qiáng)度等級較高及有延遲裂紋傾向時才應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?。焊后熱處理主要是消H處理，焊后立即將焊件加熱到250℃～350℃，保溫2～6小時后空冷；從而加速H的逸出，防止冷裂紋的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量。

消除應(yīng)力處理是將焊件均勻地以一定的速度加熱到 AC1點(diǎn)以下足夠高的溫度500℃±30℃，保溫一段時間后均勻地緩冷到300～400℃，最后將工件空冷。低合金結(jié)構(gòu)鋼焊后消除應(yīng)力處理的目的有以下幾點(diǎn)：①消除焊縫金屬中的氫, 提高焊接接頭的抗裂性和韌性；②降低焊接接頭中的殘余應(yīng)力；③改善焊縫及熱影響區(qū)組織，使淬硬組織經(jīng)受回火處理而提高接頭各區(qū)的韌性；④穩(wěn)定了低合金耐熱鋼焊縫及熱影響區(qū)的碳化物，提高了接頭的高溫持久強(qiáng)度；⑤降低了焊縫及熱影響區(qū)的硬度。

7 結(jié)論

本文旨在對ZG20Mn鑄鋼吊掛連接座焊接工藝的研究，可以作為同類焊接施工工藝參考。