承受動(dòng)載荷鑄鋼設(shè)備裂紋焊接修復(fù)技術(shù)

李麗丹

（攀鋼集團(tuán)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(jī)體（材料35 鑄鋼）由于長(zhǎng)期超負(fù)荷動(dòng)載使用，在液壓缸一側(cè)產(chǎn)生320 mm長(zhǎng)的疲勞裂紋，不能繼續(xù)使用，須進(jìn)行裂紋修復(fù)。用碳弧氣刨和角向砂輪機(jī)清理缺陷深度已達(dá)120 mm 深處時(shí)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(duì)焊縫進(jìn)行焊接，焊縫中會(huì)有殘留的裂紋缺陷，如設(shè)備運(yùn)行，可能不到幾小時(shí)或最多不超過(guò)3 d，在動(dòng)載荷的作用下殘余裂紋就會(huì)延伸直至斷裂，造成設(shè)備報(bào)廢和較大經(jīng)濟(jì)損失。目前國(guó)內(nèi)遇有無(wú)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(jìn)行鉚接或穿螺栓緊固的方式來(lái)解決。由于壓磚機(jī)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(jì)損失，須研究解決這一修復(fù)難題。

1 裂紋原因分析

因壓磚機(jī)體是鑄造加工件，某些部位不可避免地會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的鑄造缺陷，這些缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于設(shè)備運(yùn)行中是承受交變動(dòng)載荷，在長(zhǎng)期交變動(dòng)載荷的疲勞作用下，首先在應(yīng)力集中處出現(xiàn)破裂點(diǎn)，然后形成微觀裂紋；在繼續(xù)加載下，裂紋逐漸延伸擴(kuò)大，就成為了宏觀的裂紋。如果產(chǎn)生的裂紋不及時(shí)修復(fù)，裂紋會(huì)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(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)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(guò)淬火溫度的區(qū)段時(shí)，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(yuǎn)高于焊條鋼芯。母材熔化后進(jìn)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(diǎn)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(xué)成分 %

表2 35 鋼的力學(xué)性能

（4）焊縫中易產(chǎn)生氣孔缺陷。因母材含碳量高，所以對(duì)氣孔的敏感性增加，當(dāng)選擇的焊接材料的脫氧性差，對(duì)坡口的清理不干凈，以及焊接材料的烘干不符合要求時(shí)，在焊縫中易產(chǎn)生氣孔，使焊縫強(qiáng)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(jìn)行焊接，焊縫中殘留的裂紋根部附近會(huì)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(shí)，殘留裂紋就會(huì)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(guò)分析研究，可采用鎳含量高的焊接材料在裂紋處焊接過(guò)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(duì)疲勞的抗力和減小鋼對(duì)缺口的敏感性。焊縫熔敷金屬中鎳含量高時(shí)，還可吸收焊接過(guò)程中產(chǎn)生的較多應(yīng)力，對(duì)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(qiáng)度并不高，會(huì)影響焊縫的承載力。再進(jìn)一步分析研究，可以在鎳基過(guò)渡層焊縫表面堆焊一層強(qiáng)度較高的焊接材料，對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)根部焊縫的影響，研究在焊接底部過(guò)渡層和加固層時(shí)，采取焊后立即用帶圓頭的小錘對(duì)焊縫表面和熔合區(qū)進(jìn)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(guò)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(xué)成分含量見(jiàn)表3。其中鎳含量≥90%，因焊條電弧焊小電流焊接時(shí)，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(jì)算出在熔敷金屬中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均＞50%以上，堆焊層金屬為奧氏體組織。

表3 Z308 焊條化學(xué)成分 %

（2）堆焊加固層材料選擇比過(guò)渡層和母材強(qiáng)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?gòu)?qiáng)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(qiáng)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(dòng)載荷，采取選擇與母材較低的焊接材料，可增加焊縫的塑性?xún)?chǔ)備，降低開(kāi)裂傾向。

4 工藝實(shí)施

4.1 焊前準(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(guò)鋼材的碳當(dāng)量值CE來(lái)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(guò)公式計(jì)算，得出焊前應(yīng)預(yù)熱的溫度約為T(mén)0≈331 ℃。所以，焊前對(duì)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(guò)快對(duì)組織的影響。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 焊工藝接參數(shù)

（3）由于所開(kāi)的坡口有一端出頭，且有320 mm 長(zhǎng)，焊接過(guò)程應(yīng)從里向外按1～3 的順序分3 段進(jìn)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(cuò)開(kāi)至少20 mm 以上。

（4）焊接過(guò)程應(yīng)采取多層多道焊?？刂茖娱g溫度等于或略高于預(yù)熱溫度，以防止溫度過(guò)高產(chǎn)生粗大組織而降低塑韌性。

（5）過(guò)渡層和加固層焊接過(guò)程中，每焊完一根焊條，立即用帶圓頭的小錘進(jìn)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(dá)到焊道表面布滿(mǎn)麻點(diǎn)為止，以消除部分應(yīng)力。

（6）整個(gè)焊接過(guò)程應(yīng)一次完成，中途不能停止，如遇溫度降低到300 ℃以下時(shí)，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(jī)修磨焊縫表面余高與母材表面齊平，并與母材結(jié)合處過(guò)渡圓滑，以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中而在設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生疲勞裂紋。再用著色探傷檢查焊縫及兩側(cè)無(wú)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(wú)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(guò)渡層后，再在鎳基過(guò)渡層上堆焊一層鎳、鉻含量較多及強(qiáng)度較高的奧氏體焊接材料進(jìn)行加固的雙過(guò)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(bǔ)國(guó)內(nèi)在鋼裂紋清除不干凈的情況下，直接進(jìn)行焊接修復(fù)的技術(shù)難題。

（2）由于修復(fù)處母材較厚，焊材填充量大，焊接接頭又承受交變動(dòng)載荷，采取選擇與母材強(qiáng)度較低的焊接材料焊接，可增加焊縫的塑性?xún)?chǔ)備，降低焊縫開(kāi)裂的傾向，延長(zhǎng)使用壽命。

（3）設(shè)備運(yùn)行至今1 年多時(shí)間，焊接修復(fù)處未出現(xiàn)任何問(wèn)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。