800 MN模锻压机夹紧梁窄间隙埋弧焊工艺

杜 娟，侯 勇，冉传海，张 翔，翟大军

（四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000）

800 MN模锻压机夹紧梁窄间隙埋弧焊工艺

杜 娟，侯 勇，冉传海，张 翔，翟大军

（四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000）

分析800MN模锻压机关键部件夹紧梁焊接结构制造难度，其制造难点在于产品平面度要求较高、易产生冷裂纹、目前常规窄间隙焊机设备能力有限。针对上述制造难点及低合金、高强度钢大厚板的焊接特点，选用合适的焊接方法和焊接材料，采用对称两条焊缝的交替焊接，并根据产品要求对焊枪部分进行改进及焊后立即进行消氢处理等措施，保证产品制造的精度和质量，很好地控制了焊接变形和焊接接头质量。相关工艺及措施对类似大厚板焊接工程应用具有一定的借鉴和参考价值。

夹紧梁；焊接工艺；窄间隙埋弧焊

1 结构及制造难度

1.1 结构

800 MN模锻压机夹紧梁是中国二重800 MN模锻压机关键部件，重达210 t[1]，其结构为三组大厚度20MnMo锻件按一定组装顺序焊接而成，结构

本文参考文献引用格式：杜娟，侯勇，冉传海，等.800 MN模锻压机夹紧梁窄间隙埋弧焊工艺[J].电焊机，2017，47（06）：59-62.形式如图1所示。装焊完成后，粗加工留量仅为单边15 mm。4条对接焊缝探伤等级要求为超声波探伤Ⅰ级、无损检测二Ⅱ级，焊接完成后要求平面度在5 mm之内。

1.2 制造难度

（1）平面度要求较高，焊接坡口深度520 mm，长度2 040 mm，容易产生变形，工艺措施不当会导致无法满足设计要求。

（2）易产生冷裂纹。由于锻件厚板非常大，导致焊接时刚度和拘束度较大，将会产生较大的焊接应力，容易产生延迟裂纹[2]。焊缝探伤要求高，坡口深处出现问题很难修复。

图1 800MN模锻压机夹紧梁结构示意

（3）设备能力有限。目前常规窄间隙焊机设备都只适于坡口深度小于350 mm的焊缝，采用埋弧焊，常规设备无法胜任该焊缝的焊接[3]。在制造过程中，应制定严格的焊接工艺并合理改进现有设备，方能完成该结构件的制造。

2 材料焊接性分析

2.1 材料化学成分及力学性能

根据相关技术手册，查到20MnMo化学成分及力学性能要求如表1和表2所示。

表1 20MnM化学成分 %

表2 20MnMo力学性能

2.2 材料焊接性分析

根据国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式[4]计算其碳当量Ceq（max）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.23+1.4/6+（0.3+0.35+0）/5+（0.30+0.25）/15=0.63%。

20MnMo属于低合金高强度钢，具有较好的综合力学性能。合金化后使得珠光体和贝氏体转变推迟，使得马氏体转变的临界冷却速度下降，锻件的淬透性增强。因此该锻件具有足够的强度和韧性，根据碳当量的公式计算，20MnMo钢碳当量为0.52%～0.63%，碳当量较高，焊接性较差。特别是当碳当量大于0.5%时，钢的淬硬倾向逐渐增大，在焊后冷却过程中，热影响区易出现低塑性的脆硬组织使硬度明显提高，而塑性、韧性降低[4]。特别是工件厚度超过50 mm，焊接区将出现三相应力状态，加之焊缝中氢对裂纹的影响，问题更为严重。

3 焊接工艺措施

3.1 焊接方法及焊接材料选择

对于此类坡口较深的焊接构件，焊接工作量较大，为提高工作效率，防止工件变形，满足图纸技术要求，采用窄间隙埋弧自动焊进行焊接，修补采用焊条电弧焊。

选用强度与母材强度匹配的焊丝、焊剂（CHWS9、HJ250G），修补采用焊条电弧焊，焊条采用E5515-G（J557）。埋弧自动焊时，CHW-S9和HJ250G匹配，熔宽相对要小一点，调整焊丝和母材边距时比其他焊丝和焊剂小0.1～0.2 mm，HJ250G是熔炼型低锰中硅中氟焊剂，且焊剂的颗粒较大，对防止气孔等缺陷有利。E5515-G（J557）属碱性低氢钠型焊条，强度和韧性较高。焊前进行350℃×2 h烘焙，采用直流反接。

3.2 焊前准备

3.2.1 坡口加工及要求

坡口采用机械加工，成形后清理坡口表面以及两侧150 mm范围内的油污、铁锈等，最后对坡口表面进行100%超声波探伤，以清除可能存在的缺陷

3.2.2 确定预热温度

碳当量CE=0.4%～0.6%时，特别是大于0.5%时钢材易于淬硬，焊接时必须预热才能防止裂纹[5]随着碳当量的增加，预热温度也相应增高，一般在70℃～200℃之间，由于夹紧梁板厚较大，选择预热温度为150℃～200℃。在工件达到装配要求后，对焊件进行预热，采用天然气加热方式将焊缝及近缝区温度加热到150℃以上。

3.3 焊接工艺制定

3.3.1 焊接参数

焊接参数如表3所示，焊接均为平焊位置。

表3 焊接工艺参数

3.3.2 操作技巧

当焊缝及近缝区温度达到150℃以上进行打底层的焊接，从引弧开始，需要确保设备的操作精确度和焊缝质量，每焊一道都要精细操作，保证每一道的焊接质量，从而保证整条焊缝的合格率。在焊接过程中要时刻注意焊枪（焊丝）与坡口的相对位置，可以通过机头部位的红色光标来标记焊枪的位置，达到直观的判断。若出现焊接异常，需要及时停机进行检查，待查明原因，处理得当后再进行下一道焊接。特别要注意在焊接过程中，焊枪两头的引弧板应该处于手动状态，在焊枪完全处于焊缝中时再转换成自动跟踪状态，避免产生缺陷和损坏焊枪。

3.3.3 变形控制

变形控制主要是控制平面度。大厚板焊接时，钢板厚度方向上的温度分布是不均匀的，温度高的一面受热膨胀较大，另一面膨胀小甚至不膨胀[6]。由于焊接面膨胀受阻，出现较大的压缩塑性变形，这样冷却时在钢板厚度方向上产生收缩不均匀的现象，使得焊件不平整。角变形的大小与焊接热输入、板厚、焊件的刚性等因素有关。在热输入一定时，板厚越大，厚度方向上的温差越大，角变形越大。但当板厚增大到一定程度后，构件的刚度增大，抗变形的能力增强，角变形反而减小。在同等外界条件、热输入和焊缝增加厚度相同的前提下，打底阶段的变形大于盖面阶段的变形。

在夹紧梁的焊接过程中，采用两条焊缝对称交替焊接，使得夹紧梁整体所产生的角变形相互抵消最终使得焊件整体平面度达到检测要求。先焊一面，然后翻面焊接另外一面，使其产生的角变形稍大于先焊的一面。在焊接过程中，随时检测平面度（对于变形量的测量可以采用拉粉线和测量另一侧坡口宽度），如果焊件整体呈“∧”，则继续焊接，不翻面。如果呈“∨”或几乎水平，则需要翻面。这样交替进行，直到两条焊缝焊完。

3.4 焊接设备改造

3.4.1 设备要求

根据目前现有的窄间隙设备，更换更长的窄间隙焊枪来完成该夹紧梁的焊接工作。根据产品结构，设备方面必须达到以下几个要求：

（1）焊枪长度至少要大于550 mm，焊枪厚度不宜过大，且需要足够的强度，不至于在高温环境中发生变形。

（2）焊枪表面需要进行绝缘处理，避免不必要的损失。

（3）焊接过程需要有跟踪系统的保证，避免产生焊接缺陷。

3.4.2 设备改进

根据产品要求主要对焊枪部分进行改进，研制了适合的焊枪，该焊枪可以焊接600 mm深的窄间隙坡口，且焊枪部分的主体材料采用具有良好力学性能、耐磨性和良好导电性能的铬青铜，因而具有足够的强度、刚度、耐高温和导电性能。导电部分的外表面采用陶瓷喷涂，绝缘性良好且不易剥落，以防止焊枪导电臂与工件侧壁导电。焊枪外观如图2所示。

图2 改造后的焊枪

设备继续沿用以往窄间隙的跟踪系统，采用横向和高度两维跟踪。横向跟踪机构采用双侧接触式跟踪方式，两个横向跟踪爪始终与坡口的两侧接触（弹性接触），通过传感器的控制，来调节机头滑板的位置，保证焊枪（丝）与坡口边缘的距离保持不变。高度也同样采用接触式的跟踪方式。另外，考虑到焊缝坡口较深，根部不易观察，设备上配置较强的照明设施，利于操作人员对设备运行情况的观测和调整。

3.5 焊后热处理

由于该夹紧梁比较厚，焊接周期较长，为防止裂纹的出现，在焊完之后立即进行消氢处理，待探伤等工序完成之后再进行整体去应力退火处理，热处理工艺参数如表4所示。

表4 热处理工艺参数

在整体热处理前检测焊缝质量和焊件变形量，对不合格的进行返修，热处理装炉时应使板件侧立并点好垫铁，防止变形。

4 实施效果

现场施工中确保按工艺执行，通过对设备的有效改造，夹紧梁焊接完成后，经检验焊件的变形量小于等于2 mm，符合检验要求，超声波探伤后，焊缝达到JB/T 4730-2005探伤标准Ⅰ级焊缝要求。焊缝取样化验，各项性能良好，合金元素达标。现场施焊如图3所示。

图3 夹紧梁现场施工

深坡口的焊接在防止焊接缺陷的同时，加强了焊件的变形控制，防止焊缝拘束过大而产生裂纹。

[1]于今，胡宇航，黄国勤，等.800 MN模锻压机主动同步系统的建模与分析[J].锻压技术，2016，41（12）：88-94.

[2]邓洪军.焊接结构生产[M].北京：机械工业出版社，2004

[3]王鑫，魏爱玲，郝贵敏.窄间隙埋弧焊技术的发展及应用[J].技术研发，2016，23（4）：130.

[4]英若采.熔焊原理及金属材料[M].北京：机械工业出版社2000.

[5]雷世明.焊接方法与设备[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]谢义斌.大厚板焊接工艺[J].金属加工（热加工），2016（16）47-50.

Narrow gap submerged arc welding technology of the clamping beam of 800 MN die forging press

DU Juan，HOU Yong，RAN Chuanhai，ZHANG Xiang，ZHAI Dajun
（Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China）

In this paper，the manufacturing process of clamping beam，which is the key components of 800MN die forging press，was studied.The difficulties of manufacturing process are high planeness，easy to produce cold cracks and the limited capability of the conventional narrow-gap welding machine.In consideration of the above manufacturing difficulties and the welding characteristics of thick plate of low-alloy high-strength steel，proper welding method and material，alternate welding of two symmetrical welds，the improvement of welding torch and hydrogen elimination treatment after welding immediately are adopted to improve the accuracy and quality of product，thus to some extent，the deformation of weld was relieved，and the quality of welding joints was improved.This research will be help to prompt the widely use of similar welding of thick plate in the welding project.

clamping beam；welding technology；narrow gap submerged arc welding

TG445

B

1001－2303（2017）06－0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.13

2016-07-12；

2017-06-11

四川省大学生创新创业训练计划项目（201612763003）

杜 娟（1987—），女，硕士，主要从事焊接结构制造与工艺相关的研究工作。E-mail：406537091@qq.com。