重型机械油缸裂纹的修复

2018-05-26潘子祥

中国设备工程 2018年10期

关键词：缸盖堆焊焊条

潘子祥

(攀钢集团工程技术有限公司，四川攀枝花 617062)

推土机、装载机、挖掘机等重型设备经常出现油缸焊缝处产生裂纹的现象，在修复TY320型推土机松土器油缸的1只油缸时，油缸后缸盖与缸筒焊接产生大量裂纹，经多次清除裂纹后重新焊接，裂纹均难以避免。

1 焊接性分析

（1）TY320型推土机松土器油缸的缸筒材质为35#钢，由无缝钢管加工制作而成，壁厚25mm。油缸后缸盖材质为35#钢锻件，缸盖厚度48mm。其结构如图1。作为35#钢，两者焊接性能较好，一般不会出现裂纹，35#钢的化学成分见表1。

图1 TY320松土器提升液压油缸图

但实际焊接修复过程中却反复出现焊缝中心裂纹，为此，我们对其分别进行了取样化验，发现油缸后缸盖化学成分中碳和硫的含量超标，见表2。

由表2的分析结果可见，油缸后缸盖的C含量达到0.49%，特别是S含量达到0.068%，高S是引起焊缝热裂纹的主要原因。硫在焊接冶金条件下与铁形成Fe－FeS共晶体，其熔点仅有985℃。在焊缝金属凝固结晶的后期，这些低熔点共晶体被排挤在柱状晶交遇的中心部位，此时由于收缩而受到拉伸应力，这些低熔点共晶体就成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下容易在薄弱地带开裂而形成裂纹。从图2：Fe－C相图可知，含碳量增加，熔池结晶时的初生相可由δ相转为γ相，而有害元素硫在γ相中的溶解度比在δ相中低得多，因而会有较多的硫析出富集在晶界，从而加大裂纹的倾向。故含碳量的增加又加剧了硫的有害作用，造成油缸后缸盖与缸筒的焊接在焊接过程中产生裂纹。

图2 Fe－C相图

表1 35#钢化学成分（质量分数） %

表2 后缸盖的化学成分分析结果（质量分数） %

（2）对于高C钢焊接时，如果焊后冷却速度较快，热影响区可能产生硬脆的马化体组织，容易造成延迟裂纹。如果焊接材料未烘干或焊接处油污、水分清理不干净，焊缝中的扩散氢含量较高，也易出现氢致冷裂纹。

（3）裂纹所处位置在油缸后缸盖与缸筒的焊接焊缝中，因为缸筒和油缸后缸盖的厚度达到48mm，焊接拘束度大。在裂纹修复补焊过程中受到拘束而不能自由的收缩，焊接措施和方法不当时，焊接接头会产生较大的内应力，从而增加了焊缝开裂的可能。

2 修复工艺方案的确定

（1）堆焊过渡层。油缸后缸盖化学成分中碳和硫的含量超标，并不影响使用后缸盖所要求的力学性能，但会造成油缸后缸盖与缸筒在焊接过程中产生热裂纹，要消除含量超标的碳和硫的影响问题，需采用低碳和低硫的焊接材料进行堆焊过渡层的办法来解决。

（2）焊前预热。由于后缸盖与缸筒两相焊元件的厚度较大，可能产生焊接冷裂纹，焊前需进行预热。但考虑控制焊接变形的需要，我们采用较低的预热温度，预热温度控制在150℃以下。

（3）消除焊接应力。后缸盖与缸筒的焊缝只存在局部裂纹，裂纹长约143mm。在修复补焊过程中，修复焊缝受到很大拘束而不能自由的收缩，存在很大内应力。我们采用将后缸盖与缸筒的原焊缝完全刨除，在后缸盖上堆焊好过渡层后，再将后缸盖与缸筒进行焊接。采用此方法焊接量较直接、焊补大，可能产生焊接变形，为此采用锤击焊缝表面的措施，释放应力，避免因拘束度过大导致根部焊缝的开裂。

3 焊接工艺及措施

（1）焊前准备。采用扁形炭精棒对油缸后缸盖与缸筒焊接的部位刨4～6mm深，并用砂轮机清除渗碳层。

（2）堆焊。用E5015、Φ3.2mm焊条堆焊，查E5015焊条熔敷金属的S含量为0.01%。焊前焊条需经350℃烘干，保温2h。施焊中采用小电流(90～100A)、焊条不作横向摆动的办法，尽量降低稀释率，以减少母材中的S元素向堆焊层中过渡。根据文献介绍，手工焊条电弧焊在堆焊条件下的熔合比一般在30～35%。根据资料中关于焊缝金属化学成分中的熔合比(稀释率)计算公式如下，其概念示意图如图3。

图3 熔合比概念示意图

式中：θ是熔合比(稀释率)；Ab是焊缝横截面上熔化母材所占有的面积；Ad是焊缝横截面上填充金属所占有的面积。

计算焊缝金属中某合金元素的实际含量w(Mw)公式：

式中：w(Mb)为该元素在母材中的质量分数，%；w(Md)为焊接材料的熔敷金属中该元素的实际质量分数，%；θ为熔合比(稀释率)。

根据公式2，计算第1层堆焊E5015焊条后，堆焊焊缝中的S含量为：w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～35%)×0.068%+[1-(30%～35%)]×0.01%=0.0274%～0.0303%

如果再堆焊第2层E5015焊条，各层的熔合比(稀释率)恒定，那么第2层堆焊焊缝中的S含量为：

w(Sw)=θw(Sb)+(1-θ)w(Sd)=(30%～3 5%)×(0.0 2 7 4%～0.0 3 0 3%)+[1-(3 0%～35%)]×0.01%=0.0152%～0.0171%

通过计算，当堆焊2层E5015焊条金属后，堆焊焊缝中的S含量只有0.0152～0.0171%，完全可以满足焊接需要。堆焊前预热待堆焊面至100℃左右。在焊完一段焊缝时，立即填满弧坑，避免弧坑裂纹产生。焊完第1层后，清除焊渣，并用着色检查，合格后按同样的方法堆焊第2层，直到填平。用手持式砂轮机将堆焊层表面打磨平，并对堆焊层金属取样化验，结果见表3，检验结果表明该堆焊层金属中碳和硫含量已大大减小。

表3 堆焊层金属化学成分(质量分数) %

（3）预热。将油缸后缸盖与缸筒装配焊接。焊前用对坡口两侧50mm范围内预热至150℃，以减小焊接应力。焊条需经350℃烘干，保温2h。焊接时，要求每焊完一道都要把焊渣清除干净。

（4）焊接。①层间温度控制。焊接过程中始终控制层间温度在100～150℃，中间中断焊接时应采取石棉包裹保温缓冷的措施。再次焊接前，必须再次预热100～150℃。②焊接操作措施。选择直流反接，采取短段多层多道焊以减小焊缝横向的收缩量。施焊中尽量使用小电流，在熔合良好的情况下速度稍快，以减小母材熔化量和降低热输入量。每一道的短段均采取分段退焊，以降低应力和使应力分布均匀，接头处应错开20～30mm，收弧时填满弧坑。除底层和盖面层外，每焊一段，应即用带圆头的小锤锤击焊道表面，达到布满麻点为止，可消除部分应力，有利于防止产生裂纹。③焊后缓冷。焊后采用石棉包裹油缸后盖的方式进行保温缓冷，避免冷速过快形成马氏体脆硬组织。