20CrMnTi特殊结构件的焊接与热处理工艺研究*

2019-01-18张仲勇杨书学贾永军

机械研究与应用 2018年6期

张仲勇，杨书学，贾永军

(兰州兰石集团有限公司，甘肃兰州 730050)

0 引言

20CrMnTi的焊接性能比较好，有比较成熟的焊接工艺及热处理工艺参数，但对于焊缝质量要求较高、结构复杂的工件，在焊接及热处理过程中，需要改变参数及常规热处理方法，以便达到图纸和使用的要求。我公司承接的某产品零部件，结构复杂，各部分机加成型后通过焊接形成工作所需要的通道，焊后形成的角焊缝高度不得低于4 mm，且要求进行去应力热处理，各部分部件的硬度要达到260～280 HB。该部件在安装前需进行高压打压，合格后方可使用，该部件在产品使用过程中，起到至关重要的作用，它的焊接、热处理质量，直接影响到产品的使用效果。对该部件的焊接、热处理工艺难点做详细介绍，以供今后学者参考。

1 焊接

1.1 焊前工艺探索

该结构件结构复杂，由三部分组成(横道、立道、三角道)，如图1所示。选择材料为合金钢20CrMnTi，化学成分符合GB/T3077-2015《合金结构钢》要求(见表1)，为突破工艺难点保证质量，对焊接质量进行了试验性探索，首先，采用手工焊焊接，焊条为J857Cr，直径为φ2.5，焊后检查，焊缝强度达到图纸及使用要求，但试验件整体变形量过大，特别内孔最大变形达到3 mm，必须单边留磨1.5 mm以上才能将内孔磨到图纸要求范围。费工、费时、且不好找正，磨削后的筒体壁厚也不均匀。更重要的是焊接表面质量很差，焊缝高度很不均匀，手工焊接时焊渣容易伤到工件的其它表面，焊接热影响区的冲击功虽然在标准及要求的范围内，但接近标准要求下限值，影响部件的使用性能。

表1 20CrMnTi钢化学成分(质量分数%)

1.2 焊前工艺评定

经过焊前工艺探索以及后期工艺试验，最终选择手工钨极氩弧焊熔丝焊接，单道不摆动多层焊接。为了保证焊接性能,首先按照NB/T47014-2011《承压设备用工艺评定》的要求，进行焊接工艺评定,试板焊接后经过超声波探伤合格后，进行热处理。焊接试板检测后的各项指标如下:

拉伸性能：Rel=500 MPa，Rm=800 MPa

焊缝处-30 ℃时的AKV(J)为：178、167、137

热影响区-30 ℃时的AKV(J)为： 46、58、67

热处理后硬度(HB) ：

焊缝处：260、262、263

热影响区：276、279、274

母材：266、262、260

各项技术指标均达到产品的设计要求，根据以上评定的结果及预焊接工艺，确定焊接工艺如表3 所列。

表3 焊接工艺参数

1.3 焊接工艺

利用评定后的工艺规范对工件施焊。焊前去毛刺、检查焊接坡口清洁度，按图纸要求将部件定位，检查安装尺寸后，[N]预热，要求焊前电炉预热150～300 ℃，根据电炉的大小，每批不能超过15件，按照焊接工艺规程进行焊接，控制层间温度150～250 ℃，焊接后立即进行后热处理，控制温度300～350 ℃，后热时间1 h。如果焊后能直接进行去应力退火，可不进行后热处理，但去应力加热时间相对需要延长。特别注意的是要求焊接坡口清洁、无油污，不得有毛刺、油漆等杂物。焊后检查焊缝，高度均匀，表面光滑，检查内孔变形量保持在0.15～0.30 mm以下，内孔留量小，缩短磨内孔所需的时间，而且易找正，筒体壁厚均匀，保证了工件的加工尺寸。

焊后X射线无损探伤检查过程中，发现有超标的圆形缺陷，线切割解剖工件发现大部分圆形气孔缺陷，为了消除缺陷，采取了如下措施：

(1) 选用纯度为99.99%以上的纯氩气。检测氩气纯度方法：正式焊接之前清理干净的铁板试焊，不要加丝，如出现气孔则需更换气体。直到没有气孔则认为该氩气纯度为99.99%以上。

(2) 根据喷嘴的大小来调节气流量的大小，一般喷嘴越大，气流量越大。气流量过大，或过小都会在焊接过程中产生气孔。

(3) 检查喷嘴内是否有飞溅物，或钨极夹头膨胀，消除气体紊流现象。

(4) 检查气管是否破损。当气管破损时，在焊接起弧或起弧不久产生气孔时就会出现气孔，之后又会恢复到正常。

(5) 改变施焊环境，要求在室内焊接，一般当风速达到3 m/s以上容易吹散保护气体。

(6) 钨极伸出量要短，钨极的伸出长度，一般为钨极直径的2～3倍。

(7) 检查焊枪是否有漏气现象，保证焊枪不能有一丝的漏气。

(8) 检查气瓶出气接头、焊机进、出气管接头处是否拧紧，产生漏空气。

(9) 严格按照工艺评定的速度进行，速度太快易出现气孔。

(10) 焊枪要稳，否则容易漏气进去。

(11) 检查焊枪及氩气管温度是否过低，焊接过程温差过大，产生水汽，易形成气孔；施焊环境温度不宜低于5 ℃，环境温度过低，冷热交替易产生水气，形成气孔。

(12) 工件充分预热。焊丝干净，无油污等杂物。

通过对以上焊接条件的改善，有效的消除了圆形缺陷的产生。

2 热处理

该部件要求焊后进行调质热处理，热处理后硬度要求260～280 HB，因工件其它面热处理后不需要加工，只需将内孔磨到尺寸即可。所以，热处理时要求各表面不得有氧化物，且要求变形量足够小。如果采用真空热处理，保证质量不存在问题。受设备限制，先采用盐炉加热，但淬火后发现，盐浴加热时，熔化的盐进入工件内通道，冷却后，清洗残盐困难，无法满足图纸设计的工件清洁度的要求，影响产品使用性能。在现有设备允许的情况下，采用传统的装罐保护电炉加热。装罐前，采用专用堵头对工件小孔进行堵塞，以免铸铁屑进入流道；装罐时，加热胎具底部装30～50 mm铸铁屑，工件与夹具保持在20 mm左右，铸铁屑隔开，上部用50 mm厚的铸铁屑埋好、捣实。[N]电炉炉温加热到500°进炉，加热到860 ℃保温2 h，出炉后轴向热油淬火,冷却至室温，后在420 ℃电炉加热回火3.5 h，淬后检查硬度和变形量，变形量0.10 mm，均达到工艺要求，且小孔很干净。装罐所需的铸铁屑,一定要干净,不得参杂任何杂质，最好每次使用更换。由于工件表面不允许有任何缺陷，不允许在表面检测测试硬度，做了与工件厚度相同的试块，每次与工件同等条件下加热淬火，最后通过测试块的硬度来确定工件是否合格。