ZG20Mn铸钢吊挂连接座焊接工艺的研究

韩 锋

(河钢集团承钢公司 河北承德 067000)

1 前言

吊挂和托圈是转炉的重要承载和传动部件。托圈在工作中承受炉壳、炉衬、钢水的静负荷和传递倾动力矩外，还要承受频繁起动、制动以及碰撞、合铁产生的动负荷，受炉体、钢水罐、渣罐以及喷溅物的热辐射，工作条件恶劣(1)。随着转炉的逐步大型化及炉龄的增加，转炉托圈与炉壳的连接形式由传统的三点球面支承式逐步向连杆吊挂式和弹簧钢板吊笼式发展。但在实际应用中三点球面支承式和连杆吊挂式应用较为广泛，在使用中经常出现托圈、炉壳与吊挂连接铰接点处焊接区域产生裂纹故障。在工程建设期间吊挂与炉壳和托圈采用现场焊接施工，当使用过程中出现裂纹及断裂情况也需要现场进行焊接施工，对焊接质量要求较高。吊挂球铰支座材质为ZG20Mn，厚度为110mm；炉壳及托圈材质为Q345R(旧标准为16MnR)，厚度为70mm及120mm，焊缝质量要求较高。焊缝要求“UT”检查按GB11345-89标准执行，检查等级为B级，缺陷等级不大于Ⅰ级；焊缝两侧及周围40mm区域内进行“MT”检查，检查执行JB/T4730.4-2005，缺陷等级不大于Ⅰ级。

设备在线诊断与监测技术，设备智能制造技术，物联网技术，节能与环保技术，人工智能技术，设备再制造工程，等等将是报道的重点。

2 材料的理化性能和可焊性计算

铰链支座140mm材料为ZG20Mn，材料的化学成分要求和力学性能如表1所示，同时，太原重工提供出厂产品合格证(0005782)，确认了解理化检测实际结果。并提供探伤报告。

表1 ZG20Mn化学成分

炉壳70mm、托圈120mm材料为16MnR GB6654-1998(2008年该钢号逐渐被GB713-2008 Q345R所取代)，材料的化学成分要求和力学性能如表2所示，太原重工提供出厂产品合格证(0005782)，确认了解理化检测实际结果。并提供探伤报告。

表2 Q345R化学成分

按照国际焊接学会提出的碳当量计算公式，进行碳当量计算如下：

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

⟡ ZG20Mn时

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

则Ceg=0.19+(1.15/6)+(0.4/15)=0.41333

⟡ Q345R时

取C=0.2，Mn=1.4，Ni=0，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

则Ceg=0.2+(1.4/6)+0=0.43333

如采用美国焊接学会碳当量计算公式：

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

⟡ ZG20Mn时

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

则Ceg=0.19+(1.15/6)+(0.4/15)=0.41333

⟡ Q345R时

取C=0.2，Mn=1.4，Ni=0，Cu=0，Cr=0，Mo=0，V=0

则Ceg=0.2+(1.4/6)=0.43333

随着碳当量的增加，钢材的焊接性会变差，一般当碳当量小于0.4%时，不需要预热(板厚太大时也得预热)。当碳当量值大于0.4%—0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热。通过碳当量比较，我们必须采取措施，制定合适的焊接工艺，才能获得合格的焊缝。

3 裂纹分析

3.1 热裂纹

热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S比较大, 具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹, 但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。

3.2 冷裂纹

钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向, 而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。 热轧钢由于含有少量合金元素, 其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加, 它的淬硬倾向逐渐增大, 应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、 预热和后热温度, 以控制热影响区的冷却速度, 同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。

3.3 再热裂纹

从钢材的化学成分考虑, 由于热轧钢中不含强碳化物形成元素, 因此对再热裂纹不敏感, 而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。

4 脆化分析

4.1 过热区脆化

热轧钢焊接时近缝区中被加热到100℃以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位, 往往会承受不住应力的作用而破坏。 防止过热区脆化的措施是提高冷却速度, 尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间,减少或防止奥氏体组织的出现, 以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。

4.2 热应变脆化

热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增值, 同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区, 出现热应变脆化。Q345R和ZG20Mn这类钢具有一定的热应变脆化倾向, 焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。

5 板材厚度对焊接性能的影响

虽然前Q345R和ZG20Mn具有良好的焊接性，但随着板材厚度的增加，其焊接性也逐渐变坏。其原因在于：

一是由于局部的不均匀加热和冷却，造成较大的焊接残余应力，而大厚度的板材，其刚性较大，无法通过塑性变形来缓解一部分应力，因此，大厚度板材Q345R和ZG20Mn钢在焊后残余应力的作用下，易产生裂纹。

二是由于板材厚度较大，在焊接时，局部的加热和冷却易造成温度在厚度方向上分布不均匀，从而导致产生较大的温度应力。而且，若采用较大的热输入，则热影响区的晶粒易长大形成粗晶组织或出现魏氏体组织从而降低韧性：若采用较小的热输入，由于冷却速度较快，热影响区易出现淬硬的马氏体组织，也会降低韧性。

6 焊接工艺控制

为了解决上述问题，在Q345R和ZG20Mn钢厚板焊接工艺上，应采取一定的措施以保证焊接质量。

6.1 焊接性分析

Q345R和ZG20Mn的可焊性在低合金钢中较好，由于含有一定量的合金元素，淬硬、冷裂倾向都比低碳钢大一些。常温下焊接Q345R和ZG20Mn时，焊接热影响区一般不出现淬硬组织，其最高硬度通常小于300HBS。在常温下施焊时，焊接工艺与低碳钢的基本相同。Q345R和ZG20Mn的抗拉强度为460～640 MPa，按照等强度要求，应采用E50型焊条。增大焊接电流时，因冷却速度变慢，所以硬度较低，即淬硬倾向变小。在低温下焊接时可能会出现脆硬组织，易产生焊接裂纹。因此，在低温焊接、厚板焊接时应采取预热的措施，防止脆硬组织导致裂纹的产生。

6.2 焊接内部缺陷分析

Q345R和ZG20Mn钢常见的焊接缺陷包括外观缺陷和内部缺陷。外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷、表面气孔、冷裂纹等；内部缺陷有热裂纹、冷裂纹、内部气孔、夹渣、未焊透等。

6.2.1 冷裂纹

Q345R和ZG20Mn钢属于低合金压力容器专用钢，其碳当量0.4%左右，焊接性优良。除大厚度钢板和环境温度很低等情况下焊接外，一般不需要预热和严格的控制热输入来控制焊接冷裂纹。所以ZG20Mn在正常的焊接条件下不易产生焊接冷裂纹。防止冷裂纹的措施有：采用低氢型焊条，严格烘干，保存温度为350～400℃，随取随用；选用较强规范等，减少焊缝中马氏体的含量，增加其奥氏体的含量选用合理的焊接顺序，减少焊接变形和焊接应力；焊后进行消氢热处理。

6.2.2 热裂纹

Q345R和ZG20Mn因其含Mn量较高。Mn/S的比值可以达到防止结晶裂纹的要求，具有较好的抗热裂纹的能力。在母材化学成分正常、焊接材料和焊接参数选择正确的情况下，一般不会产生热裂纹。

6.2.3 气孔

碱性焊条按规定在350-400℃温度下烘干1.5-2.5小时，酸性焊条按规定在200-250℃温度下烘干1-1.5小时。要保证焊接的地方保持干净清洁，在焊接的过程中应该注意焊接电流要适当，焊接的时候避免速度过快，熔池内的气体要完全地放出，一旦有余存的气体就可能影响到焊接的质量。在焊接过程中产生的气孔主要是CO、N2及H2气孔，CO气孔的出现主要和焊接材料的含碳量有一定的关系，解决的办法是在焊丝中添加合金元素；N2气孔的出现主要是由于空气的扰动现象，避免产生N2气孔的方法是在焊接的时候给操作区域增加一个挡风的屏障；H2气孔的出现主要是由于焊接面可能有水或者油污，具体的控制措施是要严格地控制CO2气体的纯度和焊件的清洁等。

6.2.4 焊缝夹渣

焊接夹缝的产生主要是由以下因素造成的：在坡口的地方不干净，或者尺寸不合适；在进行多层焊接的时候，清渣没有彻底；焊缝的散热速度太快；使用的焊条药皮的成分不对，熔渣难以上浮。

6.2.5 未焊透

未焊透的原因主要有：坡口和间隙的尺寸不合适；磁偏吹影响；焊条偏芯度太大；焊接根处以及层间的清理不当。防止未焊透的最基本的方法就是焊接的时候使用较大线的能量。

6.3 焊接变形和应力分析

在金属结构中是非常容易产生焊接应力和各种变形的，焊接应力和变形直接导致了金属产生焊接裂纹，并且非常容易造成热应变脆化这种现象发生，在一定的条件下一旦焊接应力和焊接变形产生的话就会影响焊接的刚度、强度和加工精度等方面。焊接变形一旦发生就会影响焊件的形状和尺寸发生变化，这样就需要大量的矫正工作来改变这些不完美的地方，矫正工作费时费力，而且成本很高，一旦处理不当甚至还会有新的问题产生，所以控制和避免焊接应力和变形的发生，对于整个金属构件的焊接质量是非常有必要的。

6.3.1 焊接过程中减少焊接变形的主要方法

⟡ 合理的装配顺序和焊接顺序。正确地选择装配顺序和焊接顺序，一般应依照下述原则：a)收缩量大的焊缝先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，故应力较小；b)采取对称焊，这样大大减少了焊后出现的再变形，对于对称焊缝，可以同时对称施焊，少则两人，大的结构可以多人同时施焊，使所焊的焊缝相互制约，使结构不产生整体变形；c)长焊缝焊接时，应采取对称焊、逐步退焊、分中逐步退焊、跳焊等焊接顺序。

⟡ 尽可能地减少焊缝的尺寸和数量。

⟡ 反变形法。反变形法是生产中经常使用的方法，它是按照事先估计好的焊接变形的大小和方向，在装配时预加一个相反的变形，使其与焊接产生的变形相抵消。

⟡ 刚性固定法。该法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，此种方法对角变形和波浪变形比较有效。

6.3.2 焊接过程中减少焊接应力的主要方法

⟡ 避免焊缝过分集中，焊缝与焊缝之间应保持足够的距离。

⟡ 尽量避免三轴交叉的焊缝，不应把焊缝布置在工作应力最大的区域。

6.4 焊材的选择

6.4.1 ZG20Mn和Q345R钢若采用焊条电弧焊时，一般选用E5015或E5016(J506或J507)具有较好抗裂性能的碱性焊条。

6.4.2 ZG20Mn和Q345R钢若采用CO2焊接方法，其焊接材料可选择ER50-6。

6.5 焊前准备

6.5.1 焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口，还要尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可减少焊接材料的消耗量。

6.5.2 焊接坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。

6.5.3 焊前必须消除焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物。

6.5.4 焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。

6.5.5 装配定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类型的焊条。

6.6 焊接线能量的选择

线能量的参数是指焊接电流、电弧电压和焊接速度。低合金结构钢焊接时, 线能量参数除要保证接头的熔透性和焊缝成型外, 还要考虑其对接头性能的影响。焊接含碳量低的热轧钢Q345R以及含碳量偏下限的ZG20Mn钢时，对焊接线能量没有严格的限制, 但从提高过热区塑性和韧性考虑还是采用偏小线能量更为有利；当焊接含碳量偏高的ZG20Mn和Q345R钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹产生，焊接时线能量应偏大些。

6.7 预热

焊前预热能降低焊后冷却速度，避免出现淬硬组织，减小焊接应力，是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头组织与性能。对于屈服点在390MPa以下的低合金钢，一般仍可不预热。但当板材较厚时，为减小厚度方向的温度差，减小焊接应力，则应进行100℃～150℃的预热。

焊前预热的有利作用还在于：①改变了焊接过程的热循环, 降低焊接接头各区高温转变和低温转变温度区间的冷却速度, 避免或减少了淬硬组织的形成；②减少焊接区的温度梯度，降低了焊接接头的内应力, 并使之较均匀地分布；③扩大了焊接区的温度场，使焊接接头在较宽的区域内处于塑性状态，减弱了焊接应力的不利影响；④延长了焊接区在 100℃以上温度的停留时间，有利于氢从焊缝金属中逸出。预热温度的确定，随钢材碳当量、 板厚、结构的拘束度的增加而增加，环境温度的升高而降低。

6.8 后热及热处理

后热或焊后热处理可避免形成淬硬组织及使H逸出焊缝表面，防止裂纹产生，也可消除焊接残余应力，软化淬硬部位，改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定工件结构的尺寸。

当Q345R和ZG20Mn钢厚度不大时，一般不需进行焊后热处理，只有当板材较厚或强度等级较高及有延迟裂纹倾向时才应进行适当的焊后热处理。焊后热处理主要是消H处理，焊后立即将焊件加热到250℃～350℃，保温2～6小时后空冷；从而加速H的逸出，防止冷裂纹的产生，保证焊接质量。

消除应力处理是将焊件均匀地以一定的速度加热到 AC1点以下足够高的温度500℃±30℃，保温一段时间后均匀地缓冷到300～400℃，最后将工件空冷。低合金结构钢焊后消除应力处理的目的有以下几点：①消除焊缝金属中的氢, 提高焊接接头的抗裂性和韧性；②降低焊接接头中的残余应力；③改善焊缝及热影响区组织，使淬硬组织经受回火处理而提高接头各区的韧性；④稳定了低合金耐热钢焊缝及热影响区的碳化物，提高了接头的高温持久强度；⑤降低了焊缝及热影响区的硬度。

7 结论

本文旨在对ZG20Mn铸钢吊挂连接座焊接工艺的研究，可以作为同类焊接施工工艺参考。