350MN多向复合挤压模锻设备立柱出砂孔焊接工艺研究与应用

樊志勤，陈清阳

太原重型机械集团有限公司 山西太原 030024

1 序言

太原重型机械集团有限公司为国内某大型企业生产的350MN多向复合挤压液压模锻设备，打破了以往压机设备单向挤压的传统理念。该设备集立式压机、卧式压机于一体，梁亦柱、柱亦梁，从而形成双向同时复合挤压效果，主要生产结构复杂的高端锻件（95%用于海洋装备阀体），可实现一次成形，提高了挤压机的工作效率和锻件出品率。该产品的主要部件：立柱、上下横梁，每件净重均超过400t，单件钢液重达800～935t，尤其是关键部件立柱（见图1），轮廓尺寸为11 500mm×7480mm×4347mm，设计铸件毛重600多t，总钢液量需935t。据有关资料介绍，这种500t级的超大型结构铸件在国内乃至国外都未生产制造过，目前为亚洲最大的铸钢件。

图1 立柱部件

2 问题的提出

为满足立柱部件铸造技术要求，需在图样设计中留有多个工艺出砂孔，出砂孔为φ800mm、厚度240～320mm。经过有限元计算，其中8个出砂孔（见图2）为挤压机工作受力部位，为保证铸件使用寿命、质量，需对出砂孔进行焊接封堵。

图2 立柱出砂孔需补焊位置

立柱使用G20Mn5铸钢，其化学成分、力学性能分别见表1、表2，部件执行DIN EN 10293标准。依据国际焊接学会推荐碳当量计算公式，得出G20Mn5铸钢的碳当量为0.4%～0.5%，表明材料的焊接性较差，焊接接头淬硬倾向较大[1，2]，冷裂纹敏感性较高，焊接过程中需要采用必要的预热和后热处理，同时还应严采用较小的热输入进行焊接。

表1 G20Mn5铸钢化学成分（质量分数） （%）

表2 G20Mn5铸钢力学性能（质量分数）（%）

3 焊接材料的选用

焊接材料的选择是制定合理焊接工艺的关键。本次对该超大型铸钢件出砂孔焊接材料选用，讨论过以下几种方案。

1）采用等强匹配，因铸件材质与钢板和锻件相比较晶粒度组织粗大，铸钢件G20Mn5材料裂纹敏感性高，焊后容易产生冷裂纹。

2）采用塑性、韧性较好的不锈钢焊材进行焊接，因焊后铸件焊接应力较大，需进行两次550℃中间退火处理，而奥氏体不锈钢在450～850℃又是晶间腐蚀最敏感温度区间，另外如果焊接过程中产生缺陷，需再进行返修，困难加大。

3）采用低匹配，选用塑性、韧性好的焊接材料，焊丝熔敷金属的屈服强度高于G20Mn5铸钢，而抗拉强度级别略低于母材的焊材进行焊接。

考虑到立柱材料淬硬倾向和结构拘束度均较大，决定采用低匹配工艺方案。首先，选用伸长率和冲击韧度较好、熔敷金属扩散氢含量低的碱性药芯焊丝E71T-5M-J（焊丝熔敷金属力学性能见表3）对铸件本体和堵块坡口内进行20mm厚的过渡层堆焊和根部焊接，这样可以有效地减小焊接应力对铸件本体的影响。其次，中间填充部位采用焊工操作容易、力学性能好、质优价廉的实芯焊丝ER50-6（焊丝熔敷金属力学性能见表4）进行焊接，这样既保证了焊接接头的力学性能，又可以有效降低生产成本。

采用低匹配+过渡层工艺方法，焊材熔敷金属抗拉强度虽然低于母材抗拉强度的下限，但焊材熔敷金属屈服强度高于母材[3]，且焊材的屈服强度达到部件最大使用屈服极限的两倍多。低匹配焊材不仅可提高焊缝金属的塑韧性，而且有利于防止焊接接头产生焊接裂纹等缺陷。

表3 E71T-5M-J焊丝熔敷金属力学性能

表4 ER50-6焊丝熔敷金属力学性能

4 焊接工艺评定试验

按照ISO 15614-1：2004标准进行焊接工艺评定。采用气体保护焊（80%Ar+20%CO2），板厚180mm，双U形坡口对接焊（见图3），预热温度为150～200℃，后热消氢处理工艺为（300～350）℃×2h，消应力退火工艺为550℃×8h，焊接参数见表5。

图3 U形坡口及焊缝层道顺序

表5 工艺评定焊接参数

焊接工艺评定试板经过UT检测达DIN EN 12680-1Ⅰ级，焊接接头的力学性能试验结果分别见表6～表10。

工艺评定试板因经过中间550℃消应力退火，焊接接头除熔敷金属的抗拉强度低于母材外，其他各项指标均符合标准技术要求，表明选用的低匹配焊接材料是安全可靠的。

表6 焊接工艺评定拉伸试验结果

表7 焊接工艺评定弯曲性能

表8 焊接工艺评定冲击性能试验结果

表9 焊接工艺评定金相检验结果

5 部件焊接的难点

结合以往历年来对铸钢件补焊、缺陷焊接修复的体会，立柱这种超大型铸钢件出砂孔焊接存在以下关键技术问题。

1）铸件的几何尺寸和重量是建厂以来遇到的最大铸钢件，目前国内外尚无此类铸钢件出砂孔焊接的成熟工艺。

2）铸件材质选用G20Mn5，其力学性能要求较高，如果焊接工艺制定不合理，焊接过程监控不严，容易产生焊接裂纹等缺陷。

3）出砂孔形状为封闭性圆形孔洞，焊接拘束应力释放困难，容易在焊缝附近产生应力裂纹。

4）铸件晶粒度组织较粗大，焊接产生的应力易造成沿晶间开裂现象。

5）一般铸件内部均有标准允许范围内的小孔穴缺欠，但这些孔穴相对于焊缝来说属于超标缺陷。判断缺陷是铸钢件允许标准范围内的还是焊缝的超标缺陷，位置判定困难。

表10 焊接工艺评定维氏硬度试验数据 （HV10）

6）出砂孔焊缝质量要求达到超声波检测DIN EN 12680-1标准质量等级Ⅰ级，经初步计算焊丝用量需2～3t，对铸件焊接来讲难度较大。

7）直径大、厚度大且数量多，工件整体加热时工人劳动条件差、强度高，这将不同程度地给焊接带来不利影响。

6 焊接工艺优化方案

经对铸钢件现场勘测、模拟计算挤压机使用状况、对材料力学性能试验、热处理工艺与焊接工艺评定试验等数据进行综合分析，经相关技术专家多次评审后，决定采用多项综合措施施焊，并对现有焊接工艺进行优化，以确保铸钢件出砂孔的焊接质量。具体过程如下：

1）选用堵块封堵法，制作材质、厚度、大小相近的圆形饼（见图4），作为出砂孔封堵堵块，进行焊接封堵[4]。

2）焊前对铸件和堵块焊接区域两倍板厚范围内，分别进行无损检测，同时对铸件本身存在的不超标缺欠的位置、大小和深度做好记录，如有超标缺陷，先进行处理后再进行无损检测及补焊。

图4 制作的堵块

3）焊前对铸件出砂孔封堵部位，机加工开双U形坡口，该坡口形式具有应力分布较好、焊接工作量小、易于焊接操作等优点。

4）使用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊，采用碱性药芯焊丝在铸件和堵块坡口内先堆焊约20mm厚的过渡层（见图5），堆焊后要求进行无损检测和根部焊接，填充焊缝则采用焊工操作容易的实芯焊丝进行焊接。

图5 出砂孔堆焊过渡层

5）将部件整体加热到150～200℃开始焊接，施焊过程中若温度低于预热温度150℃，需重新加热后，方准继续焊接，这有利于降低冷却速度，减少焊接应力。

6）当焊接到出砂孔厚度一半时，对工件进行整体消应力退火处理，每焊接20～30mm厚，加热到300～350℃，保温2h，进行一次后热消氢处理。

7）焊接时要采用小的热输入，φ1.6mm的E71T-5M-J焊丝：I=260～320A、U=28～36V；φ1.2mm的ER-506实芯焊丝：I=260～280A、U=26～32V，层间温度不得高于350℃。

8）施焊过程中，采用风枪清理、锤击焊缝，锤击要求快速、细密、有力，以改善焊接应力分布状态。施焊时应及时清理焊渣及飞溅，保证逐道焊缝熔合良好，每层焊道厚度要求≤3.5mm，焊缝最后的余高控制在2～4mm，采用机加工去掉余高。

9）施焊时，多工位、多孔同时施焊，注意焊接顺序。每个出砂孔按图6顺序施焊，避免焊接过程的间断，要求正反面交替焊接每个出砂孔。

图6 施焊顺序

10）焊接采用分段退焊或跳焊法，先进行坡口表面堆焊、先焊两边再焊中间（见图7）、多层多道焊接，焊接过程中不得出现裂纹等超标缺陷，若发现超标缺陷应立即清理，重新施焊。

图7 出砂孔焊缝层道截面

11）施焊时，要做好完整的焊接原始记录，将铸件出砂孔编号进行记录，技术人员要做好全程监督和技术服务。

12）焊接操作人员焊接前进行模拟培训考试，合格后方能进行焊接操作。

13）焊后按照图样技术要求，进行超声波和磁粉检测。

部件施焊工艺流程：焊前准备（坡口加工、无损检测）→铸件整体预热→堆焊过渡层→过渡层无损检测→药芯焊丝封底填充→实芯焊丝填充→中间消应力退火→填充→焊后消应力退火→焊缝表面清理→焊后检查。

7 结束语

经过大家的共同努力，按照修复工艺焊接的8个出砂孔，全部按标准要求顺利完成，直接挽回经济损失数千万余元。该工艺方案的实施确保了产品使用的质量，也成为超大型铸钢件出砂孔焊接的成功案例，再一次刷新了国内外超大型铸件焊接的记录。