20MnMo大型模锻压机C型特厚板的焊接

刘 淼 闫军成 白树华

(中国二重集团公司重容分厂，四川618013)

2010年初，我公司承担了某重点项目模锻压机C型板的焊接任务。该C型板的基体材料为20MnMo。由于该部件在使用中承受高载荷，因此对焊缝质量有很高的要求。并且该部件尺寸大、坡口深，焊接精度要求高，给焊缝的质量控制和焊接变形控制带来很大难度。

1 产品结构

C型板的结构如图1所示，该件精加工后整体尺寸为350 mm×4 650 mm×36 190 mm，总重260多吨。在36 190 mm尺寸方向上分布有8条联接焊缝，由不同厚度、长度的厚板按一定的组装顺序焊接而成。其中件3与件4、件6与件7间的焊缝采用窄间隙气体保护焊方法，这里不进行阐述。

焊缝坡口采用不对称双面U型坡口，如图2所示。

2 焊前准备

2.1 材料焊接性能分析

图1 C型板结构Figure 1 The structure of C-plate

图2 坡口形式Figure 2 Groove type

20MnMo属于低合金高强度钢(化学成分见表1，力学性能见表2所示)，具有较好的综合力学性能。合金化后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。但由于其碳当量较高，所以焊接性较差。根据碳当量的计算公式，20MnMo钢碳当量为0.52%～0.67%。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。尤其是厚板的焊接，刚度和拘束度较大，因此产生的焊接应力较大，非常容易产生延迟裂纹。为避免产生焊接缺陷，焊前需预热≥150℃。为提高焊接效率，获得性能优良的焊缝，我们选用埋弧自动焊来进行焊接。

表1 20MnMo钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of 20MnMo steel(mass fraction, %)

表1 20MnMo钢的力学性能Table 1 The mechanical property of 20MnMo steel

2.2 焊接材料的选用

根据等强性原则，我们在焊材选择时选用与母材强度匹配的焊丝(H10MnMo2)和焊剂(HJ250G)。修补采用手工电弧焊，焊条采用E5515-G(J557)。焊材使用前经复验合格，并经过烘干处理。

2.3 埋弧焊枪的改进

为保证C型板的焊接质量，提高效率降低成本，工艺上采用窄间隙坡口形式。对于C型板焊缝直而长的坡口形式，很适合于采用埋弧焊小车进行焊接。但埋弧焊小车原配焊枪尺寸较大，而C型板坡口焊缝相对较窄，使原配焊枪无法使用。为此我们针对焊枪结构形式进行了改制。将焊枪由原来的适用于V型坡口焊接的圆棒型改成了适合于U型坡口焊接的窄扁型。枪的表面进行绝缘处理，且在机头部分增加了横向移动和旋转机构，使得焊枪能够比较灵活的进行调整，以便适用于窄而深的U型坡口的施焊要求。改造后的埋弧焊枪经过试验证明，枪的各项性能优良，达到了焊接C型板的使用要求。

2.4 焊接准备与工艺要求

(1)坡口要求:坡口采用机械加工，成型后对坡口的表面以及两侧150 mm范围内的油污、铁锈等进行清理，最后对坡口表面进行100%磁粉探伤，要求100﹪合格。

(2)装配及焊后要求：由于该板件长而重，加工量有限，要求装配误差在2 mm以内。焊接过程中要求严格控制变形，平面度和直线度在3 mm内。这是该C型板焊接过程控制的重点之一，也是焊后检验的一个重要标准。焊缝消氢热处理后须经100%超声波探伤，符合国标JB/T4730—2005 I级。

(3)焊接参数：焊接参数见表3，焊接前经焊接工艺评定合格，焊接均为平焊位置。

表3 焊接参数Table 3 The welding parameter

3 焊接过程控制

3.1 质量控制

在板件达到装配要求后，对焊件进行预热，采用天然气加热方式。当焊缝及近缝区温度达到150℃以上就可以准备进行打底层的焊接。在焊前一定要确保设备各项性能都正常，校直焊丝，调整焊接参数等。从打火开始，就要精确操作设备，确保焊缝质量。每焊完一道，要将焊剂等清理干净，认真检查焊缝，对熔合不良，有焊接缺陷的地方采用碳弧气刨或角磨机进行清理，完全清理干净后，用焊条电弧焊进行修补，和其他焊道确保一致，焊缝边缘融合良好。在确定没有焊接缺陷的情况下，再进行下一道的焊接。

3.2 变形控制

变形控制主要是控制两方面，平面度和直线度。在焊接过程中，焊件的变形不容易观察，板件过长，使板件自身的挠度增大，造成测量变形不准确。实际生产中我们按以下方式控制变形：

(1)平面度的控制

造成平面度难以控制的主要原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致的角变形。在焊接厚板时，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。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，此时构件的刚度增大，抵抗变形的能力增强，角变形反而减小。实际生产中，在同等外界条件下、同样的热输入，焊缝增加同样厚度的前提下，打底阶段的变形大于盖面阶段的变形。在C型板的焊接过程中，我们采用双面非对称U型坡口正反两面交替焊，使得正反两面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。具体是先焊接深坡口面到一定厚度，然后翻面焊接浅坡口面，使其产生的角变形稍大于先焊的深坡口面。这样交替的进行，直到整条焊缝焊完。注意在翻面时，当焊件处于侧立状态时可以准确测量焊件的变形量。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。并且C型板的自重可以抵消一部分的收缩变形，在制造过程中可以想办法加以利用，从而减少翻面的次数。

(2)直线度的控制

由于板件较长，直线度也是不易控制的。前面介绍了焊件收缩变形的原因，焊缝的起弧端和收弧端的收缩是不一样的，一般是收弧端大于起弧端。为了保证直线度，应该经常互换起弧端和收弧端，尽量使焊缝的起弧端和收弧端的收缩量一致，最好的是焊一层换一次。这样，就可以比较好的控制侧弯，保证焊件的直线度。最好是焊几层就测量焊缝的坡口宽度，以便做出适当的调整。

4 焊后热处理

由于该板件比较厚，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。

表4 热处理工艺参数Table 4 The technological parameter for heat treatment

在整体热处理前应该对焊缝质量、焊件变形量进行检测，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，防止弯曲变形。

5 结论

(1)用以上工艺进行20MnMo大型模锻压机C型特厚板的焊接，经焊后检验，所焊板件的变形量≤2 mm，符合检验要求。超声波探伤后，焊缝达到GB4730—2005探伤标准一级焊缝要求。C型板的焊接成功，表明焊接过程中所采取的控制措施切实可行。

(2)焊接特厚板件时，在防止焊接缺陷的同时一定要加强焊件的变形控制，且要注意应力的影响，防止焊缝拘束过大而产生裂纹。

(3)所研制的专用焊枪在C型板焊接过程中证明是成功的，为实现C型板窄间隙坡口焊接，保证焊接质量提供了有力的支持。

[1] 陈路. 工业焊接技术与质量试验检测评定标准实用手册. 北京：电子出版物出版中心，2003.

[2] 邓洪军. 焊接结构生产. 北京：机械工业出版社，2004.1.

[3] 雷世明. 焊接方法与设备. 北京：机械工业出版社，2004.1.

[4] 英若采. 熔焊原理及金属材料焊接. 北京：机械工业出版社，2000.5.