30CrMnSiA大型结构焊接

王占亮 富泉 李锴 刘建平

30CrMnSiA大型结构焊接

王占亮 富泉 李锴 刘建平

【摘要】本结构件所用材料为30CrMnSiA，根据结构件所用板材的规格选用30mm板材进行了两种焊丝的焊接工艺评定，并根据对照性试验，制定了合理的焊接工艺及参数，成功完成大型结构件的焊接工作，同时也为此类材料的焊接提供了解决方案。

1. 概述

我公司接到某军工产品（见图1、图2），外形尺寸为690mm×φ4500mm/φ3500mm（圆环）；材料为30CrMnSiA；最大板厚为80mm；质量8.4t；要求所有焊缝进行连续焊接，焊后要求进行MT、PT探伤；并要求所有外露面均需加工，且一些面的加工精度要求达到Ra=0.4um。

此大型结构件为某军工产品最为关键的部件，在整台机床上为主要的受力和支撑部件。该构件在结构上相对比较简单，但由于其材料的特殊性给焊接方面带来了极大的困难。该构件使用的材料全部为30CrMnSiA低合金高强度钢，且是公司第一次接触，无制作经验。经过查阅大量的资料，总结经验，并多次与相关技术人员交流，进行了焊接工艺评定，选取了合适的焊前预热温度、保护性气体和焊丝，经一系列的试验之后确定了一套完整的焊接工艺。

2. 材料焊接性分析

30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系统的中碳调质钢。这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体（统称回火马氏体），其化学成分及力学性能如表1所示。按照国际焊接学会推荐的碳当量公式计算，其CE=0.73%，具有较高的淬硬倾向，焊接接头极易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头的冷裂倾向。

鉴于以上情况，结合本结构特点采用焊前预热、焊后缓冷，并需要根据实际板材厚度进行焊接工艺评定。

3. 焊接工艺评定

（1）焊接方法的确定根据本结构特点，为了保证生产周期及产品的过程控制，采用焊接效率较高的气体保护焊进行焊接。

（2）焊丝确定查阅相关文件，对于合金结构钢，通常要求焊缝金属的主要合金成分与母材金属相同或相近的焊丝。根据实际选用H18CrMoA、ER50—6。

图1　结构三维

图2　截面

表1　30CrMnSiA钢化学成分及力学性能

（3）气体选择保护性气体选择20%CO2+80%Ar的混合气体，纯度为99.9%。

（4）试板厚度选择本结构的板厚为20～80mm，根据NB/T 47014—2011标准中“对接焊缝试件厚度与焊件厚度规定”选用了36mm厚钢板。

（5）预热温度及保温时间选择预热温度初步确定为250℃，在分件制作过程中选用的是预热带对焊接位置进行加热，加热到250℃以后保温1h，使焊缝附件的母材内外温度达到一致，这样在焊接过程中就使得熔池温度达到稳定一致，并且有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性，确保了焊缝质量。

（6）焊后探伤焊接工艺评定试板规格为两组36m m× 150mm×350mm，焊接完成24h后对试板进行了UT和MT探伤，使用JB/4730—2005标准Ⅱ级。经专业探伤人员检查合格后进行热处理。

（7）焊后热处理为了消除焊接的残余应力，稳定焊缝组织，在焊接完成后需要进行热处理，在330～350℃保温3～4h，升温速率为50～70℃/h，然后闭炉冷却。

（8）试验结果根据NB/T 47014—2011标准制作了4组试板，对其进行拉伸和弯曲等试验，在每块试板上分别取两个试块分别做拉伸、弯曲、宏观金相试验，其中各项指标如表2、表3所示。

根据试验数据分析，利用气体保护焊，两种焊丝均能达到图样设计要求，但从实际生产及经济效益考虑，决定采用ER50—6作为生产使用焊丝，并确定了一套完整的焊接工艺，具体焊接参数如表4所示。

表2　拉伸试验

表3　弯曲试验与宏观试验

表4　横焊焊接参数

4. 实际焊接生产

（1）材料选择及排版对图样零件重新拆分，制作三维图形确定焊接坡口形式，多次对下料尺寸进行修正，经多次修改后，确定出几种可以相互替代的板材规格，由最初计划的65.4t降为46.9t，节省成本为30.5万元。在材料到公司之后，质检人员对板材按JB 4730—2005全部进行UT探伤。

（2）分件制作本结构为8个重要部分组成，其中4个圆环的制作由于焊缝位置较为脆弱，所以要求在滚圆拼焊完成之后不允许再次上滚床进行重新滚圆，并且φ4 500mm的圆环在拼焊完成之后误差≤3mm，使分号件满足工艺要求。

（3）整体焊接根据工艺要求整体预热是在公司的退火炉中进行加热的，加热到300℃保温一段时间，待工件冷却至250℃，从炉体中直接拉出，24h不间断进行焊接，一次性完成焊接任务。

具体焊接工艺如下：

第一，炉内工件温度升温至300℃，保温2h，随炉冷却，待工件缓冷至250℃左右时出炉。除需焊接部位外，其他外露部分均采用石棉覆盖，达到缓冷效果。

第二，施焊过程中，采取均布、多层多道的焊接方法，同时，同一道焊缝不要一次性完成，每道焊采用均匀布焊，完成焊接。

第三，焊接过程中存在两次翻面：第一次翻面的时间为对分件1两道平坡口焊，件2与件3、件4与件3、5横坡口焊时，待焊缝完成1/2时，进行翻面；装车，按预热要求进行另一面的焊接，做到均匀、均布，完成该面所有焊接，然后进行第二次翻面，按预热工艺要求完成第一面的焊接。

第四，然后进焖火炉，按焖火工艺进行焖火处理。

5. 结语

通过严格控制制作过程中的各个环节，对每一个可能出现问题的环节事先一一进行解决，利用已有的焊接经验和成熟技术，再加上技术人员、检验人员及焊接工人师傅们的共同努力，最终保质保量按时完成攻关的任务。该大型结构件的成功焊接，不仅在对30CrMnSiA这种特殊材料焊接的工艺方案制作积累了丰富的经验，同时也为今后此类大型结构件的制作提供了实例依据。

参考文献：

[1]彭昌永，范如源，郭鹏．调质态30CrMnSiA支架的等强度焊接及变形控制研究[J]．工程材料应用，2013，40(3)：53-55.

[2]边锋．热处理工艺参数对30CrMnSiA调质钢力学性能和组织的影响[J]．特钢技术，2008，14(2)：24-25.

作者简介：王占亮等，武汉武重金属结构工程技术有限公司。