大型液压机缸体制造技术研究

王玲，齐盛文，刘益民

（鞍钢重型机械有限责任公司，辽宁 鞍山 114031）

“十一五”之后，国内大型锻造液压机数量和最大吨位均达到世界之最，且特大型锻造液压机装备水平、结构形式、传动方式、技术性能等均为世界先进水平[1]。随着对锻压机的压力和驱动缸体尺寸的要求越来越高，以往采用铸钢材质的缸体因制作成本低被优先使用，但对于工作压力高于30 MPa 的高压液压缸，铸钢件内部质量难以满足设计的承压要求。 鞍钢重型机械有限责任公司大型液压机驱动缸体为铸钢件，材质为ZG35CrMo，缸体内孔工作腔体直径为Φ900 mm，净重3.2 t，缸体工作压力32 MPa，要求试验压力为42 MPa。但是在线使用5 年，缸体内壁出现裂纹缺陷，造成压力泄露。焊接后再次使用，缸体又出现油压上不去、漏油等问题，影响快锻机的生产作业。经分析，铸钢件缸体在铸造过程中不可避免的存在非金属夹杂物，夹杂物会降低钢的力学性能，尤其是对韧性的削弱作用较大[2]。且铸钢件内部还存在不可避免的气孔、砂眼、缩孔等微小铸造缺陷，在使用时由于振动产生的应力、 材料的疲劳极限及缸体内部应力释放等因素，缸体内部缺陷会逐渐扩散至表面，产生裂纹。 如果点检不及时，容易出现缸体突然开裂的情况，严重时甚至会造成安全生产事故。为了减少这种内部缺陷，采用锻造方式制造缸体是比较理想的选择。 锻造优点是锻件内部微密组织比较均匀，性能高于铸钢件及焊接件[3]。 与铸钢件相比，锻钢件金属纤维组织连续性、致密性、机械性能及使用寿命均更好，但缺点是锻钢件不能完全锻出缸体内腔形状，对于大型缸体，锻件毛坯重量约为3～4 倍的工件净重，因此制造成本非常高。 而锻焊结合的方式不但能够使缸体具有锻钢件的组织结构，又可以减少锻钢件毛重，是一种优化的结构方法。本文以使用压力32 MPa 的液压机缸体为例，采用锻焊结合形式制造液压机缸体，并对此缸体的制造技术做一介绍。

1 锻焊结合技术

锻焊结合技术是由锻造筒节经焊接而成一种工件的制造方法。缸体的锻焊结合技术就是将缸体分为缸筒和缸底两部分，分别采用锻钢件，经粗加工后，再焊接在一起，进行精加工，最终得到的缸体具有较好的组织结构及机械性能，又能降低制造成本。这种技术的制造难度主要集中在坡口焊缝质量上，对于厚壁锻件焊接，坡口设计为窄间隙小角度坡口焊接形式，须采用专用窄间隙焊接设备完成，且需在坡口反向进行清根处理，去除焊接根部的缺陷。 通过采用一种凹形垫板免清根的坡口焊接形式，再结合自动埋弧焊，调整焊接角度位置，从而完成窄间隙坡口焊接，保证了缸体的制造质量。

2 缸体制造技术要求

（1）材质

缸底和缸筒选用材质为35CrMo，其化学成分见表1。

表1 35CrMo 化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in 35CrMo Steel（Mass Fraction）%

（2）结构设计

本文以2 500 t 快锻机的缸体为例进行说明。缸体结构设计图如图1 所示，缸体为锻焊结合结构，缸筒和缸底为单独两个锻件，焊口处为了减少焊接应力，采用窄间隙焊缝焊接为一个整体结构。

图1 缸体示意图Fig. 1 Cylinder Block Diagram

（3）热处理

采取调质处理，性能满足JB/T6396-2006《大型合金钢锻件技术条件》规定要求执行，缸体力学性能技术要求见表2。

表2 缸体力学性能技术要求Table 2 Technical Requirements for Mechanical Properties of Cylinder Block

（4）探伤检测

缸体本体采用超声波探伤，锻钢件执行JB/T 5000.15-2007 《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》质量等级满足III 级标准。

焊缝采用超声波探伤，验收执行GB11345-89《钢焊缝手动超声波探伤方法和探伤结构分类》，检验等级为B 级，焊缝质量不得低于II 级标准。

精加工后焊缝表面进行磁粉探伤，不允许存在裂纹缺陷。

（5）试压要求

缸体工作压力为32 MPa，试验压力为42 MPa，保压30 min 无泄漏。

3 缸体制造方案

3.1 工艺流程设计

冶炼→锻造 （锻后正火）→粗加工→工艺探伤→调质→加工→探伤 （包括坡口）→两件焊接（包括消应力）→半精加工→超声波探伤→精加工→磁粉探伤→打压试验→成品→检测

3.2 制造工艺要点

3.2.1 冶炼、铸锭

为了保证缸体屈服强度和硬度，冶炼化学成分控制目标见表3。

表3 冶炼化学成分控制目标Table 3 Control Objectives for Chemical Compositions during Steelmaking %

钢锭质量超声波检验按JB/T 5000.15-1998 III 级要求，全部钢水用电弧炉冶炼，经炉外精炼和真空处理，氢含量≤2×10-6。

3.2.2 锻造

锻造时保证心部锻透，锻造比不小于3，缸筒端内孔锻出。 每件端面留一个切向试样，试样长度为50 mm。锻造过程中若发现裂纹，要及时热清理，并严格控制始、终锻温度。锻后立即入炉进行正火+球化热处理以及去氢处理。 再按JB/T 5000.15-2007Ⅱ级要求进行超声波初步探伤，无粗晶现象后转入下一工序。 缸体锻件设计图如图2 所示。

图2 缸体锻件设计图Fig. 2 Design Drawing for Forged Pieces to Cylinder Block

3.2.3 粗加工及工艺探伤

加工各处单面留5 mm 加工余量，斜面和孔不加工，余量满足调质要求。

该步骤超声波属于工艺性探伤检测，尽早发现锻件内部缺陷，为后续调质做准备。内外表面做磁粉探伤检验，不得有裂纹性缺陷。

3.2.4 调质处理

缸体调质工艺见图3，切去试片后，进行力学性能检测，结果见表4。 表中结果表明，缸筒、缸底力学性能均满足设计要求。

图3 缸体调质工艺Fig. 3 Quenched and Tempered Process for Cylinder Block

表4 缸体力学性能检测结果Table 4 Test Results for Mechanical Properties of Cylinder Block

3.2.5 加工及超声波探伤

加工各处留余量，余量满足焊后加工要求，表面粗糙度达到Ra6.3 以上，满足探伤要求。 加工焊口处符合窄间隙焊接和磁粉探伤要求。

按照设计标准对锻件本体进行超声波探伤，探伤结果作为最终检验依据。 对坡口进行磁粉探伤，不允许存在裂纹缺陷，满足焊接要求。

3.2.6 缸筒和缸底两件焊接

缸筒和缸底的结合采用单面焊不清根焊接法，焊接是该件加工的难点，为了保证全熔透的焊接质量，一般在焊缝根部进行反向清根后，再进行焊接，但是该缸体内孔的操作空间不够焊工长时间操作，只能通过单面焊接来保证。然而单面焊接根部质量差，不能满足需要。 因此，通过在外部采用自动埋弧焊机焊接，加深焊缝，然后加工内孔去掉焊接根部差的区域，以保证焊接质量。

（1）焊前准备

首先为保证焊接时定位准确，在缸体内腔焊接支撑环，支撑环与缸筒和缸底分别焊接，保持原有的结构和精度，在缸筒开口端设计带止口的挡板，一方面防止缸体内孔变形，另一方面在挡板中心部位打中心孔，为自动埋弧焊接做准备。

在缸体左端面上将端板 （见图4）和缸体用M64 螺栓把合，再将支撑环（见图5）焊接在缸体焊缝内孔处。 组成整体结构后的焊接准备示意图见图6。 在缸体焊接板上，按照缸体外圆找正，两端加工中心孔。 在车床，按已加工外圆找正，加工焊缝处按坡口示意图 （图7）的尺寸重新加工坡口，深度要超过缸体壁厚，一直加工至支撑环上，确保支撑环达到5～10 mm 深度，以保证焊接根部区域留在支撑环上。 最后通过加工方式，去除支撑环和底部焊接区域，从而保证了缸体本体焊缝质量。

图4 端板示意图Fig. 4 Diagram for Endplates

图5 支撑环示意图Fig. 5 Diagram for Support Rings

图6 焊接准备示意图Fig. 6 Diagram for Welding Preparations

图7 坡口加工示意图Fig. 7 Diagram for Groove Processing

（2）坡口检查

对加工完的坡口处进行着色探伤，确认无裂纹缺陷。 硬度检查结果显示，坡口处硬度≤180 HB，之后采用埋弧自动焊。

（a）局部采用煤气加热，预热到200～300 ℃。

（b）采用自动埋弧焊机，焊丝为1CrMn2NiMo+260 焊剂。

（c）焊接采用分两层焊接方式。 每层焊接厚度约100 mm。

（d）选择合理焊接参数，连续焊接，层间温度为300 ℃，要保证焊肉质量满足要求，控制整体变形，焊接时清除焊条药皮，锤击消除应力，严格清渣，避免出现焊接缺陷。

（e）焊好一层后，进行一次退火处理。 退火温度为600 ℃，保温时间6 h。

（f）进行超声波探伤确认，执行GB11345-2003 标准，检验等级为B 级，焊缝质量不得低于II 级，合格后再进行第二层焊接。

（g）第二层焊接工艺与第一层相同，焊后退火处理，进行超声波探伤，标准与上一层相同，如有缺陷，需及时进行清理，合格后转加工工序。

（h）去掉端板和尾部钢块，缸体打磨平整。

3.2.7 精加工和表面探伤检测

焊后精加工过程，去掉缸体内孔支撑环，加工缸体内孔及各处尺寸与图纸要求一致，对焊缝表面进行磁粉探伤检验，表面无气孔、夹渣、裂纹、咬肉等缺陷。

4 打压试验

为了保证缸体满足设计要求的工作压力，检验坡口的焊接质量，防止使用过程中出现漏油、裂纹等缺陷，造成整个缸体开裂的质量问题，需要将整个缸体密封为一个腔体，进行压力试验。

4.1 试验方案

图8 为打压方案示意图，图中缸盖法兰一为闷盖，厚度为150 mm，采用紫铜垫和O 型圈复合密封方式。法兰二为进油口，厚度为100 mm，采用紫铜垫和O 型圈复合密封方式。 通过连接胶管与泵站连接，采用乳化液作为试验用介质。泵站能力为50 MPa。 大缸盖厚度为340 mm，在法兰止口的径向和端面上各加工两个环形槽，采用四道O 型圈密封。 缸盖把合示意图和法兰把合密封示意图分别见图9 和图10。所有法兰均采用45#钢锻件，经调质热处理后进行精加工，所有螺栓均采用12.9 级高强度螺栓。

图8 打压方案示意图Fig. 8 Schematic Diagram for Pressurizing Scheme

图9 缸盖把合示意图Fig. 9 Schematic Diagram for Closing Cylinder Head

图10 法兰把合密封示意图Fig. 10 Diagram for Flange Sealing

4.2 试验过程及结果

（1）开始安装缸体两侧进出油口法兰及其密封，同时将侧壁的排气口封堵上；之后将缸体注满乳化液，再将端盖大法兰压入，压入的同时乳化液溢出，由此保障缸体内没有空气。

（2）将所有的法兰及其密封件安装紧固到位，接入液压系统管道，经查验均符合安装要求。

（3）为防止可能的因密封损坏而造成高压介质喷出造成的危害，在缸体密封件安装完成后，在其上面加装了特质钢桶保护罩。

（4）开始升压试验，初次将压力调整为30 MPa，经检查各部位均无渗漏现象和其它任何状况出现，随即将压力升至42 MPa，关停压力泵，进行系统检查和观察，进入保压阶段。

（5）始终监控压力表，保压过程中将保护罩摘下，目视检查，无任何泄露情况。

（6）保压阶段对压力表进行实时监测和拍照，30 min 的保压时间内没有丝毫降压现象发生，压力表数值一直维持42 MPa 试验压力。

5 实际效果

通过采用支撑环定位支撑，并将坡口加工深度加大至支撑环上，实现了不用清根处理的单面焊接，保证了内部焊接区域的质量要求。其检测结果如下：

（1）锻 件 超 声 波 探 伤 检 查：按 照JB/T 5000.15-1998 《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》，质量等级满足III 级要求。

（2）焊缝内部质量：超声波探伤结果满足GB 11345-2003，检验等级为B 级标准。

（3）表面探伤：缸体焊缝内表面磁粉探伤无缺陷，焊缝外表面着色探伤未发现裂纹缺陷，存在4 个点状缺陷，当量为Φ1.0～Φ1.5 mm，着色探伤合格。

（4）试压压力42 MPa，保压30 min 无泄漏，保压合格。

6 结论

（1）采用锻焊结构制造缸体的难点是窄间隙焊缝，通过设计一种凹形支撑环的定位垫板，并结合单面埋弧自动焊接，严格控制焊前预热温度、焊接层间温度和焊后分层退火缓冷的方式，保证焊缝内部质量。

（2）通过加工去除焊接底部容易出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷区域，缸体内外焊缝区域表面进行磁粉探伤检验，无裂纹缺陷，保证了锻焊结构缸体的制造质量。

（3）压力测试结果表明，当压力为42 MPa，保压时间30 min 时，缸体无泄漏发生，证明满足设计要求。

（4）该缸体结构及制造方法可推广应用在大型厚壁合金钢锻件的焊接中，用以替代窄间隙焊接专用设备。 采用自动埋弧焊接，可以保证焊接质量。