大型35CrMo圆筒的制作新工艺

李普阳 王玉柱 齐 李

上海船舶设备研究所 上海 200030

0 引言

随着升降设备的快速发展，各种特殊用途的升降设备应运而生，根据不同使用工况升降设备的立柱各有不同，根据不同使用环境材质的选择也各不相同。本文介绍一种特殊承重用途的立柱，该立柱为圆筒形，立柱直径、长度、壁厚的尺寸均较大，材质选用35CrMo 合金结构钢板。

通常35CrMo 合金结构钢主要用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的设备的重要零件，常用的形式为锻造件，屈服强度为835 MPa，抗拉强度为980 MPa，材料的整体性能优越。本文所述设备为了降低制作成本，选用一定厚度的35CrMo 钢板温卷后焊接制作圆筒，这样既可降低制造成本，又可满足设备的特殊使用需要。

35CrMo 合金结构钢的碳当量值为Ceq＝0.72%，含碳量较高，属于较难焊接的材料，由于该材料焊接性能差，焊接件并未得到广泛使用。本文所制作的圆筒直径和长度偏大，整体锻造成本较高，锻造时壁厚大，调质调不透，圆筒中间和外侧性能不一致，热处理难以满足设备的使用需要，故采用3 层钢板卷制再热套的工艺制作。

1 圆筒的卷制

1.1 圆筒的外形尺寸

如图1 所示，圆筒内径为2 500 mm，外径为3 140 mm，壁厚为320 mm，单节长度为2 000 mm。由于圆筒直径和壁厚都较大，锻造件制作困难，热处理工艺难以保证整个圆筒不同部位的机械性能一致。为了满足圆筒机械性能的需要，同时降低制作成本，采用厚度为120 mm 的钢板卷制成3 个不同直径的圆筒，通过热处理工艺保证圆筒不同部位的机械性能一致，最后再精加工圆筒的内外壁，将不同直径、不同壁厚的圆筒热套在一起，组成一个320 mm 的厚圆筒。

图1 筒体的尺寸示意图

钢板厚度为120 mm，卷制前使用超声波对钢板进行无损检测，钢板内部无缺陷，目测表面无裂纹，用游标卡尺测量钢板的不同部位，板厚基本一致，满足卷板机的卷板需要。钢板入厂检测合格后进行化学成分检测，化学成分检测结果如表1 所示。

表1 35CrMo 的化学成分

1.2 卷板机的合理选择

由于圆筒钢板较厚，材料屈服强度较高，卷校圆所需要的卷制力较大，选择合适的设备非常重要。卷板机的工作能力由卷板板宽、卷板厚度、卷筒直径和板材的屈服极限等参数决定。应用较广泛的对称上调式三辊卷板机，一般在使用说明书中仅给出机器最大工作能力，即所卷板材屈服极限为δ，最大板厚H，卷制最小卷筒直径D，最大板宽B。

由卷板设备能力换算可知，当钢板厚为定值时，板宽越小需要的卷制力越小，钢板的屈服强度越小，对设备的卷制力就越小。以对称上调式三辊卷板在最大工作能力时的强度和刚度要求为标准，在卷筒直径、卷板宽度和钢板屈服强度确定后，即可校核选择卷板的最大厚度[1]。

圆筒板宽与圆筒的使用相关，选择2 000 mm 的宽度较合适。钢板出厂状态为正火板，屈服强度约为550 MPa，硬度约为HBW 162。为了提高卷板机的卷板能力，避免钢板卷制时产生裂纹，钢板在卷制前采用火焰加热，将钢板整体加热至350℃～450℃，使钢板受热均匀。图2 为 Cr-Mo 钢的屈服强度随温度的变化曲线，图中曲线显示，随着温度的上升，材料的屈服强度大大下降；图3 为 Cr-Mo 钢的伸长率随温度的变化曲线，图中曲线显示，随着材料温度的上升，材料的伸长率变化不大，35CrMo 钢板加热卷制表面不会产生裂纹。

图2 Cr-Mo 钢的屈服强度随温度的变化

图3 Cr-Mo 钢的伸长率随温度的变化

经过对卷板机卷板能力核算，选取设备满足钢板厚度为120 mm 的卷制需要，钢板的卷制过程如图4 所示。钢板温卷的加热温度仅为350℃～450℃，低于550℃，该温度下材料的性能不会发生不可逆变化，温卷不影响圆筒调质的整体性能。由于使用大型卷板机卷板时存在圆度误差，为了保证圆筒的尺寸，卷板前预留部分机加工余量，具体余量可参考表2 所示数据。

表2 圆筒的尺寸（焊接前） mm

图4 卷板机卷板状态

1.3 圆筒纵焊缝的焊接

在卷板时，按照加工前的直径卷制内圆筒、中圆筒和外圆筒。为了焊接圆筒纵焊缝方便，制作焊接坡口，圆筒纵焊缝的坡口形式如图5 所示。

图5 纵焊缝坡口形式

35CrMo 合金结构钢碳的质量分数量较高，焊接性能差主要表现在焊接热影响区脆化、软化和裂纹倾向严重。在焊接时，应采取焊前预热和后热处理措施，预热温度为200℃～350℃，后热温度为300℃左右。由于焊后不能及时进行调质处理，焊后需要进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下进行保温一段时间的热处理，如低温回火或650℃～680℃高温回火。为了减少热裂纹，焊材选用低碳焊丝，焊接时采用小线能量焊接。考虑到卷板后的焊接变形和热处理变形，采用补偿法满足圆筒直径要求，卷板时圆筒直径较小，焊接和调质后圆筒直径变大，变大后的直径机加工后可满足圆筒的直径要求。焊接完成后进行射线检测，焊缝强度需要设计要求。

35CrMo 钢板在焊接前需要预热，预热后的筒体温度较高，不适合工人长期贴近筒体作业，筒体开坡口后焊缝深度＞100 mm，焊条利用率大大降低，焊缝较长，焊缝截面尺寸较大，工人手工焊接效率特别低，采用专用设备进行自动焊可节省人工，提高焊接效率，保证焊接质量。为了保证焊缝强度和母材强度一致，选择合适的自动焊焊材和焊接方案尤为重要[2]。通过多次尝试找到了合适的焊材，可匹配合理地自动焊工艺做出试样。经过焊接工艺评定（见表3），焊缝强度接近母材强度，满足圆筒的强度和刚度需要[3]。

表3 焊缝焊接工艺评定统计表

表4 不同回火温度试样的常规力学性能

2 圆筒的调质和热套

2.1 圆筒在不同回火温度下的性能

35CrMo 合金结构钢经过860℃淬火，再经200℃、300 ℃、400 ℃、550 ℃、650 ℃等不同温度回火，在200℃或300℃回火后可得到回火马氏体，在400℃回火时可得到回火屈氏体，在550℃或650℃回火时可得到回火索氏体，每种回火组织测定3 ～5 个试样的常规力学性能，具体统计数据如4 表所示[4]。

根据试验的统计数据绘制常规机械性能与回火温度关系曲线，如图6 所示。由图6 可知，35CrMo 合金结构钢的屈服强度、抗拉强度以及硬度随回火温度升高而单调下降，伸长率、断面收缩率和冲击韧性随回火温度升高而单调上升[5]。考虑到圆筒的特殊用途，确定筒体的回火温度为560℃。

图6 常规力学性能与回火温度的性能曲线

2.2 圆筒的调质

在圆筒体卷板时，加热温度不高于550℃，板材卷制后仍为正火态。为了使板材发挥较好综合性能，板材需要进行调质。为了降低热处理对圆筒的变形影响，圆筒调质前制作工装，在圆筒一周添加约束，以避免筒体在热处理时发生较大变形。将带有工装的工件装入炉中，升温至860℃±10℃，保温1.5 h；出炉油淬至常温，再将工件装入井式炉中，升温至560℃±10℃，保温3 h；出炉空冷[6]，热处理过程如图7 所示。采用油淬火，由于其冷却速度比水淬火小得多，产生的热应力也小得多，故圆筒在油淬火时不易开裂[7]。

图7 圆筒的调质

在圆筒调质完成后，经检测力学性能试验数据如表5 所示。圆筒调质后综合性能满足使用要求，对产品进行精加工，加工完成后圆筒体的外形尺寸如表6 所示，筒体满足热套的要求。

表5 圆筒力学性能试验结果

表6 圆筒的尺寸（机加工后） mm

2.3 圆筒的热套

热膨胀系数用来表示金属尺寸随温度的变化规律，一般是指线膨胀系数，平均线膨胀系数是物体在温度t1～t2时，温度平均变化1℃相应热膨胀率为α，金属的热膨胀系数公式为

式中：α为材料的热膨胀系数，L0为金属材料的长度，L1为材料加热前的长度，L2为材料加热后的长度，t1为材料的加热前的温度，t2为材料的加热后的温度。

35CrMo 合金结构钢在20℃～400℃的线膨胀系数为（12.3 ～14.6）×10-6℃-1。材料的热膨胀系数是材料自身属性的一部分，不会随着材料的外形尺寸变化发生较大改变[8]。

当圆筒体热套时，需要再次加热温度为300℃，如图8 所示。该温度低于圆筒调质时的回火温度560℃，热套时加热材料的力学性能不发生改变。假定室温温度为20℃，筒体热套时的温度为300℃，取线膨胀系数为13×10-6℃-1，将温差带入公式计算筒体的热膨胀量，即

图8 圆筒热套的火焰加热

式中：ΔL为筒体沿圆周方向的膨胀长度，L为筒体周长，t1为筒体加热前的温度，t2为筒体加热后的温度。

将筒体周长的热膨胀长度换算为直径的增大尺寸Δd，即有

式中：Δd为筒体沿半径方向的膨胀长度。

由圆筒半径的热膨胀计算可知，半径的热膨胀量远大于筒体的半径加工公差，中圆筒均匀加热后可顺畅地与内圆筒热套，外圆筒均匀加热后顺畅地与中圆筒热套。在热套过程中，应避免因2 个圆筒不平行导致的卡死现象。当圆筒局部卡住时，可用液压压机将2 个圆筒体压合在一起，应避免套不进拔不出的情况发生。待加热的圆筒冷却至室温时，圆筒收缩，内外侧筒壁可有效地贴合在一起，内外筒壁之间为小间隙配合，既可保证圆筒承载时受力均匀，又可内外筒体之间不会脱开，内外筒壁之间无滑动。

2.4 法兰的制作

圆筒法兰采用35CrMo 结构合金钢板卷制，法兰的内径为3 140 mm，高度为210 mm，厚度为145 mm。由于调质时法兰与圆筒的变形不一致，法兰和圆筒在调质不能焊接在一起，如果焊接成整体再调质，圆筒和法兰的收缩率不一致会导致焊缝开裂，使整个圆筒不能使用。

法兰在单独调质时，直径大，呈现圆形细长状态。由于法兰自身刚性较差，在调质时不仅圆度会发生变形，其径向也会发生扭曲波浪变形。为了降低法兰在热处理时发生的较大变形，调质前应以工装加固法兰，尽可能避免法兰发生过大变形而无法校正[9]。在调质完成后，测量法兰的平面度，平面度误差约40 mm，用加热校正的方法将法兰的平面度校正到5 mm 以内再进行机加工，加工后法兰与圆筒的热套尺寸满足过渡配合要求。

2.5 圆筒与法兰的连接

圆筒和法兰的连接与圆筒多层之间的连接类似，均采用过渡配合尺寸加工再热套成整体。过渡配合既可使圆筒与法兰之间不滑动，也可保证法兰不受圆筒的内应力影响，圆筒和法兰均可具有较好的使用状态。图9 所示为多段圆筒焊接完成后使用螺栓连接的状态。

图9 圆筒与法兰焊接后的状态

2.6 多段圆筒之间的连接

圆筒之间内外径相同，圆筒在承受轴向载荷时通过筒径直接传递，法兰仅起到连接作用，其传递载荷的强度不会影响到筒体整体的承载能力。

3 结论

1）使用35CrMo 合金结构钢板卷制承载圆筒代替35CrMo 锻造件可达到材料的综合性能要求，是一种既节省成本又满足使用需要的新工艺。

2）通常使用手把焊即可使焊缝强度和母材强度保持一致，在手把焊不合适的情况下，通过合理的焊接工艺，圆筒纵焊缝全部使用自动焊焊接，焊缝强度也能达到母材的强度。

3）使用不同直径的薄圆筒热套成一个厚圆筒，热套后不同直径的圆筒内外壁之间无间隙，内外圆筒之间不产生过大的内应力。

4）法兰在调质时与筒体在调质时热变形不一致，法兰和圆筒需单独制作调质，精加工后再热套成整体。

5）圆筒与圆筒之间、法兰与圆筒之间热套时的温度低于材料调质的回火温度，材料的综合力学性能不因热套2 次加热而降低。