張曉東， 張顯輝， 王興華， 陳為斌

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司,上海 201999)

0 前言

轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐軸耳是吊掛轉(zhuǎn)爐本體的關(guān)鍵部件，其更換是轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)支撐檢修中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。以往三點(diǎn)球面支撐大厚度軸耳焊接通常采用雙面坡口常規(guī)焊條電弧焊或氣體保護(hù)焊，焊接順序是：預(yù)熱、單面打底焊、背面碳弧氣刨清根、打磨、磁粉探傷、再預(yù)熱后進(jìn)行背面根焊、反正面交替焊接后進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，最后進(jìn)行焊后無(wú)損檢驗(yàn)。由于軸耳超厚板焊接工序復(fù)雜，厚板封底焊時(shí)，由于受軸耳鋼板厚度的影響，對(duì)焊縫缺陷及焊縫反面清根氣刨后表面硬化層無(wú)法采用普通的角向磨光機(jī)進(jìn)行打磨，使氣刨后的坡口氧化皮及氣刨形成的滲碳層無(wú)法徹底清理干凈，只能采用內(nèi)磨機(jī)進(jìn)行打磨，勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接生產(chǎn)效率低，而且很容易出現(xiàn)因打磨不干凈而造成的一次探傷合格率低、返工量大等問(wèn)題；另外，由于三點(diǎn)球面軸孔與銷軸間的間隙僅為0.4 mm，按安裝要求，軸耳孔應(yīng)該在焊接完成后進(jìn)行機(jī)械加工，但由于現(xiàn)場(chǎng)位置狹窄，無(wú)法在焊接完成后進(jìn)行機(jī)械加工，軸耳的機(jī)械加工只能在焊接前完成。因此，要求三點(diǎn)球面支撐在焊接安裝時(shí)，安裝精度必須控制在1.0 mm以內(nèi)。如果焊接變形超出標(biāo)準(zhǔn)，則螺栓銷軸將無(wú)法安裝。因此控制軸耳焊接變形是取得成功的關(guān)鍵。

雙面雙弧焊是采用兩把焊槍在工件正反兩側(cè)同時(shí)實(shí)施焊接的工藝，包括雙面雙弧打底和雙面雙弧填充兩個(gè)部分。采用該項(xiàng)技術(shù)可以減少反面氣刨清根、打磨清理、磁粉檢測(cè)、再預(yù)熱等工序，由此可以顯著降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[1]；另外，采用雙面雙弧同步焊接可以使焊接熱量平衡分布，利于控制焊接變形，而且，由于前后兩焊道具有預(yù)熱和后熱作用，焊接后的根部熔合良好，焊道組織發(fā)生細(xì)化，因此可以改善焊接接頭的力學(xué)性能[2-5]。

該項(xiàng)目針對(duì)轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面軸耳的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，采用雙面雙弧焊接技術(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐軸耳的現(xiàn)場(chǎng)焊接，結(jié)果表明采用該技術(shù)焊接轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐軸耳可在保證焊縫質(zhì)量前提下，顯著提高焊接效率、同時(shí)在控制焊接變形方面也具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1 軸耳的結(jié)構(gòu)尺寸及材料成分、性能

轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。軸耳形狀及坡口尺寸如圖2所示。支撐軸耳厚度220 mm，材質(zhì)為Q345B，軸耳的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

圖1 轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軸耳形狀及坡口尺寸

表1 軸耳Q345B的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 軸耳Q345B的力學(xué)性能

2 模擬焊接試驗(yàn)

2.1 焊接工藝

在轉(zhuǎn)爐軸耳現(xiàn)場(chǎng)焊接實(shí)施前，首先采用和轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)支撐軸耳材質(zhì)一致的40 mm厚Q345B鋼板進(jìn)行模擬焊接試驗(yàn)，以確定軸耳現(xiàn)場(chǎng)雙面雙弧焊接工藝參數(shù)，并對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，焊機(jī)型號(hào)為OTC-CPVE-500,焊絲采用ER50-6，焊絲直徑1.2 mm。

模擬轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)支撐現(xiàn)場(chǎng)更換工況，采用橫焊位置施焊，坡口形式如圖3所示。

圖3 焊接位置及坡口形式

由于現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)爐軸耳支撐鋼板厚度為220 mm，球面支撐鋼板開(kāi)設(shè)雙面坡口，模擬現(xiàn)場(chǎng)情況以40 mm厚度鋼板進(jìn)行橫焊全熔透的方式進(jìn)行了無(wú)反變形雙弧焊模擬焊接。通過(guò)多次摸索試驗(yàn)，確定橫焊位置雙面雙弧CO2氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)，見(jiàn)表3。模擬打底焊正反面焊縫成形情況如圖4所示。

表3 40 mm厚鋼板模擬焊接工藝參數(shù)

圖4 雙面雙弧焊根部焊道正反面形貌

2.2 模擬試板焊接接頭力學(xué)性能

焊接完成24 h后，對(duì)40 mm厚焊接試板橫向切割后對(duì)焊縫根部進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果表明采用雙面雙弧焊接焊縫根部熔合情況良好。按照GB/T 2650～GB/T 2654，對(duì)采用雙面雙弧焊接的40 mm厚Q345B鋼板焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，拉伸、側(cè)彎沿材料面以焊縫為中心厚度20 mm、長(zhǎng)度81 mm進(jìn)行取樣。沖擊焊縫表面沿焊縫熔合線1 mm,3 mm處進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5，可見(jiàn)，采用雙面雙弧焊接的Q345B鋼板焊接接頭綜合力學(xué)性能優(yōu)良、均達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 模擬焊接的40 mm厚Q345B鋼板接頭拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 模擬焊接的40 mm厚Q345B鋼板接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 轉(zhuǎn)爐軸耳支撐厚板的焊接

3.1 軸耳加固

如圖5所示，在軸耳定位安裝中，為保證軸耳找正后的位置固定，在軸耳的內(nèi)側(cè)靠爐體側(cè)安裝定位板，定位板厚度30 mm,長(zhǎng)寬尺寸300 mm×400 mm。定位板與托圈及軸耳焊接焊縫長(zhǎng)度為150 mm，焊腳高度為25 mm的焊縫進(jìn)行固定，然后拆除為保證二軸耳同心度使用的假軸。

圖5 軸耳定位用的固定鋼板

3.2 焊前預(yù)熱

軸耳定位完成后由專業(yè)熱處理工用加熱片對(duì)焊縫進(jìn)行全覆蓋。加熱寬度為板厚的2倍，采用熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)控，溫度設(shè)定為120 ℃并保溫2 h。

3.3 軸耳焊接質(zhì)量控制措施

在焊接前，應(yīng)對(duì)二片的軸耳重新進(jìn)行尺寸復(fù)核，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后以一片軸耳為基準(zhǔn)尺寸作為另一片軸耳在焊接過(guò)程中的尺寸復(fù)核點(diǎn)。

采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行雙弧焊接，整個(gè)焊接過(guò)程一次完成，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度在200 ℃左右。

打底焊接時(shí)，第一道是關(guān)鍵，要保證第一道與母材熔合良好，同時(shí)又要防止出現(xiàn)焊接缺陷，考慮到對(duì)熱輸入的要求，雙電弧保持一定弧間距，若弧間距過(guò)大，雙面熔池保護(hù)氣體不夠，易出現(xiàn)根部氧化，并且弧間距過(guò)大熱輸入過(guò)小，會(huì)增大淬硬傾向，但弧間距過(guò)小，易產(chǎn)生過(guò)熱，熔池容易坍塌，焊縫組織粗大，并且弧間距過(guò)小，雙電弧之間易發(fā)生干擾，因此，前后焊槍保持一定的弧間距，同時(shí)打底采用小熱輸入焊接，弧間距為2～3 mm為宜。此外，在打底焊接中必須要對(duì)接頭進(jìn)行打磨處理，未經(jīng)處理的接頭容易出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象；在填充和蓋面過(guò)程中，必須對(duì)上一層焊縫進(jìn)行清理，避免氧化物、飛濺及焊縫與坡口的夾角存在，以免出現(xiàn)夾雜和未熔合等缺陷產(chǎn)生。

焊工在焊接過(guò)程中，要嚴(yán)格進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)缺陷，必須及時(shí)進(jìn)行打磨處理。嚴(yán)禁對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷采用融熔的方式進(jìn)行處理。

在焊接時(shí)，焊工應(yīng)在焊縫二端加設(shè)引弧板，待正面焊接完成后進(jìn)行割除并打磨焊接。

焊接過(guò)程控制層間溫度時(shí)，采用風(fēng)鏟對(duì)焊縫的飛濺物或氧化物等雜物進(jìn)行鏟除，敲擊焊縫使焊縫的應(yīng)力盡量能得到均布。

在更換導(dǎo)電嘴時(shí)，應(yīng)該盡量采用加長(zhǎng)型，以滿足大電流及短弧焊的工藝要求。

焊絲伸出長(zhǎng)度宜控制在15～18 mm，焊絲過(guò)長(zhǎng)時(shí)容易出現(xiàn)熔池保護(hù)不佳，從而導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔。

協(xié)助配合工種在焊工焊接過(guò)程中應(yīng)該及時(shí)用千分尺掌握軸耳的垂直度及變形情況，如發(fā)現(xiàn)變形超過(guò)0.5 mm及時(shí)向焊接技術(shù)人員進(jìn)行匯報(bào)變形情況，由技術(shù)人員進(jìn)行處理。切勿采用錘擊或強(qiáng)力矯正的方式進(jìn)行矯正。

3.4 焊后熱處理

在焊接完成后馬上使用Z120型加熱器對(duì)焊縫進(jìn)行覆蓋加熱，采用保溫棉將加熱片嚴(yán)密覆蓋，架設(shè)好熱電偶，進(jìn)行焊后熱處理。升溫速度不超過(guò)120 ℃/h，加熱至620 ℃，保溫3 h，然后按100 ℃/h速度降溫，至300 ℃時(shí)維持保溫棉，關(guān)機(jī)后自然冷卻。冷卻至室溫后拆除加熱裝置，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨清理。

3.5 焊后無(wú)損檢測(cè)

熱處理完成24 h后由第三方進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果磁粉探傷“MT”I級(jí)和超聲波“UT”II級(jí)一次探傷全部合格，滿足JB/T 6061—2018及GB 11345—2013檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 焊接效果

表6為采用單弧與雙弧焊節(jié)轉(zhuǎn)爐軸耳支撐厚板的焊接時(shí)間與焊接變形對(duì)比。采用單弧焊方法完成全部焊縫時(shí)間為32 h，采用雙面雙弧焊接僅需要26.2 h，可節(jié)省5.8 h，特別是打底焊完成時(shí)間有原來(lái)3 h縮短至0.6 h；焊后對(duì)轉(zhuǎn)爐支撐軸耳支撐鋼板進(jìn)行尺寸復(fù)核，通過(guò)使用千分尺對(duì)軸耳與爐體參照物測(cè)量，3組支撐軸耳焊后尺寸和原始安裝尺寸誤差在0.20～0.5 mm以內(nèi)，較單弧焊顯著提高焊接變形精度。

表6 單弧焊與雙弧焊的焊接時(shí)間與焊接變形的對(duì)比

5 結(jié)論

采用采用CO2雙面雙弧氣體保護(hù)焊焊接轉(zhuǎn)爐三點(diǎn)球面支撐超厚板，可以顯著提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，而且還有利于控制焊接變形。該焊接案例為雙面雙弧焊技術(shù)在冶金行業(yè)厚板焊接上應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。