16吨电动铁水包耳轴的焊接质量控制铸造热处理专业.docx
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1、16吨电动铁水包耳轴的焊接质量控制摘要:耳轴对于铁水包的浇注安全起到至关重要的作用,它承载着铁水包盛放铁水的大部分重量,那么对于耳轴的焊接就显得尤为重要了。由于耳轴的焊接不仅要保证其焊缝的质量,而且还要保证其在铁水包两端的耳轴的同轴度达到设计要求。本文通过对耳轴材料的选择和堆焊焊接来保证焊缝质量,采用“假轴”的焊接工艺使得铁水包两端的耳轴达到设计的同轴度要求,再经过对产品的探伤和去除焊后应力达到耳轴焊接的质量控制要求。关键词:焊接 耳轴 45钢 质量控制 1 前言铁水包用于铸造车间浇注作业,在炉前承接铁液后,由行车运到铸型处进行浇注。耳轴是我公司生产的16吨铁水包上的关键部件,它是铁水包的重要
2、承载和传动部件,炉体和减速变频机的重量都作用其上。在工作中它要传递倾动力矩,不仅要承受弯 、扭 、高温传导和高温辐射热负荷,而且还要承受由于频繁启动和制动而引起的冲击负荷。耳轴的设计首先应考虑安全因素,其次是大批量的使用,还须考虑它的经济性。对其制造、使用尤为重要,所以它直接影响着整套设备的安全。那么对于耳轴的焊接就显得尤为重要了,其中对于铁水包耳轴的焊接,特别是铁水包所要求的包体两侧的耳轴焊接时保持同轴度,铁水包托圈耳轴同轴度的控制是铁水包托圈设计、制造及使用过程中需考虑的一个重要技术指标,其取值不但与设备的制造使用有关,也与托圈系统支撑机构的原理有关,其合理的取值与评估在业内有各种不同的观
3、点。事实上,该值的取值直接影响托圈的制造和铁水包耳轴支撑的安全使用,故耳轴同轴度的测定与控制是托圈设计、制造及使用过程中要控制的一项关键的技术。 图1 16吨电动铁水包及其耳轴针对于耳轴在此方面的焊接要求,我厂经过多次焊接及其在耳轴的焊接质量控制方面不断进行工艺改进,保证了焊缝满足要求。也采用了使用“假轴”的定同轴度的焊接工艺,在这方面最终取得了较好的成绩,保证其同轴度达到要求,减少耳轴因为同轴度问题而产生的安全事故。所生产的各种规格的铁水包,特别是耳轴焊接要求方面经过检测各项指标均达到了设计要求,从而掌握了这一结构的焊接要领。同时,使铁水包耳轴的性能更优良,更安全可靠,并且大大降低了铁水包的
4、制造成本和周期。2 分析2.1材料的分析铁水包体的材料为Q235钢,连接筋板材料也为Q235钢,筋板更好的加强了耳轴和包体、托圈的固定,增强了耳轴与包体焊接承受各种力的强度。而耳轴的材料我们现有2种牌号的钢可供选择:45钢和25CrMnSi。45钢为普通碳素钢,而25CrMnSi为合金钢,为了更好的选择这两种材料哪一种更适合铁水包耳轴的材料,作了如下分析对比:2.1.1 材料的化学成分及机械性能牌号主要化学成分CMnSiPSCr25CrMnSi0.220.280. 901.200. 801.100.0350.0350.801.1450.420.50%0.500.80%0.170.37%0.03
5、50.035表1 25CrMnSi和45钢的化学成分表2 25CrMnSi和45钢的机械性能牌号机械性能b(Mpa)s Mpa)伸长率5%(%)Akv(J)25CrMnSi108088510403945600(61)355(36)164039 根据表2可知25CrMnSi具有较高的强度和韧性,冷变形加工塑性高,含碳量低,锰、硅含量较高,抗拉强度和屈服强度较高,收缩率和冲击功适中,用于制造强度较高的焊接件,韧性较好的受拉力的零件,以及厚度小于16mm的薄板冲压件、冷拉零件、冷冲零件,同时也是大型锻件耳轴的材料,可承受70T的重量。45号钢为优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,调质处理后零件具
6、有良好的综合机械性能,广泛应用于各种重要的结构零件,特别是那些在交变负荷下工作的,但表面硬度较低,不耐磨。可用“调质表面淬火”提高零件表面硬度。45号钢用途:轴类零件的功用、结构特点及技术要求轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件,传递扭矩和承受载荷。从成分和机械性能方面可以看出,45钢的强度和屈服点都比25CrMnSi低,而25CrMnSi更适合制造高强度的要求的零部件,合金材料给予了它的这个性能,但是45钢经过调质处理后零件具有良好的综合机械性能,广泛应用于各种重要的结构零件,特别是那些在交变负荷下工作的。2.1.2 材料的焊接性包体材料和筋板均采用Q235钢,它
7、属于低碳钢,由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后续加热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良。25CrMnSi焊接热影响区的脆化和软化:25CrMnSi 钢与Q235相比,由于含碳量偏高合金元素多, 钢的淬硬倾向大Ms 点又低, 因而在淬火区产生大量脆硬的马氏体, 导致严重脆化, 因此钢水包所用的25CrMnSi耳轴在焊前为调质状态下, 如果焊接时热影响区被加热到超过调质处理时回火温度的区域, 将出现强度、硬度低于母材的软化区
8、, 该软化区可能成为降低接头强度的薄弱区。裂纹:这种钢的脆硬倾向大, 近缝区所出现的马氏体组织增大了焊接接头的冷裂倾向, 且含碳及合金元素含量较高, 焊缝凝固结晶时结晶温度区间大,偏析倾向也较大, 因而焊接时也会出现热裂纹, 这种钢具有应力腐蚀开裂敏感性而45钢焊接性能中等,需要焊前预热100200度,焊后保温。2.2 拘束力分析金属结构在力的作用下,不容易发生变形,就说它的刚性大。衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标是拘束度。拘束度越大,即刚性越大,焊接结构就越容易变形,但其产生的焊接应力就必然越大。包体厚度为16mm,耳轴直径224mm,包体净重2500kg,最大厚度为427mm,自身刚性很
9、大,虽然焊接变形较小,但是会产生巨大的内应力,甚至会产生开裂,所以在使用耳轴材料时不管是45钢还25CrMnSi,焊接时应该进行预热。2.3 焊接方法金属焊接方法有40种以上,主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。另外,焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程,焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩,冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力,矫正焊接变形。25CrMnSi需要采用CO气体保护焊, 打底焊采用手工焊。而45钢焊接采用简易的手弧焊即可。因Q235较好的焊接性能我公司现采用的主要是手工焊+半自动焊,其中对于耳轴的焊接采用了手工电弧焊;而埋弧焊,焊接速度快,
10、劳动强度低,焊接质量好,焊接缝隙是直缝,但是耳轴处于的工件体积太大,重量也大,工作时难以翻转,耳轴焊接需要环焊,点焊定位等,所以不能采用埋弧焊。因考虑其经济成本,与自动焊接相比,传统的焊接设备不复杂,工人对设备的熟练和操作也相对容易些,这些已经可以满足生产制造的需求。2.4 焊接坡口的选择2.4.1 表3 V 、U 、X型坡口的比较坡口形式比较条件加工焊缝填充金属量焊件翻转焊后变形V方便较多不需要较大U复杂少不需要小X方便较少需要较小如上表,在三样形式的坡口中我们选择了加工最方便、填充金属量最少和焊接变形最小的X型坡口,而且如图1的电动铁水包液是比较适合翻转的,所以,X型坡口适合焊接耳轴的需要
11、。2.4.2 X型焊接坡口的分析原坡口型式如下图,内外两侧对称,因内腔空间很小,焊接难度大。现我技术员改为不对称的X 坡口,尽量减少内腔的焊接量,修改后的不同坡口的焊接量比较如下,可以看出焊接量略有减少,且操作上方便了许多。图2 X型坡口改进前后角度和尺寸对比修改前修改后坡口角度()内6060外6045坡口深度(mm)内84外812焊缝截面积165mm132mm每米焊缝熔敷金属重量0.86kg0.81kg表4 坡口修改前后焊接量比较2.5 焊条的选择焊条的选用须在确保焊接结构安全、可靠使用的前提下,根据被焊材料的化学成分、力学性能、板厚及接头形式、焊接结构特点、受力状态、结构使用条件对焊缝性能
12、的要求、焊接施工条件和技术经济效益等综合考查后,有针对性地选用焊条、必要时还需进行焊接性试验。2.5.1 选择焊条的原则2.5.1.1 考虑因素为焊件物理、化学性能和化学成分选择原则:1.根据等强度观点,选择满足母材力学性能的焊条,或结合母材力学性能的焊条,或强合母材的可焊性,改用非强度而焊接性好的焊条,但考虑焊缝结构型式,以满足等强度等刚度要求2.便其合金成分符合或接近母材3.母材含碳、硫、磷有害杂质较高时,应选择抗裂性和抗气孔性能较好的焊条.建议选用氧化钛钙型,、钛铁矿型焊条.如果尚不能解决,可选用低氢型焊条2.5.1.2 考虑因素为焊件的工作条件和使用性能时选择原则:1.在承受动载荷和冲
13、击载荷情况下,除保证强度外,对冲击韧性、延伸率匀有较高的要求,应依次选用低氢型、钛钙型和氧化铁型焊条2.接触腐蚀介质的,必须根据介质种类、浓度、工作温度以及区分是一般腐蚀还是晶间腐蚀等,选择合适的不锈钢焊条。3.在磨损条件下工作时,应区分是一般还是受冲击磨损,是常温还是高温下磨损。4.非常温条件下工作时,应选择相应的保证低温或高温力学性能的焊条。2.5.2 据焊条选择原则选焊条2.5.2.1 45钢与Q235焊接使是属于同种钢焊接,同种钢材焊接时焊条选用要点:(1)考虑焊缝金属力学性能和化学成分 对于普通结构钢,通常要求焊缝金属与母材等强度,应选用熔敷金属抗拉强度等于或稍高于母材的焊条。对于合
14、金结构钢,有时还要求合金成分与母材相同或接近。在焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的不利情况下,应考虑选用比母材强度低的焊条。当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时,焊缝容易产生裂纹,应选用抗裂性能好的碱性低氢型焊条。(2)考虑焊接构件使用性能和工作条件 对承受动载荷和冲击载荷的焊件,除满足强度要求外,主要应保证焊缝金属具有较高的冲击韧性和塑性,可选用塑、韧性指标较高的低氢型焊条。在高温、低温、耐磨或其他特殊条件下工作的焊接件,应选用相应的耐热钢、低温钢、堆焊或其他特殊用途焊条。(3)考虑焊接结构特点及受力条件 对结构形状复杂、刚性大的厚大焊接件,由于焊接过程中产生很大的内应力、易使焊缝
15、产生裂纹,应选用抗裂性能好的碱性低氢焊条。对受力不大、焊接部位难以清理干净的焊件,应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。对受条件限制不能翻转的焊件,应选用适于全位置焊接的焊条。(4)考虑施工条件和经济效益 在满足产品使用性能要求的情况下,应选用工艺性好的酸性焊条。在狭小或通风条件差的场合,应选用酸性焊条或低尘焊条。对焊接工作量大的结构,有条件时应采用高效率焊条,如铁粉焊条、高效率重力焊条等,或选用底层焊条、立向下焊条之类专用焊条,以提高焊接生产率。碳钢焊条的焊缝强度通常小于540Mpa(55kgf/mm2),在我国的碳钢焊条国家标准GB/T511795中只有E43系列及E50系列的二种型
16、号,即抗拉强度只有420Mpa(43KGF/MM2)和490Mpa(50kgf/mm2)两个强度级别。目前焊接中大量使用的是470Mpa级以下的焊条。焊接低碳钢(碳少于0.25%)时大多使用E43XX(J42X)系列的焊条,这一系列焊条有多种型号,产品牌号更多,可根据具体母材及使用条件、工作状况、焊件结构形状和钢板厚度加以选用。焊接中碳钢(C=0.25%0.60%)和高碳钢(C)0.60%)时,应选用杂质含量较低、且具有一定脱硫能力的碱性氢型焊条。在个别情况下,也可采用钛铁矿型或钛钙基焊条,但要有严格的工艺措施配合。中碳钢焊接,由于钢材含碳量较高,焊接裂纹倾向增大,可选用低氢型焊条或焊缝金属具
17、有较高塑、韧性的焊条,而且大多数情况需要预热和缓冷处理。高碳钢焊接则必须采取严格的预热、后热措施,以防止产生焊接裂纹。所以采用碱性的E5016焊条,45钢和Q235焊接液属于低碳钢和中碳素钢的焊接,焊接前必须预热到150200左右,焊后必须回火处理。E5016是低氢钾型在承受动载荷和冲击载荷情况下,可保证强度外,对冲击韧性、延伸率匀有很好的效果。2.5.2.2 25CrMnSi与Q235的焊接属于异种钢焊接,异种钢焊接时焊条选用要点:1)强度级别不同的碳钢+低合金钢(或低合金钢+低合金高强钢) 一般要求焊缝金属或接头的强度不低于两种被焊金属的最低或度,选用的焊条熔敷金属的强度应能保证焊缝及接头
18、的强度不低于强度较低侧母材的强度,同时焊缝金属的塑性和冲击韧性应不低于强度较高而塑性较差侧母材的性能。因此,可按两者之中强度级别较低的钢材选用焊条。但是,为了防止焊接裂纹。应按强度级别较高、焊接性较差的钢种确定焊接工艺,包括焊接规范、预热温度及焊后热处理等。2)低合钢+奥氏体不锈钢 应按照对熔敷金属化学成分限定的数值来选用焊条,一般选用铬、镍含量较高的、塑性、抗裂性较好的Cr25Ni13型奥氏体钢焊条,以避免因产生脆性淬硬组织而导致的裂纹。但应按焊接性较差的不锈钢确定焊接工艺及规范。3)不锈钢复合钢板 应考虑对基层、覆层、过渡层的焊接要求选用三种不同性能的焊条。对基层(碳钢或低合金钢)的焊接,
19、选用相应强度等级的结构钢焊条;覆层直接与腐蚀介质接触,应选用相应成分的奥氏体不锈钢焊条。关键是过渡层(即覆层与基层交界面)的焊接,必须考虑基体材料的稀释作用,应选用铬、镍含量较高、塑性和抗裂性好的Cr25-Ni13型奥氏体钢焊条。 它们焊接同时属于低合金钢与碳钢的焊接,为了满足低合金钢产品焊接的要求,提高焊条的抗裂性、焊缝金属韧性和焊接工艺性能,还有许多各具特色的低合金钢专用焊条可供选用,如超低氢焊条(JXXXH)、高韧性焊条(JXXXGR)、高韧性超低氢焊条(JXXXRH)以及耐吸潮焊条(JXXXLMA)等。 焊接热轧及正火钢时,选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和冲击韧性等力
20、学性能与母材相匹配。不必考虑焊缝金属的化学成分与母材的一致性。焊接厚大构件时,为了防止出现焊接冷裂纹,可采用“低强匹配”原则,即选用焊缝金属强度低于母材强度的焊接。焊接强度过高,将导致焊缝金属塑、韧性及抗裂性能的降低。 低碳调质钢产生冷裂纹的倾向较大,因此严格控制焊接材料中的氢是十分重要的,用于低碳调质钢的焊条应是低氢型或超低氢型焊条。中碳调质钢焊接为确保焊缝金属的塑、韧性和强度,提高焊缝的抗裂性,应采用低碳合金系统,尽量降低焊缝金属的硫、磷杂质含量。对于需焊后热处理的构件,还应考虑焊缝金属合金成分应与母材相近。 选用J427焊条,25GrMnSi与Q235属异种钢焊接,25GrMnSi属合金
21、钢,淬硬倾向大,为提高焊缝抗裂性能,故宜选用塑性高、抗裂性好的碱性焊条。2.6 材料的可焊接性试验2.6.1试验方法:斜Y 坡口对接裂纹试验。2.6.2试验目的:评定热影响区冷裂倾向。2.6.3 试样规格如图3:=16,左板150mm50mm,Q235和45钢/25CrMnSi各一块。 斜Y 坡口对接裂纹试验试板264 试样加工:机加工坡口.265 焊接试验焊缝:各用4焊条,焊接电流160180A,电弧电压2224V,焊接速度为每焊一道150mm。266 评定方法:试样焊后放置24 小时再检测根部裂纹率=根部裂纹长度/试验焊缝总长度=10/80=12.5%,表面裂纹率=表面裂纹长度/试验焊缝总
22、长度=0。2.67 评定结果:根据金属熔焊原理及工艺认为:裂纹总长度小于焊缝长度的20%,在实际生产中不容易产生裂纹。2.7 耳轴的失效形式及磨损2.7.1 耳轴失效形式冶金工业中,铁水包是重要的盛放和倒运设备,作为大型冶金设备,它历来为广大专业技术管理人员关心与重视。铁水包耳轴在吊具管理制度中占有重要地位,其管理与维护水平直接关系到企业生产的正常运行,关系到企业的经济效益和安全生产。铁水包耳轴的失效形式主要包括3类:耳轴磨损超过国家标准;耳轴表而出现其它不可修复的严重缺陷;耳轴内部组织缺陷超过国家标准。根据对耳轴失效原因的数理统计,耳轴磨损超标占报废总量的69% ,其余2类分别占报废总量的2
23、2%和9%。可见,耳轴磨损是造成设备失效的主要因素。耳轴磨损按宏观形态分为两极异化趋势磨损和等趋势磨损2类。2.7.2 两极异化趋势磨损两极异化趋势磨损是指多对相互接触的物体同时工作时磨损量不同的现象。对于铁水包耳轴,两极异化趋势磨损是由于两耳轴单位接触面积上承受的压力不同造成的。其影响因素主要包括:耳轴的制造与安装精度,诸如两耳轴的安装同轴度、表面粗糙度;耳轴.吊具相对装配尺寸的同轴度及表面粗糙度;天车龙门钩板钩心的安装同轴度。两极异化趋势磨损可以通过提高设备安装精度得到有效解决。2.7.3 等趋势磨损 等趋势磨损是指多对相互接触的物体的表面材料由于机械作用,产生残余变形量或发生损耗相同的现
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