大型高精度无缝轨道焊接技术研究

索晓溪

大型高精度无缝轨道焊接技术研究

索晓溪

对于材质为42CrMo大型高精度无缝轨道焊接时，采用焊接改性层、填充层、堆焊层的焊接结构形式，通过预热、反变形、控制温度和焊后热处理等措施，可有效的确保焊缝质量，避免出现焊接裂纹，也可以有效的消除焊接应力，确保整个轨道的平面度，满足大型射电望远镜方位轨道的连续、高精度、高强度、高耐磨性的设计要求。

1 概述

随着我国深空探测事业的日益发展，大型射电望远镜的需求也日益增大，射电望远镜的精度越来越高，口径越来越大，如何实现方位轨道的连续、高精度、高强度是急待突破的一个技术难点。

目前大型轮轨式天线方位轨道有分段拼接轨道和整体轨道两种形式。虽然分段拼接轨道具有加工、安装工艺相对容易，造价低的优势，但在拼接处接触应力大，变形大，整体刚性差等弊端。随着天线口径的增大，使用性能要求的增加，近年来国内外建造的轮轨式天线大多采用了方位轨道整体焊接技术。大型天线方位轨道要求具有高强度、高耐磨性要求，材料选择为中碳合金钢，其焊接性能差。另外由于承受载荷大，轨道设计尺寸大，导致焊接焊缝尺寸大，所以在方位轨道整体焊接后极易产生较大变形，也容易出行焊接裂纹等问题。

针对大型整体焊接轨道的特点，我们在焊接变形控制、焊接热能控制、焊接应力释放等方面深入研究分析，通过焊接试验及对试验件的检验测试，获取可靠可行的轨道整体焊接技术。

2 材料的选择

对于大型轮轨式天线的方位轨道的材料来说，它必须具有高强度、高耐磨性和良好的机械性能，才能满足设计要求。为了满足性能要求，轨道采用的材料是42CrMo，它具有高的强度，表面感应淬火后具有高的硬度和耐磨性，淬透性好使得轨道整体具有良好的机械性能，但同时它是一种具有淬硬倾向比较明显、冷裂纹倾向比较严重、相对比较难焊接的材料。所以为保证质量，焊接方法就尤为重要。

3 焊接技术

考虑到42CrMo材料焊接裂纹倾向严重，直接在焊缝中焊接具有高强度的材料会容易出现焊接裂纹，所以采用在焊缝上先堆焊层低碳合金钢材料的改性层，然后在堆焊高强度的填充层，然后在表面堆焊高硬度的堆焊层，增加耐磨性。

3.1 焊接方式

采用手工电弧焊，焊条直径为3.2mm，焊接电源为直流反接，多层多道焊接。

3.2 温度控制

由于42CrMo材料焊接难度大，所以焊接温度的选择和焊接温度的控制是核心问题。焊接温度包括：预热温度、层间温度和焊后热处理温度。

预热温度

预热方式。采用厚板焊接中惯用的履带式电加热器预热，再加上石棉布封闭覆盖的预热方法。

预热温度。预热温度的确定，主要与焊缝金属中的扩散氢含量、坡口形式、母材化学成分、焊接构件的拘束度大小等因素有关，对预热温度公式计算仅作参考，在实际焊接过程中，需要一些工艺试验及修正，使预热温度和层间温度不低于计算值。

层间温度控制

采用多层焊接方式，虽然在焊接过程中次层可对前层有消氢作用，能改善浅层焊缝及热影响区的淬硬组织，但由于焊接环境不能严格控制层间温度，会造成氢量的逐层积累，导致延迟裂纹的倾向更大。为了满足不产生裂纹的施工条件，在整个施焊过程中，用履带式加热器进行保温，用温度计监测层间温度，使层间温度控制在240~260℃范围内。

焊后热处理温度

焊后及时进行热处理可以减少或消除焊接残余应力，改善焊层的显微组织，并可加速焊缝中的氢向外扩散。焊后热处理对42CrMo的热影响区和焊缝组织还具有韧化结果。为了使焊缝金属中的氢加速扩散逸出，降低焊缝和热影响区的含氢量，工件应在焊后立即进行消氢处理。采用较高温度的去应力处理，可使焊层和热影响区的氢含量和内应力降至很低的水平，从而避免出现延时裂纹。根据42CrMo调质回火温度，选择焊后热处理温度为380～420℃，加热保温还是采用履带式加热器和石棉布保温。

4 焊接实验

4.1 焊前准备

为了焊接质量高，焊接前应该做好如下准备：焊前必须清除地轨焊缝100mm处的油污、铁锈、水等杂质；把地轨放置在焊接工装上，调整水平；准备好履带式加热器和石棉布；焊条在使用前按说明进行300℃烘干，保温1小时以上；准备好焊机和焊接保护工具。

4.2 焊接过程

改性层的焊接。按前面所提的焊接方法，并采用履带式加热器加热保温，以保证层间温度，焊接低合金钢材料，对焊缝坡口表面进行改性焊接。

填充层的焊接。填充层采用中碳合金钢焊条对焊缝进行填充，尽量不要摆动焊条，在不产生裂纹情况下每个焊缝尽量薄，不大于3mm，且引弧位置错开，收弧是填充弧坑。在焊接过程中，对每层焊道进行清渣并检查，对已产生的气孔、裂纹等缺陷须彻底清除后，再进行焊接，为减小焊接应力与变形，对每层道都进行锤击。

堆焊层的焊接。堆焊层焊接的焊条为高硬度、高强度，在焊接过程中要严格控制层间温度，对已产生的气孔、裂纹等缺陷须彻底清除后，在表面与母材连接的地方要注意焊接角度，避免咬边现象。

4.3 焊后热处理

整个工件焊接完毕后，立即用石棉布缠紧焊缝周围，加热带全部加热，并在焊缝与加热带之间用厚度为4mm厚的铜板隔开，加热至250～350℃，保温8小时以上，并在包裹严密的情况下缓冷。

4.4 焊缝打磨

热处理完成后要对焊缝打磨，用可移动式磨床对焊缝进行打磨，保证焊接部位的轨道平面度。

5 变形控制

变形过程的监控。在整个焊件过程中，由于焊接热量集中及母材厚度大，焊缝深度深等原因，焊件将发生较大变形，为监控变形量，在每个轨道表面八个位置做标识，用水准仪实施监测。

变形调整与控制。采用支撑千斤顶和工装上方压的方法和反变形相结合，调整变形。焊前反变形预留1mm高差的变形量。最终变形量调整在0.50mm以内。

6 消除焊接应力

为了保证轨道的整体水平度在0.5mm以内，应该减少和控制焊接应力，在焊接过程中采用下面的措施来减小焊接应力：用锤头圆角为1～1.5mm的风铲逐层锤击焊道表面；在焊件破口根部加工12mm的应力释放孔；焊接结束后热处理。

经过多次的焊接实验，结果表明，地轨母材采用42CrMo时，采用焊接改性层、填充层、堆焊层的焊接结构形式，通过预热、反变形、控制温度和焊后热处理等措施，可有效的确保焊缝质量，避免出现焊接裂纹，也可以有效地消除焊接应力，确保整个轨道的平面度，满足大型射电望远镜方位轨道的连续、高精度、高强度、高耐磨性的设计要求。

（作者单位：中国电子科技集团公司第三十九研究所）