16吨电动铁水包耳轴的焊接质量控制铸造热处理专业Word文档格式.docx
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牌号
主要化学成分
C
Mn
Si
P
S
Cr
25CrMnSi
0.22~0.28
0.90~1.20
0.80~1.10
≤0.035
0.80~1.1
45
0.42~0.50%
0.50~0.80%
0.17~0.37%
表125CrMnSi和45钢的化学成分
表225CrMnSi和45钢的机械性能
机械性能
σb(Mpa)
σsMpa)
伸长率δ5%
Ψ(%)
Akv(J)
1080
885
10
40
39
≥600(61)
≥355(36)
≥16
≥40
≥39
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,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100~200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CO₂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,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3V、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
小
X
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。
2.4.2X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2X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
60
外
坡口深度(mm)
8
4
12
焊缝截面积
165mm²
132mm²
每米焊缝熔敷金属重量
0.86kg
0.81kg
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
2.5.2.145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/T5117~95中只有E43系列及E50系列的二种型号,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150~200℃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。
2.5.2.225CrMnSi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Cr25~Ni13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,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:
δ=16,左板150mm×
50mm,Q235和45钢/25CrMnSi各一块。
斜Y坡口对接裂纹试验试板
2.6.4试样加工:
机加工坡口.
2.6.5焊接试验焊缝:
各用φ4焊条,焊接电流160~180A,电弧电压22~24V,焊接速度为每焊一道150mm。
2.6.6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/试验焊缝总长度=0。
2.6.7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:
①耳轴磨损超过国家标准;
②耳轴表而出现其它不可修复的严重缺陷;
③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22%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:
①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;
②耳轴.吊具相对装配尺寸的同轴度及表面粗糙度;
③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象。
铁水包耳轴在受力均匀,磨擦条件相同的情况下属等趋势磨损,即耳轴的线磨损量相等。
根据国家标准,当耳轴线磨损超过名义直径的10%应停止使用。
因此,耳轴磨损的控制技术成为提高耳轴使用寿命的关键。
按磨损机理分类,耳轴磨损分为粘着磨损和磨料磨损,两者互为因果、互相渗透。
粘着磨损为磨料磨损提供磨料,而磨料磨损产生的拉伤、犁削为粘着磨损提供条件。
因此,在研究耳轴磨损过程中两者是不可分割的。
2.7.3粘着磨损
粘着磨损是相对运动物体真实面积上发生的固相粘着,使材料从一个表面转移到另一个表面的磨损现象。
在低速重载的耳轴摩擦副产生相对运动时,接触点的粘着剪切破坏为其主要形式。
当粘结点强度大于任一种基体金属强度,剪切将发生在软金属表面下某一深度,使表面磨损程度增加。
按金属转移程度的不同,耳轴粘着磨损可分为涂抹、划伤、撕裂。
这3类磨损同时存在、同时作用并相互影响,在转动切线方向产生的宽而深的犁痕或拉伤为其主要磨损方式,磨损量约占磨损总量的20%。
耳轴局部刨示意图
2.7.4磨料磨损
结合耳轴的实际磨损情况,粘着磨损并不能准确反映其磨损程度。
通过分析,我们不难看出:
粘着磨损产生的颗粒脱离接触区后,由于载荷减小,残留在颗粒内弹性变形能促使其从表面上脱落,形成松散颗粒。
当松散颗粒滞留或进入磨擦接触区表面就形成了磨粒磨损。
因此,耳轴在粘着磨损的同时存在严重的磨料磨损,其磨损量约占磨损总量的50%。
耳轴摩擦副属典型的两体磨损,即磨粒与上工作表面相互接触、相互作用的磨损方式。
对于塑性较好的金属材料,粘着磨损产生的颗粒由于发生加上硬化,其表面硬度较原基体表面硬度显著提高。
在力的作用下,硬磨粒压入软表面产生压痕并挤压基体表面材料使之剥落。
当磨粒小于某一临界值时,磨粒粒度与压入深度成正比,粒度大则剥落现象加剧、磨损速度加快。
下面就耳轴磨粒磨损进行分析:
单位接触面积上的压力,H;
耳轴表面硬度,Hh
配套摩擦副表面硬度,Hg;
磨粒硬度,Hv。
考虑到在耳轴摩擦副中必须保证Hh>
Hg,因此初期磨粒主要是软基材料粘着磨损后产生的硬化颗粒(Hv),根据理查森磨损曲线图得出如下关系:
Hh/Hv>
1.25,磨粒磨损作用小;
0.80<
Hh/Hv<
1.25,耐磨性较好;
0.80耐磨性差。
当耳轴表面硬度一定时,为满足Hh/Hv>
1.25的条件,仅仅靠采用降低Hv值是不科学、不经济的。
因为Hv的降低必然导致所选用的软基材料表面硬度的人幅度降低,当单位接触面积上的压力H>
1/3Hg时,软基材料接触表面呈塑性,接触面积迅速增大,磨损急剧上升,最终导致软基材料损耗太大,不符合经济维修性原则。
综上所述,在耳轴磨损设计中应遵循如下结论:
耳轴基体材料既要满足一定的韧性要求,同时基体表面又要通过合理的硬化工艺提高表面硬度,达到外硬内韧的性能要求。
耳轴表面质量等级应高于其配套摩擦副表面质量等级。
选用磨粒硬度小于耳轴表面硬度的配套摩擦副材料。
2.8耳轴同轴度的确定和分析
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点。
事实上,该值的取值直接影响托圈的制造和铁水包轴承支撑安全使用,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。
本文将根据铁水包托圈支撑机构的工作原理,从以下几个方面讨论铁水包托圈耳轴的同轴度控制问题。
(1)铁水包系统支撑机构与托圈耳轴同轴度要求;
(2)铁水包托圈耳轴同轴度的测定方法;
(3)铁水包托圈耳轴同轴度的测定结果的分析;
(4)托圈耳轴同轴度的合理取值。
2.8.1铁水包系统支撑机构与托圈耳轴同轴度要求
铁水包托圈用于承受铁水包包体的重量,并通过托圈两端的轴承耳轴将包体的重量载荷传入底面基础,此外铁水包托圈在工作过程中需将铁水包炉体作360度的回转。
铁水包支撑机构在结构设计上考虑到托圈随温度变化的热膨胀、托圈的受载变形及制造安装误差,一端轴承座设计成固定的而另一端设计成浮动,两端轴承采用调心滚了轴承以消除托圈耳轴不同轴所对轴承产生的过约束状态。
理论上,每个调心滚子轴承的支撑可看作一支撑点,即轴承外圈环球面的球心,支撑点连线可构成一条直线。
当铁水包托圈回转时,该直线即为托圈的实际回转轴线。
而托圈上耳轴的轴线受制造、安装、载荷、温度等影响,不可能与回转轴线完全同轴,此时就有一微小的偏角误差,该角度偏差会对铁水包运行产生以下影响:
(1)两耳轴上的调心轴承回转时内圈有微小的角度偏摆;
(2)包体不一定在垂直平面内回转及偏摆;
(3)托圈两耳轴端面会有一定的偏摆回转和回转摆动;
铁水包托圈耳轴同轴度的控制要求实际上为控制托圈耳轴工作时回转偏摆量.对老式的落地式倾动机构铁水包而言,由于主联轴器(在倾动机构和耳轴之间)的补偿量有限,耳轴的偏摆过大会产生过约束而产生附加载荷,这将影响铁水包轴承及联轴器等的寿命,故托圈耳轴同轴度要求及托圈的刚度要求非常高。
而对全悬挂式倾动机构铁水包而言,由于倾动机构与地面采用柔性联接(扭力杆或拉杆等)机构,偏摆补偿量很大,所以,倾动机构的偏摆产生的附加载荷可忽略,故该值可作放宽。
2.8.2托圈耳轴同轴度的测定方法
本文推荐的方法为耳轴内轴孔四点检测法:
该方法的主要步骤与原理是:
托圈两端各有一个耳轴,在其每个耳轴的两端加工两个与耳轴轴承轴颈精密同轴的两个孔,在该孔中安装经精密加工的中心带十字线的检测孔板(或透光孔板),十字线交点即为该耳轴端检测孔的圆心,每耳轴两端十字线交点的连线为轴承轴颈圆柱的中心线(精密机械加工误差忽略),一个托圈上共安装有四个十字检测孔板(见图5)。
通过观测仪器可测得四个十字中心的相对坐标值(见图6),并利用轴支撑位置坐标、检测孔板的安装坐标便可分析出整个托圈耳轴的理论中心线及各耳轴的偏角。
十字中心的相对坐标值观测方法优先采精密光学测量仪器,也可采用拉钢丝检测方法,但拉钢丝检测方法需考虑悬链线的扰度及其它影响。
图5托圈同轴度检测
图6四个检测孔板十字中心点坐标(偏距)
以下根据图示说明:
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