廖承驹 隋明璋 广重企业集团公司 Abstract Two flanges are welded by eight 16Mn steel forging blocks with 1/4 length of arc, and their weights are separately 24.2t and 23t.The electros lag welding is by upright position , its consumable electrode is made of the 16Mn steel plate by cut. During normal welding, the current intensity is 3000A up to 7000A, the secondary voltage is 62V. The test result shows th at the products have completely met the design requirement. １．前言 截面３５０Ｘ４００ｍｍ'以上的锻件如按常规焊接，则耗资大、周期长、质量难以保证。为此，我们 提出用１．６吨电渣炉进行设备改装，结合板极电渣悍的特点，先后进行了７次工艺试验，不断改进工艺措 施，终于焊出高质量的模拟试样，并成功地在法兰锻件毛坯上进行了８条焊缝的电渣焊焊接，解决了焊缝宽 度、形状及护板厚度的选择：电流、电压及供电制度的选择；结晶器的完善及制造；焊缝焊接质量的控制； 法兰收缩尺寸的控制及变形的防止；热处理工艺制度的选择等等难题。特别是突破了电渣焊接小电流、低电 压、窄焊缝的传统观念，为采用大电流、适中电压进行电渣焊开创了一条新路。 大法兰经低倍、力学性能和金相检验完全合格，焊缝区经 １００％探伤也达到要求。该技术先进， 降低生产成本。且大大提前交货期，取得了良好的信誉和社会效益，为厚大法兰、超大铸件、锻件的生产提 供了新工艺，开拓了新市场。 ２．焊接法兰的基本过程 利用墨件 １／ ４弧长的 １６Ｍｎ锻件毛坯组合焊成两件法兰：一件毛坯重２４．２吨；另一件毛坯 重２３吨。由于将一件大法兰分成１／４段弧锻造，这样大大简化了锻造工艺，解决了如整体锻造需超大型 锻造设备和大型钢锭的难题，但其关键是采取电渣焊焊接的可行性和焊接的质量。为此，我们参照电渣炉冶 炼电渣锭的原理和电渣焊焊接工件的方法，成功地在试板和工件上进行了焊接，其基本过程如图１所示。
自耗电极③的一端插入结晶器的液态渣地③里。自耗电极③一金属熔地③一渣池③一焊缝③一炉底板 ③一水冷底板③一软电缆⑤一变压器④，形成电的回路。当电流通过回路时，由于液态炉渣具有一定的电 阻，一经有电流通过其中，渣地就有电阻热析出。自耗电极埋入渣池中的部分就被这种渣阻逐渐加热到其 熔化温度，逐层熔化，沿着电极端部表面下流并在电极尖端形成金属熔滴，穿过渣地在炉底处汇成熔地。 而另一方面，所需焊接二个＊件的一端是和水冷成型块共同组成结晶器，其接触渣池的一面 １７００Ｃ～２０００'Ｃ的渣地高温逐层熔化，同样形成熔滴穿过渣地，与电极的熔化金属共同形成熔 地，并在结晶壁和工件的纵向强冷凝固作用下，不断冷却，熔池变浅，随钢水冷凝收缩过程的进行又不断 得到钢水补充，将工件和填充金属馆会成焊缝的垂直位置，从而得到质量优良的焊合效果。 焊接过程的四个阶段： ２．１造渣阶段开始电渣焊时，在电极和起抓槽之间引出电弧，将不断加入的固体渣焊剂熔化，当渣 池达到一定深度后，熄灭电弧移出碳精电极。 ２．２开始阶段渣池形成，立即交替电极转入电渣过程，自耗电极和渣油产生电弧，并熔化自耗电极 产生金属馆地。由于此阶段电弧不稳定，渣油温度不高，焊缝和母材馆会不好，因此起爆槽焊毕之后应割 除。 ２．３正常阶段当自耗电极工作一段时间，一旦电弧稳定即转入正常焊接工件的供电制度，随着电极 不断向渣他送进，金属熔池和渣油逐渐上升，远离热源的液体逐渐凝固形成焊缝。 ２．４补缩阶段在被焊工件上部装有上护板，以便将渣池和焊接时易于产生缩孔和裂纹的焊缝金属引 出工件，焊后应将此部分割除。 ３．电渣焊焊接工艺 3. 1 生产前准备 ３．１．Ｉ结晶器装配尺寸见图１。 被焊工件或试板和结晶器结合部位应加工平整，扳平要贴紧工件，确保焊接时不发生漏钢现象：正式 生产是时，工件应调平、校准好尺寸，防止变形：装配时应对结晶去除油污，打磨锈迹。 ３ . １． ２自耗电极：用１６Ｍｎ钢板切割制成，焊接在假电极头上，其用量应能保证供一次焊缝 使用。 ３．１．３化渣碳精电极用废石墨电极加工，化渣电极夹头应根据其形状改制。 ３.２ 化渣 ３．２．ｌ化渣前应调好石墨电极，保证整个化渣过程中电极位于结晶器中心，并加入第一批渣料。 ３．２．２通电缓慢下降电极与导电渣接触时，开始少量加入萤石。通电后应控制电流由大到小，引 燃正常后交替电极正式进入电渣焊。 ３．２．３造渣供电制度 二次电压：５３Ｖ 电流：由小到大 １０００～ ３０００Ａ ３．２．４引燃时，渣料不够，允许补加渣料，渣量控制为电渣熔铸钢水量的５％～８％。 ３．３电渣焊 ３．３．１交替电极后，应根据渣温和电表读数迅速控制升降电极，即不断电，电流又不过大，均匀 上升电流，引燃期应用手动控制自耗电极。 ３．３．２化渣后交替自耗电极供电制度（见表１）。
３．３．３被缩时操作应保证焊尾补缩冒口中心无深抗、夹渣和沟痕，自耗电极和假电极焊缝部分不 能熔化入熔池。 ３．３．４补缩完毕后，停止下降电极，等电流到零位后，切断电流，然后手动控制移开电动极。 ３．３．５焊后停水，撤卸水冷板，并关闭结晶器底板进水。 ３．６工件焊缝冷却后切割起爆槽和补缩冒口。 ３．７检查焊缝、工件尺寸，准备下次的焊接。 ４焊接生产的结果 经过反复 ７次的试生产摸索，电渣焊 １６Ｍｎ法兰取得了成功，焊接试板通过检测和评定，其生 产工艺是可靠的。在此基础上我们正式移植到ｄｉｓ。３米和中５米两只大法兰的生产上，其生产过程、 结果、质量情况如下。 ４．１焊接情况见表２。 ４．２焊缝化学成份见表３。 ４．３力学性能见表电 ４．４硫印试验焊缝明显好于母材。 ４５法兰加工尺寸 两只组焊后的大法兰，其变形尺寸基本控制在巾ｓｉｎ范围内全１０ｍｍ左右，满足机加工的尺寸要求 ５．分析和讨论 ５．１电渣过程主要参数的选择 ５．１．１渣层厚度及渣量的选择 渣选用ＣａＦ；＋Ａ１２０。渣系。试验时曾用过ＣａＦＺ＋Ａ１２０。＋Ｍｎｏ。＋Ｓｉｃ。渣系。 但因其电渣过程中电弧不稳定而放弃ｃ为保证正常电渣过程，法层厚度是一个关键参数，在实际生产中，渣 层厚度选择对一观ｍｍ为宜。
渣量的选择可以按（1）式确定： Ｃ渣＝Ｓ渣＊Ｈ渣＊Ｒ渣……（1）式 式中：Ｇ渣――加入渣量，单位：公斤 Ｓ渣――结晶器面积，单位：厘米２ Ｈ渣――层厚度，单位：厘米 Ｒ渣－一熔渣比重，约为 ０．００２５公斤／厘米' 需要注意的是，Ｓ结在此结构中的结晶器应按实际馆地的大小尺寸来计算，实际生产中可结合理论 计算和电渣过程一起来选择渣量。 ５．１．２电流密度和工作电流的选择 最佳电流密度和工作电流的选择，除理论计算外，还必须针对本厂设备的具体条件和产品对象来考 虑，我们只需求由某种条件下稳定的工艺的范围，实际生产中，结合具体情况，对参数不断调整，使其 达到最佳状态。 ５．１．2 Ｉ电流密度按（２）式确定： Ａ＝＝３６～６４／ ｄ极 ……··（２）式 式中： Ａ--电流密度，单位：安培／毫米' ｄ极一电极直径，单位：毫米 对于异形电极来说。应将电极换算成等效圆形电极来计算，实际生产中电流密度大约在 ０．３～０。６安培／毫米波动。 １．２．２工作电流按（３）式或（４）式确定： Ａ＝６６４＋３７。６ｄ 极………·· （）式 Ａ＝Ｋ极Ｘｄ 极·"'··"'·· （）式 式中： Ａ--工作电流，单位：安培 ｄ极一电极直径，单位：毫米 Ｋ极一电极的线电流密度，单位： 安培／毫米，一般为３２～４８安培／毫米 根据（３）式计算工作电流为４７６２．４安培技（４）式计算工作电流为４３６０安培，较接近， 实际生产中稳定工作电流大约在３０００～７０００安培。 ５．２电渣焊焊缝形成的特点 电渣炉熔铸钢锭和焊接锻件毛坯工作两种情况，由于结晶器组合形式不同，故其结晶凝固情况也 有所不同。焊接工作时，其结晶凝固状况见图２
如图所示，焊接过程中，一方面结晶壁强制冷却，烙铸面和壁之间冷凝一层渣壳，渣壳的厚度及均 匀度决定该处表面成型情况；另一方面，需焊合工件的两端是作为结晶器一部分直接与渣液接触，由于 冷却能力相对结晶壁来说要弱得多，渣来不及激冷凝固，故而始终在溶地上方，由熔地的熔合线向结晶 器焊缝宽延伸，不会在工件形成夹层。 电渣焊焊接工件的焊合区不是结晶器的焊缝口宽，也不是焊缝口极近的位置，见图３（该图试板经 加工、抛光、酸浸而成）。
溶地随输入功率大小变化，当熔池冷却时，尖端边缘的渣就很可能来不及浮出而形成夹渣。图３可 见央渣发生的部位紧靠焊合线，且该区的焊合线曲率变化较大，另夹渣常呈圆形。图３焊缝上部的夹渣 主要是该炉的冒口不够高，夹渣没有引出焊缝。生产中解决夹渣的措施，关键是要保持电渣过程的稳定 ，焊缝的补缩冒口要足够高，补缩时间要保证，其中选择烙剂要适当，焊接过程中不要补加渣料。 ５．３．２缩孔。缩孔主要是补缩阶段产生的，发生在冒口的下方。如果补缩高度和时间不够，由 于钢水凝固对发主体积收缩如无足够的补给，则会产生缩孔。一般情况下，只要冒口高度足够，补缩时 间充分，很难产生这种情况。 ５．３．３裂纹。裂纹一般发生在起弧槽部位，如控制不好可能延伸到焊缝区，由于刚起弧阶段电 流极不稳定，熔他得不到及时钢液补充，焊合区存在缩孔、疏松缺陷，焊合线焊合效果由图可见，实际 焊合区不是发生在焊缝口１００ｍｍ的范围，而是２４０～２８０ｍｍ的范围。工件中部的热量多，放 熔合线两侧要宽３０～４0m m 。 ｉ３电渣焊接质量控制电渣焊接工件，由于其渣洗精炼提纯和纵向强冷凝固的作用，使电渣熔铸部 分内在质量提高，可以达到以铸代滚的效果，但是生产中还应严格控制工艺，严防出现质量问题。在试 验中我们对试一２炉电渣焊接试板作了解剖，见图３。从解剖试板情况看，该炉质量问题反映比较集中 ，现分析如下。 ５．３．ｌ夹渣。一般情况Ｆ，由于电渣焊凝固特性，只要１：艺正常，夹渣难以产生，但如果电 渣过程不稳定，甚至间隙式送电就易出现突渣现象。如图２所示，在焊合工件端面，其和治池、熔地三 相接触，形成一个夹角，如功率波动大，差，在凝固收缩时就有可能产生裂纹，如图３所示。焊接试板 在实践中，裂纹发生的位置都在起焊槽一端，而且位置在焊缝中部，估计钢液凝固收缩时，由于接触工 件两边的钢液最先凝固，中部的钡液最后凝固，此时；生生收缩应力．如埠区中间强度不够，中部就易 产生裂纹。解决的办法是：第一，结晶器的起焊槽要有足够的高度，使有缺陷的部位不延伸到工件的焊 区。第二，ｊ．艺上要控制好自耗电极的送进速度，另供电制度要稳定，以免造成焊缝缺陷。第三，结 晶器冷却水板和工件采取自由状态接触，以免造成焊缝收缩受阻，增加热裂倾向。第四，增加冷却强度 ，出水温度不易过高，使焊缝中部尽快冷却，提高其抗裂能力。第五，要防止母材和向耗电极Ｓ、Ｐ等 元素含量过高。 5．３．４变形尺寸控制 法兰在组焊过程中，由于焊缝产生收缩，所以工件尺寸会产生一些变化，实际生产中测得工件尺寸 的变化见图４、表５。
生产中为了控制好变形尺寸，组焊方式上先组焊两个半圆，调试方便，也能减少积累误差，能较好地控 制加工尺寸。组煌时应注意调平，防止挠曲。第３道焊缝焊接时，第４道焊缝也应调整好并固定。 ６．结束语 6． １大规范电渣焊焊接特厚大工件，其操作简单、方便、工艺稳定、技术先进、生产效率高、经 济效益显著，为大型铸锻件生产开辟了一条新路子。 ６．２电渣焊采用垂直位置焊接，加之电渣焊焊接时的电渣精炼效果明显和强制冷凝等特点，只要 选择合理的工艺制度，就不易产生孔、夹渣、裂纹等缺陷，可以获得优良致密的焊缝。 ６．３由于电渣炉整个渣地均处于高温下，热源体积大，对整个工件的预热作用不易产生淬硬组织。 ６ 。４自耗电极制作简单、方便，可选用和母材成份一致的 １６Ｍｎ板材加工而成，政焊缝和母 材成份基本一致，保证了焊缝经正火和回火后的机械性能。 ６．５锻焊联合结构，根据工件的特点，可以灵活选择接头的形式。由于结合了电渣重馆和板极电 渣悍的特点，同时在规范参数选择上有所突破，开辟了采用新的焊接方法以解决我国华南地区没有大型 银铸设备的途径。 ６．６本试验研究在焊接方法、焊接接头型式、渣系、特别是焊接工艺参数的选择上都相对于常规 的电渣焊范围有较大的突破，开拓了适用范围。 ６．７电渣焊焊接大法兰取得了成功，并应用于航空工业的关键设备--大型热压罐的制造中。经试 用，该产品完全达到设计要求。今后还需扩大其生产品种，进一步完善工艺，使该项技术产生更大的经 济效益。 注：参加本试验的还有谭月技、李杰摊、邱春笋、钟立民、胡乐乐、张观安、王允中、陈国贸、马 连东、冯颖障等