卷焊空心筒表面淬火变形分析

HEATS

    某轿车用镀锌钢板生产线的清洗段设备中的电解脱脂槽转向辊的筒体部分为一大直径薄壁空心筒，用热轧35#钢板卷曲焊接而成。焊缝要求焊透并采用X射线探伤，焊后加工筒体外表面达Ra6.3μm调质处理后硬度达228~269HBS。筒体表面淬火后进行镀铬，镀铬层的厚度为：0.15mm~0.20mm。表面淬火设备为工频淬火炉。 
    如果用锻件制造该薄壁空心筒零件，则毛坯壁厚较大，且成本较高"因此通常采用普通碳素钢板卷焊而成。目前，对于这种外圆要求进行表面淬火的空心筒，常规的工艺路线是：卷焊—去应力—加工—表面淬火。在表面淬火过程中，薄壁空心筒的径向收缩变形会严重影响传动精度和使用寿命。为了减少表面淬火的变形程度，笔者等对表面淬火工艺进行了改进，并对表面强化效果进行了研究。 
    1 卷筒常规工艺及变形 
    卷焊空心筒通常采用的工艺流程为：卷焊→去应力→加工→表面淬火。 
    表面淬火时采用外圆连续喷淬。通常碳钢薄壁空心筒在表面淬火之后会发生外圆尺寸收缩，即热应力大于组织应力，且碳钢的淬透性较差。薄壁卷焊筒除了外径收缩外，最主要的变形之一是椭圆。 
    我们曾对35#钢卷焊筒用1250kW变频设备进行表面淬火，其工艺流程同上，表面淬火时，频率为2750Hz。 
    薄壁空心筒的外径尺寸统一收缩；最大收缩为7.65mm;椭圆度最大为7.7mm。 
    2 卷筒变形的主要原因 
    由于母材和焊缝属于不同的材质，因此线膨胀系数不同，在淬火加热过程中势必产生不同程度的变形；焊缝和母材的原始组织也不同，母材的原始组织属于轧制组织，而焊缝的原始组织类似于铸态组织，因此淬火后的组织也各不相同。 
    (1)卷焊后，焊缝组织属于铸态组织，晶粒粗大，强度低，焊后550℃去应力只是消除部分焊接应力，不能改善焊缝组织。在后续的表面淬火时，焊缝加热到奥氏体温度，使得焊缝表层焊接应力释放，加之组织变化及热应力使变形加剧。 
    (2)在感应加热过程中，由于尺寸的不均匀变化使得感应器和工件之间的间隙不同，进而引起涡流透入密度不同，最后导致淬硬层厚度不同。这也助长了椭圆变形的产生。 
    (3)由于焊缝和母材的强度不同，使筒体抗变形能力不同，加之薄壁大直径筒体在冷加工时出现壁厚不匀，也使机体抗变形能力不同，易导致形成椭圆。 
    3 工艺方法的改进 
    从上述分析可知，减少变形的关键是减少组织之间的差异，提高机体强度。 
    新工艺改进如下： 
    卷焊→正回火→机加工→调质→机加工→去应力→表面淬火 
    4 可行性分析 
    (1)通过正火使焊缝组织得到细化，释放了一定程度的焊接应力，减少了随后热处理过程中的变形。 
    (2)增加调质工序，通过调质使筒体强度提高，在后续表面淬火过程中，淬硬层以外的尺寸(即滚筒内壁)的变形抗力增强，以减少后续变形。 
    (3)在第一道加工工序后增加去应力工序，释放加工应力，以避免在表面淬火加热时，加工应力释放，与热应力和组织应力相互作用引起复杂变形。 
    5 结论 
    (1)从上述分析可知，改进后的工艺，使焊缝组织细化，机体强度增加，可减少表淬变形。 
    (2)正火、调质时要垂直放置，减少变形。  
    (3)表面淬火时，在保证淬硬层的情况下，尽可能调高频率，以减少电流的透入深度。 
    (4)冷加工时壁厚不能超差2mm椭圆度不能超2mm。某厂的大量生产实践表明：用上述措施严格控制卷焊筒的热处理工艺过程，使筒体的变形程度大大减小，薄壁空心筒的质量明显提高。