大厚度航弹壳体焊接与热处理方法与流程

1.本发明涉及大厚度壳体的加工技术领域，具体涉及一种大厚度 航弹壳体焊接与热处理方法。


背景技术：

2.传统的小型航弹直径约200mm，长度500mm左右，一般采用 棒料加热挤压成坯料后进行切削加工。现代大型的航弹一般直径大 于400mm，长度大于1500mm，厚度15～50mm，采用传统的热挤压 成形坯料，由于热挤压设备能力不足和热挤压成形内部质量难于保 证，而难于实现。
3.现有的大型航弹壳体成形与加工，采用锻棒坯料，粗加工内外 型面后进行淬火+回火热处理，再精加工内外型面。这种加工方法 的缺点是：材料利用率低，只有30～40％，切削加工周期长，一般 要半个月左右，导至制造成本高。
4.为了解决材料利用率低、加工周期长的问题，将航弹壳体设计 成壳体主段和壳体尾段焊接结构，壳体主段采用35crmnsia超高 强度钢厚壁无缝钢管旋压成形后数控加工成形，壳体尾段采用 35crmnsia超高强度钢自由锻件数控加工成形。产品试验件采用 h30crmnsia焊丝焊接、热处理后进行产品试验，壳体在穿过多层 混凝土板后壳体尾段断裂，不满足试验要求。为此，产品设计对材 料性能提出了更加严格的要求：基体材料抗拉强度不小于1850mpa、 延伸率不小于6％、冲击功不小于40焦耳，焊缝材料抗拉强度不小 于1100mpa不大于1300mpa、延伸率不小于10％、冲击功不小于 40焦耳。现有的大厚度航弹壳体的焊接与热处理方法，不能满足产 品的性能要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对现有评估方法的缺陷，提供一种基体材 料抗拉强度不小于1950mpa、延伸率不小于7％、冲击功不小于50 焦耳且焊缝材料抗拉强度不小于1100mpa并且不大于1300mpa、 延伸率不小于10.5％、冲击功不小于54焦耳的大厚度航弹壳体焊接 与热处理方法。
6.为实现上述目的，本发明所设计的大厚度航弹壳体焊接与热处 理方法，包括如下步骤：
7.1)壳体主段加工
8.采用热轧无缝厚钢管加工成壳体主段；
9.2)壳体尾段加工
10.将壳体尾段锻造坯料加工为壳体尾段；
11.3)焊接试样环形件加工
12.采用与壳体主段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 主段焊接试样环形件；
13.采用与壳体尾段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 尾段焊接试样环
形件；
14.4)壳体主段与壳体尾段焊接成壳体，主段焊接试样环形件与 尾段焊接试样环形件对焊成试样
15.5)壳体、试样焊缝射线探伤
16.6)壳体、试样淬火、回火热处理
17.壳体及试样淬火加热温度880～900℃保温1.5～2h，机械油冷却 1～0.5h；壳体及试样回火加热温度260～300℃保温2～2.5h，水冷却 1～0.5h；
18.7)试样加工及检测
19.在试样上加工焊接接头横向拉伸试样、焊接接头纵向拉伸试样、 焊接接头冲击试样、基体纵向拉伸试样、基体冲击试样并检测。
20.进一步地，所述步骤1)中，壳体主段的尾部焊接坡口采用y 型坡口，y型坡口角度α为33
°
～38
°
。
21.进一步地，所述步骤1)中，壳体主段的尾部焊接定位凸台的 厚度为1～2mm、宽度为1～2mm。
22.进一步地，所述步骤2)中，壳体尾段的焊接坡口采用y型坡 口，y型坡口角度α为33
°
～38
°
，与壳体主段坡口相同。
23.进一步地，所述步骤2)中，壳体尾段的焊接定位凹台的厚度 为1～2mm、宽度为1～2mm，与壳体主段焊接定位凸台相同。
24.进一步地，所述步骤4)中，采用氩弧焊将壳体主段与壳体尾 段焊接、主段焊接试样环形件与尾段焊接试样环形件对焊，焊前采 用感应器加热母材，预热温度300～360℃，焊后及时进行650～700℃ 保温1.5～2h消除焊接应力和除氢处理。
25.进一步地，所述步骤4)中，焊丝成分按质量百分比包括：c： 0.18～0.22，mn：0.5～0.7，si：0.25～0.35，cr：0.9～1.1，ni： 0.15～0.3，mo：0.15～0.25，cu：0.1～0.2，s：≤0.02，p：≤0.025。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明大厚度航弹壳 体焊接与热处理方法通过优化焊丝成分和焊接、热处理参数，消除 了回火脆性，保证了母材和焊缝的特殊力学性能要求：基体材料抗 拉强度≥1950mpa、延伸率≥7％、冲击功≥50j，焊缝材料抗拉强 度≥1100mpa、≤1300mpa、延伸率≥10.5％、冲击功≥54j。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更 清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
28.大厚度航弹壳体焊接与热处理方法，包括如下步骤：
29.1)壳体主段加工
30.采用热轧无缝厚钢管，通过热旋压、强力旋压和数控切削加工， 将圆管原材料加工成壳体主段；
31.壳体主段的成形与加工流程为：厚壁热轧无缝厚钢管下料
→
壳 体主段头部热旋压成形
→
壳体主段头部内型面及直筒段内孔数控加 工
→
壳体主段直筒段外形正向强力旋压成形
→
壳体主段尾部热旋压 成形
→
壳体主段外形及尾部内型面、尾部焊接坡口、尾部焊
接定位 凸台加工；
32.壳体主段尾部焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为 33
°
～38
°
；
33.壳体主段尾部焊接定位凸台的厚度为1～2mm、宽度为1～2mm；
34.2)壳体尾段加工
35.将壳体尾段锻造坯料加工为壳体尾段；
36.壳体尾段的成形与加工流程为：圆钢下料
→
壳体尾段坯料锻造 成形
→
壳体尾段坯料正火、回火
→
壳体尾段外形、内型面、焊接坡 口、焊接定位凹台加工；
37.壳体尾段焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为33
°
～38
°
， 与壳体主段坡口相同；
38.壳体尾段焊接定位凹台的厚度为1～2mm、宽度为1～2mm，与 壳体主段焊接定位凸台相同；
39.3)焊接试样环形件加工
40.采用与壳体主段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 主段焊接试样环形件；
41.采用与壳体尾段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 尾段焊接试样环形件；
42.4)壳体主段与壳体尾段焊接成壳体，主段焊接试样环形件与 尾段焊接试样环形件对焊成试样
43.对于厚度15～50mm的35crmnsia超高强度钢，焊缝材料抗拉 强度不小于1100mpa并且不大于1300mpa、延伸率不小于10％、 冲击功不小于40焦耳的大厚度航弹壳体的焊接，采用常规的 h30crmnsia高强度钢焊丝和焊接方法，焊缝韧性差，无法保证力 学性能要求。综合考虑大厚度焊缝母材熔合到焊缝中的体积比例小 即焊缝融合比小、超高强度钢的焊接特性等，通过多种焊丝成分对 比焊接、热处理、无损检测和力学性能测试等工艺试验，获得优化 的焊丝成分和焊接及性能检测方法，保证特殊的焊缝性能要求。
44.采用氩弧焊将壳体主段与壳体尾段焊接、两个焊接试样环形件；
45.焊接流程为：装配
→
预热
→
定位焊
→
加丝焊
→
盖面焊
→
背面手 工重熔焊
→
消除焊接应力、除氢处理；
46.通过多种焊丝成分对比焊接、热处理、无损检测和力学性能测 试等工艺试验，通过降低焊丝碳、硫、磷含量，降低成分离散度， 从而满足焊缝性能的要求。焊丝成分按质量百分比包括：c： 0.18～0.22，mn：0.5～0.7，si：0.25～0.35，cr：0.9～1.1，ni： 0.15～0.3，mo：0.15～0.25，cu：0.1～0.2，s：≤0.02，p：≤0.025。
47.焊前采用感应器加热母材，预热温度300～360℃，焊后及时进 行650～700℃保温1.5～2h消除焊接应力和除氢处理；
48.三种焊丝牌号、标准、成分见表1，焊丝成分、回火温度对比 试验性能测试结果见表2。
49.表1对比试验焊丝成分表
[0050][0051]
从对比试验焊丝成分表1、焊丝成分、回火温度对比试验性能 检测表2可以看出，h30crmnsia
‑
gb/t14957焊丝碳含量较高、硫 磷含量较高，焊缝强度偏高、韧性较差。h10simncrnimov
‑ꢀ
gjb3323焊丝碳含量偏低由于基体厚度大，焊缝宽度大，基体碳元 素扩散到焊缝的体积比即融合比偏小，焊缝强度偏低。本发明焊丝 以h10simncrnimov
‑
gjb3323焊丝为基础进行了改进，增加碳含 量为c：0.18％
‑
0.22％，配合优化的热处理制度，各项力学性能都 满足设计指标要求。
[0052]
5)壳体、试样焊缝射线探伤
[0053]
对壳体和试样焊缝进行x射线探伤检测，按照jb/t4730
‑
2005 《承压设备无损检测第2部分射线检测》标准i级执行；
[0054]
6)壳体、试样淬火、回火热处理
[0055]
对壳体及试样进行淬火、回火热处理，保证基体及焊缝特殊的 力学性能要求；壳体及试样淬火加热温度880～900℃保温1.5～2h， 机械油冷却1～0.5h；壳体及试样回火加热温度260～300℃保温 2～2.5h，水冷却1～0.5h。
[0056]
35crmnsia超高强度钢具有第一类低温回火脆性和第二类高温 回火脆性的特性，通过工艺试验优化淬火、回火热处理参数，避免 回火脆性，保证基体材料抗拉强度不小于1950mpa、延伸率不小于 7％、冲击功不小于50焦耳，焊缝材料抗拉强度不小于1100mpa不 大于1300mpa、延伸率不小于10.5％、冲击功不小于54焦耳的力 学性能要求。
[0057]
7)试样加工及检测
[0058]
在试样上加工焊接接头横向拉伸试样2件、焊接接头纵向拉伸 试样2件、焊接接头冲击试样4件、基体纵向拉伸试样2件、基体 冲击试样4件，然后对试样进行检测。
[0059]
表2回火温度、焊丝成分对比试验性能检测表
[0060][0061][0062]
实施例1
[0063]
针对某型号35crmnsia超高强度钢大厚度航弹壳体，其外形直 径d0为400mm，壳体长度l0为1500mm，壁厚t0为16mm，大厚 度航弹壳体焊接与热处理方法具体如下：
[0064]
1)壳体主段加工
[0065]
采用热轧无缝厚钢管，通过热旋压、强力旋压和数控切削加工， 将圆管原材料加工成壳体主段；
[0066]
壳体主段的成形与加工流程为：厚壁热轧无缝厚钢管下料
→
壳 体主段头部热旋压成形
→
壳体主段头部内型面及直筒段内孔数控加 工
→
壳体主段直筒段外形正向强力旋压成形
→
壳体主段尾部热旋压 成形
→
壳体主段外形及尾部内型面、尾部焊接坡口、尾部焊接定位 凸台加工；
[0067]
壳体主段尾部焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为33
°
；
[0068]
壳体主段尾部焊接定位凸台的厚度为1mm、宽度为2mm；
[0069]
2)壳体尾段加工
[0070]
将壳体尾段锻造坯料加工为壳体尾段；
[0071]
壳体尾段的成形与加工流程为：圆钢下料
→
壳体尾段坯料锻造 成形
→
壳体尾段坯料正火、回火
→
壳体尾段外形、内型面、焊接坡 口、焊接定位凹台加工；
[0072]
壳体尾段焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为33
°
，与 壳体主段坡口相同；
[0073]
壳体尾段焊接定位凹台的厚度为1mm、宽度为2mm，与壳体 主段焊接定位凸台相同；
[0074]
3)焊接试样环形件加工
[0075]
采用与壳体主段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 主段焊接试样环形件；
[0076]
采用与壳体尾段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 尾段焊接试样环形件；
[0077]
4)壳体主段与壳体尾段焊接成壳体，主段焊接试样环形件与 尾段焊接试样环形件对焊成试样
[0078]
采用氩弧焊将壳体主段与壳体尾段焊接、两个焊接试样环形件；
[0079]
焊接流程为：装配
→
预热
→
定位焊
→
加丝焊
→
盖面焊
→
背面手 工重熔焊
→
消除焊接应力、除氢处理；
[0080]
35crmnsia超高强度钢产品焊接母材厚度为15mm；焊前采用 感应器加热母材，预热温度300℃，焊后及时进行650℃保温1.5h 消除焊接应力和除氢处理；
[0081]
5)壳体、试样焊缝射线探伤
[0082]
对壳体和试样焊缝进行x射线探伤检测，按照jb/t4730
‑
2005 《承压设备无损检测第2部分射线检测》标准i级执行；
[0083]
6)壳体、试样淬火、回火热处理
[0084]
壳体及试样淬火加热温度880℃保温1.5h，机械油冷却0.5h； 壳体及试样回火加热温度260℃保温2h，水冷却0.5h。
[0085]
通过工艺试验优化淬火、回火热处理参数，避免回火脆性，保 证基体材料抗拉强度不小于1850mpa、延伸率不小于7％、冲击功 不小于40焦耳，焊缝材料抗拉强度不小于1100mpa不大于 1300mpa、延伸率不小于10％、冲击功不小于40焦耳的力学性能 要求。
[0086]
7)试样加工及检测
[0087]
在试样上加工焊接接头横向拉伸试样2件、焊接接头纵向拉伸 试样2件、焊接接头冲击试样4件、基体纵向拉伸试样2件、基体 冲击试样4件，然后对试样进行检测。
[0088]
实施例2
[0089]
针对某型号35crmnsia超高强度钢大厚度航弹壳体，其外形直 径d0为500mm，壳体长度l0为2000mm，壁厚t0为20mm，大厚 度航弹壳体焊接与热处理方法具体如下：
[0090]
1)壳体主段加工
[0091]
采用热轧无缝厚钢管，通过热旋压、强力旋压和数控切削加工， 将圆管原材料加工成壳体主段；
[0092]
壳体主段的成形与加工流程为：厚壁热轧无缝厚钢管下料
→
壳 体主段头部热旋压成形
→
壳体主段头部内型面及直筒段内孔数控加 工
→
壳体主段直筒段外形正向强力旋压成形
→
壳体主段尾部热旋压 成形
→
壳体主段外形及尾部内型面、尾部焊接坡口、尾部焊接定位 凸台加工；
[0093]
壳体主段尾部焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为35
°
；
[0094]
壳体主段尾部焊接定位凸台的厚度为1.5mm、宽度为1.5mm；
[0095]
2)壳体尾段加工
[0096]
将壳体尾段锻造坯料加工为壳体尾段；
[0097]
壳体尾段的成形与加工流程为：圆钢下料
→
壳体尾段坯料锻造 成形
→
壳体尾段坯料正火、回火
→
壳体尾段外形、内型面、焊接坡 口、焊接定位凹台加工；
[0098]
壳体尾段焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为35
°
，与 壳体主段坡口相同；
[0099]
壳体尾段焊接定位凹台的厚度为1.5mm、宽度为1.5mm，与壳 体主段焊接定位凸台相同；
[0100]
3)焊接试样环形件加工
[0101]
采用与壳体主段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 主段焊接试样环形件；
[0102]
采用与壳体尾段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 尾段焊接试样环形件；
[0103]
4)壳体主段与壳体尾段焊接成壳体，主段焊接试样环形件与 尾段焊接试样环形件对焊成试样
[0104]
采用氩弧焊将壳体主段与壳体尾段焊接、两个焊接试样环形件；
[0105]
焊接流程为：装配
→
预热
→
定位焊
→
加丝焊
→
盖面焊
→
背面手 工重熔焊
→
消除焊接应力、除氢处理；
[0106]
35crmnsia超高强度钢产品焊接母材厚度为30mm；焊前采用 感应器加热母材，预热温度330℃，焊后及时进行675℃保温1.5h 消除焊接应力和除氢处理；
[0107]
5)壳体、试样焊缝射线探伤
[0108]
对壳体和试样焊缝进行x射线探伤检测，按照jb/t4730
‑
2005 《承压设备无损检测第2部分射线检测》标准i级执行；
[0109]
6)壳体、试样淬火、回火热处理
[0110]
壳体及试样淬火加热温度890℃保温1.8h，机械油冷却0.5h； 壳体及试样回火加热温度280℃保温2.3h，水冷却0.5h。
[0111]
通过工艺试验优化淬火、回火热处理参数，避免回火脆性，保 证基体材料抗拉强度不小于1850mpa、延伸率不小于7％、冲击功 不小于40焦耳，焊缝材料抗拉强度不小于1100mpa不大于 1300mpa、延伸率不小于10％、冲击功不小于40焦耳的力学性能 要求。
[0112]
7)试样加工及检测
[0113]
在试样上加工焊接接头横向拉伸试样2件、焊接接头纵向拉伸 试样2件、焊接接头冲击试样4件、基体纵向拉伸试样2件、基体 冲击试样4件，然后对试样进行检测。
[0114]
实施例3
[0115]
针对某型号35crmnsia超高强度钢大厚度航弹壳体，其外形直 径d0为600mm，壳体长度l0为2500mm，壁厚t0为24mm，大厚 度航弹壳体焊接与热处理方法具体如下：
[0116]
1)壳体主段加工
[0117]
采用热轧无缝厚钢管，通过热旋压、强力旋压和数控切削加工， 将圆管原材料加工成壳体主段；
[0118]
壳体主段的成形与加工流程为：厚壁热轧无缝厚钢管下料
→
壳 体主段头部热旋压成形
→
壳体主段头部内型面及直筒段内孔数控加 工
→
壳体主段直筒段外形正向强力旋压成形
→
壳体主段尾部热旋压 成形
→
壳体主段外形及尾部内型面、尾部焊接坡口、尾部焊接定位 凸台加工；
[0119]
壳体主段尾部焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为38
°
；
[0120]
壳体主段尾部焊接定位凸台的厚度为2mm、宽度为2mm；
[0121]
2)壳体尾段加工
[0122]
将壳体尾段锻造坯料加工为壳体尾段；
[0123]
壳体尾段的成形与加工流程为：圆钢下料
→
壳体尾段坯料锻造 成形
→
壳体尾段坯料正火、回火
→
壳体尾段外形、内型面、焊接坡 口、焊接定位凹台加工；
[0124]
壳体尾段焊接坡口采用y型坡口，y型坡口角度α为38
°
，与 壳体主段坡口相同；
[0125]
壳体尾段焊接定位凹台的厚度为2mm、宽度为2mm，与壳体 主段焊接定位凸台相同；
[0126]
3)焊接试样环形件加工
[0127]
采用与壳体主段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 主段焊接试样环形件；
[0128]
采用与壳体尾段材料成分相同、等效壁厚相等的厚壁钢管加工 尾段焊接试样环形件；
[0129]
4)壳体主段与壳体尾段焊接成壳体，主段焊接试样环形件与 尾段焊接试样环形件对焊成试样
[0130]
采用氩弧焊将壳体主段与壳体尾段焊接、两个焊接试样环形件；
[0131]
焊接流程为：装配
→
预热
→
定位焊
→
加丝焊
→
盖面焊
→
背面手 工重熔焊
→
消除焊接应力、除氢处理；
[0132]
35crmnsia超高强度钢产品焊接母材厚度为50mm；焊前采用 感应器加热母材，预热温度360℃，焊后及时进行700℃保温2h消 除焊接应力和除氢处理；
[0133]
5)壳体、试样焊缝射线探伤
[0134]
对壳体和试样焊缝进行x射线探伤检测，按照jb/t4730
‑
2005 《承压设备无损检测第2部分射线检测》标准i级执行；
[0135]
6)壳体、试样淬火、回火热处理
[0136]
壳体及试样淬火加热温度900℃保温2h，机械油冷却0.5h；壳 体及试样回火加热温度300℃保温2.5h，水冷却0.5h。
[0137]
通过工艺试验优化淬火、回火热处理参数，避免回火脆性，保 证基体材料抗拉强度不小于1850mpa、延伸率不小于7％、冲击功 不小于40焦耳，焊缝材料抗拉强度不小于1100mpa不大于 1300mpa、延伸率不小于10％、冲击功不小于40焦耳的力学性能 要求。
[0138]
7)试样加工及检测
[0139]
在试样上加工焊接接头横向拉伸试样2件、焊接接头纵向拉伸 试样2件、焊接接头冲击试样4件、基体纵向拉伸试样2件、基体 冲击试样4件，然后对试样进行检测。