大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料外场精密焊接工艺方法技术

本发明专利技术提出一种大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料外场精密焊接工艺方法，在现场焊接前，先在车间内预先堆焊现场焊接接头的焊缝过渡区部分，并加工形成焊接坡口；到现场后在水泥基础上拼接成整体圆环轨道，调整各个焊接坡口的对接间隙，并控制所有的轨道段的平面度误差，且在轨道接头坡口上预设焊接反变形；之后进行轨道现场焊接，焊接后检测并实现整体轨道精密焊接指标。本发明专利技术实现了高硬度材料外场精密焊接，轨道接头焊缝表面硬度达到HRC(44±4)，淬硬层深度≥6～8mm；接头热影响区硬度软化宽度≤8mm；轨道接头的焊接强度≥300Mpa；轨道整体平面度(水平度)误差≤0.5mm；焊接接头焊缝局部平面度(水平度)±0.025mm。

Outfield Precision Welding Technology of High Hardness Material for Azimuth Track of Large Wheel-rail Antenna Seat

【技术实现步骤摘要】
大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料外场精密焊接工艺方法
本专利技术涉及大型、超大型轮轨式精密跟踪抛物面雷达天线结构系统的研制领域，具体为一种大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料现场精密焊接工艺方法。
技术介绍
在深空探测、射电天文望远镜、卫星与火箭精密跟踪与测控雷达等抛物面天线应用领域，国、内外普遍使用口面直径在20～110米的大型、超大型“轮轨式”精密跟踪抛物面天线结构形式，如图1所示，其方位轨道中心直径一般为15～60米之间。大型轮轨式天线的结构系统，一般通过四组或者六组滚轮把整个天线的重量、风载和地震等载荷加载到方位轨道表面，轨道的单轮负重500～1000吨之间。轨道的分段加工与现场拼装焊接的整体和局部“水平度”、“平面度”是整个天线结构系统“俯仰跟踪指向”和“俯仰测角精度”的水平基准；轨道表面的“耐磨硬度”、焊接接头(或者拼接接头)部位的焊缝强度和硬度软化区的控制是轨道使用寿命，以及正常使用寿命范围内轨道水平基准精度稳定性的保障。因此，大型轮轨式天线结构系统对方位轨道的现场安装精度，及其使用稳定性、滚轮与轨道接触疲劳强度等方面的设计与制造都提出了很高的制造要求。目前，国内、外已经建造完工的轮轨式天线的“大型方位轨道”在材料的选用方面，一般都采用与42CrMo(或40CrNiMo)相同或相近的高强度耐磨齿轮钢材料制造。而在大型轮轨式天线座“方位轨道”的研制中，按照天线方位轨道的强度设计和现场安装结构形式分类，大型天线的方位轨道可分为如下两类：HRC40以上的“高硬度拼接断续式轨道结构”和HRC30以下的“低硬度焊接连续式轨道结构”两种结构形式。国外目前的大型轮轨式天线方位轨道基本上都采用了“低硬度的焊接连续式方位轨道”结构形式，它们分别是位于德国的口径100米射电天文望远镜天线、位于墨西哥的LMT50米天线、位于意大利国的SRT65米天线；只有一台位于美国的GBT110天线采用了“高硬度耐磨断续拼接轨道”结构形式，但使用不到一年轨道就出裂纹问题开始改造。国内目前使用最多的还是“高硬度拼接式断续方位轨道”结构形式；国内目前已经建成并投入使用的六台口径20～66米大型轮轨式天线座，只有一台由德国MANTechnologie公司2013年设计，位于上海天文台的65米口径轮轨式天线座大型方位轨道，它采用了与国外焊接轨道技术完全相同的“低硬度焊接连续式方位轨道”结构形式。“高硬度”与“低硬度”轨道材料在加工工艺区别：口面直径在20～110米的大型、超大型“轮轨式”精密跟踪抛物面天线结构系统使用的“方位转动轨道”，其断面中心直径一般为15～60米之间。轨道断面厚度为100～500毫米，宽度为200～800毫米。受到工厂制造工艺设备能力的限制，单根分段轨道的弦长一般控制在4米左右，整圈轨道通常等分成9～50根左右的单根轨道段。轨道工作表面硬度在HRC40(或者HB370)以上的“高硬度”轨道段材料，目前使用的都是整体拼接“断续轨道结构”。其在工厂车间经过“锻造-粗铣-调质热处理-半精铣加工-表面淬火-磨削”加工工序实现制造。运到天线野外架设的地基现场，在水泥安装地基的压紧与固定地脚螺栓上经过“拼装--调水平”工序之后，形成整体精密拼接的“高硬度”断续轨道。目前现有的轨道工作表面硬度在HRC30(或者HB290)以下的“低硬度”的轨道段材料，其轨道都采用整体精密焊接“连续轨道结构”。其单根轨道段在工厂车间加工时，只经过“锻造-粗铣-调质热处理-精铣”这几个常规工序制造，无需进行轨道表面的高硬度“表面淬火”处理，以及“磨削”加工工序，其生产成本较低。采用具有高强度或高硬度的机械性能指标的结构材料，是减小结构受力断面尺寸和结构轻巧化的关键途径。对于同种材料，焊缝的硬度和强度，特别是接头与母材硬度的机械性能均匀性，往往决定了焊接工艺是否可以有效、可靠实现的难易程度。42CrMo或40CrNiMo材料本身就是为高强度均匀耐磨性能的受力结构零件而设计的材料，其可焊性本来就很差，野外现场环境的焊接质量的控制难度本身就更大。所以国、内外目前使用的焊接轨道结构形式，全部采用的是轨道工作表面硬度在HRC30以下、材料塑性良好的“低硬度”的精密焊接连续轨道形式。其野外施工现场的焊接工艺难度得到有效降低，焊接接头的机械性能指标得到可靠保障。之所以没有采用轨道工作表面硬度在HRC40以上的“高硬度”表面淬火轨道结构设计形式，就是因为目前国内、外还没针对42CrMo或40CrNiMo材料在野外现场施焊环境下，实现轨道接头“高硬度匹配”所具有的稳定、可靠的系统焊接工艺方法。低硬度材料精密焊接方位轨道的工艺方法特点：与高速铁路领域采用“焊接连续式”铁路轨道代替传统的“拼接断续式”铁路轨道的原因相同。为了克服“拼接断续式”方位轨道在使用中存在的冲击振动、接头部位精度稳定性差的致命缺点，最早是由国外研制超大口径射电天文望远镜天线结构系统的科研人员，提出了采用现场“精密焊接连续式”方位轨道的技术概念，并研究出了几种轨道精密焊接技术和野外现场施工工艺方法。例如，用于中低硬度火车轨道野外快速对接焊的“铝热焊”焊接技术；用于超大厚壁高强度核电设备对接焊的“窄间隙”焊接技术；用于重型机械大厚板对接焊的“双面坡口对称焊缝”焊接技术；用于重型机械大厚板对接焊的“带垫板局部坡口焊缝”焊接技术。这些焊接技术分别在国外口径德国100米、美国110米、意大利65米、墨西哥50米，以及国内上海65米大型天线方位轨道的设计、现场精密焊接施工中得到过工程应用，各有其优、缺点。但其中“带垫板的局部坡口焊缝”轨道精密焊接技术，其现场焊接施工操作相对简单，施工周期相对较短，得到了国内、外轨道结构设计和焊接工艺的偏爱，其接头结构如图2所示。国内、外目前的整体“低硬度材料精密焊接轨道”的现场焊接工艺方法的技术原理如图3所示：主要是采用“低强度匹配”的焊接接头冶金方案，即把轨道40CrNiMo或42CrMo材料的机械性能(即强度或者硬度)，设计成≤HRC30(或者接触强度≤950MPa)，有效的降低了达到控制轨道接头软化区宽度和焊缝内部质量所需的焊接温度控制。国内采用“精密焊接连续式”方位轨道技术的大型天线结构，也只是最近五年来才从国外引进的。我国2012年在上海65米口径大型轮轨式射电天文望远镜抛物面天线结构的研制中，完全按照德国MANTechnologie公司的天线结构系统设计图纸进行研制生产，其中的“低硬度轨道焊接接头”委托了国内专业船舶修造焊接施工单位进行焊接。与“拼接断续式”方位轨道相比，“精密焊接连续式”方位轨道的现场焊接质量与焊接热变形平面度控制、安装地基准备处理、轨道焊接精度稳定化灌封处理等系统施工方面的技术难度、施工成本要比“拼接断续式”方位轨道高得多。尤其是采用“全轨道断面焊接接头”的大型天线方位轨道现场调整、焊接施工的难度最高，周期最长，成本更高。
技术实现思路
整体“精密焊接轨道”的结构设计特点和使用性能指标与“精密拼焊轨道”相比更为先进，如果能够解决精密、可靠的“高硬度”轨道材料现场施工焊接工艺方法这一障碍，就能够把“拼接断续式轨道结构”的“高硬度耐磨”的优点与目前已有的低硬度“焊接连续式轨道结构”的“使用寿命高、跟踪精度稳定”这两个技术优点结合在一起，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料外场精密焊接工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对于单根分段轨道，在运往装配外场之前，在焊接施工条件良好的工厂车间内预先堆焊现场焊接接头的焊缝过渡区部分，并加工形成焊接坡口；其中焊接坡口上部用于外场焊接高硬度焊缝的焊缝耐磨层厚度为10～18mm，焊接坡口侧面堆焊层厚度为4～6mm，坡口深度为60～180mm，堆焊层下部坡口钝边厚度2～3mm，坡口钝边下部还具有应力释放孔，应力释放孔半径R＝5～6mm；步骤2：将经过步骤1处理后的分段轨道运输到安装现场后，在水泥基础上拼接成整体圆环轨道：步骤2.1：预先调整控制各个焊接坡口的对接间隙2～4mm；步骤2.2：在整体圆环轨道中心位置架设水准仪，确定并固定方位轨道的安装水平基准；并利用轨道表面上的高度尺靶标，通过轨道内、外圆环上均匀分布的压紧与调平螺栓，把所有的轨道段都调平到同一个水平面，控制平面度误差在±0.06mm以内；步骤2.3：在轨道接头坡口下部设置调整机构，在同一个水平基准监控下，逐个在轨道接头坡口上预设焊接反变形，反变形量根据轨道设计厚度尺寸控制在0.8～1.7mm之间；步骤3：进行轨道现场焊接：步骤3.1：在焊接坡口的两端，控制接头开始焊接预热温度为110～180℃；步骤3.2：采用H08Mn2Si焊丝二氧化碳焊或者J507焊条手工焊接方法，完成局部焊接坡口的轨道与底面垫板的角焊缝；步骤3.3：使用J607Ni焊条手工电弧焊或相同级别的MAG焊，对焊接坡口焊缝连接区进行填充焊接，焊接过程控制接头层间温度100～180℃，并锤击焊道控制焊接应力；步骤3.4：使用D507焊条施焊，完成高硬度焊缝表面层焊接，焊接过程控制接头层间温度80～120℃，并锤击焊道控制焊接应力；步骤3.5：采用保温材料包裹焊接接头，200±10℃保温3小时，而后缓冷到室温，实现接头去应力要求；步骤4：检测与实现整体轨道精密焊接指标：步骤4.1：在水准仪监测下，采用电动砂轮粗修平接头焊缝加强高，焊缝表面预留0.3～0.5mm的精修磨留量；步骤4.2：将单根轨道接头预制的应力释放孔由半径R＝5～6mm扩孔到直径Φ＝13～15mm，去除坡口焊缝的焊根缺陷；步骤4.3：采用超声波检查焊缝内部是否有焊缝裂纹缺陷，采用磁粉探伤检查轨道接头表面是否有焊接裂纹缺陷，如果存在裂纹超标缺陷，则修磨去除后返回步骤3重新进行补焊；步骤4.4：磨平轨道接头焊缝表面预留的精修磨留量，控制接头焊缝部位的平面度在±0.025mm以内；步骤4.5：检测轨道接头焊缝部位的表面硬度，以及轨道接头硬度软化区宽度；符合要求后在水准仪的监控下，重新调整整个轨道的焊接接头部位两边1.5米范围内的焊接平面度变形，控制轨道最终的焊接平面度为0.25～0.40mm；步骤4.6：再次采用磁粉探伤检查轨道接头表面是否存在轨道二次调整裂纹；若符合要求则使用环氧树脂灌浆料灌封轨道焊接接头底面与水泥基础之间的平面度调整间隙，确保轨道接头的精密焊接精度稳定性。...

【技术特征摘要】
1.一种大型轮轨式天线座方位轨道高硬度材料外场精密焊接工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对于单根分段轨道，在运往装配外场之前，在焊接施工条件良好的工厂车间内预先堆焊现场焊接接头的焊缝过渡区部分，并加工形成焊接坡口；其中焊接坡口上部用于外场焊接高硬度焊缝的焊缝耐磨层厚度为10～18mm，焊接坡口侧面堆焊层厚度为4～6mm，坡口深度为60～180mm，堆焊层下部坡口钝边厚度2～3mm，坡口钝边下部还具有应力释放孔，应力释放孔半径R＝5～6mm；步骤2：将经过步骤1处理后的分段轨道运输到安装现场后，在水泥基础上拼接成整体圆环轨道：步骤2.1：预先调整控制各个焊接坡口的对接间隙2～4mm；步骤2.2：在整体圆环轨道中心位置架设水准仪，确定并固定方位轨道的安装水平基准；并利用轨道表面上的高度尺靶标，通过轨道内、外圆环上均匀分布的压紧与调平螺栓，把所有的轨道段都调平到同一个水平面，控制平面度误差在±0.06mm以内；步骤2.3：在轨道接头坡口下部设置调整机构，在同一个水平基准监控下，逐个在轨道接头坡口上预设焊接反变形，反变形量根据轨道设计厚度尺寸控制在0.8～1.7mm之间；步骤3：进行轨道现场焊接：步骤3.1：在焊接坡口的两端，控制接头开始焊接预热温度为110～180℃；步骤3.2：采用H08Mn2Si焊丝二氧化碳焊或者J507焊条手工焊接方法，完成局部焊接坡口的轨道与底面垫板的角焊缝；步骤3.3：使用J607Ni焊条手工电弧焊或相同级别的MAG焊，对焊接坡口焊缝连接区进行填充焊接，焊接过程控制接头层间温度100～180℃，并锤击焊道控制焊接应力；步骤3.4：使用D507焊条施焊，完成高硬度焊缝表面层焊接，焊接过程控制接头层间温度80～120℃，并锤击焊道控制焊接应力；步骤3.5：采用保温材料包裹焊接接头，200±10℃保温3小时，而后...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东伟，高亮，郑建生，索晓溪，阎宏涛，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十九研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61