鍛焊結構齒輪的焊接制造技術

蘇聯發

廣東明陽風電產業集團有限公司

鍛焊結構齒輪的焊接制造技術

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隨著科學技術的發展，鍛焊結構齒輪得到了普遍使用。現已成為世界上工業發達國家制造大齒輪的一種生產手段，并將逐步淘汰目前大型齒輪制造中沿用的整體鑄造結構齒輪，基于鑄造齒輪存在生產周期長、耗料多，從而導致整個大齒輪的報廢，加上鑄件淬火易出現問題，延長生產周期和造成經濟損失。本文分析了鍛焊結構齒輪的焊接制造技術。

鍛焊結構齒輪；焊接制造；技術

近年來，鍛焊結構齒輪的出現，已成為世界上工業發達國家制造大齒輪的一種生產手段，并將逐步淘汰目前大型齒輪制造中沿用的整體鑄造結構齒輪。根據現場焊接齒輪上裂紋的形態及走向，認真了解了工人具體的施焊情況，查明了產生焊接裂紋的原因。通過修改設計方案及選用新的焊接工藝，找出了控制產品焊接裂紋產生的方法，重新加工施焊，使該齒輪一次焊接成功。焊后的產品完全滿足設計要求。

一、焊接性分析

中碳調質鋼由于含碳量高、合金元素多、鋼的淬硬傾向大、Ms點又低，因而在淬火區產生大量脆硬的馬氏體，導致嚴重脆化，焊接焊前為調質狀態的鋼材時，熱影響區被加熱到超過調質處理時回火溫度的區域，將出現強度、硬度低于母材的軟化區。如果焊后不再進行調質處理，該軟化區可能成為降低接頭強度的薄弱區。中碳調質鋼的淬硬傾向大，近縫區所出現的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂傾向。在焊接中常見的低合金鋼中，中碳調質鋼具有最大的冷裂敏感性。為了提高抗裂性，應盡量降低焊接接頭中的含氫量，并采用焊前預熱和焊后及時熱處理。中碳調質鋼的碳及合金元素含量高，焊縫凝固結晶時，結晶溫度區間大，偏析傾向也較大，因而焊接時具有較大的熱裂紋，要求采用低碳焊絲。(一般焊絲中含碳量限制在0.15%以下，最高不超過0.25%)中碳調質鋼不允許焊接接頭有未焊透、咬邊等缺陷。35CrMo屬于CrMo系統，它是在Cr鋼基礎上發展起來的一些中碳調質鋼。Cr鋼中加入少量Mo(0.15%～0.25%)，可以消除Cr鋼的回火脆性，提高淬透性并使鋼具有較好的強度和韌性匹配，同時Mo還能提高鋼的高溫強度。但是，這類鋼的含碳量較高、淬透性較大，因此焊接性較差，根據碳當量公式和35CrMo的化學成分，得出它的碳當量為0.82%(各成分均按最大值)，已遠遠＞0.45%，可見35CrMo的焊縫冷裂傾向較為嚴重，并且隨著碳含量的增加，合金元素的增加，冷裂紋的敏感性也就更大。

二、焊接工藝評定

1.縮截面拉伸試驗。按照國際標準制作縮截面板狀拉伸試樣，并采用ASTMA370進行拉伸試驗。試樣照片如圖2所示。

2.金相分析。對焊接接頭(焊縫、熱影響區及母材)分別進行金相組織分析，母材Q345D室溫組織為珠光體+鐵素體雙相組織，其中鐵素體為白色塊狀，黑色為珠光體，鐵素體比例約占80%，晶粒度為8級。母材Q345D側熱影響區組織分布不均勻，其中粗晶區組織為貝氏體+鐵素體，貝氏體形態為羽毛狀，屬于上貝氏體，它是由許多從奧氏體晶界向晶內平行生長的條狀鐵素體和在相鄰鐵素體條間存在的斷續的、短桿狀的滲碳體組成，鐵素體為塊狀，晶粒度為8級；熱影響區細晶區組織為珠光體+鐵素體，晶粒非常細小，晶粒度達到10級。母材42CrMo室溫組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度為7級。42CrMo側熱影響區組織分布不均勻，其中粗晶區組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度達到5級，細晶區組織為回火索氏體+貝氏體，晶粒度達到10級。焊縫組織為貝氏體+鐵素體，其中貝氏體形態與Q345D側熱影響區粗晶區不同，屬于下貝氏體。

3.堆焊過渡層。對這樣的大型焊接件，任何細小的未熔合、咬邊等缺陷的存在以及焊縫突然向母材過渡，可能成為裂紋或脆性斷裂的裂源。因此為了使焊縫向母材圓滑過渡，以防止在焊接輻板時不會因冷裂紋將齒圈和軸套的母材拉傷，改善齒圈和軸套與輻板的焊接質量，我們在齒圈與軸套上堆焊一層低碳的過渡層。需注意以下幾點：一是在齒圈和軸套與輻板相接處，加工深5mm，寬80mm的圓環。二是齒圈和軸套整體入爐消應力預熱，預熱溫度在250～300。三是因為埋弧焊的焊接電流大，焊接速度高，焊接質量穩定，以采用埋弧焊堆焊，焊絲用10Mn2(wC＜0.12%)。堆焊過程中，用丙烷加熱器不斷加熱，使堆焊過程溫度一直與預熱溫度相同。堆焊完后立即入爐消除應力。當有1mm加工量時，對堆焊處進行PT檢查，確保堆焊處無裂紋，影響焊縫質量。

4.裝焊輻板。一是裝配左側和中間的輻板，焊接牢固后，發往熱處理車間。整體預熱，開始焊輻板，焊接過程中，不斷用丙烷加熱器加熱，保證焊接過程中溫度保持不變。二是焊完后入爐整體消除應力。對焊縫作著色檢查，確保焊縫無裂紋。按以上工藝裝焊右側的輻板。裝焊加強鋼管。入爐消除應力。

三、焊接難點控制

1.預熱溫度的確定。由于鋼的碳當量及冷裂紋敏感指數高，易產生焊接裂紋，因此焊前必須預熱，其目的是為了降低焊接接頭的冷卻速度，減少馬氏體產生的幾率，從而改善焊接接頭組織，以降低產生冷裂紋的幾率。根據預熱溫度經驗公式T=碳當量×360℃可知，42CrMo預熱溫度為241～317℃，為保證焊接接頭不出現焊接裂紋、降低工人勞動強度，本次焊接試驗選擇預熱溫度為250℃。

2.焊后緩冷。焊后立即用石棉布包裹焊接試樣，以降低焊接接頭的冷卻速度，從而減少馬氏體產生的幾率，降低冷裂紋傾向。

3.焊接效果。采用焊絲和焊劑對試樣進行焊接，焊縫成形美觀，未出現氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，UT、MT檢測滿足AWSD1.1：2010標準要求，達到了預期效果。

本文對鍛焊結構齒輪的焊接制造技術進行分析。焊縫及熱影響區均未出現馬氏體、魏氏組織等異常組織，焊接工藝及熱輸入合理，達到了預期效果。

[1]袁玉杰.大型鍛焊齒輪的焊接工藝研究[J].一重技術，2015(2/3)：80-81.