4.6m3電鏟回轉二軸大齒輪焊接工藝

潘子祥

(攀鋼集團工程技術有限公司，四川 攀枝花 617062)

原4．6m3電鏟回轉二軸大齒輪為整體鑄鋼件，材料為35CrMo，在使用過程中，左右回轉二軸大齒輪都磨損嚴重并經常裂紋，需對其齒輪進行改造。經分析將35CrMo整體鑄造齒輪進行替換，改為齒圈材質為34CrNiMo鋼和軸材質為42CrMo鋼組焊在一起。從投入使用至今，效果良好。改造后的4．6m3電鏟回轉二軸大齒輪如圖1。

圖1 齒輪結構簡圖

1 焊接性分析

4．6m3電鏟回轉二軸大齒輪齒圈材質為34CrNiMo鋼，軸材質為42CrMo鋼，均為中碳調質鋼，其化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 34CrNiMo鋼和42 CrMo鋼的化學成分（質量分數，平均含量%）

表2 34CrNiMo鋼和42 CrMo鋼的力學性能

根據碳當量公式：

計算出兩種鋼材的碳當量高達0．89%和0．80%，焊接性差，淬硬趨向較大，需采取較高的預熱溫度和嚴格工藝措施才能保證焊接接頭的可靠性。

1.1 焊接區裂紋

（1）熱裂紋。鑒于含碳量和合金元素含量都較高，導致焊縫凝固時結晶溫度區間增大，偏析傾向和熱裂敏感性嚴重。為此，應力求降低雜質S、P的含量，配以低C、S、P的焊接材料，適當增Mn以提高Mn/S比，操作上應避免坑裂紋。

（2）冷裂紋。碳和合金元素量的增加，使Ms點降低，難以形成“自回火”效應，淬硬傾向增加。另外是碳的富集不可能得到低碳馬氏體，只能得到脆硬的高碳馬氏體，冷裂紋發生率加大。

1.2 熱影響區的性能變化

（1）過熱區脆化。大的熱輸入焊接雖能減緩冷卻速度，但卻增加高溫區（≥1100℃）停留時間，使奧氏體過熱發生晶粒長大，冷卻后將會形成更粗大的馬氏體。小的熱輸入焊接，輔以預熱、緩冷和后熱等措施，降低t 8/5（或t 8/3）的冷卻速度，減少馬氏體生成量。選擇焊接方法應力求減小熱影響區及過熱區的寬度，縮小可能引起脆化的區域縮。

（2）接頭軟化區。軟化發生于熱影響區中被加熱超過調質處理時間時回火溫度直到Ac1的區域。從焊接工藝考慮，選擇合適的熱輸入和能量較為集中的焊接方法，可減小熱影響區的寬度，但根本的解決辦法，還是得進行焊后調質熱處理。

2 焊接方法及焊前準備

（1）焊接方法。齒輪軸堆焊防裂層采用CO2氣體保護焊焊接，齒圈和軸的組焊采用焊條電弧焊進行焊接，均直流反接。

（2）焊前準備。①毛坯調質處理850～870℃油淬，600℃回火。②在主軸臺階處車出Φ160×80mm堆焊位置，弧齒圈車出Φ170mm孔及I形坡口。③用軸承做好兩付簡易的滾輪支架，利于軸的堆焊。④檢查好焊接設備各個系統是否正常，如不正常進行調試，將CO2氣瓶倒置排水2～3次，正置放氣2～3分鐘。⑤作業部位采用屏障物阻擋外界風力，避免保護不良導致空氣侵入而形成氣孔。

3 焊接工藝

（1）焊接材料：因為34CrNiMo鋼和34CrNiMo鋼材料具有較高的強度和韌性，根據“等強”原則和焊防裂層，選用了含氫量較低的CO2氣體保護焊絲ER50-6（H08Mn2SiA）焊絲Φ1．2mm和低氫型焊條E10015—G（J107Cr）Φ3．2mm，化學成分見表 3，力學性能見表4。

表3 H08Mn2SiA 和J107Cr化學成分（質量分數%）

表4 H08Mn2SiA 和J107Cr力學性能

焊條使用前，須經在300～350℃烘干1小時，隨取隨用。

（2）焊接參數：見表5。

表5 兩種材料的焊接參數

（3）CO2氣體保護焊操作方法。①焊接前注意噴嘴、導電嘴是否被堵，氣體流量的大小是否合適。并將齒輪軸放在自制的簡易滾輪架上，在其軸下邊用焦碳火焰進行加熱，將軸預熱到250～300℃，進行焊接。焊絲伸出長度應為12～15mm，不作橫向擺動，快速焊接，但要注意第一道焊縫與第二道焊縫的必須熔合良好，并且避免因保護不良導致焊縫產生氣孔。②焊接順序：如圖2所示，將軸水平臥放，以半橫焊位置施焊，焊接順序為A→B→C→D（圖2-a），焊道間須搭接重疊（圖2-b），運條線路見圖2-c，不得在邊緣引弧和收弧，起弧采用搭接起弧，收弧采用畫圈收弧。

圖2 焊接順序示意圖

整個堆焊層要連續施焊直到完工。焊后緩冷（在150～200℃下保溫1～2小時后空冷）。堆焊一層后檢查無裂紋后繼續進行，層間溫度控制在250～300℃。焊完待冷卻后，進行表面著色探傷，確認無缺陷后，將軸車到170mm留堆焊層余量5mm。

（4）焊條電弧焊操作方法。①齒圈和軸的組焊焊接位置：齒圈平放，軸立放，采用平角焊位置進行焊接，焊前預熱250～300℃，用J107Cr焊條正反面交錯焊接（實線為正面焊縫，虛線為背面焊縫）的方法，焊接順序如圖3。②采用多層多道焊，采用斜鋸齒形直線往返形的運條方法，注意焊縫與母材的熔合并及時清除熔渣，下一道焊縫壓住上一道焊縫的2/3。③接頭時采用在弧坑前5～10mm處引弧，慢慢焊至弧坑，待弧坑填滿后再正常向前焊接。收弧時采用回焊收弧或畫圈收弧，可避免收弧速度過快而產生弧坑裂紋。④層間溫度控制在300～350℃，每個齒輪一次焊完，中途不許停工。⑤焊后立即進行630～650℃高溫回火。⑥焊后進行焊縫外觀檢查，外觀無裂紋、未熔合、氣孔、咬邊和夾渣等缺陷，焊道與母材、焊道與焊道成圓滑過渡，焊角凸凹度小于2mm焊縫著色探傷合格。

圖3 交錯焊接及焊接順序示意圖

（5）焊后加工。滾齒（留0．8～1mm磨削量）后進行調質處理（860±10℃淬火，500℃回火），著色探傷合格后磨齒到尺寸。

4 結語

以上工藝經過多次實踐成功，不僅可以減少鍛造工序，節約材料，而且性能也優于整體鍛造齒輪。現在每臺4．6m2電鏟回轉二軸齒輪都是用的改進后的齒輪。正常使用下未出現磨損和裂紋，達到了預期效果。

[1]電鏟實用技術指南 ．2005,（4）12．

[2]英若采主編．熔焊原理及金屬材料焊接，第2版[M]．北京：機械工業出版社．