特大型圓錐滾子軸承支柱保持架氬弧焊接技術

林國福，褚翠霞，姬曉飛，陳相東，郭新

（洛陽LYC軸承有限公司 航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

特大型圓錐滾子軸承保持架主要有沖壓保持架和支柱焊接保持架兩類。沖壓保持架加工工藝［1］過程需要大量模具，沖壓設備調整比較復雜，首次投入生產成本高，致使其產品價格較高；而且相同尺寸的特大型圓錐滾子軸承，采用沖壓保持架時的滾子數量較采用支柱焊接保持架時的滾子數量少，軸承承載能力降低。因此，受成本和使用工況限制，對于小批量、專用的特大型圓錐滾子軸承通常選用支柱焊接保持架。支柱焊接保持架由金屬車削保持架圈和支柱相連焊接而成，支柱焊接技術十分關鍵。

1 特大型圓錐滾子軸承支柱保持架焊接現狀

特大型圓錐滾子軸承支柱焊接保持架結構如圖1所示，支柱穿過滾子，其螺紋一端旋入保持架大圈的螺紋孔內，另一端與保持架小圈的光孔連接，通過焊接成為一體。目前大型圓錐滾子支柱焊接保持架的焊接方式為普通電弧焊接，為保證焊接強度，電弧焊接的焊帽為圓形凸起，焊帽的高度e小于1.5 mm。焊帽不得有夾渣、焊瘤、氣孔等缺陷，表面光滑。但在電弧焊接過程中，為防止焊接區域被氧化，從而使用帶保護藥皮的422結構鋼電焊焊條，保護藥皮會產生大量焊渣，焊渣容易飛濺到滾子和滾道內，并粘附在滾子和滾道上，很難將其清理干凈。即使在焊接時使用石棉繩進行防護，依然無法有效防止焊渣進入滾道內。如果無法清理滾子與滾道內的焊渣，將會降低軸承的使用壽命。

圖1 圓錐滾子軸承結構圖Fig.1 Structure diagram of tapered roller bearing

隨著產品質量的不斷提高，特大型圓錐滾子軸承支柱焊接保持架選擇無焊渣飛濺的焊接方式替代電弧焊接，以確保焊接質量，是急需要解決的問題。

2 支柱氬弧焊接技術

氬弧焊接技術是在普通電弧焊接原理的基礎上，利用氬氣對金屬焊接進行保護，通過高電流使被焊接金屬和焊材達到冶金結合的一種焊接技術。氬弧焊接適用于金屬焊接，焊接坡口小，焊接需焊材少；操作簡單，焊接過程中有惰性氣體的保護，無焊渣飛濺，焊接后焊接部位容易清理，焊接部位的質量和外觀較好。但所需的焊接電流較高，焊接速度比較快。

目前氬弧焊接技術比較成熟，應用領域也比較廣泛，但氬弧焊接很少應用在軸承制造領域。氬弧焊接特大型圓錐滾子軸承保持架支柱時，選用氬弧焊機YC－630BC，其最大焊接電流為630 A。氬弧焊接填入焊絲相對電弧焊接少，因此需將支柱長度和保持架小圈的坡口進行改進（圖2），支柱高出保持架小圈h由原來的1 mm增加為2 mm，因此支柱長度增加1 mm。保持架小圈通孔的倒角c×α由原來的5 mm×90°優化為3 mm×45°，從而減小焊接坡口，使支柱和保持架形成的焊接坡口能夠滿足氬弧焊接要求。

圖2 氬弧焊接工藝尺寸改進圖Fig.2 Improvement diagram of dimension of argon arc welding process

特大型圓錐滾子軸承支柱氬弧焊接采用直流TIG（非熔化極氣體保護電弧焊）焊接方式，屬于電流正接法，鎢極為負極，產生熱量小，鎢極伸出噴嘴的長度為3～5 mm。在焊接支柱φ10.5 mm特大型圓錐滾子軸承時，選擇氬弧焊接鎢極直徑為4.0 mm，焊絲選用與支柱材料相似的中碳鋼，焊絲直徑為4.5 mm；焊接電流選用360 A，焊接氬氣留量為10 L／min，焊接時滯后停氣3～7 s。依據焊接參數調整YC－630BC氬弧焊機，焊接鎢極直接熔化支柱和保持架倒角，形成焊接熔池，并根據焊帽的高度和質量確定填入氬弧焊絲的多少。

特大型圓錐滾子軸承支柱采取氬弧焊接工藝后的焊帽如圖3所示，焊接過程無焊渣飛濺，焊接后清理容易；焊帽的外觀質量能夠滿足設計要求，較普通電弧焊接的焊帽更加規則。

圖3 氬弧焊接焊帽Fig.3 Welding cap of argon arc welding

3 支柱焊接驗證

為驗證普通電弧焊接和氬弧焊接支柱的抗拉強度，將φ10.5 mm的支柱按照焊接工藝要求放入對應的保持架小圈通孔中，分別使用電弧焊接和氬弧焊接各制作4個試件，試件編號為SJ－1，SJ－2，SJ－3，SJ－4。設計制作工裝，使試件能夠在拉力機上進行抗拉試驗，以試件拉脫焊為止，記錄拉力數值，試驗檢測結果見表1。

表1 拉力試驗檢測結果Tab.1 Testing results of tensile test kN

由表可知，氬弧焊接的抗拉強度與電弧焊接相當，軸承支柱焊接保持架的焊接方式完全可以使用氬弧焊接取代電弧焊接。

4 支柱氬弧焊焊帽質量的無損檢測

目前軸承行業廣泛使用超聲檢測（UT）的方法來檢測材料內部的裂紋、夾渣、針孔等缺陷，被檢測表面要求光滑平整；使用磁粉檢測（MT）的方法來檢測零件表面裂紋、夾渣等缺陷，被檢測零件需要充磁。

結合特大型支柱氬弧焊接焊帽的特點，超聲和磁粉檢測焊帽的內部和表面缺陷是無法實現的，因此必須探索其他的無損檢測方法。在常用的無損檢測方法中渦流檢測（ET）主要檢測軸類、管件類等材料的內部缺陷，而射線檢測（RT）可以檢測材料內部的氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、熔合不足等內部缺陷，且對表面平整度沒有要求。滲透檢測（PT）可以檢測零件表面的裂紋、夾渣等缺陷，無需對被檢測零件充磁。

綜上，支柱氬弧焊接焊帽的內部缺陷的無損檢測可采用射線檢測，表面缺陷的無損檢測可以采用滲透檢測。

5 結束語

通過對特大型圓錐滾子軸承支柱焊接技術的研究，改進了支柱和保持架小圈孔的倒角設計，探索了支柱氬弧焊接工藝，通過對支柱保持架電弧焊接和氬弧焊接抗拉強度的對比表明，氬弧焊接能夠滿足支柱焊接的強度需要。特大型圓錐滾子軸承支柱保持架采用氬弧焊接不僅解決了焊渣進入滾道內部的問題，也提高了軸承焊接質量和使用壽命，具有良好的推廣應用價值。