大長軸斷裂焊接修復工藝

姚勇，劉志彬

中車石家莊車輛有限公司 河北石家莊 051430

1 序言

我公司鐵路貨車檢修用車的架車機傳動軸在使用過程中出現斷裂，如圖1所示。

圖1 架車機傳動軸

該軸是非標軸，規格為φ105mm×1850mm，如圖2所示。由于無備用配件，且此軸材質為40Cr調質鋼，公司并無此種材料，所以決定進行焊接修復，以保證生產進度。同時，由于大型軸類的焊接材料需要臨時采購，且采購時間長或無相應的焊接材料[1]，故經常導致不能修復。此外，大長軸斷裂的焊接接頭為環形或X形坡口，如果焊后不進行熱處理，則達不到強度要求，且易造成接頭脆化，導致修復失敗。因此，應改進焊接方式，才能達到較好的效果，保證一次性修復成功。最終采用一種新的銷軸連接焊接方式和外側采用V形坡口進行焊接，順利完成了大長軸斷裂的焊接修復。

圖2 架車機傳動軸斷裂示意

2 焊接難點及改進方向

2.1 焊接難點

1）該軸材質為40Cr鋼，焊接工藝較復雜，焊接質量要求高，對焊工的技能要求也高，且不能保證一次修復就能成功，易耽誤生產進度。另外，焊接接頭內應力較大，容易產生裂紋及較大的焊接變形[2]。

2）當斷裂處采用環形坡口時，焊縫為環形對接。由于焊接轉動操作困難，容易出現焊接缺陷，因此對焊接人員技能要求高；焊接內應力較大，在焊接結構中易出現裂紋和變形，導致同軸度超差，且軸越長同軸度超差越嚴重[3]；焊縫需要調質處理，不能保證架車機傳動軸成功修復。

3）當斷裂處采用X形坡口時，焊縫為對接X形。因焊接填充速度快，焊接時間短，故角變形較大，同軸度不易保證；雖對焊接技能要求不高，加工、焊接簡單，但焊接內應較大，易存在焊縫中，從而引起裂紋和角變形，出現同軸度超差，且軸越長同軸度超差越嚴重；焊縫需要調質處理，不能保證架車機傳動軸成功修復[4]。

2.2 改進方向

采用一種新的銷軸連接焊接方式，如圖3所示。通過銷軸連接的同軸度控制焊接內應力，防止變形；通過定位銷保證軸在旋轉過程中抵抗扭力；采用新的焊接工藝，既滿足焊接接頭達到一定強度，又減少焊縫填充量，降低焊縫內應力，防止開裂，最終實現斷裂軸的焊接修復。

圖3 銷軸連接焊接方式

3 連接方式的設計及焊接操作方法

將兩個斷件接觸部位中心打孔（見圖4、圖5），保證斷件內孔直徑為軸直徑的3/5，孔深度為軸直徑的0.5～0.75倍。制作定位軸，保證與孔徑之間的公差≤0.02mm，在定位軸上加工定位銷孔，兩定位銷孔呈十字交叉，如圖6所示。定位銷直徑尺寸為定位軸直徑的一半，長度小于斷件直徑，如圖7所示。

圖4 斷件1

圖5 斷件2

圖6 定位軸

圖7 定位銷

具體焊接工藝如下。

1）將斷件、定位軸和定位銷組裝在一起，如圖8所示。

圖8 組裝示意

2）用大號氣焊槍對焊接位置預熱，預熱溫度不宜過高，200～300℃即可。采用J507焊條或可保證熔敷金屬的成分與母材基本相同的J107-Cr[5]焊條，焊條直徑為3.2mm。焊條應嚴格執行烘干要求， 200～300℃烘干2h。進行定位焊時，設定焊接電流為100A，焊點要長一些。先焊接定位銷，再焊接對接焊縫，如圖9所示。對接焊縫焊接完成后，再將定位銷滿焊。

圖9 焊接實例

3）對接焊縫采用多層多道焊、較大熱輸入，并適當提高預熱溫度。一般預熱及層間溫度可控制為250～300℃，以減緩焊縫及熱影響區的冷卻速度，防止產生淬硬組織[6]。

4）每層采用短弧焊，焊條作小劃圈擺動。焊接電流為85～105A。收弧要慢，弧坑要填滿。每焊完一道要認真清理焊渣，檢查無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷后，再焊接下一道。

5）每層焊道接頭之間要錯開30mm以上。整個施焊過程中均為連續焊接，不得中斷，表面焊縫不得咬邊，要高出主軸平面2～3mm，以保證加工后的使用強度和表面粗糙度達到要求。

6）焊后應及時進行調質處理。若有困難，可進行中間退火或在高于預熱溫度下保溫一段時間，以排除擴散氫并軟化組織。對結構復雜、焊縫較多的產品，可在焊完一定數量的焊縫后，進行一次中間退火[7]。焊后立即用大號氣焊槍將接頭位置加熱到400℃以上。為了降低冷卻速度，在北方氣溫較低的環境下可采用石棉保溫隨室溫冷卻。

7）40Cr圓鋼焊接注意事項：①焊接時不要在主軸接頭焊縫外側引弧和熄弧。另外，可用石棉對非焊接位置進行防護，防止飛濺。②焊接場所要設在室內，不要在通風處焊接，防止冷卻速度過快。

4 改進后的效果

采用銷軸連接焊接方式，成功地修復了雙層車的架車機傳動軸斷裂缺陷。使用一年后，經多次檢查均未發現裂紋和彎曲變形。之后采用這種新的銷軸連接焊接方式修復了十多根斷裂軸，經過跟蹤檢查證明效果良好。

5 結束語

采用銷軸連接焊接方式，較好地控制了焊接變形、減小了焊接內應力，保證同軸度，以及軸的連接強度，具有焊接時間短、操作簡便等優勢，對今后大長軸斷裂的焊接修復具有一定的借鑒作用。同時，也可根據軸的使用情況，應用異種材質進行連接，達到降低成本的目的。