李博　王紅梅等

1.損壞情況

由于1次操作失誤，致使我港口1臺(tái)斗輪式堆取料機(jī)斗輪旋轉(zhuǎn)減速齒輪副損壞，其齒輪軸的1個(gè)輪齒出現(xiàn)了嚴(yán)重塑性變形，部分輪齒斷裂，如圖1所示。

如果更換新的齒輪軸，加工制作周期需要4個(gè)多月時(shí)間，而且要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)元資金。經(jīng)有關(guān)技術(shù)人員研究論證，決定采用補(bǔ)焊方法修復(fù)齒輪軸斷齒，這樣可縮短修理周期，還可降低修理成本。

2.可焊性分析

（1）結(jié)構(gòu)

通過(guò)查閱該斗輪式堆取料機(jī)說(shuō)明書得知，該齒輪軸齒數(shù)為26，模數(shù)為30，齒厚為47mm，輪齒部分長(zhǎng)度為520mm。輪齒較大，比較適合焊接。

（2）焊接性能分析

齒輪軸材質(zhì)為40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。該材料具有較好的淬透性和較高回火穩(wěn)定性，淬火、回火處理后的綜合力學(xué)性能較好，其屈服強(qiáng)度ReL≥690MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥790MPa。

依據(jù)美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(AWS)焊接碳當(dāng)量公式得知，40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量CE可用下式計(jì)算：CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2

式中：CE——碳當(dāng)量，%；

C——碳含量，0.37%～0.45%；

Mn——錳含量，0.90%～1.20%；

Si——硅含量，0.17%～0.37%；

Ni——鎳含量，0%；

Cr——鉻含量，0.90%～1.20%；

Mo——鉬含量，0.20%～0.30%；

Cu——銅含量，0%；

P——磷含量，0%。

經(jīng)計(jì)算，40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量CE為0.76%～0.98%，按照美國(guó)焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，該材料為較難焊接的金屬材料。其較高的合金量增加了焊縫碳當(dāng)量，多種合金元素使結(jié)晶溫度范圍變寬，合金元素有偏析傾向，具有產(chǎn)生熱裂紋的可能。施焊時(shí)在焊接熱影響區(qū)容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，在焊縫淬硬區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋的可能。

經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生焊接裂紋的內(nèi)因是材料本身的合金成分，外因是焊縫結(jié)構(gòu)、焊接工藝及焊接環(huán)境等。為避免產(chǎn)生裂紋，在制定焊接工藝時(shí)，我們選擇了低碳焊材，設(shè)計(jì)了合理的焊接工藝，并采用焊后熱處理方法，以消除焊縫裂紋。

3.修復(fù)工藝

（1）修復(fù)方法

為了保證補(bǔ)焊后輪齒的力學(xué)性能，提高齒輪軸的使用壽命，針對(duì)40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼焊接性較差的特點(diǎn)，我們選擇以下4項(xiàng)修復(fù)方法：一是采用螺栓鑲齒加焊接方法，這樣修復(fù)的輪齒在工作時(shí)所受的載荷大部分由螺栓承受，大大減輕焊縫的受力；二是采用CO2氣體保護(hù)焊，防止產(chǎn)生熱裂紋；三是選用含碳量低于0.12%焊絲，控制焊縫的含碳量；四是采取緩慢冷卻和焊后熱處理等辦法降低鋼材的淬硬傾向，防止焊縫冷卻時(shí)產(chǎn)生裂紋。

（2）選擇焊絲和保護(hù)氣體

根據(jù)焊縫與母材等強(qiáng)原則，兼顧40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的可焊性，選擇天津法奧迪焊材貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的ER80-G高強(qiáng)度氣體保護(hù)焊絲。該焊絲已廣泛應(yīng)用于焊接抗拉強(qiáng)度為790MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)件。保護(hù)氣體選用80%的Ar氣和20%的CO2氣組成的混合氣體。該焊絲和保護(hù)氣體可使焊接電弧柔和、燃燒穩(wěn)定、飛濺較少，焊縫低溫沖擊韌性高。ER80-G高強(qiáng)度氣體保護(hù)焊絲化學(xué)成分及焊后熔敷金屬的化學(xué)成分如表2所示。焊接后熔敷金屬抗拉強(qiáng)度Rm≥790MPa，屈服強(qiáng)度（ReL或Rp0）≥690MPa，延伸率A≥17%，-20℃的沖擊韌性KV2≥27J。

（3）選擇電焊機(jī)

采用上海正博焊接機(jī)有限公司生產(chǎn)的NBC-500IT型CO2氣體保護(hù)逆變電焊機(jī)，其特點(diǎn)是動(dòng)特性好、電弧穩(wěn)定、飛濺小、電弧穿透力強(qiáng)、熔池深、焊縫成形美觀。

4.實(shí)施修復(fù)

（1）準(zhǔn)備工作

清理為了保證焊接質(zhì)量，防止焊接操作時(shí)產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，進(jìn)行了以下清理：首先，將齒輪軸上的泥土、油污等清理干凈；其次，將變形及損壞的輪齒切除，用磨光機(jī)將參差不齊的斷面打磨平整、光滑，露出金屬光澤；Z后，用棉紗蘸酒精或汽油反復(fù)擦拭斷齒部位，使斷齒部位清潔干燥。

鉆孔沿?cái)帻X的齒寬方向劃線鉆孔，加工出8個(gè)Ｍ25螺孔，孔深為齒根圓以下40mm。

加工單頭螺栓選用材質(zhì)為40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，用CA6140型普通車床加工出8條M25單頭螺栓，將制作好的單頭螺栓安裝在螺孔內(nèi)形成“栽絲”，如圖2所示。

制作輪齒按照齒輪軸實(shí)際磨損量測(cè)量輪齒的齒形、齒廓的幾何尺寸，繪制加工輪?的零件圖，選用材質(zhì)為40CrMnMo調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼制作輪齒。制作時(shí)注意以下2點(diǎn)：一是在輪齒下部左、右兩側(cè)邊緣開(kāi)坡口，坡口角度為45o；二是在輪齒上加工出“栽絲孔”，個(gè)“栽絲孔”距輪齒的端部50mm，孔與孔中心距為60mm。為使輪齒安裝定位調(diào)整方便，孔徑為26mm。輪齒和栽絲孔可在立式數(shù)控銑床上進(jìn)行銑削加工，以保證輪齒加工精度。輪齒外形如圖3所示。

（2）安裝輪齒

為了確保齒輪修補(bǔ)后的傳動(dòng)精度，按照齒輪軸現(xiàn)有輪齒外形制作輪齒定位樣板，按照輪齒定位樣板安裝輪齒，并用栽絲固定。安裝完成后，使用齒輪測(cè)量?jī)x嚴(yán)格控制輪齒定位精度。檢測(cè)定位合格后，方可點(diǎn)焊固定。Z后再用氣體保護(hù)焊在栽絲孔處對(duì)輪齒進(jìn)行塞焊，如圖4所示。

（3）焊接

為了縮小焊縫與工件之間的溫差，焊前將坡口周圍預(yù)熱，預(yù)熱方式采用了紅外線加熱器進(jìn)行加熱，加熱溫度控制在250～350℃之間，以降低產(chǎn)生焊接應(yīng)力及冷裂紋傾向。焊接時(shí)使齒輪軸的軸線處于垂直狀態(tài)，采用立焊方法焊接，由上向下施焊，這樣有利于降低熔深，減小焊縫金屬的熔合比，有效控制母材的碳及合金元素等溶入焊縫。

由2名焊工在左、右兩側(cè)對(duì)稱施焊，盡量連續(xù)焊接。焊接時(shí)采用小熱量輸入、多層、多道焊接，盡量縮短各層焊縫焊接的間隔時(shí)間，焊縫層間溫度控制在300℃左右。焊縫的引弧、收弧處盡量錯(cuò)開(kāi)，收弧必須填滿弧坑。焊后檢查每層焊道，若產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，應(yīng)清除干凈后再進(jìn)行焊接。

為消除焊接應(yīng)力，每層焊縫施焊后用圓角為1.4～1.9mm的小錘沿焊道敲擊，錘擊時(shí)相隔焊道的敲擊走向Z好相反。

（4）焊后熱處理

焊后先將齒輪軸補(bǔ)焊區(qū)及其周圍200mm范圍均勻加熱到500～600℃，以消除焊接應(yīng)力，再用石棉布纏繞齒輪軸多層，使齒輪軸緩慢冷卻，以防產(chǎn)生冷裂紋。

（5）修整

輪齒焊接完畢待完全冷卻后，先用角向磨光機(jī)對(duì)輪齒的焊縫進(jìn)行修磨，再使用銼刀修整至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，然后用刮刀刮削齒面，提高輪齒接觸精度。修磨時(shí)用自制的輪齒定位樣板檢驗(yàn)，Z后用齒輪軸與大齒輪旋轉(zhuǎn)嚙合，檢查輪齒側(cè)隙，使輪齒外形達(dá)到規(guī)定的要求。

5.修復(fù)效果

采用以上焊接修補(bǔ)工藝后，檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，達(dá)到預(yù)期的焊接質(zhì)量。用此方法補(bǔ)焊的齒輪軸，已經(jīng)使用2年多，補(bǔ)焊的輪齒未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象。實(shí)踐證明用該工藝修復(fù)斷裂輪齒，操作簡(jiǎn)單、省時(shí)、省力，能獲得較高補(bǔ)焊質(zhì)量，該工藝可降低修復(fù)成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

本文來(lái)自《工程機(jī)械與維修》2017第7期