42CrMo合金鋼齒輪焊接工藝的制定

張英姿，郭文沖，高 達(dá)

（江蘇淮陰船用機械有限公司，江蘇 淮陰 223005）

前言

齒輪作為機械傳動的重要零部件，在各種傳動機構(gòu)中均有著非常廣泛的應(yīng)用。中硬齒面減速機因其具有體積小、傳動比大、承載功率高等特點，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。42CrMo合金鋼齒輪因具有較好的力學(xué)性能，在中硬齒面減速機中應(yīng)用很廣。

42CrMo材質(zhì)的齒輪多以鍛造形式生產(chǎn)齒坯，但在生產(chǎn)大直徑鍛造齒輪時，由于其材料利用率低，加工工作量大，生產(chǎn)周期長等不足，很大程度上也制約了合金鋼齒輪的應(yīng)用。相比較而言，焊接式齒輪結(jié)構(gòu)更顯示出經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢。因42CrMo屬于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，碳當(dāng)量較高，可焊接性能差的特點，制約了齒輪由鍛造式向焊接式的發(fā)展。

為在生產(chǎn)合金鋼焊接齒輪時盡可能節(jié)約成本及縮短生產(chǎn)周期，我們現(xiàn)對齒輪結(jié)構(gòu)及材料可焊性進(jìn)行分析，提出一種經(jīng)濟(jì)適用的硬齒面齒輪焊接工藝方法，并經(jīng)實際加工制造，成功應(yīng)用于大型電動起錨機中。

1 齒輪結(jié)構(gòu)及材質(zhì)焊接性能分析

1.1 齒輪結(jié)構(gòu)分析

圖1齒輪結(jié)構(gòu)圖顯示該齒輪為雙腹板型、焊接式齒輪。齒圈材質(zhì)為42CrMo，腹板材質(zhì)為A32，輪轂材質(zhì)為ZG310－570，工藝孔材質(zhì)為Q235－A鋼管。整體形成一個具有重量較輕、外觀齊整、內(nèi)腔免維護(hù)型箱式結(jié)構(gòu)。因該結(jié)構(gòu)為異種鋼焊接，導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)均不一樣，故可知該結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時具有拘束度大、材料焊接性能差等不足。

圖1 齒輪結(jié)構(gòu)圖

1.2 材質(zhì)焊接性能分析

1.2.1 42CrMo及ZG310－570焊接性能分析

表1 42CrMo及ZG310－570焊接性能分析

根據(jù)碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗公式：

從表1可知：42CrMo及 ZG310－570的碳當(dāng)量[C]當(dāng)量均大于0.4%，說明其鋼塑性極低，淬硬傾向很大，熱影響區(qū)易產(chǎn)生低塑性淬硬組織，Ms點低，在焊縫淬火區(qū)易產(chǎn)生大量馬氏體組織，導(dǎo)致嚴(yán)重冷裂傾向。工件越厚，淬硬傾向也愈大。為防止產(chǎn)生冷裂現(xiàn)象的發(fā)生，除應(yīng)選用高韌性低氫焊絲外，還應(yīng)以較高的焊前預(yù)熱及緊急焊后退火處理等工藝措施才能達(dá)到合格的焊接質(zhì)量。

1.2.2 A32及Q235－A焊接性能分析

A32屬于高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼，Q235－A為碳素結(jié)構(gòu)鋼，兩者含碳量均較低，為常用結(jié)構(gòu)用鋼，具有良好的焊接性能。本文對此不再贅述。

2 焊接工藝規(guī)程的制定

根據(jù)上述對幾種材質(zhì)的焊接性能分析可知，42CrMo與ZG310－570均需要焊前預(yù)熱及焊后退火，尤以42CrMo的要求更為苛刻，所以焊接預(yù)熱溫度及焊接材料均應(yīng)以42CrMo為準(zhǔn)。為防止冷裂現(xiàn)象及獲得理想層間溫度，我們設(shè)定按 400℃焊接預(yù)熱溫度，在熱處理車間井式加熱爐中進(jìn)行加熱。

2.1 焊接方法的選擇

針對具體零部件，焊接方法可以選擇焊條電弧焊或CO2氣體保護(hù)焊?？紤]到焊接質(zhì)量控制及施焊操作情況考慮，選用CO2氣體保護(hù)焊工藝。氣體要求選用優(yōu)等級工業(yè)純CO2作為保護(hù)氣，其純度為 99.9%，露點在－40 ℃以下，雜質(zhì)含量＜0.02%，水分＜0.005ml/L。有條件的情況下，也可選擇20%Ar＋80% CO2混合氣，可以減少熔深，防止合金元素稀釋和碳遷移，增加成型性能，減少飛濺及清理時間。

2.2 焊接材料的選擇

根據(jù)齒輪材料焊接性能，結(jié)合產(chǎn)生冷裂紋傾向大的特點，過渡層焊接材料選用H08Mn2SiA，焊絲直徑Φ1.2 mm。此焊絲屬于常用品種，且焊絲中具有一定的合金元素，在使用CO2氣體保護(hù)焊時能夠較好地起脫氧作用，有利于焊接質(zhì)量的提高。

2.3 施焊工藝的制定

第一，嚴(yán)格清理工件表面油污鐵屑等雜物。

第二，將工件拼裝點焊連接，先行將鋼管與腹板焊接完成，然后將工件放入加熱爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度300 ℃，升溫速度90～105 ℃/h，保溫時間2 h。

第三，采用直流反接、多層多道方法，對輪轂與腹板單面施焊，完成后調(diào)面焊接。具體施焊步驟及參數(shù)見表2。

第四，上述工序完成后，將工件放入加熱爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400 ℃，升溫速度90～105 ℃/h，保溫時間2 h。

第五，取出工件，采用直流反接、多層多道方法，對齒圈與腹板單面施焊，完成后調(diào)面焊接。

第六，焊后緊急退火去應(yīng)力處理。將工件放入 300℃井式爐中，升溫至600～650℃，升溫速度90～105℃/h，保溫6 h，隨爐冷卻至150℃后取出空冷。

表2 焊接參數(shù)及步驟

3 焊接過程中注意事項

第一，控制好焊前預(yù)熱溫度及焊接層間溫度。根據(jù)工件情況，采用多人同時對稱施焊，焊接時對前一段焊道錘擊去應(yīng)力。

第二，在齒圈與腹板的施焊過程中可采用履帶式加熱器對齒圈部進(jìn)行保溫，進(jìn)行不中斷、連續(xù)焊接，并盡可能縮短各層焊縫的焊接間隔。選用紅外測溫儀，對工件溫度進(jìn)行多次測控，控制溫度在320±30 ℃范圍。

第三，嚴(yán)格控制焊后退火溫度與時間。

第四，退火后對焊接表面進(jìn)行磁粉探傷檢查或其他無損檢測，檢查合格后轉(zhuǎn)機加工。

第五，注意焊接時焊工自身防護(hù)措施，避免不必要的灼傷事故發(fā)生。

4 結(jié)束語

第一，42CrMo合金鋼與ZG310－570的焊接性能都比較差，與易焊接的A32船板組合焊接在齒輪設(shè)計制造中較少見，但在解決制約其應(yīng)用的焊接工藝后可以預(yù)見，其具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。

第二，選擇合適的預(yù)熱溫度，控制焊接過程中的層間溫度，選用合格的焊接材料，正確運用焊接技術(shù)，采取焊后熱處理，可獲得滿意的焊接接頭質(zhì)量。

第三，該焊接工藝亦可以推廣至其他異種鋼焊接。

[1]王宏正，于洪照，崔凱，等.42CrMo合金鋼齒輪的焊接[J].焊接，2001（11）：36－37.

[2]于連康，張靜.42CrMo合金鋼齒輪的焊接[J].金屬加工（熱加工），2011（12）：60－61.

[3]朱張校，鄭新明.工程材料[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]李亞江，張永喜，王娟，等.焊接修復(fù)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]中國機械工程學(xué)會.焊工手冊——手工焊接與切割（3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.