齒輪類零件電子束焊接的質(zhì)量控制

■郝豐林，陳正國，羅聰

電子束焊接在汽車行業(yè)用于變速箱齒輪零件的焊接已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是由于許多企業(yè)沒有專門的電子束焊接工程師，冷加工工藝人員、部分熱處理工程師對(duì)電子束焊接齒輪的特點(diǎn)及焊接工藝了解較少，操作工沒有按照要求的焊接規(guī)范進(jìn)行操作，焊接過程控制不當(dāng)，在電子束焊接的應(yīng)用過程中不同程度上遇到一些焊接質(zhì)量問題，如齒圈焊后翹曲、脫焊、焊接裂紋等問題，給企業(yè)造成巨大損失。由此，造成工藝人員對(duì)電子束焊接產(chǎn)品的恐懼，談“焊”色變。

齒輪類零件一般都選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼作為原材料，因此材料的成分不同、熱處理狀態(tài)不同，其焊接性就有明顯差異。影響焊接的因素是化學(xué)成分，主要指鋼材的碳含量與碳當(dāng)量，還有硫、磷等雜質(zhì)對(duì)焊接影響很大。

1. 鋼材的碳含量與碳當(dāng)量

鋼的含碳量高，可促進(jìn)S、P等雜質(zhì)在焊縫中形成低熔點(diǎn)的共晶物質(zhì)，加大熱裂敏感性；同時(shí)較高的含碳量增加了材料的淬硬性，使鋼材的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，加大了冷裂的趨勢(shì)。因此，隨著含碳量的提高，焊接性明顯下降。在合金結(jié)構(gòu)鋼中除了碳之外，其他的合金元素如Mn、Ni、Cr、Mo、V、Cu、Si等，對(duì)材料的力學(xué)性能及焊接性都有不同程度的影響。為了評(píng)估鋼材的焊接性，將各種元素按其對(duì)鋼材淬硬、冷裂及脆化等現(xiàn)象的影響作用大小折算成碳的相當(dāng)含量，稱為碳當(dāng)量。其中以國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）所推薦的CE和JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的Ceq應(yīng)用較為廣泛。

作為判斷鋼材焊接性的依據(jù)，碳當(dāng)量值越高，焊縫及熱影響區(qū)就越容易產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為材料碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，鋼材的焊接性良好，一般不需要預(yù)熱和嚴(yán)格控制熱輸入；而當(dāng)材料碳當(dāng)量大于0.4%時(shí)，為了避免出現(xiàn)裂紋，就需要采取較嚴(yán)格的工藝措施，如預(yù)熱、緩冷、嚴(yán)格控制熱輸入。

2. 鋼中S、P等雜質(zhì)的含量

從金屬結(jié)晶理論可知，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多并富集在晶界，由S、P等雜質(zhì)所形成的低熔點(diǎn)物質(zhì)被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態(tài)薄膜”，此時(shí)如果焊縫受到拉應(yīng)力，則在此部位極易產(chǎn)生開裂。因此，我們認(rèn)為由于S、P等元素形成的低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)在因素，還有焊縫組織受到足夠的拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件，焊縫形狀的不同，將直接影響接頭的受力狀態(tài)。對(duì)于熔深寬比大的電子束焊縫，由于其所承受的焊接殘余應(yīng)力正好作用在焊縫柱狀晶粒交遇的結(jié)晶面上，而該位置正是低熔點(diǎn)的雜質(zhì)富集，晶粒之間聯(lián)系較差的部位，因而極易在此引起結(jié)晶裂紋。由此可見，由于電子束焊縫的形狀特點(diǎn)使其產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能性大大增加，對(duì)于焊接齒輪又是關(guān)鍵部件，為提高焊縫的抗裂性能，只有嚴(yán)格控制被焊鋼材的S、P等雜質(zhì)的含量，根據(jù)國外有關(guān)資料介紹，當(dāng)碳含量超過0.03%時(shí)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），S、P兩種元素的含量之和應(yīng)嚴(yán)格控制在0.02%之內(nèi)。但是事實(shí)上焊接材料采用的鋼材技術(shù)要求，WP≤0.03%、WS≤0.03%，就是說在極限狀態(tài)下WP+S≤0.03%+0.03%=0.06%，產(chǎn)品焊接后也沒有出現(xiàn)問題。

我公司為某汽車廠開發(fā)了一款變速器產(chǎn)品，圖樣要求齒輪的材料是TL4521，齒環(huán)的材料是TL4227。開發(fā)時(shí)由于是新產(chǎn)品，鍛造分廠下料人員沒有仔細(xì)看要求，把齒環(huán)的材料也按TL4521鍛造。不同品種的齒輪要求不同，有熱前焊接的，也有要求熱后焊接的。

（1）初次試制 熱前焊接的產(chǎn)品沒有出現(xiàn)問題，但是熱后焊接的產(chǎn)品出現(xiàn)了裂紋（冷裂紋）。我們通過熱前預(yù)熱，焊后緩冷（預(yù)熱溫度、緩冷溫度低于回火溫度）的工藝，這樣焊接的齒輪沒有出現(xiàn)裂紋。

（2）第二次試制產(chǎn)品 熱前焊接就出現(xiàn)了裂紋。我們對(duì)第一次試制時(shí)保留的產(chǎn)品金相進(jìn)行分析（見圖1、圖2、圖3），對(duì)于第二次試制產(chǎn)品的金相進(jìn)行分析（見圖4、圖5、圖6、圖7）。通過圖7可以看出產(chǎn)品明顯是沿流線裂紋。

這兩次產(chǎn)品試制采用的是同一爐號(hào)的鋼材，焊接工藝沒有變化，只有正火金相有區(qū)別。因此，我們認(rèn)為對(duì)于已經(jīng)做好的齒輪齒環(huán)重新采用真空正火，然后再焊接。金相見圖8、圖9、圖1 0，這次焊接沒有出現(xiàn)熱裂紋（主要原因可能是清潔度問題、焊接工藝造成的，但這個(gè)通過焊接工藝優(yōu)化，加強(qiáng)過程控制，可以避免）。

因?yàn)槠渌蠛附拥漠a(chǎn)品沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，于是我們對(duì)TL4521的化學(xué)成分進(jìn)行分析（見表1）。

圖1 （第一次）左側(cè)齒部（100×）

圖2 （第一次）右側(cè)齒環(huán)（100×）

圖3 焊接部位（第一次）（500×）

圖4 焊接部位裂紋（第二次）（200×）

圖5 右側(cè)齒部（第二次）（100×）

圖7 焊接裂紋部位（第二次）（100×）

圖9 齒環(huán)980℃真空正火（100×）

圖6 左側(cè)齒環(huán)（第二次）（100×）

圖8 齒輪980℃真空正火（100×）

圖10 焊接部位（100×）（U形裂紋）

齒環(huán)的材料采用直徑40mm的圓鋼，齒輪采用7 0mm的圓鋼。

齒環(huán)WP+S=0.025%+0.009% =0.0259%

齒輪WP+S=0.028%+0.009% =0.0289%

齒輪+齒環(huán)WP+S= 0.0259%+ 0.0289%=0.0548%

根據(jù)材料的合金元素計(jì)算碳當(dāng)量

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的碳當(dāng)量大于0.4%，應(yīng)該對(duì)產(chǎn)品焊接工藝進(jìn)行控制。但是產(chǎn)品出現(xiàn)熱裂紋，就是調(diào)整工藝也很難避免。我們認(rèn)為這個(gè)產(chǎn)品主機(jī)廠已經(jīng)試制成功，并且批量生產(chǎn)好多年，是否我們采購的材料不符合圖樣要求，或說圖樣對(duì)于產(chǎn)品焊接有什么特殊要求。于是我們對(duì)產(chǎn)品圖樣進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)齒環(huán)材料圖樣要求是TL4227，根據(jù)我們以往的概念，齒環(huán)、齒輪應(yīng)該采用同一種材料，而不是兩種材料。TL4227的化學(xué)成分見表2。

我們根據(jù)化學(xué)成分分析，其類似于16Mn Cr 5的材料，Mn的含量很高。TL4521+TL4227焊接就不出現(xiàn)裂紋嗎？我們認(rèn)為只要分析焊接裂紋處的微區(qū)成分就可以找出原因。于是我們又委托某大學(xué)對(duì)裂紋處的成分采用掃描電鏡分析，分析結(jié)果：焊接區(qū)域化學(xué)成分不均勻。微區(qū)中硫的含量是基體的0.32/0.028=11.43倍；碳的含量是基體的58.73/0.18=326.3倍。

由于基體部位碳、硫含量嚴(yán)重超標(biāo)，造成在此形成熱裂紋。但是要弱化硫的影響采用含高M(jìn)n的材料，恰好TL4227就是這種材料，這樣在焊接的過程中形成Mn S，而Mn S的熔點(diǎn)為1610℃，Ni S的熔點(diǎn)為797℃，F(xiàn)e S的熔點(diǎn)為985℃。有資料認(rèn)為Mn/S的比值大于40最好，這樣焊接時(shí)由于Mn的存在，與S結(jié)合形成Mn S，這樣可以保證不再出現(xiàn)熱裂紋。

TL4521：Mn/S=0.72/0.028 =25.7倍

TL4227：Mn/S=1.25/0.028 =44.6倍

材料微區(qū)含碳量嚴(yán)重超標(biāo)，主要由于TL4521材料合金元素含量很高，合金元素沿軋制方向偏析形成帶狀組織，通常鋼液在冷卻凝固過程中以枝狀晶的方式長(zhǎng)大，在不同時(shí)期凝固的晶內(nèi)和枝晶間的化學(xué)成分不均勻，存在合金元素偏析。帶狀組織分一次帶狀和二次帶狀之分。合金元素的帶狀偏析會(huì)造成碳元素的條帶狀偏析，不同條塊區(qū)域的相變溫度就存在差異，在熱處理或加工后的冷卻過程中，先共析鐵素體優(yōu)先在碳含量低、Ar3高的位置析出，同時(shí)向相鄰區(qū)奧氏體中排出碳，進(jìn)一步造成碳的不均勻分布。這個(gè)過程在奧氏體化的冷卻過程中發(fā)生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變?cè)匠浞?，碳元素分布越不均勻。由于這幾種原因造成微區(qū)含碳量嚴(yán)重超標(biāo)。

于是我們按照?qǐng)D樣要求，對(duì)齒環(huán)材料進(jìn)行更換，對(duì)齒坯正火金相嚴(yán)格控制，采用上限溫度正火，延長(zhǎng)正火時(shí)間來改善正火后金相組織。后來的產(chǎn)品嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，焊前預(yù)熱焊后緩冷的工藝，所有產(chǎn)品沒有出現(xiàn)裂紋。焊接金相見圖11。

圖11 焊接部位（100×）

表1 TL4521化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 TL4227化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）