大型齒輪座下箱體焊接工藝

鐘俊林，陳雪飛，繆 輝

中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641301

0 前言

中車資陽機車有限公司承擔(dān)某大型齒輪座下箱體（簡稱“下箱體”）的焊接，其強度、剛度及加工精度直接影響齒輪的傳動精度、工作性能和使用壽命。下箱體主要由上蓋板、下底板、筒體及內(nèi)外筋板等部件組成，單件質(zhì)量達(dá)到6 t。下箱體筒體材料主要為厚度50～90 mm的Q235鋼板，材料厚度大，整體結(jié)構(gòu)剛性大。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要焊縫尺寸為雙面25HVa11，焊腳尺寸大，焊后殘余應(yīng)力和焊后變形較大，后續(xù)結(jié)構(gòu)加工的尺寸不易保證，若焊接工藝選擇不當(dāng)易產(chǎn)生層狀撕裂及冷裂紋。文中根據(jù)圓形結(jié)構(gòu)的焊接特點，通過結(jié)構(gòu)及焊接工藝分析，制定合理的焊接工藝措施，實施后取得了較好效果。

1 焊接工藝性分析

下箱體結(jié)構(gòu)（見圖1）主要由上蓋板（件3）、下底板（件23）、筒體（件12）、中內(nèi)板（件22）、內(nèi)板（件2）、下內(nèi)板（件21）、窺孔（件號1）、內(nèi)外筋板等組成。

圖1 齒輪座下箱體整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the lower case of the gearbox

焊接工藝制定主要考慮以下方面：

（1）下箱體材質(zhì)Q235碳當(dāng)量CE<0.4%，焊接性好，但材料厚度大，結(jié)構(gòu)主要板厚為50～90 mm，在軋制過程中母材軋層中存在大量非金屬夾雜物（偏析），筒體與底板、筒體與筋板以角焊縫和T型焊縫為主，由于多層角焊縫會產(chǎn)生過大的Z向應(yīng)力，易在熱影響區(qū)及母材區(qū)引起沿軋制方向發(fā)展的層狀撕裂[1]。

（2）下箱體為圓形箱體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)外筋板較多，焊縫分布密集（見圖2），部分焊縫（內(nèi)板與下內(nèi)板焊縫，筒體與上下蓋板焊縫內(nèi)側(cè)單V型焊縫、筒體內(nèi)筋板與筒體焊縫）焊接可達(dá)性差。且焊后結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力及焊縫殘余應(yīng)力較大，易產(chǎn)生冷裂紋。焊接工藝上需要控制焊接熱輸入及采取合理的焊接順序，減小焊接應(yīng)力[2]。

圖2 齒輪座下箱體主焊縫焊接Fig.2 Welding of the main weld of the lower case of the gearbox

（3）箱體焊縫長且多為全熔透焊縫，組焊過程中會有大量的焊接熱輸入，不可避免地產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力，影響加工精度[3]。

（4）齒輪箱體需要加工的部位較多，同時各加工部位留有大于10 mm的加工余量。在機械加工過程中，受切削力、切削熱帶來的殘余應(yīng)力影響，焊接式齒輪箱體的加工精度降低[4]。

（5）產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求高、控制難度大。

a.設(shè)計上要求所有焊縫焊后進(jìn)行磁粉探傷、煤油滲透，同時筒體與上蓋板、下底板及內(nèi)隔板之間焊縫根據(jù)GB/T 3559的Ⅱ級要求進(jìn)行超聲波探傷。

b.箱體內(nèi)外筋板較多，筒體環(huán)焊縫無法連續(xù)焊接，接頭較多，易產(chǎn)生焊接缺陷。筒體與上蓋板、下底板、筒體內(nèi)隔板為全熔透焊縫，焊縫坡口較深，采用氣體保護(hù)焊焊接焊縫根部時，焊絲干伸長度較長，電弧不穩(wěn)，焊縫根部易產(chǎn)生未熔合等缺陷。同時坡口尺寸大，易出現(xiàn)根部缺陷，無法滿足焊后超聲波探傷要求，焊縫返修難度大，返修量也大。

c.箱體內(nèi)部空間狹窄，部分焊縫可達(dá)性較差；焊前預(yù)熱溫度較高，焊接環(huán)境較差，勞動強度大。

2 工藝控制措施

（1）為減小焊接變形影響箱體焊后加工尺寸，對各部件下料尺寸放量，具體如表1所示。

表1 主要部件下料放量尺寸Table 1 Unloading dimensions of main component

（2）為減小結(jié)構(gòu)整體的拘束應(yīng)力及焊接變形，采用先分部件組裝焊接，調(diào)修合格后再總組裝焊接，使部件焊縫不影響結(jié)構(gòu)整體變形[5]。

（3）在保證焊縫的可達(dá)性、根部質(zhì)量的前提下，綜合考慮焊接變形分階段裝配，保證焊接的連續(xù)性。采用加胎位卡具或臨時支撐等措施，增加結(jié)構(gòu)焊接時的剛度，以減小焊接變形量[6]。制定合理的裝配順序以控制其焊接應(yīng)力及變形。

（4）采用低氫、較低熱輸入、較大熔深的焊接方法，防止焊接裂紋及保證焊縫根部焊透。

CO2氣體保護(hù)焊具有電流密度大、電弧能量集中的特點，與富氬氣體保護(hù)焊相比在相同條件下焊絲干伸長度較長，熔深更深，焊接熱影響區(qū)小，焊接變形小，其熱輸入較低，可減小焊接熱影響區(qū)的寬度。同時CO2焊具有低氫特性，焊縫中的擴散氫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低氫焊條，焊縫中產(chǎn)生白點和氫脆的可能性降低，可有效防止裂紋產(chǎn)生[7]。但其焊接飛濺較大，焊縫成形差。富氬氣體保護(hù)焊熔滴過渡形式為射流過渡，熔滴細(xì)小，焊接飛濺小，焊縫成形好[8]。因此，選用CO2氣體保護(hù)焊打底+填充將坡口填平，保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量；然后采用富氬氣體保護(hù)焊焊接焊縫a值部分，保證焊縫外觀成形。

（5）焊前預(yù)熱減小了焊接區(qū)的溫度梯度，擴大焊接區(qū)的溫度場，有利于減小和抑制淬硬組織的形成，降低焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力，防止產(chǎn)生冷裂紋[9]。焊前預(yù)熱溫度及層間溫度選擇：厚度38～65 mm，最低預(yù)熱溫度和層間溫度為110℃；厚度大于65 mm，最低預(yù)熱溫度和層間溫度為150℃。

（6）采用先內(nèi)后外的焊接順序，主要焊縫全部打底焊接完成后進(jìn)行填充、蓋面焊。

（7）在冷卻過程中錘擊焊縫，使焊縫表面的殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力[9]。

（8）焊后采用一次去應(yīng)力熱處理，待粗加工后再二次去應(yīng)力熱處理，減小焊接殘余應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的變形量，保證箱體的加工精度。

（9）筒體與上蓋板、下底板、中內(nèi)板焊縫采用二次超聲波探傷。即在CO2氣體保護(hù)焊焊接打底、填充完雙面單V型坡口后，進(jìn)行一次超聲波探傷，采用K2探頭一次反射法檢測焊縫根部及中部、下部，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷返修合格后，再采用富氬氣體保護(hù)焊進(jìn)行角焊縫填充及蓋面焊，焊后進(jìn)行二次超聲波探傷，采用K2探頭二次反射法檢測焊縫近表面缺陷。同時采用直探頭在上蓋板、下底板正面（焊縫反面）檢測T型接頭底部母材處是否有層狀撕裂，如圖3所示。

圖3 超聲波探傷示意Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic flaw detection

3 焊接工藝實施

3.1 焊接設(shè)備和材料

選用3臺松下GR3-500 CO2焊機，1臺NBC-800型碳弧氣刨焊機。CO2焊和富氬氣體保護(hù)焊均采用ER50-6焊絲，直徑1.2 mm，CO2氣體保護(hù)焊時CO2氣體純度≥99.5%，富氬氣體保護(hù)焊時保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。

3.2 組焊工藝實施

（1）定位焊要求。

構(gòu)件在組裝后應(yīng)先進(jìn)行定位焊固定，定位焊長度50～100 mm，間隔200～250 mm，焊角K=6 mm。定位焊時，由于焊接過程中工件溫度比正常焊接時低，易產(chǎn)生未焊透，同時焊接拘束度大，易產(chǎn)生裂紋[10]。因此對定位焊進(jìn)行預(yù)熱，焊接電流比正常焊接高10%～15%，預(yù)熱溫度比焊接工藝要求高30℃。

（2）下內(nèi)板組件組焊。

為減小結(jié)構(gòu)的焊接變形，將筒體、內(nèi)板（件2）與下內(nèi)板（件21）形成組件分別組焊完成，焊接變形調(diào)修后再整體裝配。為降低焊工在箱體內(nèi)的焊接難度，下內(nèi)板組件在箱體內(nèi)部焊縫焊完后組裝。

內(nèi)板與下內(nèi)板焊接如圖4所示，在內(nèi)側(cè)點固工藝筋板，采用剛性固定法控制焊接變形。雙面對稱施焊，先焊內(nèi)側(cè)焊縫1、2層，再反面碳弧氣刨清根后，焊接外側(cè)焊縫1、2層，冷卻至層間溫度時測量下內(nèi)板平面度，每焊2層測量焊接變形，根據(jù)變形情況，再焊接變形小的一側(cè)。焊后下內(nèi)板平面度檢測1.5 mm，超聲波探傷應(yīng)符合CB/T 3559的Ⅱ級要求。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

圖4 內(nèi)板與下內(nèi)板組焊Fig.4 Assembly welding of the inner plate to the lower inner plate

表2 內(nèi)板與下內(nèi)板組件焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters of the inner plate and lower in‐ner plate assembly

（3）箱體組焊。

①所有焊縫均采用PA或PB位置焊接，最大焊接電流不超過290 A。除第一層和最后一層外，其余各層道均要求錘擊焊縫表面，以消除焊接應(yīng)力。多層焊接時，各層焊縫所引起的橫向收縮變形第一層的最大，之后逐層減小，這是因為隨著焊接層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)剛度不斷增大，每層焊道引起的橫向收縮變形也隨之減小，厚板焊接的橫向變形基本上由最初幾層決定[11]。因此，焊縫1～3層應(yīng)采用較小的焊接參數(shù)。主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 筒體與上蓋板、下底板、中內(nèi)板焊縫、筋板焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters of barrel and upper cover plate，lower base plate，middle and inner plate welds，tendon plate

②主要焊縫全部打底焊接完后進(jìn)行填充、蓋面焊。全熔透焊縫組裝焊縫間隙1.5～2 mm，利于焊透，減少反面清根工作量。

③中內(nèi)板與筒體對接焊縫加裝40 mm長引熄弧板，焊后碳弧氣刨去后，焊接封口，打磨圓滑過渡，減小焊縫應(yīng)力集中。

④筒體與上蓋、下底板、中內(nèi)板焊縫焊接時二人同時分焊，向同一方向焊接，以減小焊接應(yīng)力。因內(nèi)外筋板較多，板厚較厚，焊槍通過過焊孔時焊縫根部可達(dá)性較差，為保證焊縫根部的質(zhì)量，先不裝配內(nèi)外筋板，避開筋板位置加裝工藝筋板，防止焊接變形。待焊接完筒體與上蓋板、下底板及中內(nèi)板打底焊焊縫（1～4道）后，在裝配內(nèi)外筋板后拆除工藝筋板。

⑤外筋板只有8塊，為防止筒體外側(cè)焊縫角變形，在沒有筋板位置增加槽鋼支撐，如圖5所示。焊接窺孔及所有筋板采用雙面打底焊。

圖5 內(nèi)外筋板及外部槽鋼支撐Fig.5 Internal and external reinforcement plates and external chan‐nel supports

⑥裝配及焊接順序。

焊接筒體調(diào)修→裝配筒體與上下蓋板→裝配中內(nèi)板→焊接筒體與上蓋板、下蓋板打底焊縫（1～4道）→焊接中內(nèi)板打底焊縫（1～4道）→裝配內(nèi)外筋板、窺孔→焊接內(nèi)外筋板、窺孔雙面打底焊縫（1～4道）→焊接筒體與上下蓋板填充焊縫（V型坡口焊完）→焊接中內(nèi)板填充焊縫（V型坡口焊完）→焊接內(nèi)外筋板、窺孔填充焊→磁粉、焊縫超聲波（MT、UT）探傷筒體與上蓋板、下蓋板、中內(nèi)板雙V型坡口對接焊縫→焊接筒體與上蓋板、下蓋板、中內(nèi)板角焊縫→焊縫超聲波（MT、UT）探傷筒體與上蓋板、下蓋板、中內(nèi)板角焊縫→焊接內(nèi)外筋板、窺孔剩余焊縫→組焊下內(nèi)板組件及其他小件→打磨精整焊縫圓滑過渡。

主要焊縫焊接層道順序如圖6、圖7所示。

圖6 上蓋板（下底板）與筒體焊縫焊層（道）分布順序Fig.6 Distribution sequence of welding layers（passes）of welds be‐tween upper cover plate（lower bottom plate）and cylinder

圖7 筒體與中內(nèi)板焊縫焊層（道）分布順序Fig.7 Welding layer（pass）distribution sequence of welds between cylinder and middle inner plate

4 焊后熱處理

焊后將齒輪座下箱體進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，待粗加工后再進(jìn)行二次去應(yīng)力退火，以減小焊接殘余應(yīng)力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，保證精加工尺寸。去應(yīng)力退火工藝曲線如圖8所示。

圖8 熱處理工藝曲線Fig.8 Heat treatment process curve

5 焊后檢測

下箱體焊后檢查焊縫表面質(zhì)量，符合JB/T 5000.3的規(guī)定。熱處理后對下箱體焊縫進(jìn)行表面磁粉探傷，符合JB/T6061標(biāo)準(zhǔn)，超聲波探傷檢測符合CB/T 3559的Ⅱ級要求。對箱體焊縫進(jìn)行煤油滲透，檢查涂白粉的一面無油跡。箱體通過三維劃線檢測，符合機械加工尺寸要求。

6 結(jié)論

（1）采用文中焊接工藝焊接兩套軸承座齒輪下箱體，均滿足設(shè)計要求及后續(xù)機械加工要求。

（2）對座齒輪座下箱體采用CO2氣體保護(hù)焊和富氬氣體保護(hù)焊相結(jié)合的焊接方法，通過焊前預(yù)熱、控制裝配及焊接順序、調(diào)節(jié)熱輸入、焊后熱處理等工藝措施完全能夠滿足其各項性能要求，其焊接工藝措施對類似結(jié)構(gòu)的焊接具有一定參考意義。