大型齒套內花鍵加工缺陷補焊

中國第一重型機械集團股份公司金屬結構分廠 （黑龍江省齊齊哈爾 161042） 李文俊

我公司加工車間在加工某產品齒套時，因加工錯誤，造成內花鍵與中心孔存在偏心，導致部分內花鍵側面缺量（最大約2mm）。由于產品各部套已進入總裝，且交貨期已臨近，因此決定在保證使用性能前提下進行修復。

因為齒套已精加工完成，經過研究，先在加工車間的機床上檢查各部尺寸，將不符的部位利用記號筆做好標記，并標明缺加工量的厚度。經檢查發現，除內花鍵槽側面（見附圖）有4處缺加工量外，其余各部尺寸都在公差范圍內，加工缺陷面積為60mm×400mm，缺加工量為1~2mm不等。

內花鍵槽結構

1. 焊接性分析

齒套的材質為40CrNiMoA，其化學成分如表1所示。

表1 40CrNiMoA化學成分（質量分數） （%）

從表1可看出，40CrNiMoA屬于中碳調質鋼，鋼中的含碳量較高，并加入合金元素Si、Mn、Cr、Mo、Ni等，以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過調質處理獲得良好的綜合性能。因此，其性能特點是具有高強度、高韌性和良好的淬透性，并有抗過熱的穩定性。

由于40CrNiMoA含碳量高、合金元素多、鋼的淬硬傾向大，Ms點又低，因而在淬火區產生大量淬硬的馬氏體，導致嚴重脆化。焊接前為調質狀態的鋼材時，熱影向區被加熱到超過調質處理的回火溫度區域，將出現強度、硬度低于母材的軟化區，如果焊后不再進行調質處理，該軟化區可能成為降低補焊區強度的薄弱區。

由于40CrNiMoA焊接時近縫區容易出現脆硬的馬氏體組織，增大了補焊區的冷裂傾向，為了提高抗裂性，應盡量降低補焊區的含氫量，并采用焊前預熱和焊后及時熱處理。因中碳調質鋼的碳及合金元素含量高，焊縫凝固結晶時，結晶溫度區間大，偏析傾向也較大，焊接時具有較大的熱裂紋敏感性。為了防止產生熱裂紋，要求采用低碳焊絲，嚴格限制母材及焊絲中的硫、磷含量，在焊接工藝上應采用熱量集中的焊接方法和小的焊接熱輸入，并注意避免焊件表面的焊接缺陷和劃傷。

2. 焊接方案

經分析，40CrNiMoA最好在退火（或正火）狀態下焊接，焊后再進行整體調質處理，這樣可以防止產生裂紋。但齒套已經進行調質處理，并已精加工完成，因內花鍵與外齒輪尺寸公差及幾何公差要求都很嚴格，要求補焊后變形量小于0.1mm。所以，經過研究決定在調質狀態下進行補焊，焊后不進行調質處理。

這樣補焊的主要問題是防止裂紋產生和避免熱影響區軟化，焊接時注意預熱、層間溫度和后熱處理的溫度都要控制在比母材淬火后回火溫度低50℃。焊接的熱量要集中，熱輸入越小越好，由于焊后不再調質處理，補焊金屬成分可以與母材有差別，為了防止裂紋，可以選用奧氏體焊條或焊絲。考慮到采用小熱輸入焊接，可以降低淬火區的脆化程度，同時采用預熱、后熱等措施，能提高抗冷裂性能，改善淬火區的組織和性能，采用小熱輸入還有利于縮小軟化區，降低軟化程度。因此，決定采用熱輸入量較小且熱輸入集中的熔化極氬弧焊補焊。

補焊選用低碳不銹鋼焊絲ER316，其焊道金屬是含19%Cr-12%Ni-2%Mo的奧氏體組織，耐蝕、耐熱及抗裂性優良。

3. 焊接工藝

（1）焊前準備 先將已標識好的補焊部位上的冷卻液、油污、鐵屑等采用丙酮清洗干凈，減少氫的來源，并用拋光砂輪清理打磨，清除尖角、棱邊，減小結構應力。

（2）預熱 為了防止因局部加熱產生的熱應力而導致變形，我們選擇將齒套整體進爐預熱，預熱溫度為200~300℃。

（3）焊接工藝 焊接設備采用牡丹江歐地希焊接機有限公司生產的數字逆變控制脈沖MIG/MAG焊接機，型號：CPDP-500。

焊接時采用短焊道、窄焊道，焊接過程中不擺動，焊接弧長為4～6mm，電弧過長容易產生氣孔等缺陷；收弧要慢，填滿弧坑，采用回焊法，消除引弧和收弧缺陷，防止產生火口裂紋，每焊完一道要用錘輕擊焊道，以減少焊接應力，焊接過程中要保持補焊區溫度不低于200℃。另外，還要認真清理熔渣，精加工面要用石棉布遮擋上，防止熔池金屬飛濺到精加工表面上，地線接在補焊面上，引、收弧時不得損傷精加工表面，補焊高度為留3mm加工余量。具體焊接參數如表2所示。

表2 焊接參數

（4）后熱 補焊完成后，齒套不能直接冷卻到室溫，以防產生冷裂紋，應立即進行后熱處理，后熱溫度350℃，持續加熱3h后，利用石棉被保溫緩冷。

4. 結語

冷卻到室溫后，將補焊部位利用砂輪清理打磨，補焊區做著色探傷，未發現氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，返加工車間加工后，經檢測變形量小0.1mm，滿足了加工精度要求，現該齒套已在用戶安全使用5年。