焊接工藝在42CrMo特大型轉盤軸承返修中的應用

李崇崇，張磊磊，霍曉磊，趙瑞瑞，王凱歌

(洛陽LYC軸承有限公司 a.特大型軸承廠；b.控股風電部，河南 洛陽 471039)

特大型轉盤軸承廣泛應用于起重機械、工程機械、港口機械、冶金機械及風力發電等重要領域，其使用過程中轉速通常較低，能夠承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。由于大多數特大型轉盤軸承的使用環境比較惡劣，如風沙、地下、海水環境等，且承受重載、交變載荷和沖擊載荷的作用，因此，轉盤軸承在使用若干年后會出現各種損傷。由于更換費用高，可以考慮對軸承進行返修，對局部損壞的滾道和齒輪進行修復，恢復其原有功能。

1 特大型轉盤軸承的損傷特征

特大型轉盤軸承的損傷形式有疲勞、磨損、腐蝕、塑性變形、裂紋、滾道剝落、齒根斷裂等，根據損傷對軸承的危害性，對主要損傷特征進行原因分析，見表1。

表1 轉盤軸承典型損傷特征及形成原因

圖1 滾道片狀剝落

圖2 保持架與滾子損壞

圖3 滾道磨損

圖4 磨損放大圖

2 焊接修復工藝

對于輕微的滾道磨損，通過對滾道的磨削和增大滾動體尺寸，可保證轉盤軸承的原有游隙，恢復其使用性能，而嚴重的滾道磨損和裂紋會演變成剝落，將無法通過磨削來消除滾道缺陷，恢復其使用性能。經過多年的試驗探索，采取焊接工藝，在滾道剝落處補焊一層耐磨金屬，再進行相應的熱處理，最后通過滾道磨削，配置適當的滾動體，實現了對特大型轉盤軸承的修復。

圖5 滾道裂紋

圖6 斷齒

下面主要對42CrMo轉盤軸承的滾道剝落和齒輪斷齒兩類嚴重缺陷的返修進行介紹。

2.1 滾道剝落的焊接修復

滾道剝落多出現在軸承滾道軟帶附近，該處硬度突變(22～55 HRC)，應力集中，在受到沖擊載荷或長期交變應力作用下易發生剝落，嚴重影響軸承的使用性能。采用焊接工藝補焊缺陷，焊后進行熱處理，然后磨削滾道加以修復，可以達到轉盤軸承的使用強度，滿足用戶的要求。

2.1.1 焊接材料的選擇

正確選擇焊接材料是轉盤軸承補焊缺陷的關鍵，補焊部分質量和性能與焊接材料關系十分密切，關乎焊接修復的成敗。由于補焊區和熔合區有合金元素和碳擴散等，存在一個過渡區，該處化學成分和金相組織不均勻，物理性能、力學性能有較大差異，可能引起缺陷或降低材料性能。因此，必須根據母材42CrMo的成分、性能、補焊形式和使用要求選擇焊接材料。42CrMo為低合金高強度結構鋼，要求補焊材料強度小于42CrMo，其塑性和沖擊韌性優于42CrMo。經過多次試驗和優選，采用奧氏體不銹鋼焊絲ER308L進行補焊，補焊金屬處基本上為奧氏體組織，由于Ni的含量較高，能起到穩定奧氏體組織的作用，可以抑制熔合區中碳的擴散，防止馬氏體組織的產生和聚集，改變焊接處的應力分布，避免出現裂紋，是比較理想的填充材料。

2.1.2 焊前準備

用砂輪機將軸承滾道剝落處拋光，顯出材料本色，然后用滲透探傷法檢查表面，確定表面無缺陷；使用丙酮清理表面；由于42CrMo強度超過800 MPa，碳當量比較高，焊接前須進行預熱，預熱溫度不低于100 ℃，可整體預熱也可局部預熱。

2.1.3 焊接方法

由于焊件要經過加熱和冷卻，在熔合線附近容易產生脆性馬氏體組織和滲碳層，若再受到熱應力作用，容易產生裂紋。因此，采用手工氬弧焊進行焊接，以降低焊接區域的熔合比和母材的金屬熔化量，避免裂紋等缺陷的產生。同時，焊接電流、焊條直徑、焊接速度、焊條移動方法及焊接層數的選擇，應以減少母材金屬的熔化和提高焊縫的堆積量為主要原則。為減少焊縫金屬的稀釋率，采用小電流、小直徑焊條和高焊接速度進行焊接，并采用多層多道焊，避免產生冷裂紋。焊接收尾時必須填滿弧坑，以免產生弧坑裂紋。

2.1.4 補焊操作重點

控制層間溫度和焊接熱輸入是補焊操作的要點，控制方法為：

(1)采用多層多道焊，層間間隔一段時間，以控制層間溫度；

(2)每層焊后，除去表面(黃色)氧化層，用滲透探傷法檢查表面無裂紋等缺陷后再進行下一層焊接；

(3)每層焊縫(整個焊縫)都要用小錘進行錘擊，且能夠看到清晰的錘擊痕跡，錘擊的頻率為3 Hz；

(4)采用小電流、高焊接速度進行焊接，以減小焊接熱的輸入，避免產生冷裂紋。

2.1.5 焊后處理

返修工件焊后進行150 ℃×4 h回火處理，以提高接頭淬硬區塑性，減小焊接應力，減小裂紋出現的概率。

2.2 齒輪斷齒的焊接修復

特大型轉盤軸承在沖擊載荷作用下，容易出現個別齒提前斷裂，影響整套軸承的使用，而整體更換的費用較大，因此，通過焊接進行挽救，以達到軸承的預定使用壽命。

轉盤軸承齒輪有齒面淬火和齒面未淬火兩種形式，齒面未淬火齒輪可以按照普通低合金結構鋼的焊接方法進行焊接，在此不再贅述。著重介紹42CrMo特大型轉盤軸承齒面淬火后斷齒的補焊技術。因為齒輪經過表面淬火后，表層組織和內部基體組織發生改變，應力分布差異大，必須采用特殊的焊接方法，才能避免焊接裂紋、氣孔和脫焊等缺陷的產生。

2.2.1 焊接材料的選擇

選用奧氏體不銹鋼焊絲ER308L打底焊第1層，改變焊接處的應力分布，避免出現裂紋；再采用D127堆焊焊條填滿坡口。D127為低氫型藥皮的堆焊焊材，其硬度大于35 HRC，適用于常溫的中高硬度材料補焊。

2.2.2 坡口形狀

采用雙面U形坡口(X坡口的一種)，焊縫截面中心線對稱布置，焊后齒輪主要受到縱向和橫向的收縮力，可以有效避免焊接角變形，影響齒形角。

2.2.3 焊前準備

使用丙酮清理坡口表面；焊件預熱溫度不低于100 ℃，優先采用局部預熱法。

2.2.4 焊接工藝

斷齒的焊接層次如圖7所示。第1層采用ER308L焊條，從中間到兩側分段逆向焊接，每段焊縫長10～20 mm，厚度1.5 mm左右；第2～4層采用D127焊條焊接，厚度控制在2.5 mm以內，以避免產生過多的焊接熱，防止產生冷裂紋。焊接層間間隔一段時間，以控制層間溫度；每層焊縫都使用丙酮清洗，保持焊縫的清潔；每層焊縫(整個焊縫)都要用小錘進行錘擊，且能夠看到清晰的錘擊痕跡，錘擊的頻率為3 Hz。

圖7 焊接層次

2.2.5 焊后處理

焊后立即對返修工件進行150 ℃×4 h回火處理。

3 結束語

此焊接工藝可以用于42CrMo特大型轉盤軸承的返修，用來修復軸承的滾道剝落、齒根斷裂和滾道磨損等各種缺陷，返修后滿足了其使用要求，延長了軸承的使用壽命，節約了成本。另外，對研究高硬度、高強度中碳合金鋼的焊接工藝也有一定的借鑒意義。