分體行星架焊接開裂解決方案

任聿立， 樊潤君

（西安煤礦機械有限公司，西安710032）

0 引言

行星架安裝于采煤機搖臂行星頭處，根據采煤機的大小，又分為一級減速行星機構和二級減速行星機構。由于搖臂行星頭部位受力特點為低速重載，且在割煤過程中承受較大的扭矩和沖擊載荷，因此需要行星架具有較高的強度和韌性。我公司有些行星架采用內套和外套鑲嵌式的焊接結構，因此，焊接質量直接影響到采煤機的使用性能和壽命。

1 出現的問題

我公司原來的行星架在礦上使用過程中出現過脫焊現象，如圖1（a）所示。對行星架解剖后進行金相分析，發現焊縫的最底層出現未熔合和密集型氣孔，如圖1（b）所示。在正常工作狀態下行星架受力很小，搖臂在每次停止工作又重新啟動的瞬間，使行星架內外套之間承受扭力，經過這種反復的交變作用，誘發行星架焊縫沿著打底層的氣孔處開始開裂、擴展，如圖1（c）所示，最終導致整個圓周焊縫的開裂，表現為行星架內外套的脫焊。

圖1 行星架脫焊圖

2 焊接過程分析

對原焊接設計參數所焊接的行星架進行過程觀察，并對觀察的一些現象作出分析，試圖找出問題所在。

對行星架的焊接過程進行了跟蹤，發現以下幾個問題：1）焊接過程中，焊槍角度與軸線角度設計小于5°；2）焊槍提起時，焊絲端部的金屬球直徑約為焊絲直徑的3～4倍；3）電弧長度總在波動，電弧較長；4）每層焊接后焊縫表面幾乎看不到焊接紋路。

針對觀察到的現象分析如下：噴嘴與工件角度趨于垂直，這樣會造成焊接飛濺大、電弧不穩，焊接過程中還容易出現氣體保護不良，產生焊接缺陷。CO2焊接時，一般要求噴嘴與工件角度10°～15°；焊絲端部的金屬球過大，說明焊接能量偏大，焊絲熔化過快，電壓偏高，電流相對焊接電壓來講偏小，為了避免此情況可以適當降低焊接電壓；焊接時弧長變長,飛濺顆粒變大,也說明焊接電壓偏高；焊縫表面無波紋，是焊道變寬、熔深和余高變小的外在體現，同樣說明焊接電壓偏高。

各種跡象表明，原焊接參數設置不匹配，焊接電壓設置過高，焊接時易產生較大顆粒的飛濺和氣孔，這與焊接時出現的啪嗒啪嗒聲吻合。

3 焊接相關數據的設計

通過國際焊接學會（IIW）推薦使用的碳當量計算公式，對35CrMo的碳當量進行計算，［Ceq］p=0.577～0.787，落在格瑞維勒（Graville）圖［1］的區域Ⅲ（難焊接區域），即使采用預熱和焊后熱處理還是很難焊接，焊接性較差，如圖2所示。

圖2 反映鋼的焊接性與碳質量分數、碳當量關系的Graville圖

行星架內套和外套均采用35CrMo材料，較高的含碳量使其具有較高的淬硬性和較強的冷裂傾向。同時合金元素鉻、鉬的加入也顯著提高了鋼的淬透性和抗回火軟化能力，使得在焊接過程中形成的馬氏體在冷速快、溫度低的條件下很難自回火，另外所形成的馬氏體的過飽和度很大，使得焊縫的硬度高、脆性大，引起冷裂紋的敏感度也變大。因此，35CrMo鋼種的焊接需要焊前預熱，焊后緩冷。

3 .1 預熱溫度確定

鑒于行星架內外套壁厚均較大，這里選擇了考慮化學成分和板厚因素的Seferain法［2］進行預熱溫度的計算T0：

式中：［Ceq］p為成份碳當量，［Ceq］t為板厚碳當量，h 為此處厚度26 mm。

經計算T0=280℃，實際操作過程中，將行星架內外套放入井式爐中進行280～300℃、3 h預熱后再行焊接。

3.2 后熱溫度設計

35CrMo材料標準抗拉強度σb＞540 MPa，且為內、外套厚度均大于38 mm的低合金鋼材料，焊接后容易在焊縫金屬或熱影響區內產生冷裂紋，而且對于35CrMo材料，焊前預熱還不足以防止冷裂紋的形成，因此，焊后應立即進行后熱處理。后熱的溫度計算公式Tp：

式中：Tp為后熱溫度，℃；［Ceq］p為碳當量公式。

經計算Tp=247℃。因為行星架內外套之間的坡口為尺寸較大的U型坡口，對于小行星架一般需要焊接6～7層，大行星架一般需要焊接10～13層方可焊滿，為了去除焊接應力，焊后處理采用650℃、5 h及時后熱處理，在避免冷裂紋產生的同時也消除了焊接應力。

3 .3 焊接參數設計

行星架的焊接采用CO2氣體作為保護氣，焊絲為MKG60，直徑為1.2 mm。參考相關文獻中碳合金鋼焊接時組織性能最佳匹配時的焊接線能量為3 kJ/mm，在行星架固定卡盤勻速轉動條件下計算出相應的焊接工藝參數范圍為 I=280～300 A，U=32～34 V，因此確定送絲速度14 m/min，保護氣體流量Q=20 L/min。預熱溫度280～300℃，層間溫度280～300℃，600℃、5 h及時后熱處理溫度，焊后調質處理。

4 結論

1）35CrMo行星架的焊接需要采取預熱和緩冷措施。

2）35CrMo行星架的焊接線能量控制在3 kJ/mm左右較適宜。

3）35CrMo行星架焊接后處理的最低溫度應不低于預熱溫度280℃。

［1］ 程鵬波.27SiMn與35CrMo的焊接工藝對比［M］.電焊機，2012（12）：102-103.

［2］ 曹繼明.用碳當量CEN確定高強鋼焊接預熱溫度［J］.焊接，1995（1）：17.