船舶甲板機械齒輪用42CrMo鋼的焊接

■ 陳成，高亮

隨著船舶甲板機械及鋼構機械運輸技術的不斷進步，現代造船及鋼構件噸位越來越大，對所配套件的材料力學性能要求越來越高，在這種特定的情況下，42CrMo鍛件鋼以其優良的綜合力學性能，成為船舶企業自行設計的甲板機械及鋼構機械運輸結構焊接齒輪的主流齒面材料。但是，42CrMo鋼作為一種中碳高合金鋼，碳當量高，焊接性極差，42CrMo鋼齒輪的焊接一度成為甲板機械及鋼構機械運輸結構焊接齒輪制造的瓶頸。

某船用項目甲板機械及鋼構機械運輸結構焊接齒輪的主流齒面材料為42CrMo，輻板加強筋為Q235，筆者通過試驗驗證和對該鋼材的焊接工藝性能的分析，并經過多次探索改進，制訂出合理的焊接工藝，解決了甲板機械及鋼構機械運輸結構焊接此類齒輪制造的焊接難題，確保產品滿足標準和技術條件的要求。

1. 焊接性分析

42CrMo鋼屬于超高強度鋼，它具有良好的綜合力學性能和較高的淬透性，同時具有良好的強度與韌度匹配及較高的疲勞強度，目前在中硬齒面齒輪用鋼中應用廣泛。其化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。

從表1可知，按國際焊接學會（IIW）推薦公式計算42CrMo鋼的碳當量為0.89%，其焊接性極差，淬硬傾向比較大。它的馬氏體屈點Ms=280℃，冷裂紋傾向較為嚴重，該材料的焊件剛性大，若焊接材料或焊接工藝選用不當，在焊件冷卻至 300℃以下時，容易沿熱影響區的淬硬區產生冷裂紋。

42CrMo材料雖含有能細化晶粒的Mo以及提高Mn含量抑制硫的熱裂紋性，但其含碳量太高，合金元素含量也較多，因此液固相區間距較大，偏析嚴重；另外，由于齒輪結構的拘束度比較大，所以具有較大的熱裂紋傾向。因此在選擇焊接材料時，應盡量選用含碳量低，并且S、P雜質少的填充材料。在焊接工藝上應注意保證填滿弧坑和良好的焊縫成形。因為熱裂紋容易出現在未填滿的弧坑處，特別是在多層焊時第一層的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。必須采取焊前預熱和緊急后熱處理，以及選用低匹配焊接材料，緩和焊接接頭的受力點狀態，提高塑性和韌性，避免應力集中。

表2 42CrMo鋼力學性能

齒輪焊接如附圖所示。

齒輪焊接示意

2. 焊接工藝方案設計

（1）焊接方法及焊材 從整體使用要求和焊接性分析可知，不能采用高的熱輸入。而從工藝和操作角度分析，采用CO2細絲焊接比較合理，并可采用逆變式帶脈沖電源，用純CO2（100%）氣體保護，以減少飛濺和焊渣清理，可改善操作勞動強度。我們選用了武漢鐵錨的全鍍銅WH50—6、φ1.2mm焊絲。焊接材料的化學成分及力學性能分別如表3及表4所示。

（2）坡口形式 采用I形坡口，組對間隙0～2mm。

（3）焊前清理 焊前打磨去除坡口表面及其兩側各20mm范圍內的油污、油脂和雜質，直至露出金屬光澤。

（4）焊接工藝 預熱溫度及層間溫度的選擇極其重要，從焊接性分析知，預熱溫度較低，易出現裂紋；預熱溫度較高，則熱影響區范圍變大，晶粒變粗。在操作條件惡劣的情況下，極易造成操作上的失誤，增加裂紋源的產生。因此，選擇合理的預熱溫度非常重要，故預熱溫度應略高于Ms點溫度區間內，取預熱溫度為300℃。在焊接過程中，應采用石棉布包裹，層間溫度取270～280℃。

焊后應立即進爐熱處理，溫度設計：先升溫至400～420℃、保溫2h，再升溫至（550±15）℃、保溫4～5h，爐冷至≤300℃出爐，空冷。所采用的焊接參數如表5所示。

（5）焊接過程控制 ①由于齒輪結構形式特殊，局面拘束力度大，應采用分段對稱焊接。根據齒輪尺寸大小、技術上的要求和設備條件，需采用兩人對稱焊接操作。②先焊完輪芯與輻板及筋板，再用鏈式加熱帶或整體進爐加熱齒圈，使齒圈膨脹，最終可使焊縫受壓應力，以防止產生裂紋。③在壓焊時應特別注意與齒圈壁的熔合，蓋面焊完后，應用角磨砂輪機將焊縫打磨成圓滑過渡，以減少角尖端壓力。

（6）無損檢測 焊縫分別按照GB/T 11345—2013標準進行100%UT檢測和JB/T6061—2007標準進行100%MT檢測。

3. 試驗結果及分析

100%UT探傷證實所有焊縫均達到GB/11345—2013標準Ⅰ級，100%MT探傷證實所有焊縫均達到JB/T6061—2007標準Ⅰ級，齒輪在直徑方向脹大了1～2mm，熱影響區外20mm處的硬度無明顯變化，可知外圈力學性能未變，滿足使用要求。

4. 結語

通過對42CrMo鋼的焊接性分析，制定合理的焊接工藝，能夠有效防止焊接裂紋的產生，其焊接接頭的性能可達到相關標準要求，并且可獲得無缺陷的焊接接頭。

表3 焊接材料的化學成分（質量分數） （%）

表4 焊接材料力學性能

表5 焊接參數