數控機床斷裂齒輪輪齒的焊接修復技術初探

鄧康平

（廣西理工職業技術學院，廣西 崇左532200）

1 前言

焊接技術是指通過加熱、加壓或二者并用的方式使得量共建之間產生原子間的結合，使二者緊密連接的工藝或技術，多用于金屬或非金屬的連接。數控機床在使用的過程中經常發生齒輪輪齒斷裂的現象，廣西理工職業技術學院中的萬能數控鏜銑床也不例外。在經過一段時間的使用后，機床的齒輪發生了斷裂，為降低生產的成本，采取焊條電弧焊對斷裂的齒輪進行了修復，并取得了不錯的成果，有效降低了成本，縮短了生產時間，解決了生產中的一大難題。本文將從數控機床的齒輪輪齒材料的特點入手，分析其焊接過程中應當采用的工藝和接頭的微觀組織，為數控機床齒輪輪齒的焊接修復技術發展提供有實際意義的參考。

2 齒輪輪齒材料焊接性分析

2.1 齒輪輪齒的材料構成及特點

齒輪輪齒的材料屬于合金材料，主要化學成分包括0.5C、4.5Cr、0.8Mn、0.35Si、0.5Mo、0.01S、0.005P、0.2V，其表面硬度為58RC。根據國際焊接協會的檢驗標準，由國際焊接學會推薦的碳當量公式計算該齒輪的焊接性，得知該齒輪的材料中碳當量等于1.673，即該材料的淬硬傾向較為嚴重，焊接性不強，這對于焊接有不利影響，十分容易導致淬硬組織和冷裂紋的產生。該焊接材料的含碳量與金屬元素較多，在500 ℃以下的溫度區間中均能保持較為良好的穩定性。除此之外，該齒輪的微觀構成十分精密，其中大量的碳元素和金屬元素增大了齒輪輪齒材料的液-固區間，產生了嚴重的偏析，導致材料極易產生熱裂紋，而熱裂紋的產生不利于齒輪的使用，從而為數控機床斷裂齒輪輪齒的修復造成了極大的困難。

2.2 焊接工藝

根據以上對齒輪輪齒材料特點的精密分析，總結出一套輪齒焊接的工藝措施。

2．2．1 在焊接前進行嚴格預熱

在焊接前，要將齒輪輪齒的溫度預熱到200～250 ℃，最大限度地降低冷卻速度，降低冷裂紋產生的概率。急劇的溫度變化會對晶體的微觀結構造成很大的影響，使得材料變得脆弱而易產生裂紋，因此，在進行材料焊接前要先對材料進行一定的預熱，減小溫度急劇變化對材料性能造成的影響，降低裂紋產生的概率，提升焊接修復的成功率，從而滿足實際生產過程中的技術需求。

2．2．2 對表面進行清理

在焊接前，要對齒輪表面附著的各種污漬進行清理，如鐵銹、油污等，使齒輪的表面達到光亮的程度，以減小其他物質對焊接造成的影響。

由于焊接過程是將兩物件進行原子間的結合，保證兩個焊接面的潔凈就顯得至關重要，接觸面間的污漬會影響焊接面的緊密結合，使得焊接過程中混入其他物質而影響焊接的牢固程度，降低修復后的齒輪耐用程度。

2．2．3 試用焊條前進行烘干處理

在對齒輪輪齒進行焊接修復時要采用焊條電弧焊和直流反接的工藝，選取D227 焊條，并在修復前對焊條進行嚴格的烘干處理，防止表面水分對焊接修復的過程產生不良影響。

2．2．4 焊條的規格直徑要小

焊條的規格直徑大約為2 mm，以保證焊接點精確，并在焊接的過程中采用較小的電流，保持在120～150 A，使焊接更加精密。由于數控機床的齒輪結構設計相當精密，在焊接修復時要保證其形狀與斷裂前一致，在數控機床的運轉過程中與其他齒輪緊密結合，因此，對于焊條尺寸的要求也相當苛刻。焊條直徑過粗，將無法精準地對焊接點進行定位和焊接，導致修復后的形狀產生偏差，無法在生產過程中繼續使用；直徑過細，則容易在焊接過程中斷裂，影響焊接過程的進行。

因此，經過反復試驗，得出直徑在2 mm 左右的焊條進行齒輪輪齒的焊接修復時有著很大的優勢，既可以精確地對焊接點進行焊接，又可以保證焊條自身的可使用性。

2．2．5 焊接后的冷卻處理

在焊接后冷卻過程中，應采用緩慢冷卻的方式或者采取后加熱的措施，防止產生裂痕，避免影響修復后的齒輪輪齒的使用。在焊接工作完成后將焊接物體加熱到一定溫度，并進行一段時間的保溫處理，使其緩慢冷卻，從而改善焊接接頭處的金屬性能，消除一些參與應力對物件造成的不良影響。焊接后的熱處理一般包括加熱、保溫和冷卻三個過程，在操作中要保證其連貫，不可間斷。

3 焊機后的齒輪輪齒質量檢驗與分析

在對數控機床齒輪輪齒進行焊接修復后，對焊縫及其周圍受到高溫影響的區域進行了相關的檢測，未發現焊接缺陷，不影響齒輪的使用。

3.1 焊接處的微觀組織

采用DM12000M 金項顯微鏡對焊接處接頭的微觀組織進行觀察，可以清晰地看到焊接接頭的微觀組織結構。觀察結果表明，其焊接母材的晶粒十分細小，融合區和過熱區域的晶粒較為粗大。在融合區，加熱的溫度處于固液之間，該狀態下，材料的物理性能和化學性能都相當不穩定，有著極高的不均勻性，很大程度上影響了接頭的強度和韌性等力學性能，因此，融合區是最容易發生焊接缺陷的部位。

數控機床在焊接過程中所處的溫度范圍在固相線以下到1 100 ℃的范圍之間，金屬處于過熱狀態，受熱脹冷縮的影響，金屬中的晶粒處于嚴重膨大狀態，冷卻后便形成了粗大的組織形態。這種組織形態在一定程度上削弱了金屬的強度，又使融合區與過熱區成為焊接接頭中最薄弱的環節。

從焊縫的微觀結構可以得出，焊縫的組織為下貝氏組織，有較高的強度、硬度、塑性以及韌性，這些力學性質使修復后的斷裂齒輪具有良好性能，促進數控機床工作的順利進行。

3.2 焊接修復后的表面硬度

此外，通過THSV-800 適應度計對修復后的齒輪輪齒焊縫表面的硬度進行相關的測試，結果為687HV，與59HRC等效，相較于數控機床齒輪輪齒斷裂前的硬度略高，這表明焊接修復后的齒輪表面硬度達到了使用的要求，可以投入實際應用之中。

4 總結

該數控機床齒輪輪齒的焊接性較差，在焊接過程中易產生冷裂紋和熱裂紋，因此，在焊接過充中要注意采用緩慢冷卻技術或后熱處理技術，最大程度地降低裂縫產生的概率，保證焊接修復的有效性和修復后的齒輪的可使用性。采用焊條電弧焊接技術對數控機床的齒輪輪齒進行焊接修復后，齒輪表面的硬度略高于斷裂前的表面硬度，可以滿足使用的要求。總而言之，采用焊接修復技術可以對數控機床的齒輪輪齒進行修復，修復效果可以很好地滿足生產的需求，是生產過程中一項必備的技術。