鋼軌打磨列車分動箱傳動軸電子束焊接工藝研究

李武勇，錢兆勇

（北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司，北京100072）

GMC96型鋼軌打磨列車是打磨頭數(shù)最多、作業(yè)效率最高的大型養(yǎng)路機(jī)械，具有廣闊的市場前景。低恒速液壓傳動系統(tǒng)是該車的核心部件之一。該系統(tǒng)包括分動箱、液壓泵、液壓馬達(dá)、減速箱等，其中分動箱為液壓系統(tǒng)提供動力。液壓系統(tǒng)泵和馬達(dá)接口全部為DIN5480的花鍵，與之相對應(yīng)的傳動軸大部分是盲孔內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)多采用插齒加工。由于分動箱傳動軸長度超出了國內(nèi)大部分插齒機(jī)的行程，加工困難。如果引進(jìn)新設(shè)備，耗資大，加工周期長，無法滿足裝車要求。如果采用剖分—插齒—焊接的加工方案，可以在不增加設(shè)備投入的前提下，充分利用現(xiàn)有資源，完成零件加工。然而，這個工藝流程的瓶頸為焊接工序。傳統(tǒng)焊接深度淺，強(qiáng)度低，變形大，易產(chǎn)生冶金缺陷，無法滿足作為傳動軸的強(qiáng)度及安全性要求。而電子束焊接具有明顯的優(yōu)勢，因此提出采用電子束焊接，并進(jìn)行焊接工藝研究。

電子束焊接是一種高能束焊接方法，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面［1-2］：

（1）由于其能量密度極高一般可達(dá)106～109W／cm2，是普通電弧焊和氬弧焊的100～10萬倍。焊接速度大，熱影響區(qū)和焊接變形極小，可作為最后加工工序或僅留精加工余量。

（2）可實(shí)現(xiàn)焊縫深而窄的焊接，深寬比大于10∶1。而一般焊接焊縫的深寬比約為1∶1.5。因此，適用于大焊透深度、高強(qiáng)度的焊接場合。

（3）可控性好。電子束焊接參數(shù)（電壓、電流及焊接速度等）能夠被精確控制，焊接時參數(shù)的重復(fù)性及穩(wěn)定性好，能確保焊件的焊接質(zhì)量。

（4）可用于不加填充焊絲的對接、角接、T形接等多種定位精度要求高的焊接場合。

（5）因電子束焊焦點(diǎn)小而能量集中，對組焊件配合處的機(jī)械加工精度及裝配質(zhì)量有嚴(yán)格要求，對接焊縫的兩邊緣要求平整、貼緊，一般不留間隙。

（6）焊縫強(qiáng)度高，可將難于整體加工的零件分解為容易加工的幾部分，再用電子束焊的方法將其焊成整體，使復(fù)雜工序變得簡單。

針對電子束焊接的諸多優(yōu)點(diǎn)，采用該工藝進(jìn)行焊接，是最優(yōu)方法。

1 需要解決的問題

傳動軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，進(jìn)行焊接工藝開發(fā)需要解決以下問題。

圖1 分動箱傳動軸及其安裝

（1）剖分位置選擇

剖分位置的選擇要考慮焊縫承載、加工和組焊方便。綜合考慮傳動軸結(jié)構(gòu)，選擇與齒輪輪箍配合的φ130軸頸進(jìn)行剖分有利于組焊定位和焊縫承載。同時，考慮到剖分后內(nèi)花鍵加工方便，確定剖分位置距離軸肩L為50mm。

（2）剖分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證剖分結(jié)構(gòu)的裝配精度及減少焊接變形，必須設(shè)計(jì)合理的剖分式結(jié)構(gòu)。

（3）電子束焊接工藝開發(fā)

研究針對該類零件的電子束焊接工藝是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。電子束焊接工藝包括預(yù)處理、預(yù)熱、后處理及焊接過程參數(shù)控制。

2 剖分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動軸剖分成兩部分軸1和軸2，通過φ56軸孔配合定位，保證同軸度，通過均布的兩個定位銷增加連接剛度，防止轉(zhuǎn)動。軸2為通孔結(jié)構(gòu)，便于內(nèi)花鍵加工。為了便于裝配，銷孔采用鉆模板加工，定位銷開通氣槽。

圖2 傳動軸剖分結(jié)構(gòu)

3 電子束焊接工藝研究

采用有色金屬研究院THDW-12型12kW電子束焊機(jī)進(jìn)行工藝試驗(yàn)。經(jīng)過幾輪試驗(yàn)，最終得到無裂紋及氣孔缺陷的焊縫，采用焊接工藝參數(shù)（表1）加工的傳動軸見圖3。經(jīng)檢測經(jīng)過電子束焊接的軸最大徑向跳動為0.13mm。

表1 優(yōu)化的電子束焊接工藝參數(shù)

圖3 電子束焊接的傳動軸

4 后續(xù)加工

電子束焊接能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，不破壞原強(qiáng)化層，不需要后續(xù)熱處理。經(jīng)過探傷檢測后，進(jìn)行后續(xù)精加工（圖4）。

圖4 磨床加工中的傳動軸

5 軸類電子束焊接工藝流程

通過對焊接工藝過程的跟蹤和質(zhì)量控制，內(nèi)花鍵軸類零件電子束焊接可按照以下工藝流程加工。

圖5 加工工藝流程

6 效益分析

采用該工藝生產(chǎn)的傳動軸已經(jīng)成功裝車，并經(jīng)過了臺架試驗(yàn)及兩年的運(yùn)用考核。

由于鋼軌打磨列車等大型養(yǎng)路機(jī)械批量小、種類多，采用該工藝加工具有很大的靈活性，可保證加工周期和加工質(zhì)量，同時可節(jié)約工裝卡具的費(fèi)用。采用此工藝每根軸電子束焊接費(fèi)用幾百元，如果引進(jìn)新設(shè)備自行加工，需要投入機(jī)床采購費(fèi)用近百萬元。

高能電子束焊接工藝焊接時間短、生產(chǎn)效率高、成本低、焊接強(qiáng)度高、焊后變形量小，為某些因結(jié)構(gòu)特殊而無法整體加工或者整體加工成本昂貴的零件提供了一種可靠而經(jīng)濟(jì)的解決方案。

7 結(jié)束語

本文研究了鋼軌打磨列車分動箱傳動軸的電子束焊接工藝，并成功實(shí)施，經(jīng)過臺架試驗(yàn)及兩年的運(yùn)用考核。得出了電子束焊接的焊接參數(shù)及工藝流程。該工藝質(zhì)量可靠、成本低，可應(yīng)對品種繁多的大型養(yǎng)路機(jī)械產(chǎn)品。同時，為該工藝在機(jī)車車輛領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了一定的探索。

［1］中國機(jī)械工業(yè)學(xué)會編.焊接手冊，第2卷，材料的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］張應(yīng)力.新編焊工實(shí)用手冊［M］.北京：金盾出版社，2004.