板式給礦機(jī)的減速機(jī)軸與聯(lián)軸器的焊接與修復(fù)工藝

唐立新 朱寧

摘 要：本文通過在檢修現(xiàn)場對減速機(jī)軸與聯(lián)軸器 俗稱“接手”，出現(xiàn)松動現(xiàn)象。對它們的材質(zhì)進(jìn)行分析后，采用攻絲與焊接選擇合適的焊接材料和制定合理的焊接工藝，成功地焊接了減速機(jī)軸（40CrNiMoA）與聯(lián)軸器（灰鑄鐵）之間的焊縫，保證了焊接質(zhì)量和接頭性能。

關(guān)鍵詞∶40CrNiMoA；灰鑄鐵；異種鋼的焊接工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.015

0 引言

攀鋼礦業(yè)公司密地選礦廠的板式給礦機(jī)的減速機(jī)軸與減速機(jī)ML/LM系列梅花形彈性聯(lián)軸器 俗稱“接手”因其間隙過大而出現(xiàn)松動現(xiàn)象被迫停產(chǎn)的緊急情況下。既無備件又無現(xiàn)場精加工條件；同時不能預(yù)熱和保溫的情況下，利用原有報廢的“接手”采用在靠近減速機(jī)的一側(cè)按90°平分為四等份，在這四個方向鉆孔攻絲并用?16mm的螺栓緊固，達(dá)到鉗工專業(yè)術(shù)語中的“點”固定的要求后。在接手靠電機(jī)一側(cè)，使用Ni357焊條焊接過渡層，再使用THJ857Ni焊條焊接填充層和蓋面層，加之合理的焊接工藝措施，完全能滿足設(shè)備的使用性能。

1 焊接性分析

（1）減速機(jī)軸它的材質(zhì)是40CrNiMoA鋼（外文名40Cr steel）屬于Q345鋼的中碳調(diào)質(zhì)鋼，這種鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到880MPa-110MPa以上，它的含碳量較高（C：0.25-05%），并加入了Mn、Si、Cr、Ni、MO、w、Ti等多種合金元素，以保證鋼的淬透性，消除回火脆性。再經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，以獲得其最佳的綜合力學(xué)性能淬透性高于45鋼的高強(qiáng)度鋼。（40CrNiMoA的化學(xué)成分表1及力學(xué)性能表2）①（185頁∽187頁引用）。

經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿、 螺釘、螺帽、進(jìn)氣閥等。此外，這種鋼又適于制造進(jìn)行碳氮共滲處理的各種傳動零件，如直徑較大和低溫韌性好的齒輪和軸以及電機(jī)軸等。

（2）40CrNiMoA的焊接性。40CrNiMoA鋼是屬于低合金高強(qiáng)度鋼，它具有焊接熱影響區(qū)的脆化和裂紋兩個主要的焊接問題之外，還具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性②。

焊接難點1： 焊接熱影響區(qū)的脆化和軟化。

40CrNiMoA鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，由于含碳量高、合金元素多，鋼的淬硬傾向大，Ms點低，因而在淬火區(qū)產(chǎn)生大量的脆硬馬氏體，導(dǎo)致嚴(yán)重電機(jī)軸的脆化，焊接前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，熱影響區(qū)被加熱到超過調(diào)質(zhì)處理的溫度回火溫度區(qū)域時，將出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度低于母材的軟化區(qū)。如果焊后不再進(jìn)行回火處理，該軟化區(qū)可能成為降低接頭強(qiáng)度的薄弱區(qū)。設(shè)備事故突發(fā)性和減速機(jī)不能拆解體的情況下，只有焊前不預(yù)熱和焊后不再進(jìn)行回火處理，成為控制電機(jī)軸的熱影響區(qū)脆化和軟化是此次焊接技術(shù)的難題之一。

焊接難點2： 裂紋。40CrNiMoA鋼的淬硬傾向大，近縫區(qū)出現(xiàn)粗大馬氏體組織，增大了焊縫的冷裂紋傾向。為了提高抗裂性，應(yīng)盡量降低焊縫的含氫量，并采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理；40CrNiMoA中的合金元素含量高，焊縫凝固結(jié)晶時，結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析傾向也很大，因而焊接時具有較大的熱裂紋敏感性。為了控制熱裂紋，采用含碳量不超過0.25%的焊接材料

（3）聯(lián)軸器的材質(zhì)是灰鑄鐵，它是以中碳以片狀的石墨化形式存在，斷口為灰色，因此而得名。力學(xué)性能非常低，所以一般認(rèn)為灰鑄鐵的石墨相當(dāng)于金屬基體中的裂紋，因此削弱了基體的性能，（灰鑄鐵的化學(xué)成分表3）

（摘自GB/T 9439-1988）HT表示灰鑄鐵，隨后的數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度。

灰鑄鐵幾乎沒有塑性和韌性。以鐵素體為基體的灰鑄鐵，其強(qiáng)度最低，以球光體為基體的灰鑄鐵，其強(qiáng)度最高。在灰鑄鐵所有牌號中以HT200及HT150兩種應(yīng)用最廣泛汽車的缸體和機(jī)床以及機(jī)械設(shè)備中的減速機(jī)缸體、“接手”等。

（4）灰鑄鐵焊接性較差，特別是在手工電弧焊時，如果焊條選擇不當(dāng)或者沒有采取一些特殊的焊接工藝，在焊接過程中極易產(chǎn)生一系列缺陷，這些缺陷中危害以焊接接頭易出現(xiàn)白口組織及脆硬組織和焊接接頭易出現(xiàn)裂紋尤為嚴(yán)重。在突發(fā)事故的生產(chǎn)現(xiàn)場和不可能進(jìn)行減速機(jī)拆解的情況下，只能采取冷焊灰鑄鐵的焊接工藝，冷焊后焊接接頭更難控制其焊接缺陷，①白口組織及脆硬組織 在補(bǔ)焊灰鑄鐵時，往往在熔合線處生成一層白口組織，甚至整個斷面全部白口化，由于白口組織脆而硬，難以進(jìn)行機(jī)械加工。產(chǎn)生白口組織主要原因有兩個方面：一方面由于焊縫冷卻速度快，特別是熔合線附近的焊縫金屬是冷卻速度最快的地方；另一方面是焊條選擇不當(dāng)，及焊縫中石墨化元素含量補(bǔ)充不足造成的。②裂紋 焊接灰鑄鐵時極易產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋和熱裂紋，常見的是熱應(yīng)力裂紋產(chǎn)生裂紋的原因的是灰鑄鐵的塑性接近零，抗拉強(qiáng)度又低，焊接時焊縫強(qiáng)度往往高于母材，則母材牽制不住焊縫收縮，使結(jié)合處母材剝離。

2 焊接性方法和焊接材料的選擇

40CrNiMoA中碳調(diào)質(zhì)鋼和灰鑄鐵兩種異種材料，已從它們的材質(zhì)和焊接性作了詳細(xì)地分析。不難發(fā)現(xiàn)它們的共性：C含量高，Si、Mn合金元素多；同時容易出現(xiàn)焊接致命性的缺陷-焊接裂紋。下面我們將從兩種不同的材料，采用手工電弧焊的冷焊焊接工藝中去尋找它們的共同特點，才是焊接40CrNiMoA中碳調(diào)質(zhì)鋼和灰鑄鐵兩種異種鋼的方法的唯一途徑。

（1）焊接方法的選擇 40CrNiMoA中碳調(diào)質(zhì)鋼常用焊接方法有氣電焊、埋弧自動焊、手工電弧焊、點焊等；灰鑄鐵焊縫熔化焊通常包括：手工電弧焊預(yù)熱與不預(yù)熱、氧乙炔氣焊預(yù)熱與不預(yù)熱、電渣焊等。它們的焊接方法共同特點是手工電弧焊。同時在不預(yù)熱的情況下，需要很小線能量，手工電弧焊的冷焊焊接工藝無疑是一個最佳的選擇。

（2）焊條的選擇 焊接40CrNiMoA中碳調(diào)質(zhì)鋼時，為確保焊縫金屬的韌性 、塑性和強(qiáng)度，提高焊縫的抗裂性，一般應(yīng)低碳合金焊條，盡量降低焊縫金屬的P、S含量。對于焊后不進(jìn)行熱處理的工件，如要求在動載條件下具有良好性能或者要求提高抗冷裂性，但是不要求焊縫與基體金屬等強(qiáng)，可采用鎳基合金或鎳鉻鋼如HTG-2、HTB-3及奧502、奧507焊條。A502和A507的化學(xué)成分相近（A502表4）

灰鑄鐵在電弧冷焊焊接接頭的冷卻速度很快，焊接熱應(yīng)力比熱大得多如何解決焊接接頭的白口及裂紋是焊縫電弧冷焊的突出問題。有資料表明，焊縫的石墨化元素含量，通過改變焊芯和藥皮成分在較大范圍內(nèi)調(diào)整，解決焊接接頭的白口及裂紋，主要選擇好焊接材料，調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，增強(qiáng)焊縫的石墨化能；適當(dāng)?shù)暮附庸に?，保持焊縫仍為灰鑄鐵。 （生產(chǎn)上常用電弧冷焊灰鑄鐵的焊條z308和z408③ 的化學(xué)成分見表5。

此次40CrNiMoA鋼與灰鑄鐵焊接時，事故的突發(fā)性和不能拆解減速機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)場實際。最關(guān)鍵的問題是，焊接后的減速機(jī)接手必須承受交變載荷下，與電機(jī)接手相配合，它們是以“柱銷”方式連接的，在電機(jī)的作用下，所產(chǎn)生的扭距力去運輸高達(dá)200噸以上的礦石能力。根據(jù)生產(chǎn)隨時開、停板式給礦機(jī)，啟動設(shè)備時，扭距力達(dá)到峰值。這是焊接過程中，必須考慮到焊縫處于交變載荷下的高負(fù)荷運行狀態(tài)，才是焊接技術(shù)的難點。

通過改變焊芯和藥皮成分在較大范圍內(nèi)調(diào)整，解決灰鑄鐵焊接接頭的白口及裂紋，主要選擇好焊接材料，調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，增強(qiáng)焊縫的石墨化能力，C和Si 是最主要的石墨化元素；40CrNiMoA要求在動載條件下具有良好性能或者要求提高抗冷裂性，但是不要求焊縫與基體金屬等強(qiáng)，可采用鎳基合金或鎳鉻鋼如HTG-2、HTB-3及奧502、奧507焊條。所以根據(jù)等強(qiáng)度原則和化學(xué)成分相近原則.顯然，奧502、奧507焊條和z308及z408都無法滿足焊接要求的[2]。

根據(jù)異種鋼焊接工藝的焊條選配原則：選擇Ni357鎳及鎳合金焊條作為過渡層，低合金高強(qiáng)度中的THJ857Ni焊條作為填充層和蓋面層，是綜合性能最佳的焊接材料搭配。（它們的化學(xué)成分見表6表7）

表6和表7中分析發(fā)現(xiàn)：Ni357的型號GB/TENiCrFe-2，Ni357鎳及鎳合金焊條是焊接灰鑄鐵的良好過渡焊接材料，它的綜合性能優(yōu)于z308、z408；THJ857Ni焊條焊接40CrNiMoA的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A502、A507，其抗拉強(qiáng)度740MPa接近母材的980MPa；說明只要選擇合適的焊接工藝措施，能滿足40CrNiMoA與灰鑄鐵焊接接頭焊后的使用性能[1]。

3 焊接前的焊接準(zhǔn)備

（1）首先在原有的減速機(jī)的接手靠減速機(jī)一側(cè)的位置按90°平分其接手鉆?15.8mm的四個孔，并攻絲上?16mm螺栓，將接手?鉗工的專業(yè)術(shù)語?“點”固定在減速機(jī)的軸上。裝配時，必須達(dá)到鉗工的安裝技術(shù)要求，也是達(dá)到此項焊接工藝的必要條件。

（2）使用“銷子”連接減速機(jī)軸的聯(lián)軸器與電機(jī)的聯(lián)軸器，使減速機(jī)軸與電機(jī)軸在同一條直線上，并緊固4顆?16mm螺栓螺栓后。再一次將電機(jī)聯(lián)軸器與減速機(jī)軸的聯(lián)軸器分離開，待焊接。

（3）焊前焊條須經(jīng)150℃左右烘焙1小時，裝入100℃保溫桶待用。并準(zhǔn)備好一臺直流焊接電源和兩把圓頭小錘子。

4 焊接工藝及措施

（1）焊接電流應(yīng)根據(jù)焊接電流經(jīng)驗值進(jìn)行估算：焊接電流（A）≈25d（焊接直徑）。和個人對焊接操作的熟練程度來確定焊接電流值（焊接電流參考值見表8）[1]

（2）焊接過渡層時，Ni357焊條應(yīng)采用長弧焊接，（長弧是指電弧與焊件的距離為1-1.5d，d為焊條的直徑）并電弧偏于灰鑄鐵一側(cè)，讓灰鑄鐵一側(cè)形成過渡層邊焊邊敲擊焊縫，錘擊焊縫消除焊接應(yīng)力，避免裂紋，但是不得錘擊焊縫區(qū)。

（3）將減速機(jī)軸（直徑54mm）均分成六等分，采用對稱施焊方法；每一次轉(zhuǎn)動軸，兩個焊接都處于立焊的爬坡位置；引弧和熄弧均在40CrNiMoA一側(cè)；引弧時采用引弧板引弧，熄弧時弧坑必須填滿。按照手工電弧焊冷裂紋自拘束試驗中的手弧焊試驗焊縫位置的方法進(jìn)行焊接。（③267頁）

（4）坡口角度為60?V形坡口，采用焊接電流參考值的中間值選擇焊接電流，都處于立焊的爬坡位置，所以焊接時熄弧次數(shù)為30-35次/min，焊條角度為80-90?[2]。

（5）整個焊縫溫度適當(dāng)控制在250～300℃之間，層間溫度也控制在250～300℃之間。在每段焊縫上焊接時，焊道長度不應(yīng)超過70mm或者焊完一根焊條的1?3就滅弧噴水冷卻，冷卻后立即用帶圓頭的小錘在焊縫表面進(jìn)行錘擊減速機(jī)的接手，達(dá)到布滿麻點為止，以消除應(yīng)力達(dá)到的目的[5]。

5 焊縫檢驗及表面處理

（1）焊接后，收弧處無弧坑，表面無裂紋、無氣孔、無夾渣、無未熔合、咬邊等焊接缺陷。

（2）焊縫表面及母材周圍進(jìn)行著色處理，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（3）用角向砂輪機(jī)對焊縫表面余高齊平處理。

6 結(jié)束語

焊接接頭通過半年的生產(chǎn)現(xiàn)場的使用檢驗，未發(fā)生裂紋和其他缺陷，說明Ni357焊條焊接過渡層，再使用THJ857Ni焊條焊接填充層和蓋面層，加之合理的焊接工藝措施。此次成功地解決了40CrNiMoA與灰鑄鐵在交變載下，焊縫的抗拉強(qiáng)度接近母材的抗拉強(qiáng)度980MPa，焊接接頭焊后的使用性能能滿足生產(chǎn)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M].第二卷.機(jī)械工業(yè)出版社，1995（07）.

[2]張志明等.超高強(qiáng)鋼延遲裂紋研究[J].焊接學(xué)報，1981（04）.

[3]電焊工[M].中國勞動出版社，2005（01）.

[4]劉云龍.焊工技師手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998（07）.

[5]丁偉等.鋼軌及高錳鋼轍叉焊工培訓(xùn)教材[M].鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2004（01）.

作者簡介：唐立新（1972-），男，四川蓬安人，大專，電焊工技師，研究方向焊接技術(shù)及焊接工藝。