特大型圓錐滾子軸承支柱保持架氬弧焊接技術(shù)

林國(guó)福，褚翠霞，姬曉飛，陳相東，郭新

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039）

特大型圓錐滾子軸承保持架主要有沖壓保持架和支柱焊接保持架兩類。沖壓保持架加工工藝［1］過程需要大量模具，沖壓設(shè)備調(diào)整比較復(fù)雜，首次投入生產(chǎn)成本高，致使其產(chǎn)品價(jià)格較高；而且相同尺寸的特大型圓錐滾子軸承，采用沖壓保持架時(shí)的滾子數(shù)量較采用支柱焊接保持架時(shí)的滾子數(shù)量少，軸承承載能力降低。因此，受成本和使用工況限制，對(duì)于小批量、專用的特大型圓錐滾子軸承通常選用支柱焊接保持架。支柱焊接保持架由金屬車削保持架圈和支柱相連焊接而成，支柱焊接技術(shù)十分關(guān)鍵。

1 特大型圓錐滾子軸承支柱保持架焊接現(xiàn)狀

特大型圓錐滾子軸承支柱焊接保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，支柱穿過滾子，其螺紋一端旋入保持架大圈的螺紋孔內(nèi)，另一端與保持架小圈的光孔連接，通過焊接成為一體。目前大型圓錐滾子支柱焊接保持架的焊接方式為普通電弧焊接，為保證焊接強(qiáng)度，電弧焊接的焊帽為圓形凸起，焊帽的高度e小于1.5 mm。焊帽不得有夾渣、焊瘤、氣孔等缺陷，表面光滑。但在電弧焊接過程中，為防止焊接區(qū)域被氧化，從而使用帶保護(hù)藥皮的422結(jié)構(gòu)鋼電焊焊條，保護(hù)藥皮會(huì)產(chǎn)生大量焊渣，焊渣容易飛濺到滾子和滾道內(nèi)，并粘附在滾子和滾道上，很難將其清理干凈。即使在焊接時(shí)使用石棉繩進(jìn)行防護(hù)，依然無(wú)法有效防止焊渣進(jìn)入滾道內(nèi)。如果無(wú)法清理滾子與滾道內(nèi)的焊渣，將會(huì)降低軸承的使用壽命。

圖1 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of tapered roller bearing

隨著產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，特大型圓錐滾子軸承支柱焊接保持架選擇無(wú)焊渣飛濺的焊接方式替代電弧焊接，以確保焊接質(zhì)量，是急需要解決的問題。

2 支柱氬弧焊接技術(shù)

氬弧焊接技術(shù)是在普通電弧焊接原理的基礎(chǔ)上，利用氬氣對(duì)金屬焊接進(jìn)行保護(hù)，通過高電流使被焊接金屬和焊材達(dá)到冶金結(jié)合的一種焊接技術(shù)。氬弧焊接適用于金屬焊接，焊接坡口小，焊接需焊材少；操作簡(jiǎn)單，焊接過程中有惰性氣體的保護(hù)，無(wú)焊渣飛濺，焊接后焊接部位容易清理，焊接部位的質(zhì)量和外觀較好。但所需的焊接電流較高，焊接速度比較快。

目前氬弧焊接技術(shù)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，但氬弧焊接很少應(yīng)用在軸承制造領(lǐng)域。氬弧焊接特大型圓錐滾子軸承保持架支柱時(shí)，選用氬弧焊機(jī)YC－630BC，其最大焊接電流為630 A。氬弧焊接填入焊絲相對(duì)電弧焊接少，因此需將支柱長(zhǎng)度和保持架小圈的坡口進(jìn)行改進(jìn)（圖2），支柱高出保持架小圈h由原來(lái)的1 mm增加為2 mm，因此支柱長(zhǎng)度增加1 mm。保持架小圈通孔的倒角c×α由原來(lái)的5 mm×90°優(yōu)化為3 mm×45°，從而減小焊接坡口，使支柱和保持架形成的焊接坡口能夠滿足氬弧焊接要求。

圖2 氬弧焊接工藝尺寸改進(jìn)圖Fig.2 Improvement diagram of dimension of argon arc welding process

特大型圓錐滾子軸承支柱氬弧焊接采用直流TIG（非熔化極氣體保護(hù)電弧焊）焊接方式，屬于電流正接法，鎢極為負(fù)極，產(chǎn)生熱量小，鎢極伸出噴嘴的長(zhǎng)度為3～5 mm。在焊接支柱φ10.5 mm特大型圓錐滾子軸承時(shí)，選擇氬弧焊接鎢極直徑為4.0 mm，焊絲選用與支柱材料相似的中碳鋼，焊絲直徑為4.5 mm；焊接電流選用360 A，焊接氬氣留量為10 L／min，焊接時(shí)滯后停氣3～7 s。依據(jù)焊接參數(shù)調(diào)整YC－630BC氬弧焊機(jī)，焊接鎢極直接熔化支柱和保持架倒角，形成焊接熔池，并根據(jù)焊帽的高度和質(zhì)量確定填入氬弧焊絲的多少。

特大型圓錐滾子軸承支柱采取氬弧焊接工藝后的焊帽如圖3所示，焊接過程無(wú)焊渣飛濺，焊接后清理容易；焊帽的外觀質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求，較普通電弧焊接的焊帽更加規(guī)則。

圖3 氬弧焊接焊帽Fig.3 Welding cap of argon arc welding

3 支柱焊接驗(yàn)證

為驗(yàn)證普通電弧焊接和氬弧焊接支柱的抗拉強(qiáng)度，將φ10.5 mm的支柱按照焊接工藝要求放入對(duì)應(yīng)的保持架小圈通孔中，分別使用電弧焊接和氬弧焊接各制作4個(gè)試件，試件編號(hào)為SJ－1，SJ－2，SJ－3，SJ－4。設(shè)計(jì)制作工裝，使試件能夠在拉力機(jī)上進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，以試件拉脫焊為止，記錄拉力數(shù)值，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 拉力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Testing results of tensile test kN

由表可知，氬弧焊接的抗拉強(qiáng)度與電弧焊接相當(dāng)，軸承支柱焊接保持架的焊接方式完全可以使用氬弧焊接取代電弧焊接。

4 支柱氬弧焊焊帽質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)

目前軸承行業(yè)廣泛使用超聲檢測(cè)（UT）的方法來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部的裂紋、夾渣、針孔等缺陷，被檢測(cè)表面要求光滑平整；使用磁粉檢測(cè)（MT）的方法來(lái)檢測(cè)零件表面裂紋、夾渣等缺陷，被檢測(cè)零件需要充磁。

結(jié)合特大型支柱氬弧焊接焊帽的特點(diǎn)，超聲和磁粉檢測(cè)焊帽的內(nèi)部和表面缺陷是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此必須探索其他的無(wú)損檢測(cè)方法。在常用的無(wú)損檢測(cè)方法中渦流檢測(cè)（ET）主要檢測(cè)軸類、管件類等材料的內(nèi)部缺陷，而射線檢測(cè)（RT）可以檢測(cè)材料內(nèi)部的氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、熔合不足等內(nèi)部缺陷，且對(duì)表面平整度沒有要求。滲透檢測(cè)（PT）可以檢測(cè)零件表面的裂紋、夾渣等缺陷，無(wú)需對(duì)被檢測(cè)零件充磁。

綜上，支柱氬弧焊接焊帽的內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)可采用射線檢測(cè)，表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)可以采用滲透檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)特大型圓錐滾子軸承支柱焊接技術(shù)的研究，改進(jìn)了支柱和保持架小圈孔的倒角設(shè)計(jì)，探索了支柱氬弧焊接工藝，通過對(duì)支柱保持架電弧焊接和氬弧焊接抗拉強(qiáng)度的對(duì)比表明，氬弧焊接能夠滿足支柱焊接的強(qiáng)度需要。特大型圓錐滾子軸承支柱保持架采用氬弧焊接不僅解決了焊渣進(jìn)入滾道內(nèi)部的問題，也提高了軸承焊接質(zhì)量和使用壽命，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。