高強(qiáng)度齒圈鑄鋼件缺陷焊補(bǔ)工藝

周 輝

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

1 技術(shù)背景與現(xiàn)狀

低合金高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、電力、壓力容器、汽車行業(yè)、礦山機(jī)械、石油海洋等領(lǐng)域，具有超高的強(qiáng)度、良好的塑韌性和較好的焊接性能。按合金元素系別，高強(qiáng)鋼大致可分為四類[1]：

1）M n-Si系：在 M n-Si基礎(chǔ)上加少量的 Cr、N i、M o、V，抗拉強(qiáng)度≥600 M Pa；

2）M n-Si-Cr-N i-M o系：在 M n-Si系基礎(chǔ)上，加入少量的V，抗拉強(qiáng)度≥700 M Pa；

3）M n-Si-Cr-N i-M o-Cu-V 系：在 M n-Si-Cr-N i-M o系基礎(chǔ)上，加入一定量的B，抗拉強(qiáng)度≥800M Pa；

4）超合金系：在M n-Si-Cr-N i-M o-Cu-V系基礎(chǔ)上，加入較多的N i，抗拉強(qiáng)度≥1 000 M Pa，且具有良好的抗沖擊性能。

目前行業(yè)內(nèi)，針對(duì)低合金高強(qiáng)鋼的焊補(bǔ)，普遍存在的問(wèn)題主要為：焊縫熔合區(qū)開(kāi)裂、熱影響區(qū)局部軟化[2]、焊補(bǔ)區(qū)與母材區(qū)硬度差較大、鑄鋼件硬度不均勻等問(wèn)題。為確保焊接接頭具有良好的抗裂性，可選取強(qiáng)度低于母材的焊材進(jìn)行焊補(bǔ)，即低強(qiáng)度匹配原則[3-4]，采用此方法雖然能夠確保焊接部位具有良好的塑韌性，降低焊接接頭開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；但此方法導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度低于母材，無(wú)法確保鑄鋼件在更加苛刻的工況環(huán)境下使用。本文研究的齒圈鑄鋼件屬于第2～3系列高強(qiáng)鋼，具有普通低合金高強(qiáng)鋼的焊接特性。且齒圈作為重要的傳動(dòng)部件，其特殊的工況環(huán)境，要求齒圈除了具有較高的強(qiáng)度外，還要具有較高的硬度。特別對(duì)于開(kāi)齒部位不僅要求有高的硬度，而且必須硬度均勻。因?yàn)橛捕炔痪鶆颍瑫?huì)導(dǎo)致齒圈在后期使用過(guò)程中，齒面出現(xiàn)不同程度的磨損，最終導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)效率下降，甚至出現(xiàn)斷齒的危險(xiǎn)。

齒圈類鑄鋼件屬于礦山機(jī)械中的核心傳動(dòng)部件，在缺陷焊補(bǔ)修復(fù)過(guò)程中存在的難點(diǎn)主要為：焊縫開(kāi)裂，特別是熱影響區(qū)開(kāi)裂明顯，焊補(bǔ)區(qū)與母材硬度差較大，硬度均勻性差；尤其在精加工開(kāi)齒后，齒槽硬度較齒端面硬度下降明顯，即出現(xiàn)明顯的硬度衰減問(wèn)題，焊縫與母材均會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題。

2 齒圈類高強(qiáng)鋼可焊性分析

本文研究的齒圈高強(qiáng)鋼，材料牌號(hào)為SAE8635，其主要成分、性能如表1、表2所示。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（II W）推薦的CE計(jì)算公式：CE（II W）=ω（C）+ ω（M n）/6+[ω（Cr）+ ω（M o）+ω（V）]/5+[ω（N i）+ω（Cu）]/15，計(jì)算表 1中母材的 CE 值為0.67%～0.69%之間。根據(jù)日本提出的冷裂紋敏感指數(shù)公式 Pcm=ω（C）+ ω（Si）/30+[ω（M n）+ ω（Cu）+ ω（Cr）]/20+ω（N i）/60+ω（M o）/15+ω（V）/10，計(jì)算表中母材Pcm值為0.44～0.46之間。當(dāng)碳當(dāng)量值大于0.4%～0.6%時(shí)，可焊性較差，可以看出，牌號(hào)為SAE8635的低合金高強(qiáng)鋼，其焊接性較差，淬硬傾向大，且很容易產(chǎn)生冷裂紋缺陷。因此，焊材的選擇，焊接參數(shù)控制，以及焊接完畢進(jìn)行何種熱處理，是控制焊接質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

3 焊接前準(zhǔn)備工作

3.1 焊材選擇

焊材的選擇，一般有兩大原則：一是性能匹配，另一個(gè)是成分匹配。性能匹配多用于結(jié)構(gòu)鋼焊接，而成分匹配更多的需要考慮工件的工況環(huán)境，比如耐熱鋼焊材，其主要合金元素 Cr、M o、W、V、N b等需要與母材相當(dāng)；耐腐蝕鋼焊材，其主要合金元素Cr、N i、M o元素要與母材相當(dāng)。對(duì)于牌號(hào)為SAE8635的齒圈鑄件，主要考慮焊材的性能能否滿足母材要求。除此之外，對(duì)于焊材的選擇，還應(yīng)考慮焊接后的熱處理方式，即焊接完進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，還是調(diào)質(zhì)熱處理，這一點(diǎn)也很重要，尤其對(duì)于齒圈類鑄鋼件。從表2中看出，材料牌號(hào)為SAE8635的齒圈鑄件，其強(qiáng)度、硬度較高。尤其在硬度均勻性問(wèn)題上，突出的問(wèn)題為：焊接區(qū)硬度與母材硬度差值、焊補(bǔ)區(qū)與母材的硬度衰減問(wèn)題。表3所示為幾種目標(biāo)焊材的成分。

DI值的計(jì)算，參照AST M A255端淬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式如下：DI（in）=0.54ω（C）×（0.7ω（Si）+1）×（3.3333ω（M n）+1）×（2.16ω（Cr）+1）×（3ω（M o）+1） ×（0.363ω （N i）+1） ×（0.365ω （Cu）+1） ×（1.73ω（V）+1），此公式滿足 ω（C）%＜0.4%的材料。最終焊材的確定，還需考慮焊接完的熱處理方式，由于齒圈產(chǎn)品對(duì)硬度的均勻性要求較高，通常焊接后，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，此時(shí)在焊材選擇方面，主要考慮DI值，同時(shí)兼顧C(jī)E值。對(duì)比表3與表1中的相關(guān)值，焊材1的DI值、CE值與母材最接近，因此，對(duì)于焊接后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，焊材1最合適；若焊接后進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，則主要考慮焊材的CE值，但焊材的CE值過(guò)高會(huì)增加焊縫開(kāi)裂的分享，而且會(huì)導(dǎo)致焊補(bǔ)區(qū)域與母材硬度差較大的問(wèn)題。因此，若焊接后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，則焊材4較合適，焊材的Pcm值，盡量選較低值。

3.2 缺陷挖除與坡口清理

針對(duì)齒圈高強(qiáng)鋼鑄件，主要通過(guò)碳弧氣刨的方式去除缺陷。通過(guò)表1確定母材具有較高的CE值、Pcm值。為防止缺陷氣刨過(guò)程中母材開(kāi)裂，缺陷氣刨之前，氣刨過(guò)程中，都需要進(jìn)行預(yù)熱保溫處理。

表1 SAE8635化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 SAE8635力學(xué)性能

表3 焊材成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 預(yù)熱示意圖

齒圈類鑄鋼件輪廓主要為整圓或半圓形，選擇與齒圈輪廓形狀相同的預(yù)熱管，將鑄件水平放置，有利于預(yù)熱及氣刨、焊接操作。具體預(yù)熱操作如圖1所示，選擇與圖示齒圈鑄鋼件輪廓形狀相同的預(yù)熱管，根據(jù)預(yù)熱火苗長(zhǎng)短，調(diào)整預(yù)熱管與鑄件間距，一般調(diào)整至50mm較合適。預(yù)熱管上均勻分布有出氣孔，點(diǎn)燃預(yù)熱管，保證火苗從出氣孔溢出長(zhǎng)度在150 mm～200 mm，均勻加熱。當(dāng)齒圈壁厚較大時(shí)（橫截面較寬），適當(dāng)增加一條預(yù)熱管，保證預(yù)熱溫度均勻，且符合要求溫度。預(yù)熱溫度控制在250℃～300℃為宜，且所有缺陷部位的溫差不得超過(guò)50℃.缺陷氣刨停止時(shí)，需要持續(xù)預(yù)熱保溫。缺陷氣刨完，坡口需要進(jìn)行打磨處理，打磨過(guò)程中，溫度也必須保持在200℃以上，坡口打磨光亮后，通過(guò)干粉檢測(cè)，確保坡口部位無(wú)裂紋缺陷存在。焊接前的預(yù)熱、保溫同樣按照?qǐng)D1執(zhí)行。

4 焊接操作過(guò)程

4.1 焊接參數(shù)及手法

為有效控制熱輸入，防止熱影響區(qū)軟化的問(wèn)題發(fā)生[3]。盡量選擇直徑為φ4.0 mm的焊條，多層多道焊接，具體焊補(bǔ)過(guò)程如圖2所示。焊接過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整鑄件擺放位置，保證缺陷焊接部位處于平焊位置，每一層的焊層厚度小于等于3 mm，焊接過(guò)程左右擺動(dòng)幅度小于等于10 mm，每一道焊道寬度控制在10 mm～15 mm之間，電流140 A～160 A，電壓17 V～22 V.

對(duì)于體積大且處于立焊位置的缺陷，先進(jìn)行兩層打底焊接，后填充焊接的方式。打底焊具體要求為：采用直徑φ4.0 mm焊條先進(jìn)行第一層打底焊接，具體見(jiàn)圖2中7所示，此時(shí)電流設(shè)定為150 A，電壓設(shè)定為25 V，這樣能夠保證打底層具有較好的熔深，且通過(guò)母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，能夠改善母材近縫區(qū)的成分，而且不會(huì)導(dǎo)致熱輸入的明顯增加，避免熱影響區(qū)母材晶粒過(guò)度粗化的問(wèn)題。圖2中，第一層打底焊接完畢后，采用直徑φ5.0 mm焊條進(jìn)行第二層打底焊接序號(hào)8所指位置，此時(shí)電流設(shè)定為190 A，電壓設(shè)定為25 V，兩層打底完畢后，采用集中加熱裝置，對(duì)打底層進(jìn)行高溫后熱處理，保證打底層在400℃～450℃之間，至少保持2 h，之后緩慢降溫至200℃左右，對(duì)打底層進(jìn)行打磨處理，將焊縫全部打磨光亮，進(jìn)行干粉檢測(cè)，確保無(wú)裂紋后，參照?qǐng)D2b）所示進(jìn)行填充焊接，直至缺陷滿焊。

圖2 焊補(bǔ)示意圖

4.2 后熱與消氫

焊接完畢后，依然采取圖1的方式，對(duì)鑄件進(jìn)行后熱消氫處理，保證鑄件整體溫度在300℃～350℃，整個(gè)后熱過(guò)程中，可采取保溫棉或隔熱布，對(duì)焊補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行覆蓋保溫，保證焊補(bǔ)區(qū)與母材區(qū)的溫差≤50℃，整個(gè)過(guò)程中不允許降溫，直至鑄件進(jìn)爐熱處理。

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)齒圈類高強(qiáng)鋼，在焊材選擇方面，通過(guò)對(duì)比焊材與母材的CE、DI、Pcm值，能夠使焊材選擇更加科學(xué)、合理。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮產(chǎn)品焊接后的熱處理方式。若焊接后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，則主要考慮焊材的CE值與母材保持一致，同時(shí)兼顧焊材的Pcm值；若焊接后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，則主要考慮焊材的DI值與母材一致，同時(shí)需要兼顧考慮焊材的CE值與Pcm值。

2）為確保齒圈最終硬度均勻，焊接后盡量選擇調(diào)質(zhì)熱處理，但需要參照AST M A255進(jìn)行端淬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證焊材、母材在特定熱處理工藝下，其硬度衰減情況。結(jié)合齒圈最終開(kāi)齒尺寸，確保開(kāi)齒后硬度衰減值滿足母材硬度要求。若不合適，則需要重新選擇焊材，或調(diào)整淬火工藝。

3）齒圈類高強(qiáng)缸焊材，盡量選擇手動(dòng)焊條焊接的方式，且盡量選擇小直徑焊條，這樣有利于熱輸入的控制，降低焊接熱影響，除去因過(guò)熱而導(dǎo)致的軟化、開(kāi)裂問(wèn)題。

4）缺陷挖除時(shí)，同樣需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度的高低取決于鑄件含C量，含C量越高，則相應(yīng)的預(yù)熱溫度就越高。對(duì)于w（C）%＜0.4%的產(chǎn)品，一般最小預(yù)熱到250℃即可。停焊過(guò)程中，需要一直預(yù)熱保溫到250℃以上，且需要控制焊接部位的溫差，防止預(yù)熱不均而導(dǎo)致的開(kāi)裂。

5）鑄件焊接完畢，熱處理前需要一直后熱保溫，這一點(diǎn)很重要。否則，焊接部位開(kāi)裂嚴(yán)重。