軋機主傳動軸修復(fù)焊接技術(shù)研究與應(yīng)用

陳柳池 蒲茍中 梁天勤

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

主軸為鞍鋼1700 mm軋線重要部位，采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼制造，隨軋線生產(chǎn)連續(xù)運轉(zhuǎn)，其長度10.4 m，斷面為圓形面，經(jīng)多年使用后軸肩和軸頸出現(xiàn)磨損開裂，無法正常工作，報廢會導(dǎo)致生產(chǎn)單位停產(chǎn)，且重新制造成本高、周期長，為節(jié)約成本，采用堆焊修復(fù)的方法，恢復(fù)其原有尺寸精度，滿足其使用要求，主軸結(jié)構(gòu)見圖1。

1 主軸修復(fù)部位及技術(shù)參數(shù)

1.1 外單位修復(fù)情況

該主軸先由外單位進行返修，焊接后粗加工無損檢測發(fā)現(xiàn)有細小密集型氣孔及裂紋，多次返修仍無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。

據(jù)了解，該單位先將焊接處預(yù)熱到200～250℃，焊接過程中保溫溫度為180～220℃，焊后加熱保溫。在粗加工無損檢測發(fā)現(xiàn)裂紋后，再次加工去除缺陷并反復(fù)以上步驟進行焊接和加工，最終未能保證產(chǎn)品質(zhì)量，修復(fù)失敗。

該單位修復(fù)工藝存在的最大問題在于預(yù)熱、焊后消氫溫度不夠，且采用氣體保護焊的焊接方法，無法保證連續(xù)施焊，導(dǎo)致焊接接頭過多，容易產(chǎn)生缺陷。

1.2 主軸技術(shù)參數(shù)及修復(fù)部位

主軸修復(fù)部位位于中間四處?650 mm外圓面及兩處500H8內(nèi)檔尺寸面(?550 mm外圓面)，見圖2。

主軸材質(zhì)為42CrMo，原件熱處理后力學(xué)性能：ReL≥390 MPa，A≥16%，KV2≥38 J，重量24.6 t，主要化學(xué)成分見表1。

圖1 主軸結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of main shaft structure

圖2 主軸修復(fù)部位示意圖Figure 2 Schematic diagram of repairing partsof main shaft

表1 主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Main chemical compositions(mass fraction,%)

42CrMo為中碳合金鋼，從以上數(shù)據(jù)可以看出母材本身碳當(dāng)量較高，焊接性很差，淬硬性傾向大，焊接區(qū)域容易產(chǎn)生冷裂紋，且原件磨損量較大，清除疲勞層和裂紋缺陷后，堆焊層厚度及堆焊面積較大，堆焊時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，必須做好焊前預(yù)熱、中間過程及焊后消應(yīng)，并選用合適的焊材和工藝參數(shù)來防止裂紋產(chǎn)生[1]。

2 焊接修復(fù)工藝

(1)采用機加去除大部分裂紋，先將550 mm外徑單邊去除10 mm，500H8兩側(cè)面、?650 mm外圓面單邊去除5 mm，消除疲勞層，光潔度達到Ra3.2。按一次單邊去除1 mm量，車?550 mm外圓、500H8兩側(cè)面及?650 mm外圓，相關(guān)倒角R20 mm按去除量圓滑，光潔度達Ra3.2。

(2)對加工部位進行臨床MT檢測，檢測結(jié)果如無大面積或大量裂紋，則停止加工，余有少量缺陷采用打磨方式消除。

(3)將主軸吊裝至焊接工位，在堆焊區(qū)域靠端頭兩側(cè)及工件中部三處位置采用轉(zhuǎn)胎支撐。

(4)在地平臺選取基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)工件，檢查工件直線度并記錄工件初始位置尺寸。

(5)使用金屬螺旋銼清除殘余缺陷，清除后MT復(fù)檢，合格后進行下道工序。

(6)焊前將堆焊區(qū)及周圍表面的污物清除干凈，采用遠紅外預(yù)熱≥300℃，保溫16 h再進行焊接，以防產(chǎn)生氣孔和引起氫致裂紋。焊接過程中使用硅酸鋁纖維毯與火焰加熱保溫，層溫不低于預(yù)熱溫度。

(7)采用埋弧焊堆焊，焊絲H10Mn2，?4 mm，焊前將焊絲上的油、銹、污物清理干凈；焊劑HJ431，在200℃下烘干2 h；焊接電流450～500 A，電弧電壓25～30 V，堆焊速度560 mm/min。在1/2壓道，逐層清理焊渣，進行中間過程遠紅外消應(yīng)。

(8)堆焊完成后立即用遠紅外加溫至540～560℃，保溫時間8 h，保溫后緩慢冷卻。

3 修復(fù)技術(shù)要點

3.1 針對母材特性選擇加溫方法

該件為42CrMo調(diào)質(zhì)鍛件且直徑為550 mm，由于焊接性差，在焊接時極易產(chǎn)生冷裂紋。故焊接前預(yù)熱溫度須滿足300℃以上并保證溫度均勻可控。采用遠紅外加熱達到要求后，用天然氣持續(xù)加溫，同時在焊接過程中用紅外線測溫儀進行測量監(jiān)控。

3.2 全位置埋弧焊焊接方法

為防止堆焊層產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷，將原工藝氣體保護焊改為埋弧自動焊，同時設(shè)計制作相應(yīng)的小車行走工裝和地線搭接自動裝置，焊接時讓工件隨滾輪架旋轉(zhuǎn)，焊機位于工件上方不動，連續(xù)施焊，使工件整體受到均勻的熱輸入，避免了采用氣體保護焊易出現(xiàn)氣孔等缺陷的問題。

3.3 焊接材料選擇

根據(jù)主軸材質(zhì)及其力學(xué)性能，埋弧焊焊材選擇H10Mn2，?4 mm，焊劑HJ431。

焊劑方面，HJ431為酸性焊劑，通過與堿性焊劑的對比發(fā)現(xiàn)，焊劑對焊縫金屬強度無太大影響，強度主要由焊絲控制，焊接接頭金相組織變化基本一致，且沖擊吸收能量能滿足母材性能要求[2]。

H10Mn2屬于C-Mn系低合金焊絲，具有極強的抗裂紋擴展的能力，其焊縫金屬模擬線能量為14～100 kJ/cm，針狀鐵素體所占的百分比均大于70%，但從焊縫金屬強韌性與母材盡可能匹配的角度來看，H10Mn2焊絲適合的焊接線能量范圍為30～80 kJ/cm，這與主軸的材質(zhì)性能相吻合。另一方面，H10Mn2焊絲形成的焊縫金屬具有良好的焊接性能和優(yōu)良的抗裂性能，并具有較高的綜合力學(xué)性能[3]。

3.4 焊接過程控制

焊接過程中，采用多層多道焊，盡量保證焊道間的重疊量不得小于焊道寬度的1/3，除第一道和最后一道焊縫，其余各道都要用風(fēng)鏟對焊縫表面進行適當(dāng)錘擊以釋放焊接應(yīng)力，焊接時持續(xù)加熱，同時保證焊接層間溫度≥350℃。焊后尺寸大于精加工尺寸3 mm以上，避免道間低點問題，導(dǎo)致加工時出現(xiàn)黑皮的情況。

3.5 防竄工裝的制作與使用

焊接時，焊件的軸向竄動會導(dǎo)致螺旋焊縫，產(chǎn)生多種焊接缺陷，由于該件長且重，為防止焊接過程工件受熱發(fā)生變形，在采用3個轉(zhuǎn)胎間隔支墊并防竄動的同時，在工件兩端加裝了自制的防竄工裝，見圖3。

圖3 自制防竄工裝Figure 3 Self-made anti-channeling tooling

3.6 尺寸控制

由于主軸修復(fù)件的尺寸控制精度較高，在焊接時根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點，制作了尺寸檢測標(biāo)桿，分別放置于主軸長度方向的A、B、C三點，在焊接前

記錄下三個標(biāo)尺的相關(guān)尺寸，焊接時，每隔一段時間，對三個標(biāo)尺的尺寸進行檢測，若發(fā)現(xiàn)變化則及時調(diào)整，避免因焊接熱變形而導(dǎo)致工件直線度超差。

4 焊后質(zhì)量及效果

(1)焊后對堆焊部位進行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)堆焊缺陷，加工前，經(jīng)機床檢測軸線直線度在1 mm以內(nèi)。

(2)粗加工后MT無損檢測一次合格，未發(fā)現(xiàn)缺陷，精加工后MT、PT均一次合格，堆焊質(zhì)量完全符合要求。

(3)經(jīng)軋鋼廠生產(chǎn)使用后，效果良好，使用壽命與新品無差別。

(4)本次修復(fù)焊接時間為20天左右，與加工時間累計在一月左右，修復(fù)周期短，為用戶解決了急需的關(guān)鍵件。

5 結(jié)束語

(1)借助于這次成功修復(fù)的案例，本次技術(shù)手段也在其他生產(chǎn)線主傳動修復(fù)項目中得以應(yīng)用，如太鋼2250 mm熱連軋項目、神鋼1080 mm粗軋機組等，都收到了良好效果。

(2)軋機主傳動軸系統(tǒng)在工作中同時經(jīng)受扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉壓交變載荷以及重載接觸交變載荷和嚴重磨損的作用，使用面磨損嚴重，需定期對主軸、叉頭等部件進行下線維修。通過選擇適當(dāng)?shù)暮附硬牧隙押富謴?fù)其尺寸和提高耐磨性。相比于報廢后采購新設(shè)備來說，一些重大主傳動軸一般經(jīng)過多次使用、磨損、修復(fù)[4]，在節(jié)省設(shè)備費用的同時也節(jié)約了時間，提高了生產(chǎn)效率。所以主傳動系統(tǒng)的焊接修復(fù)技術(shù)，市場應(yīng)用前景巨大。

(3)主軸堆焊修復(fù)成本低，費用僅為新品成本的20%左右，同時也避免了因報廢導(dǎo)致的材料浪費情況。