一種大型齒輪焊接修復工藝的研究

0 引言

齒輪是風電裝備的重要部件之一，風電機組工作時，齒輪之間嚙合將動力傳輸給發(fā)電機組。齒輪轉動時，不僅要承載整個設備高速啟動時的巨大沖擊，此外齒輪與齒輪嚙合時有較大的摩擦運動，而且齒輪長時間連續(xù)運轉得不到良好的潤滑、維護，使得齒輪極易產生磨損，從而導致失效。然而磨損失效的齒輪只是輪齒部位的尺寸減小而無法正常嚙合，但是齒輪其他部位依然完好無損。如對這樣的齒輪不采取有效措施進行修復而直接更換新的，這無疑會造成巨大的資源浪費及高昂的生產成本。鑒于以上原因，決定對磨損失效的齒輪進行再制造，而且對失效件的再制造復合國家倡導的“綠色再制造技術”要求

。

Combustion Failure Diagnosis of Marine Low Speed Diesel Engine Based on Fuel Consumption Rate

目前，失效齒輪的再制造方法主要有堆焊、噴焊等，但是這些方法都有不足之處。若采用堆焊耐磨焊絲的方法，雖然可以獲得質硬、耐磨損的堆焊層，但易出現(xiàn)堆焊層與齒輪基層結合不良而脫落、堆焊層質硬而難以加工出形狀復雜的等問題。若堆焊結構鋼焊絲，雖可獲得與基層結合性能良好的修復層，但其硬度低、耐磨性差而達不到齒輪的使用要求。若采用噴焊的方法，盡管可以獲得高硬度、高耐磨性能及表面光潔不需后加工的齒輪，但是噴焊層厚度受到限制，無法修復磨損過深的齒輪。因此，在以上這些方法的基礎上提出了“堆焊過渡層+噴焊表面層”的試驗方案，以完善齒輪再制造工藝。

1 再制造工藝

齒輪再制造主要分為過渡層的堆焊和表面層的噴焊兩大部分，具體流程為齒輪基材焊接性分析、焊接方法及焊接材料的選擇、焊接參數(shù)及熱處理參數(shù)的選擇、堆焊過渡層、機加工、噴焊表面層。

1.1 過渡層堆焊工藝

1.1.1 試驗材料及焊接性分析

1.1.3 堆焊注意事項

試驗材料為40CrNiMoA鋼，40CrNiMoA屬于中碳調質鋼，碳當量較高（Ceq=0.8左右），提高淬硬性的合金元素Cr、Mo含量較多，從而焊接時易出現(xiàn)冷裂、再熱裂紋等缺陷，嚴重時堆焊層與母材甚至會剝離開來。為了避免這些缺陷的產生，焊接時應該選擇較小的焊接線能量、低氫低匹配的焊接材料以及合適的預熱溫度、層間溫度、焊后熱處理溫度。此外，齒輪部位的堆焊修復不僅要滿足其尺寸要求，更重要的是堆焊層要具有足夠高的結合強度和沖擊韌性。

隨著全球經濟新舊動能轉化，數(shù)字經濟成為帶動經濟增長的核心動力，數(shù)字經濟的規(guī)模正在加速擴大。越來越多的企業(yè)正在積極擁抱數(shù)字化，加速轉型升級，重塑競爭優(yōu)勢。自2017年首次向中國市場推出ABB AbilityTM，ABB已為油氣石化、汽車、機械、鋼鐵、交通等行業(yè)的數(shù)十家企業(yè)提供了行業(yè)領先的數(shù)字化解決方案，支持用戶實現(xiàn)安全、高效的數(shù)據(jù)集成和分析，為用戶提高績效和生產效率提供深度洞見。

堆焊過程中，經過大量試驗進行對比分析，當采用如表2所示的焊接參數(shù)時，可以得到飛濺較少，成形良好的焊縫，焊縫形貌如圖1所示。

對堆焊試樣進行超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。從堆焊試樣上切取沖擊、拉伸、彎曲等試驗試樣并做相應的試驗，測出不同熱處理工藝下的堆焊試樣的相應力學性能結果如表4。

綜合齒輪材質焊接性及使用性能要求，選擇80%Ar+20%CO

的富氬氣體保護焊焊接方法和中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1對其進行堆焊，此工藝具有電弧穩(wěn)定、飛濺少、特別是焊縫中非金屬夾雜物少，從而焊縫具有較高的結合強度和沖擊韌性。母材、焊接材料化學成分及力學性能見表1。

當各指標的度量單位、數(shù)量級存在差異時，必須對所有指標進行標準化處理，然后再將各個指標進行主成分分析[17]。由于不同類型POI街區(qū)密度的數(shù)量級存在一定程度上的差異，因此為了便于比較分析，本文研究需要將數(shù)據(jù)進行標準化處理。

從以上試驗結果可以看出，抗拉強度最大的是1號試驗，其次是6號試驗，1號試驗與6號試驗的拉伸試樣如圖2所示。通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，1號試驗的拉伸試樣斷裂在堆焊層一側，且斷口部位似脆性斷裂；而6號試驗的試樣斷裂在母材一側，并且具有較明顯的頸縮現(xiàn)象?？估瓘姸然鞠嗤脑嚇訛槭裁匆粋€屬于脆性斷裂而另一個則發(fā)生了明顯的塑性變形，究其原因為兩試樣的塑性具有較大的差別。彎曲試驗正好是反映材料塑性變形能力的，從表4中可以看出1號試驗的彎曲角最小，6號試驗的彎曲角最大。在焊接試驗參數(shù)相同的情況下，兩組試驗的塑形竟有如此之大的差距，其原因只可能為熱處理工藝參數(shù)的不同，1號試驗的熱處理參數(shù)為250℃預熱、焊后空冷；6號試驗為300℃預熱、焊后400℃回火，可見熱處理參數(shù)對焊縫力學性能有較大的影響，尤其是焊后回火熱處理工藝對焊縫的韌塑性的影響最為顯著。

1.1.2 試驗工藝

1.2 噴焊表面層工藝

1.2.1試驗材料

噴焊層要求具有較高的硬度及良好的耐磨損性能。Ni60合金粉末自熔性、潤濕性和噴焊性優(yōu)良，噴焊層不僅具有硬度高、耐磨等特點，而且噴焊層致密，與基體金屬的粘結性能良好，是修復各類磨損件的常用材料Ni60合金粉末化學成分及力學性能如表3。

1.2.2 試驗工藝

對富氬氣體保護焊堆焊得到的試樣進行表面處理，去除焊接留下的小顆粒飛濺及氧化皮，顯露出新的金屬表面，并對施噴試樣進行預熱，預熱溫度為300-450℃。在試樣預熱完成后，采用一步法對試樣進行噴焊。

2 試驗結果分析

2.1 過渡層力學性能

“是啊，黃安人心里都有股狠氣！”陳山利話峰一轉，“武漢的女子，都是父母掌心的寶，他們怎么舍得讓你當兵？”陳山利望著面前嬌嬌弱弱的李曉英，感慨著，“你后悔嗎？”

表3提供了利用21個國家和地區(qū)樣本得到的經濟政策不確定性對創(chuàng)新產出影響的回歸結果。從表3可以看到，EPU與INNOVOUT在5%水平上顯著負相關，這表明從整體來看，經濟政策不確定性越高，經濟體的創(chuàng)新產出越低，假設1得到證實，經濟政策不確定性對創(chuàng)新的抑制性假說得到了經驗證據(jù)的支持。另外，EPU與KC和KD不存在顯著相關性，但與CIA和CGS分別在5%和10%水平上顯著負相關，這一結果表明，經濟政策不確定性對經濟體創(chuàng)新產出具體維度的影響不同，隨著經濟政策不確定性程度的提高，經濟體的商標注冊等無形資產產出、創(chuàng)意產品與服務等顯著減少，而經濟體的知識創(chuàng)造和知識擴散并沒有受到經濟政策不確定性的顯著影響。

焊前，首先對堆焊試樣進行超聲波無損檢測，將合格的試樣坡口表面及側面10mm范圍內進行清理，不得有鐵銹、氧化皮及油污，然后對堆焊試樣進行整體預熱待焊。堆焊過程中應嚴格控制層間溫度，層間溫度過低將導致堆焊層開裂，溫度過高會引起接頭脆化，為此選擇層間溫度在200±10℃范圍內，用熱電偶測量。焊后應及時進行回火熱處理，此外，焊接過程中若出現(xiàn)成形不良的焊縫，應立即用角磨機對其進行打磨，然后再進行焊接。

2.2 過渡層微觀組織

材料的性能是由其微觀組織決定的，所以從微觀組織中可以反映出試樣力學性能的優(yōu)劣。觀察了6號試樣不同區(qū)域焊縫組織形貌如圖3，a為熔合區(qū)形貌，熔合區(qū)組織冶金結合良好，其組織為鐵素體與珠光體，此珠光體以在鐵素體基體上分布的非層片狀滲碳體形態(tài)存在，這種彌散分布的第二相有利于改善鋼的韌塑性；b為堆焊層形貌，其組織為細針狀鐵素體、少量塊狀鐵素體，且其組織均勻細小，低合金高強鋼焊縫金屬中出現(xiàn)大量針狀鐵素體組織時，焊縫金屬具有較高的強度和良好的低溫沖擊韌性；c為熱影響區(qū)形貌，其組織變化不明顯，為回火索氏體與少量呈深色的回火屈氏體，晶粒較母材稍大，但未出現(xiàn)過熱組織；d為母材形貌，基體組織為回火索氏體，其上有少量呈塊狀分布的鐵素體，由于試樣截面較大，淬火時心部淬不透，故心部存在鐵素體組織。

2.3 噴焊層硬度及耐磨損性能

2.3.1 噴焊層硬度

分別從噴焊試樣、淬火新齒輪試樣上切取硬度實驗切片，在洛氏硬度實驗機上對切片進行5組實驗，實驗結果如表5所示。從表5可見，噴焊試樣的硬度值均高于淬火試樣的，平均值較淬火試樣的高5.5HRC。由此可見，從硬度這一反映耐磨損性能的因素可以初步確定，噴焊試樣的耐磨損性能高于淬火試樣的，即再制造齒輪的耐磨損性能優(yōu)于新齒輪的。

對于出現(xiàn)在《孟子》一書中的歷史人物，中國人要比外國人熟悉得多，而外國人在閱讀的過程中會對一些人物十分陌生。例如，堯舜，中國人對這一古代賢君應該知之甚多，孟子對堯舜更是十分推崇，而外國人則對于堯舜的了解程度僅限于名字與職位。因此，在翻譯過程中不能夠僅憑音譯，將堯舜翻譯成“Yao and Shun”而是要在顯著的位置對其進行標注，而對這類人加以注解和說明，能夠輔助外國人理解《孟子》一書的內容。因此，要想很好的翻譯《孟子》，就必須要先了解孟子書中的字義，更要充分了解孟子學說的核心概念，才能避免去接原意，利用注釋加以補充的辦法，讓外國讀者更為深刻的了解孟子的學說理論。

綜合各項力學性能指標、焊縫組織SEM分析等幾方面情況，可以說明在相同的焊接工藝參數(shù)下，當預熱溫度為300℃，回火溫度為400℃時，焊接試樣擁有良好的綜合力學性能。

2.3.2 磨損實驗

齒輪磨損的主要方式為粘著磨損與磨粒磨損。針對這兩種磨損形式，采用銷盤式磨損實驗機對噴焊試樣和淬火新齒輪試樣分別進行了摩擦副對磨磨損實驗和磨粒磨損實驗，并對試樣的損失重量進行了對比分析，實驗數(shù)據(jù)見表6。

經過計算得出在相同的實驗條件下，對磨磨損實驗中淬火試樣的質量損失量是噴焊試樣的3.4倍；磨粒磨損實驗中淬火試樣的失重量大約是噴焊試樣的17倍。從失重方面來看，兩種磨損情況下噴焊試樣的質量損失量均小于淬火試樣的，即噴焊試樣的耐磨損性能優(yōu)于淬火試樣的綜合噴焊強化試樣的硬度值及磨損實驗結果，可以得出噴焊試樣的硬度及耐磨損性能均高于淬火試樣的，即經噴焊強化的齒輪硬度及耐磨損性能優(yōu)于淬火新齒輪的，從而可以使再制造齒輪的使用壽命達到或超過原來淬火新齒輪的。

3 結論

①采用“堆焊過渡層+噴焊表面層”的修復工藝可成功對磨損失效的齒輪進行再制造，再制造后的齒輪各項力學性能可以達到新齒輪的性能指標。②過渡層選用ER69-1焊絲，打底層電流I為190~210A、電壓U為21~23V；其他層I為220~240A、U為22~24V；預熱溫度為300℃、回火溫度為400℃時，焊接試樣具有良好的綜合力學性能。

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