李博　王紅梅等

1.損壞情況

由于1次操作失誤，致使我港口1臺斗輪式堆取料機斗輪旋轉減速齒輪副損壞，其齒輪軸的1個輪齒出現了嚴重塑性變形，部分輪齒斷裂，如圖1所示。

如果更換新的齒輪軸，加工制作周期需要4個多月時間，而且要花費數萬元資金。經有關技術人員研究論證，決定采用補焊方法修復齒輪軸斷齒，這樣可縮短修理周期，還可降低修理成本。

2.可焊性分析

（1）結構

通過查閱該斗輪式堆取料機說明書得知，該齒輪軸齒數為26，模數為30，齒厚為47mm，輪齒部分長度為520mm。輪齒較大，比較適合焊接。

（2）焊接性能分析

齒輪軸材質為40CrMnMo調質高強鋼，其主要化學成分如表1所示。該材料具有較好的淬透性和較高回火穩定性，淬火、回火處理后的綜合力學性能較好，其屈服強度ReL≥690MPa，抗拉強度Rm≥790MPa。

依據美國焊接學會(AWS)焊接碳當量公式得知，40CrMnMo調質高強鋼的碳當量CE可用下式計算：CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2

式中：CE——碳當量，%；

C——碳含量，0.37%～0.45%；

Mn——錳含量，0.90%～1.20%；

Si——硅含量，0.17%～0.37%；

Ni——鎳含量，0%；

Cr——鉻含量，0.90%～1.20%；

Mo——鉬含量，0.20%～0.30%；

Cu——銅含量，0%；

P——磷含量，0%。

經計算，40CrMnMo調質高強鋼碳當量CE為0.76%～0.98%，按照美國焊接學會標準，該材料為較難焊接的金屬材料。其較高的合金量增加了焊縫碳當量，多種合金元素使結晶溫度范圍變寬，合金元素有偏析傾向，具有產生熱裂紋的可能。施焊時在焊接熱影響區容易產生淬硬的馬氏體組織，在焊縫淬硬區有產生冷裂紋的可能。

經過分析，產生焊接裂紋的內因是材料本身的合金成分，外因是焊縫結構、焊接工藝及焊接環境等。為避免產生裂紋，在制定焊接工藝時，我們選擇了低碳焊材，設計了合理的焊接工藝，并采用焊后熱處理方法，以消除焊縫裂紋。

3.修復工藝

（1）修復方法

為了保證補焊后輪齒的力學性能，提高齒輪軸的使用壽命，針對40CrMnMo調質高強鋼焊接性較差的特點，我們選擇以下4項修復方法：一是采用螺栓鑲齒加焊接方法，這樣修復的輪齒在工作時所受的載荷大部分由螺栓承受，大大減輕焊縫的受力；二是采用CO2氣體保護焊，防止產生熱裂紋；三是選用含碳量低于0.12%焊絲，控制焊縫的含碳量；四是采取緩慢冷卻和焊后熱處理等辦法降低鋼材的淬硬傾向，防止焊縫冷卻時產生裂紋。

（2）選擇焊絲和保護氣體

根據焊縫與母材等強原則，兼顧40CrMnMo調質高強鋼的可焊性，選擇天津法奧迪焊材貿易有限公司生產的ER80-G高強度氣體保護焊絲。該焊絲已廣泛應用于焊接抗拉強度為790MPa級的高強度鋼結構件。保護氣體選用80%的Ar氣和20%的CO2氣組成的混合氣體。該焊絲和保護氣體可使焊接電弧柔和、燃燒穩定、飛濺較少，焊縫低溫沖擊韌性高。ER80-G高強度氣體保護焊絲化學成分及焊后熔敷金屬的化學成分如表2所示。焊接后熔敷金屬抗拉強度Rm≥790MPa，屈服強度（ReL或Rp0）≥690MPa，延伸率A≥17%，-20℃的沖擊韌性KV2≥27J。

（3）選擇電焊機

采用上海正博焊接機有限公司生產的NBC-500IT型CO2氣體保護逆變電焊機，其特點是動特性好、電弧穩定、飛濺小、電弧穿透力強、熔池深、焊縫成形美觀。

4.實施修復

（1）準備工作

清理為了保證焊接質量，防止焊接操作時產生氣孔、夾渣等缺陷，進行了以下清理：首先，將齒輪軸上的泥土、油污等清理干凈；其次，將變形及損壞的輪齒切除，用磨光機將參差不齊的斷面打磨平整、光滑，露出金屬光澤；Z后，用棉紗蘸酒精或汽油反復擦拭斷齒部位，使斷齒部位清潔干燥。

鉆孔沿斷齒的齒寬方向劃線鉆孔，加工出8個Ｍ25螺孔，孔深為齒根圓以下40mm。

加工單頭螺栓選用材質為40CrMnMo調質高強鋼，用CA6140型普通車床加工出8條M25單頭螺栓，將制作好的單頭螺栓安裝在螺孔內形成“栽絲”，如圖2所示。

制作輪齒按照齒輪軸實際磨損量測量輪齒的齒形、齒廓的幾何尺寸，繪制加工輪?的零件圖，選用材質為40CrMnMo調質高強鋼制作輪齒。制作時注意以下2點：一是在輪齒下部左、右兩側邊緣開坡口，坡口角度為45o；二是在輪齒上加工出“栽絲孔”，個“栽絲孔”距輪齒的端部50mm，孔與孔中心距為60mm。為使輪齒安裝定位調整方便，孔徑為26mm。輪齒和栽絲孔可在立式數控銑床上進行銑削加工，以保證輪齒加工精度。輪齒外形如圖3所示。

（2）安裝輪齒

為了確保齒輪修補后的傳動精度，按照齒輪軸現有輪齒外形制作輪齒定位樣板，按照輪齒定位樣板安裝輪齒，并用栽絲固定。安裝完成后，使用齒輪測量儀嚴格控制輪齒定位精度。檢測定位合格后，方可點焊固定。Z后再用氣體保護焊在栽絲孔處對輪齒進行塞焊，如圖4所示。

（3）焊接

為了縮小焊縫與工件之間的溫差，焊前將坡口周圍預熱，預熱方式采用了紅外線加熱器進行加熱，加熱溫度控制在250～350℃之間，以降低產生焊接應力及冷裂紋傾向。焊接時使齒輪軸的軸線處于垂直狀態，采用立焊方法焊接，由上向下施焊，這樣有利于降低熔深，減小焊縫金屬的熔合比，有效控制母材的碳及合金元素等溶入焊縫。

由2名焊工在左、右兩側對稱施焊，盡量連續焊接。焊接時采用小熱量輸入、多層、多道焊接，盡量縮短各層焊縫焊接的間隔時間，焊縫層間溫度控制在300℃左右。焊縫的引弧、收弧處盡量錯開，收弧必須填滿弧坑。焊后檢查每層焊道，若產生氣孔、裂紋等缺陷，應清除干凈后再進行焊接。

為消除焊接應力，每層焊縫施焊后用圓角為1.4～1.9mm的小錘沿焊道敲擊，錘擊時相隔焊道的敲擊走向Z好相反。

（4）焊后熱處理

焊后先將齒輪軸補焊區及其周圍200mm范圍均勻加熱到500～600℃，以消除焊接應力，再用石棉布纏繞齒輪軸多層，使齒輪軸緩慢冷卻，以防產生冷裂紋。

（5）修整

輪齒焊接完畢待完全冷卻后，先用角向磨光機對輪齒的焊縫進行修磨，再使用銼刀修整至標準尺寸，然后用刮刀刮削齒面，提高輪齒接觸精度。修磨時用自制的輪齒定位樣板檢驗，Z后用齒輪軸與大齒輪旋轉嚙合，檢查輪齒側隙，使輪齒外形達到規定的要求。

5.修復效果

采用以上焊接修補工藝后，檢驗焊縫質量良好，沒有發現裂紋、氣孔等缺陷，達到預期的焊接質量。用此方法補焊的齒輪軸，已經使用2年多，補焊的輪齒未發現任何異常現象。實踐證明用該工藝修復斷裂輪齒，操作簡單、省時、省力，能獲得較高補焊質量，該工藝可降低修復成本，具有較高的應用價值。

本文來自《工程機械與維修》2017第7期