大长轴断裂焊接修复工艺

2022-07-12姚勇刘志彬

金属加工(热加工) 2022年7期

关键词：内应力销轴同轴

姚勇，刘志彬

中车石家庄车辆有限公司河北石家庄 051430

1 序言

我公司铁路货车检修用车的架车机传动轴在使用过程中出现断裂，如图1所示。

图1 架车机传动轴

该轴是非标轴，规格为φ105mm×1850mm，如图2所示。由于无备用配件，且此轴材质为40Cr调质钢，公司并无此种材料，所以决定进行焊接修复，以保证生产进度。同时，由于大型轴类的焊接材料需要临时采购，且采购时间长或无相应的焊接材料[1]，故经常导致不能修复。此外，大长轴断裂的焊接接头为环形或X形坡口，如果焊后不进行热处理，则达不到强度要求，且易造成接头脆化，导致修复失败。因此，应改进焊接方式，才能达到较好的效果，保证一次性修复成功。最终采用一种新的销轴连接焊接方式和外侧采用V形坡口进行焊接，顺利完成了大长轴断裂的焊接修复。

图2 架车机传动轴断裂示意

2 焊接难点及改进方向

2.1 焊接难点

1）该轴材质为40Cr钢，焊接工艺较复杂，焊接质量要求高，对焊工的技能要求也高，且不能保证一次修复就能成功，易耽误生产进度。另外，焊接接头内应力较大，容易产生裂纹及较大的焊接变形[2]。

2）当断裂处采用环形坡口时，焊缝为环形对接。由于焊接转动操作困难，容易出现焊接缺陷，因此对焊接人员技能要求高；焊接内应力较大，在焊接结构中易出现裂纹和变形，导致同轴度超差，且轴越长同轴度超差越严重[3]；焊缝需要调质处理，不能保证架车机传动轴成功修复。

3）当断裂处采用X形坡口时，焊缝为对接X形。因焊接填充速度快，焊接时间短，故角变形较大，同轴度不易保证；虽对焊接技能要求不高，加工、焊接简单，但焊接内应较大，易存在焊缝中，从而引起裂纹和角变形，出现同轴度超差，且轴越长同轴度超差越严重；焊缝需要调质处理，不能保证架车机传动轴成功修复[4]。

2.2 改进方向

采用一种新的销轴连接焊接方式，如图3所示。通过销轴连接的同轴度控制焊接内应力，防止变形；通过定位销保证轴在旋转过程中抵抗扭力；采用新的焊接工艺，既满足焊接接头达到一定强度，又减少焊缝填充量，降低焊缝内应力，防止开裂，最终实现断裂轴的焊接修复。

图3 销轴连接焊接方式

3 连接方式的设计及焊接操作方法

将两个断件接触部位中心打孔（见图4、图5），保证断件内孔直径为轴直径的3/5，孔深度为轴直径的0.5～0.75倍。制作定位轴，保证与孔径之间的公差≤0.02mm，在定位轴上加工定位销孔，两定位销孔呈十字交叉，如图6所示。定位销直径尺寸为定位轴直径的一半，长度小于断件直径，如图7所示。

图4 断件1

图5 断件2

图6 定位轴

图7 定位销

具体焊接工艺如下。

1）将断件、定位轴和定位销组装在一起，如图8所示。

图8 组装示意

2）用大号气焊枪对焊接位置预热，预热温度不宜过高，200～300℃即可。采用J507焊条或可保证熔敷金属的成分与母材基本相同的J107-Cr[5]焊条，焊条直径为3.2mm。焊条应严格执行烘干要求， 200～300℃烘干2h。进行定位焊时，设定焊接电流为100A，焊点要长一些。先焊接定位销，再焊接对接焊缝，如图9所示。对接焊缝焊接完成后，再将定位销满焊。

图9 焊接实例

3）对接焊缝采用多层多道焊、较大热输入，并适当提高预热温度。一般预热及层间温度可控制为250～300℃，以减缓焊缝及热影响区的冷却速度，防止产生淬硬组织[6]。

4）每层采用短弧焊，焊条作小划圈摆动。焊接电流为85～105A。收弧要慢，弧坑要填满。每焊完一道要认真清理焊渣，检查无气孔、裂纹、夹渣等缺陷后，再焊接下一道。

5）每层焊道接头之间要错开30mm以上。整个施焊过程中均为连续焊接，不得中断，表面焊缝不得咬边，要高出主轴平面2～3mm，以保证加工后的使用强度和表面粗糙度达到要求。

6）焊后应及时进行调质处理。若有困难，可进行中间退火或在高于预热温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化组织。对结构复杂、焊缝较多的产品，可在焊完一定数量的焊缝后，进行一次中间退火[7]。焊后立即用大号气焊枪将接头位置加热到400℃以上。为了降低冷却速度，在北方气温较低的环境下可采用石棉保温随室温冷却。

7）40Cr圆钢焊接注意事项：①焊接时不要在主轴接头焊缝外侧引弧和熄弧。另外，可用石棉对非焊接位置进行防护，防止飞溅。②焊接场所要设在室内，不要在通风处焊接，防止冷却速度过快。