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摘要：文章通过对齿轮材料的试板焊接及接头检测和实际齿轮的焊接，整个焊接工艺是合理、可行的，能够满足大型硬齿面焊接齿轮对焊接工艺的要求。
关键词：大型硬齿面；焊接齿轮；焊接工艺雷开毅
引言：硬齿面焊接齿轮结合了硬齿面齿轮和焊接齿轮的优点，与软齿面齿轮相比，它具有生产周期短、硬度高、综合性能高、齿轮的承载能力和使用寿命较好等优点。在轧钢、挖掘、起重等领域，硬齿面焊接齿轮已广泛使用。目前硬齿面焊接齿轮的制造和研发是国内外各机械制造公司的热门课题。在结构、热处理、焊接以及加工工艺有着不同的见解和思路。大型硬齿面焊接齿轮为轧钢设备用大型齿轮。本文通过对材料进行焊接工艺性试验并采取一系列工艺措施，使NGC-150大型硬齿面焊接齿轮的焊接获得了成功。
一、材料焊接工艺性试验
（一）硬齿面焊接齿轮的结构
硬齿面焊接齿轮由轮缘、辐板、筋板、轮毂组焊而成.轮缘是焊接齿轮的主要受力构件、承受齿面接触应力、齿根弯曲应力及短时的过载和冲击力,一般选用优质低碳合金钢渗碳淬火,或中碳合金钢进行调质处理,表面进行热处理,提高齿面硬度.轮毂用中碳钢铸、锻件或轧制板材制成,经过调质处理提高其硬度、细化晶粒和稳定组织.辐板和筋板用普通碳素结构钢和普通低合金钢板材,连接辐板间的钢管选用热轧无缝钢管.
（二）焊接母材及焊接材料
本次研究的硬齿面焊接齿轮直径为3216mm，最大厚度为720mm，共有4条环形焊缝，焊接处厚度为50mm。齿缘材料为20CrNiMo，齿辐材料为16Mn，齿芯材料为20钢。根据齿轮材料的化学成分和力学性能，焊接接头的强度指标主要考虑强度低的16Mn材料以及齿轮的实际结构，因此焊接材料选择如下:第一，打底焊焊丝———药芯焊丝管结502-1，Φ1．6；第二，埋弧焊焊丝———H10Mn2，直径分别为Φ5和Φ3；第三，焊剂———HJ431。焊丝表面应清洁，焊剂250°C/2h烘干，随用随取。
（三）焊接方法
由于齿轮的焊接部位厚度为50mm且齿轮体积大，在焊接过程中对齿轮的温度有一定的要求，考虑到焊接效率和焊接质量控制，焊接方法用CO2气体保护焊和埋弧自动焊，CO2气体保护焊进行打底焊，对实际齿轮U型坡口接头用钨极氩弧自动焊进行打底焊。
（四）焊接接头型式
用16Mn和20CrNiMo试板焊接试样，进行工艺性、接头性能、组织分析，以便确定实际焊接工艺过程和规范参数。试板尺寸为300mm×150mm×50mm，采用U型坡口。
（五）焊接工艺过程
将坡口处清理干净并用钢板固定试板以防止焊接过程中产生角变形，然后250°C预热。打底焊之前先进行定位焊，为保证焊透和焊缝成形，用陶瓷衬垫并且前二层焊缝用药芯焊丝CO2保护焊焊接，规范参数为:焊接电流I=210A，电弧电压U=24V。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆焊接过程不允许有焊接缺陷存在，如有焊接缺陷存在，应清理并补焊。打底焊结束后进行650°C保温2h以消除焊接残余应力、防止产生裂纹和保证试样加工精度。CO2保护焊结束并经消除应力热处理后，埋弧焊采用双道多层焊工艺。前4层焊缝采用的埋弧焊规范参数为:焊接电流I=620～750A，电弧电压U=32～34V，焊接速度V=0．47～0．50m/min。
（六）焊后热处理
为使焊接试板焊后不至因焊接应力而导致接头开裂、焊后试样加工产生变形而影响试样尺寸和精度，焊后应立即对试板进行焊后热处理，温度为650°C，保温2h。
（七）焊接接头检测
将经过消除应力热处理的试板，按GB2649-81、GB2650-81、GB2651-81取样和加工以供进行接头力学性能检测、金相组织分析和缺陷检测。焊后用超声波探伤对焊接接头进行检测，未发现焊接接头中有夹渣、气孔、裂纹、未焊透等缺陷存在。在试板上分别截取6组试样，按GB2651-81加工成拉伸试样，按GB2650-81加工成冲击试样，取平均值。
二、齿轮焊接
（一）焊接母材及焊接材料
实际齿轮的焊接为20钢与16Mn、16Mn与20CrNiMo材料的焊接，考虑到齿轮结构的特殊性，埋弧焊时的焊丝仍选用H10Mn2，打底焊焊丝为管结502-2药芯焊丝，焊剂HJ431。
（二）焊接接头形式
实际齿轮的焊接接头型式为两种，对梯型坡口接头齿轮不用打底焊，用Φ3mm焊丝对前4层焊缝进行埋弧自动焊。对U型玻口接头齿轮要进行打底焊，打底焊选用钨极氩弧自动焊，不用衬垫采取单面焊双面成形技术，焊丝为药芯焊丝同CO2焊焊丝为管结502-2药型焊丝。
（三）焊前预热
焊前将齿轮装配好后加热到600°C，放到旋转台上进行对中以保证焊缝的成形。在焊接过程中应保证齿轮的温度不低于200°C。如低于200°C，应重新进行加热[1]。
（四）埋伏焊工艺过程及规范参数
先将一面的两道焊缝焊至坡口厚度的一半后，齿轮进炉加热到650°C进行消除应力的热处理，然后焊接另一面的两道焊缝至填满坡口，再将齿轮进炉加热到650°C进行消除应力热处理，最后焊满剩余的焊缝，焊接结束后立即对齿轮进行消除应力的热处理，温度为650°C，保温不少于10h。首先，梯型坡口接头。每条焊缝的前4层焊缝为单道焊缝，焊丝直径为Φ3mm，规范参数为:焊接电流I=380A，电弧电压U=28～30V，焊接速度V=0．42m/min。第5层至第7层焊缝为双道焊缝，焊丝直径为Φ5mm，规范参数为:焊接电流I=750～840A，电弧电压U=32～34V，焊接速度V=0．47m/min，第8层以后焊缝仍为双道焊缝，焊接速度V=0．53m/min，其他规范参数同第5层至第7层焊缝。最后一层焊缝的焊接速度V=0．42m/min，其他规范参数同第5层至第7层焊缝。从焊接过程看焊缝成形良好。在埋弧焊过程中，注意调节好焊丝的位置，以保证焊缝成形，清渣要彻底。另外，U型坡口接头齿轮。每条焊缝的前3层焊缝用钨极氩弧自动焊进行打底焊，焊丝直径为Φ1．6mm，规范参数为:焊接电流I=100～120A，电弧电压U=22～25V，焊接速度V=0．35～0．40m/min。打底焊过程中应注意对中，保证焊缝成形。第4层以后焊缝为双道焊缝，用埋弧自动焊焊接，焊丝直径为Φ5mm。第4层至第7层焊缝的焊接规范参数为:焊接电流I=560～640A，电弧电压U=28～32V，焊接速度V=0．42～0．46m/min。第8层后焊缝仍为双道焊缝，焊接电流I=750～840A，电弧电压U=32～34V，焊接速度V=0．53m/min。最后一层焊缝的焊接规范参数为:焊接电流I=750～840A，电弧电压U=32～34V，焊接速度V=0．42m/min。
（五）焊接接头缺陷检测
将经过消除应力热处理的齿轮接头处进行机械加工，用超声波探伤检查接头是否有焊接缺陷存在，结果未发现焊接接头有夹渣、气孔裂纹和未焊透等缺陷存在。
结论：
简而言之，硬齿面焊接齿轮既具有硬齿面齿轮精度高、硬齿面、重载荷等方面的优点，又具有焊接齿轮质量轻、外形美观、成本低、材料利用合理、生产效率高和生产工期短等优点。为了做好大型硬齿面焊接齿轮的焊接工艺，文章围绕材料焊接工艺性试验以及齿轮焊接两方面进行了详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值[2]。
参考文献：
[1]机械加工工艺基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2015
[2]齿轮手册[M].北京:机械工业出版社,2016.
论文作者:雷开毅
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：齿轮论文; 焊丝论文; 打底论文; 应力论文; 电弧论文; 材料论文; 试样论文; 《防护工程》2018年第29期论文;