大型焊接齿轮焊接性能分析.doc

石油机械 2002年第30卷增刊CHINA PETROLEUM MACHINERY●应用技术．．大型焊接齿轮焊接性能分析杨立群’ (江汉石油管理局第四石油机械厂)摘要在焊接压裂泵动力端驱动大齿轮过程中，齿圈．轮辐T形环焊缝、齿圈-筋板短焊缝出 现了冷裂纹、热裂纹和层状撕裂等缺陷经过多次分析，在焊接工艺上对焊接方法、焊接材料、 预热温度、焊接顺序、焊后热处理及操作方法等多方面实施优化改进；进行模拟实际焊接作业的 工艺试验；设计制作了保温工装，最终摸索出一套有效的加工焊接大齿轮的工艺方法两年来， 共焊接加工大齿轮140多只，合格率100％，为焊接齿轮的推广应用提供了经验关键词 石油装备拼焊齿轮焊接．_T-艺^ ^研究，逐步摸索出一套有效的加工焊接齿轮的工艺 引言方法近两年来已焊成大型齿轮140多只，一次探 伤合格率达100％大齿轮焊接问题的成功解决， 江汉石油管理局第四石油机械厂为油田生产的为今后大规模应用各种类型的焊接齿轮奠定了良好 105MPa压裂泵为三缸柱塞泵，其动力端驱动齿轮 的工艺基础 模数为9mm、齿轮直径近 1m，是压裂泵最为关键 部件之一大齿轮采用焊接结构，它与铸造齿轮相T形环焊 缝焊接裂纹问题 比有以下优点：①焊接齿轮由于齿圈为锻件，其内 在组织性能明显优于铸件。

②焊接齿轮毛坯质量比如图1所示，大齿轮由齿圈、轮辐、加强筋 铸造齿轮要轻近1／3③焊接齿轮除齿圈采用 板、轮毂等件组成齿圈材料42CrMo，毛坯外径 42CrMo优质合金钢外，其他零件如轮毂、轮辐、1016mm，焊接时的厚度达到60mm而与之联接 筋板等均为一般材料，比铸造齿轮节约大量的贵重的轮辐和筋板材料为16Mn，板厚分别只有25mm 金属④铸造齿轮由于制造工序复杂，铸造成品率 和20ram 较低，齿轮在铸造和加工过程中，经常因发现铸造 缺陷而报废，而焊接齿轮只要焊接工艺合理，就可 以使焊接成功率达到100％，因此焊接齿轮在机械 制造领域有着十分广泛的应用前景然而．由于齿 轮焊接性能差，焊后还要经过高温退火、正火、调 质、齿面氮化等几道热处理工序，工艺复杂，难度 很大，极易出现裂纹等焊接缺陷所以，目前焊接 齿轮特别是大型焊接齿轮在国内机械行业中应用不多囤1焊接齿轮示意围 江汉石油管理局第四石油机械厂经过反复试验l一齿圈；2--轮辐；3、s一箭饭；4一轮敏．杨立群．工程师，生于1959年，1982年毕业于湖北广播电视大学机械专业，1995年毕业于华中理工大学机电一体化工程专业，现 从事焊接工艺设计与研究工作。

地址：(434024)湖北省荆州市0716)8429581收稿日期：2001—07—31；■改蔫收到日期：2002-03—05)石油机械2002年第30卷增刊在最初工艺设计中拟定焊前将装配好的齿轮整 现冷裂纹和火口裂纹 体预热200— 250％，采用手工电弧焊打底，焊条 为J507，直径为3．2mm；后用CO：气体保护焊盖 短焊缝裂纹问题 面，焊完后立即将齿轮放人300—350℃炉中保温 3h在焊接过程中发现，环焊缝整体及齿圈一筋板 为了找到产生短焊缝缺陷的真正原因，制定出 间短焊缝出现冷裂纹同时短焊缝还伴有多处火口 合理的焊接工艺规范，我们设计了一套模拟短焊缝 裂纹经过初步分析，认为产生冷裂纹的原因有以 实际焊接作业的工艺试验方案 下两点：①施焊地 点距加热炉较远，而且只有一名 焊接试验条件如下： 焊工操作，时间拖得长， 加上齿圈厚度大，冷却速(1)试件外形及尺寸如图2所示 度很快，因 而形成淬硬组织，导致产生冷裂纹②由于焊接时先焊齿圈-轮辐焊缝，后焊轮毂一轮辐焊 缝，所以该焊缝收缩及变形所产生的应力会对齿圈 -轮辐T形环焊缝产生影响基于上述分析，将预 热温度提高至300～350℃，要求在炉旁焊接，并 采取两名焊工同时对称施焊的方法，此外，还调整 了焊接顺序，但结果并不令人满意，靠齿圈一侧环焊缝出现大范围层状撕裂，同时在焊缝中央还发现图2模批短焊琏试植 (2)用4组焊接材料进行对比试验：①手工 纵向贯穿裂纹。

对断口及裂纹检查后发现，齿圈焊接处母材有非金属夹层，这是导致层状撕裂的主要电弧焊J507打底，J507盖面；②CO：气体保护焊原因而产生热裂纹的原因则是由于焊接时为了缩H08Mn2SiA焊丝打底、盖面；③co：气体保护焊短焊接时间采用大线能量，从而使焊缝熔合比过 H08Mn2SiA焊丝打底、药芯焊丝K一7lT(AV【，'S：大，焊缝合金元素及碳元素含量增加(如表1) E71T一1)盖面；④手工电弧焊A132软基焊缝打根据经验公式计算焊缝热裂敏感指数为HCS=底，J507盖面3)将预热温度由300—350℃提高到400—C[S+P+(Si／25)+(Ni／100)]x10’，，一j丽n+cr而丽一——一“”’430℃，焊后立即投入炉中高温退火，退火温度远远大于HCS<4的临界数值 ，因此具有产生热 600—630C，保温3h后随炉冷却到100℃左右，裂纹倾向衰l 产生热裂纹焊缝化学成分％通过试验，以上4组焊接材料所焊试验焊缝均CMn CrMo Si SP未发现冷裂纹这说明预热温度、特别是焊接完成0 29110 0 350 10 0 70 0 030 037 时大齿轮整体温度对冷裂纹的产生起到关键作用。

据此，考虑采取以下对策：①采用小线能量，关于火口裂纹，在第①类和第④类焊道中发现多 慢速 焊小线能量焊接可以降低熔合比，改善熔池处，经化学成分分析，这两组焊缝中的c、S、P 成形，但此方法势必延长焊接时间，这对防止冷裂含量均比其它组类焊道要高，且第④组Ni含量达 纹又会产生不利影响，为此决定改用CO：气体保 到10．1％上述元素均对产生热裂纹有直接影 护焊做打底焊②采用低强组配焊接材料打底焊， 响“12’31此外，焊工操作技能，特别是收弧技术 这样可使焊缝金属有一定的延性，易使应变集中于 水平的高低对火口裂纹产生也起到重要作用 焊缝 而减轻母材热影响区应变，以减轻层状撕裂倾根据试验结果，有针对性地对焊接工艺进行如 向，主要焊接参数见表2 下调整：表2主要焊接参数(1)增加一道齿轮预热工序：即焊完齿圈-轮焊机 焊丝 焊接电电弧电焊接速度焊丝直气体流量辐环焊缝后，在焊接齿圈-筋板短焊缝前再将齿轮 型号 牌号 流／A 压／V／m-rainl径／mm／L·rain4投入炉中整体预热一次，焊后立即进行600～ 0景况4M慧A1m20030 o 21 2 20—25630℃高温退火处理。

应当指出的是两次预热温度通过上述措施，齿圈T形环焊缝的开裂问题 均提高到400—430℃得到了有效解决，但是齿圈·筋板短焊缝仍经常出(2)在焊接过程中，为了减小约束应力对产生2002年第30卷增刊 扬立群：大型焊接齿轮焊接性能分析裂纹的影响，在每条筋板与环焊缝交汇处都开有20周围杂物，焊后“紧急”高温退火，使氢致裂纹 螽x45应力孔(如图3)，以避免焊缝交叉产生三向 尚在潜伏期未开启前将扩散氢逸出以避免氢致裂纹 拉伸应力㈨此外，调整了筋板的焊接顺序，在焊的产生 这里“抢时伺”非常关键 接时先焊与 齿圈联接筋板焊缝，再焊其它焊缝应当指出的是：把齿圈正火、调质等热处理工序放在焊接工序之后，虽增加了工艺难度，但可将 高温预热及焊接造成的热影响区近缝区粗晶组织加 以消除2．热裂纹 采用含c、s、P、Ni低，含Mn量高的 图3开应力孔示意图H08Mn2SiA焊接材料作为隔离层，焊接规范为小 (3)考虑到大 齿轮冷却速度较快及高温作业 电流、高电压有利于降低熔合比，减少母材化学成 对焊工的影响， 我们设计了盘形保温工装(如图分对焊缝的影响w，将收弧处停于筋板也有效地4)；并采用CO：气体保护焊H08Mn2SiA打底、 避免了凝固裂纹的产生。

K一71T药芯焊丝盖面的焊接方法 3．层状撕裂 产生层状撕裂主要原因是母材非金属夹杂物的 影响”1因此要求齿轮组焊前仔细检查待焊接部 位，发现有夹层及时加以清除在工艺上采取多 层、慢速焊方法焊接；选用低强组配焊接材料除对 冷裂纹有明显的抑制作用外，其低屈服点、高延性 图4保温装置示意图易使应变集中于焊缝而减轻母材热影响区的应变，l一石棉保温层；2——大齿轮；3--吊耳对改善抗层状撕裂性能也是有利的 (4)为防止产生热裂纹，选用H08Mn2SiA焊 采取上述工艺后，陆续焊了4批近100只压裂丝，焊接参数选择小焊接电流、高电弧电压同泵大齿轮，每只齿轮都经过焊后48h磁粉探伤检 时，还要求焊工在收尾时将电弧引至筋板上收弧，查，均一次交检合格后经正火、调质、齿面氮化 这样筋板收弧处未发现有火口裂纹 等几道热处理工序，并再次进行磁粉探伤检查，仍未发现任何裂纹缺陷实践证明，改进后的大型焊大齿轮焊接性能分析接齿轮性能是可靠的大齿轮焊接最关键的问题是与齿圈相关焊缝的参考文献焊接，下面就我们在焊接实践中遇到的主要焊接缺1陈伯蠡．焊接工程缺欠分析与对策．北京：机械工业出陷产生原因及预防原则提出以下论点：版社，1997：249—251，267—270，312 1．冷裂纹2陈伯蠡．金属焊接性基础．北京：机械工业出版社， 笔者认为，大齿轮焊接过程产生淬硬组织是产1982：217 生冷裂纹的主要原因，其次是约束应力影响，至于3美国金属学会．金属手册(第九版第六卷，焊接、硬钎 扩散氢的作用也应得到足够的重视。

为避免淬硬组焊、软钎焊)．北京：机械工业出版社，1994：145— 织，延缓冷却速度：①事实上焊接作业完成时的人147 炉温度不低于马氏体转变开始点Ms(约4田锡唐焊接结构．北京：机械工业出版社，1982：61305℃)”1，即在齿轮热影响区马氏体转变之前使—1825 毛年华35SiMrt钢与35钢焊接性分析 焊接技术，其温度及冷却速度处于受控状态，以便有效防止淬 2000，(2)：13—14硬裂纹的产生②为减少约束应力对冷裂倾向的影6中国机械工程学会焊接学会．焊接手册(第三卷焊接 响，调整焊接顺序是必要的”’61；在环焊缝与筋板结构) 北京：机械工业出版社，1992：71—72 交汇处开应力孔避免了三向拉伸应力；焊接材料采7周振丰金属熔焊原理及工艺(下册) 北京：机械工 用低强组配有利于松弛焊接应力；最后，焊后高温业出版社，1991：44—47 退火可进一步消除焊接应力影响③焊前清除焊缝(本文编辑李学富)。