球墨鑄鐵齒輪斷齒植絲補焊修復工藝研究*

胡戰明 秦尚宏 周 凱

(內蒙古第一機械集團股份有限公司,內蒙古 包頭 014030)

1 球墨鑄鐵焊接性分析

首先對球墨鑄鐵齒輪和焊接材料Z308和A147焊條進行化學成分分析,見表1。

球墨鑄鐵齒輪CE=C+〔Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+(Ni+Cu)/15〕×100%=3.6 當碳當量值≥0.6時屬于難焊金屬,通過化學成分對比,Z308焊條符合灰鑄鐵滑塊焊接,由于含鎳量過高,導致熔滴過渡受阻,焊縫成型差但韌性較好,采用A147焊條焊接,含鎳量較低,熔滴過渡比較順暢,焊縫成型較好,具有一定韌性。

表1 化學成分對照表

2 焊接前準備工作

2.1 球墨鑄鐵齒輪斷齒原因分析

彎板機工作時大傳動齒輪并非一直連續轉動,它在下刀過程中齒輪轉動到一定區域時,刀具與模具接觸后齒輪停止轉動,松開后齒輪反向轉動刀具升起,齒輪局部齒條反復受剪切力作用必將使受力最多的齒條受損,長期疲勞作用下局部齒條根部出現微裂紋,裂紋在受到反復摩擦力作用下出現擴展,導致齒條斷裂。如圖1所示。

圖1 彎板機傳動齒輪

2.2 焊接設備選用

根據不銹鋼焊條A147的選用原則,該焊條屬于堿性藥皮特殊用途焊條,選用焊接設備盡可能選擇直流焊接電源,焊接電源為ZX7-400直流逆變手工電弧焊焊機。焊條選用A147奧氏體不銹鋼焊條,直徑為φ3.0和φ4.0兩種規格焊條。焊接電流選擇范圍80A-120A。

2.3 齒輪修復方法分析

球墨鑄鐵齒輪補焊難度非常高,焊接過程中極易產生白口組織,產生冷裂紋,在使用電弧熱焊時焊接區域處于奧氏體狀態,焊接效果理想。由于該齒輪形態較大公司沒有相應的加熱設備使其保持在700℃范圍內,只能采用鑄鐵冷焊方法焊接,這樣很難保證齒條補焊后的力學性能。

常規冷焊方法容易在齒條根部產生局部脆化組織,齒條的機械性能和長期的疲勞載荷還會使其斷裂,針對以上難題只能采用母材根部植絲法提高齒條的機械性能和疲勞強度。

3 齒條堆焊過程

齒條根部植絲過程,將齒輪從彎板機中拆除移到鉗工臺,在需要補焊部位劃線并打好樣沖孔,方便鉆孔使用。

將齒輪吊到搖臂鉆臺面側位進行固定,采用螺桿壓塊將齒輪固定在工作臺側面,調整鉆床轉速,將轉速放慢到200γ/min,采用φ11.4錐柄麻花鉆,鉆出深度40mm底孔,再使用M12×1.5絲錐攻絲,先采用頭錐攻絲并在攻絲過程適當加點機油,保證絲錐潤滑,攻二退一清理鐵銷,防止絲錐受力過大產生脆斷,以此類推頭錐攻絲完成后,使用二錐進行攻絲,方法如上螺紋孔形成后,將M12螺栓擰入螺紋孔擰緊即可,如圖3所示。

圖2 植入螺栓

每處斷齒面植入3根螺栓,將螺栓高出齒輪齒條部分采用角磨機切割片切除,螺栓全部切除余高后,采用鋼絲刷清理干凈補焊面油污及砂輪片粉末。

堆焊前先將A147不銹鋼焊條烘干到200℃,保溫2小時充分去除焊條藥皮中的水分,防止在補焊過程中產生水汽進入焊縫,這樣就會減少氫的攝入,防止焊縫由于氫致白點產生氫脆生成冷裂紋。

焊條烘干后放入焊條保溫桶進行保溫,焊接時隨用隨取,拿出焊條蓋好蓋子,防止潮氣進入焊條藥皮中。

焊接時先采用直徑φ3.0 A147不銹鋼焊條將螺栓根部與齒輪斷面焊接,焊接電流為80A,焊縫形成后停止焊接,采用圓形錘子敲打焊縫表面及齒輪與螺栓結合面,使焊接應力充分釋放,測量焊縫溫度確認溫度降至40℃時,焊接第二根螺栓與齒輪結合面,以此類推所有螺栓與齒輪結合面全部焊接完成,敲打齒輪焊接部位直至整體溫度降至40℃以下停止敲打,如圖3所示。

圖3 螺栓根部與齒輪結合面焊接

螺栓根部全部焊接完成后,開始連接螺栓之間的焊縫,焊接過程依然采用短段焊縫,焊接熱輸入盡量保持小的焊接參數,采用80安培小電流焊接,焊條直徑φ3.0 A147不銹鋼焊條,每焊完一層焊縫即刻停止焊接,采用小圓錘敲打焊縫及周邊熱影響區,保證焊接狀態處于低應力區域內。

各螺栓連接完成后,開始進行齒條形狀堆焊,焊接前采用激光切割齒輪模數樣板,根據樣板堆焊齒條形狀,堆焊層圍繞螺栓行進行堆焊,底層焊縫尤為關鍵,焊接時采用小的焊接電流、快的焊接速度,每焊完一層焊縫即刻停止焊接,對焊縫及周邊組織進行敲擊,將溫度控制在40℃以內,方可進行第二道焊縫堆焊,測溫采用紅外線測溫槍進行溫度控制。

4 齒條精修

齒條堆焊完成后進行去應力退火,因為該球墨鑄鐵齒輪屬于珠光體球墨鑄鐵,所以去應力退火溫度控制住500～600℃區間,保溫2小時當齒輪溫度降至150℃時,打開爐門進行空冷,這樣焊接應力即刻去除到95%以上。

齒輪溫度達到室溫后進行打磨,先采用角磨機砂輪片進行粗磨,按照事先做好的打磨樣板進行打磨,齒條的打磨余量保持在1mm以內,采用涂抹丹紅進行精修,拿精修樣板在齒條上往返刮磨,出現高點時需采用拋光片進行修磨,精修余量達到0.5mm時,采用丹紅整體進行涂抹,再次使用齒輪模數樣板進行往返測試,檢測高點位置使用直磨機小拋光輪進行局部拋光打磨,所有打磨完成后采用水砂紙進行精磨表面,達到齒輪面粗糙度要求,如圖4所示。

圖4 齒條精修狀態

5 結論

通過系統規劃維修補焊方案,該彎板機大型球墨鑄鐵傳動齒輪得以修復,補焊斷齒4根,采用植絲補焊法有效增強齒條的結構強度,提高傳動齒輪的耐用性,經過安裝運行效果理想,節省維修換件時間30天,齒輪從拆卸、補焊、退火、打磨、安裝僅用5天完成,節約購買齒輪配件費用3.8萬元,使設備盡快投入到生產中,該操作方法適合在高強度齒輪斷齒補焊中使用。