大型齿轮座下箱体焊接工艺

大型齿轮座下箱体焊接工艺 Research on Welding Technology of Lower Box of Large Gear Seat first-author 钟俊林（1972—），男，高级技师，主要从事机车钢结构及大型钢结构焊接工作。E-mail：357938033@.qq.com. 钟俊林（1972—），男，高级技师，主要从事机车钢结构及大型钢结构焊接工作。E-mail：357938033@.qq.com. 中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641301 中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641301 CRRC Ziyang Locomotive Corporation Limited, Ziyang 641301, China CRRC Ziyang Locomotive Corporation Limited, Ziyang 641301, China 国内某产品使用的大型齿轮座下箱体胚料，广泛采用铸造成型工艺生产，由于结构原因，其铸造工艺复杂、缺陷多、产品率低、生产成本较高。结构“铸改焊”后，工艺相对简单、焊接质量易于保证、产品合格率及材料利用率高，可大幅降低制造成本，因此焊接齿轮下箱体应用前景广泛。但大型齿轮下箱体焊接中，因材料板厚大，焊缝密集，焊接应力大，极易产生裂纹，同时焊接变形大，焊后加工尺寸难以保证。本文针对某大型齿轮座下箱体的焊接，在结构工艺分析的基础上，制定了合理的焊接工艺并得以实施。结果表明：采用CO 2 气体保护焊与富氩气体保护焊相结合的焊接方法，选择正确的放量尺寸、焊接顺序、焊接参数、坡口形式和相应的焊前、焊中及焊后热处理等工艺，完全能够满足结构的设计要求。 The casting molding process is widely used in the production of large gear seat in the domestic product, because of the case-structural reasons, the problem of the process is complicated, the casting defect is large, the product quality rate is low and the production cost is higher. After the construction of "casting change to welding", the technology is relatively simple, the welding quality is easy to guarantee, the highly product qualification rate and highly efficiency of the material can greatly reduce the manufacturing cost, so the application prospect of the welding in the case gear is broad. However, it is difficult to ensure the processing size of welding, because the material plate is thick and large, the weld is dense, the welding stress is large, it is easy to produce the crack, and the welding deformation is large, and the processing size is difficult to guarantee.This paper mainly studies the welding process of the lower box of large gear seat. On the basis of process analysis, a reasonable welding process is developed and implemented. The results show that the welding method combined with CO 2 shielded welding and argon shielded welding can fully meet the design requirements of the structure by choosing the right welding size, welding sequence, welding parameters, groove form and corresponding welding processes such as pre-welding, in-welding and post-welding heat treatment 齿轮座下箱体 焊接应力与变形 焊接工艺分析 工艺措施 lower Box of gear seat welding stress and deformation analysis of welding process process measures 前言 1 中车资阳机车有限公司承担某大型齿轮座下箱体（简称“下箱体”）的焊接，其强度、刚度及加工精度直接影响齿轮的传动精度、工作性能和使用寿命。下箱体主要由上盖板、下底板、筒体及内外筋板等部件组成，单件质量达到6 t。下箱体筒体材料主要为厚度50~90 mm的Q235钢板，材料厚度大，整体结构刚性大。该产品结构主要焊缝尺寸为双面25HVa11，焊脚尺寸大，焊后残余应力和焊后变形较大，后续结构加工的尺寸不易保证，若焊接工艺选择不当易产生层状撕裂及冷裂纹。文中根据圆形结构的焊接特点，通过结构及焊接工艺分析，制定合理的焊接工艺措施，实施后取得了较好效果。 焊接工艺性分析 1 下箱体结构（见 图1 图1 ）主要由上盖板（件3）、下底板（件23）、筒体（件12）、中内板（件22）、内板（件2）、下内板（件21）、窥孔（件号1）、内外筋板等组成。 焊接工艺制定主要考虑以下方面： （1）下箱体材质Q235碳当量CE < 0.4%，焊接性好，但材料厚度大，结构主要板厚为50~90 mm，在轧制过程中母材轧层中存在大量非金属夹杂物（偏析），筒体与底板、筒体与筋板以角焊缝和T型焊缝为主，由于多层角焊缝会产生过大的Z向应力，易在热影响区及母材区引起沿轧制方向发展的层状撕裂 ［ 1 1 ］ 。 （2）下箱体为圆形箱体，结构复杂，内外筋板较多，焊缝分布密集（见 图2 图2 ），部分焊缝（内板与下内板焊缝，筒体与上下盖板焊缝内侧单V型焊缝、筒体内筋板与筒体焊缝）焊接可达性差。且焊后结构拘束应力及焊缝残余应力较大，易产生冷裂纹。焊接工艺上需要控制焊接热输入及采取合理的焊接顺序，减小焊接应力 ［ 2 2 ］ 。 （3）箱体焊缝长且多为全熔透焊缝，组焊过程中会有大量的焊接热输入，不可避免地产生焊接热应力，影响加工精度 ［ 3 3 ］ 。 （4）齿轮箱体需要加工的部位较多，同时各加工部位留有大于10 mm的加工余量。在机械加工过程中，受切削力、切削热带来的残余应力影响，焊接式齿轮箱体的加工精度降低 ［ 4 4 ］ 。 （5）产品焊接质量要求高、控制难度大。 a. 设计上要求所有焊缝焊后进行磁粉探伤、煤油渗透，同时筒体与上盖板、下底板及内隔板之间焊缝根据GB/T 3559的Ⅱ级要求进行超声波探伤。 b. 箱体内外筋板较多，筒体环焊缝无法连续焊接，接头较多，易产生焊接缺陷。筒体与上盖板、下底板、筒体内隔板为全熔透焊缝，焊缝坡口较深，采用气体保护焊焊接焊缝根部时，焊丝干伸长度较长，电弧不稳，焊缝根部易产生未熔合等缺陷。同时坡口尺寸大，易出现根部缺陷，无法满足焊后超声波探伤要求，焊缝返修难度大，返修量也大。 c. 箱体内部空间狭窄，部分焊缝可达性较差；焊前预热温度较高，焊接环境较差，劳动强度大。 工艺控制措施 1 （1）为减小焊接变形影响箱体焊后加工尺寸，对各部件下料尺寸放量，具体如 表1 表1 所示。 名称 设计尺寸 /mm 放量尺寸 /mm 备注 下底板厚度 80 90 3 下料 上盖板厚度 60 65 筒体高度 845 847 上下盖板组装间距 845 849 上下盖板与筒体留 1~2 mm间隙 （2）为减小结构整体的拘束应力及焊接变形，采用先分部件组装焊接，调修合格后再总组装焊接，使部件焊缝不影响结构整体变形 ［ 5 5 ］ 。 （3）在保证焊缝的可达性、根部质量的前提下，综合考虑焊接变形分阶段装配，保证焊接的连续性。采用加胎位卡具或临时支撑等措施，增加结构焊接时的刚度，以减小焊接变形量 ［ 6 6 ］ 。制定合理的装配顺序以控制其焊接应力及变形。 （4）采用低氢、较低热输入、较大熔深的焊接方法，防止焊接裂纹及保证焊缝根部焊透。 CO 2 气体保护焊具有电流密度大、电弧能量集中的特点，与富氩气体保护焊相比在相同条件下焊丝干伸长度较长，熔深更深，焊接热影响区小，焊接变形小，其热输入较低，可减小焊接热影响区的宽度。同时CO 2 焊具有低氢特性，焊缝中的扩散氢含量远远低于低氢焊条，焊缝中产生白点和氢脆的可能性降低，可有效防止裂纹产生 ［ 7 7 ］ 。但其焊接飞溅较大，焊缝成形差。富氩气体保护焊熔滴过渡形式为射流过渡，熔滴细小，焊接飞溅小，焊缝成形好 ［ 8 8 ］ 。因此，选用CO 2 气体保护焊打底+填充将坡口填平，保证焊缝内部质量；然后采用富氩气体保护焊焊接焊缝a值部分，保证焊缝外观成形。 （5）焊前预热减小了焊接区的温度梯度，扩大焊接区的温度场，有利于减小和抑制淬硬组织的形成，降低焊接接头的内应力，防止产生冷裂纹 ［ 9 9 ］ 。焊前预热温度及层间温度选择：厚度38~65 mm，最低预热温度和层间温度为110 ℃；厚度大于65 mm，最低预热温度和层间温度为150 ℃。 （6）采用先内后外的焊接顺序，主要焊缝全部打底焊接完成后进行填充、盖面焊。 （7）在冷却过程中锤击焊缝，使焊缝表面的残余拉应力变为残余压应力 ［ 9 9 ］ 。 （8）焊后采用一次去应力热处理，待粗加工后再二次去应力热处理，减小焊接残余应力及结构的变形量，保证箱体的加工精度。 （9）筒体与上盖板、下底板、中内板焊缝采用二次超声波探伤。即在CO 2 气体保护焊焊接打底、填充完双面单V型坡口后，进行一次超声波探伤，采用K2探头一次反射法检测焊缝根部及中部、下部，发现焊接缺陷返修合格后，再采用富氩气体保护焊进行角焊缝填充及盖面焊，焊后进行二次超声波探伤，采用K2探头二次反射法检测焊缝近表面缺陷。同时采用直探头在上盖板、下底板正面（焊缝反面）检测T型接头底部母材处是否有层状撕裂，如 图3 图3 所示。 焊接工艺实施 1 焊接设备和材料 2 选用3台松下GR3-500 CO 2 焊机，1台NBC-800型碳弧气刨焊机。CO 2 焊和富氩气体保护焊均采用ER50-6焊丝，直径1.2 mm，CO 2 气体保护焊时CO 2 气体纯度≥99.5％，富氩气体保护焊时保护气体为 φ （Ar）80％+φ（CO 2 ）20％。 组焊工艺实施 2 （1）定位焊要求。 构件在组装后应先进行定位焊固定，定位焊长度50~100 mm，间隔200~250 mm，焊角 K =6 mm。定位焊时，由于焊接过程中工件温度比正常焊接时低，易产生未焊透，同时焊接拘束度大，易产生裂纹 ［ 10 10 ］ 。因此对定位焊进行预热，焊接电流比正常焊接高10%~15%，预热温度比焊接工艺要求高30 ℃。 （2）下内板组件组焊。 为减小结构的焊接变形，将筒体、内板（件2）与下内板（件21）形成组件分别组焊完成，焊接变形调修后再整体装配。为降低焊工在箱体内的焊接难度，下内板组件在箱体内部焊缝焊完后组装。 内板与下内板焊接如 图4 图4 所示，在内侧点固工艺筋板，采用刚性固定法控制焊接变形。双面对称施焊，先焊内侧焊缝1、2层，再反面碳弧气刨清根后，焊接外侧焊缝1、2层，冷却至层间温度时测量下内板平面度，每焊2层测量焊接变形，根据变形情况，再焊接变形小的一侧。焊后下内板平面度检测1.5 mm，超声波探伤应符合CB/T 3559的Ⅱ级要求。焊接工艺参数如 表2 表2 所示。 焊接层道 焊接电流 I /A 焊接电压 U /V 保护气体流量 Q /（L·min -1 ） 1~4 230~260 26~28 20~25 其他层 260~290 28~32 20~25 （3）箱体组焊。 ①所有焊缝均采用PA或PB位置焊接，最大焊接电流不超过290 A。除第一层和最后一层外，其余各层道均要求锤击焊缝表面，以消除焊接应力。多层焊接时，各层焊缝所引起的横向收缩变形第一层的最大，之后逐层减小，这是因为随着焊接层数的增加，结构刚度不断增大，每层焊道引起的横向收缩变形也随之减小，厚板焊接的横向变形基本上由最初几层决定 ［ 11 11 ］ 。因此，焊缝1~3层应采用较小的焊接参数。主要焊接工艺参数如 表3 表3 所示。 焊接部件 焊接层道 焊接电流 I /A 焊接电压 U /V 保护气体流量 Q /（L·min -1 ） 3 筒体与上盖板、下底板焊缝 1~8 230~260 26~28 20~25 9~22 260~290 28~32 20~25 23~42 230~260 23~28 20~25 3 筒体与 中内板焊缝 1~5 230~260 26~28 20~25 6~29 260~290 28~32 20~25 30~49 210~230 23~28 20~25 2 筒体与 筋板焊缝 1、2、3、4 230~260 26~28 20~25 其他 260~290 28~32 20~25 ②主要焊缝全部打底焊接完后进行填充、盖面焊。全熔透焊缝组装焊缝间隙1.5~2 mm，利于焊透，减少反面清根工作量。 ③中内板与筒体对接焊缝加装40 mm长引熄弧板，焊后碳弧气刨去后，焊接封口，打磨圆滑过渡，减小焊缝应力集中。 ④筒体与上盖、下底板、中内板焊缝焊接时二人同时分焊，向同一方向焊接，以减小焊接应力。因内外筋板较多，板厚较厚，焊枪通过过焊孔时焊缝根部可达性较差，为保证焊缝根部的质量，先不装配内外筋板，避开筋板位置加装工艺筋板，防止焊接变形。待焊接完筒体与上盖板、下底板及中内板打底焊焊缝（1~4道）后，在装配内外筋板后拆除工艺筋板。 ⑤外筋板只有8块，为防止筒体外侧焊缝角变形，在没有筋板位置增加槽钢支撑，如 图5 图5 所示。焊接窥孔及所有筋板采用双面打底焊。 ⑥装配及焊接顺序。 焊接筒体调修→装配筒体与上下盖板→装配中内板→焊接筒体与上盖板、下盖板打底焊缝（1~4道）→焊接中内板打底焊缝（1~4道）→装配内外筋板、窥孔→焊接内外筋板、窥孔双面打底焊缝（1~4道）→焊接筒体与上下盖板填充焊缝（V型坡口焊完）→焊接中内板填充焊缝（V型坡口焊完）→焊接内外筋板、窥孔填充焊→磁粉、焊缝超声波（MT、UT）探伤筒体与上盖板、下盖板、中内板双V型坡口对接焊缝→焊接筒体与上盖板、下盖板、中内板角焊缝→焊缝超声波（MT、UT）探伤筒体与上盖板、下盖板、中内板角焊缝→焊接内外筋板、窥孔剩余焊缝→组焊下内板组件及其他小件→打磨精整焊缝圆滑过渡。 主要焊缝焊接层道顺序如 图6 图6 、 图7 图7 所示。 焊后热处理 1 焊后将齿轮座下箱体进行一次去应力退火，待粗加工后再进行二次去应力退火，以减小焊接残余应力，稳定结构尺寸，保证精加工尺寸。去应力退火工艺曲线如 图8 图8 所示。 焊后检测 1 下箱体焊后检查焊缝表面质量，符合JB/T 5000.3的规定。热处理后对下箱体焊缝进行表面磁粉探伤，符合JB/T6061标准，超声波探伤检测符合CB/T 3559的Ⅱ级要求。对箱体焊缝进行煤油渗透，检查涂白粉的一面无油迹。箱体通过三维划线检测，符合机械加工尺寸要求。 结论 1 （1）采用文中焊接工艺焊接两套轴承座齿轮下箱体，均满足设计要求及后续机械加工要求。 （2）对座齿轮座下箱体采用CO 2 气体保护焊和富氩气体保护焊相结合的焊接方法，通过焊前预热、控制装配及焊接顺序、调节热输入、焊后热处理等工艺措施完全能够满足其各项性能要求，其焊接工艺措施对类似结构的焊接具有一定参考意义。 参考文献 中国机械工程学会焊接学会 ， 焊接手册（第 3 版修订本）第2卷材料的焊接 ［M］. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2015 . 版修订本）第2卷材料的焊接 徐龙勇 . 夏仲军 . 大型复杂结构件的焊接应力与变形控制 ［J］. 焊接技术 ， 2011 （ 12 ）： 54 - 56 . 大型复杂结构件的焊接应力与变形控制 XU Longyong ， XIA Zhongjun . 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