大型齿套内花键加工缺陷补焊

中国第一重型机械集团股份公司金属结构分厂 （黑龙江省齐齐哈尔 161042） 李文俊

我公司加工车间在加工某产品齿套时，因加工错误，造成内花键与中心孔存在偏心，导致部分内花键侧面缺量（最大约2mm）。由于产品各部套已进入总装，且交货期已临近，因此决定在保证使用性能前提下进行修复。

因为齿套已精加工完成，经过研究，先在加工车间的机床上检查各部尺寸，将不符的部位利用记号笔做好标记，并标明缺加工量的厚度。经检查发现，除内花键槽侧面（见附图）有4处缺加工量外，其余各部尺寸都在公差范围内，加工缺陷面积为60mm×400mm，缺加工量为1~2mm不等。

内花键槽结构

1. 焊接性分析

齿套的材质为40CrNiMoA，其化学成分如表1所示。

表1 40CrNiMoA化学成分（质量分数） （%）

从表1可看出，40CrNiMoA属于中碳调质钢，钢中的含碳量较高，并加入合金元素Si、Mn、Cr、Mo、Ni等，以保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得良好的综合性能。因此，其性能特点是具有高强度、高韧性和良好的淬透性，并有抗过热的稳定性。

由于40CrNiMoA含碳量高、合金元素多、钢的淬硬倾向大，Ms点又低，因而在淬火区产生大量淬硬的马氏体，导致严重脆化。焊接前为调质状态的钢材时，热影向区被加热到超过调质处理的回火温度区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区，如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为降低补焊区强度的薄弱区。

由于40CrNiMoA焊接时近缝区容易出现脆硬的马氏体组织，增大了补焊区的冷裂倾向，为了提高抗裂性，应尽量降低补焊区的含氢量，并采用焊前预热和焊后及时热处理。因中碳调质钢的碳及合金元素含量高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大，焊接时具有较大的热裂纹敏感性。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳焊丝，严格限制母材及焊丝中的硫、磷含量，在焊接工艺上应采用热量集中的焊接方法和小的焊接热输入，并注意避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。

2. 焊接方案

经分析，40CrNiMoA最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后再进行整体调质处理，这样可以防止产生裂纹。但齿套已经进行调质处理，并已精加工完成，因内花键与外齿轮尺寸公差及几何公差要求都很严格，要求补焊后变形量小于0.1mm。所以，经过研究决定在调质状态下进行补焊，焊后不进行调质处理。

这样补焊的主要问题是防止裂纹产生和避免热影响区软化，焊接时注意预热、层间温度和后热处理的温度都要控制在比母材淬火后回火温度低50℃。焊接的热量要集中，热输入越小越好，由于焊后不再调质处理，补焊金属成分可以与母材有差别，为了防止裂纹，可以选用奥氏体焊条或焊丝。考虑到采用小热输入焊接，可以降低淬火区的脆化程度，同时采用预热、后热等措施，能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织和性能，采用小热输入还有利于缩小软化区，降低软化程度。因此，决定采用热输入量较小且热输入集中的熔化极氩弧焊补焊。

补焊选用低碳不锈钢焊丝ER316，其焊道金属是含19%Cr-12%Ni-2%Mo的奥氏体组织，耐蚀、耐热及抗裂性优良。

3. 焊接工艺

（1）焊前准备 先将已标识好的补焊部位上的冷却液、油污、铁屑等采用丙酮清洗干净，减少氢的来源，并用抛光砂轮清理打磨，清除尖角、棱边，减小结构应力。

（2）预热 为了防止因局部加热产生的热应力而导致变形，我们选择将齿套整体进炉预热，预热温度为200~300℃。

（3）焊接工艺 焊接设备采用牡丹江欧地希焊接机有限公司生产的数字逆变控制脉冲MIG/MAG焊接机，型号：CPDP-500。

焊接时采用短焊道、窄焊道，焊接过程中不摆动，焊接弧长为4～6mm，电弧过长容易产生气孔等缺陷；收弧要慢，填满弧坑，采用回焊法，消除引弧和收弧缺陷，防止产生火口裂纹，每焊完一道要用锤轻击焊道，以减少焊接应力，焊接过程中要保持补焊区温度不低于200℃。另外，还要认真清理熔渣，精加工面要用石棉布遮挡上，防止熔池金属飞溅到精加工表面上，地线接在补焊面上，引、收弧时不得损伤精加工表面，补焊高度为留3mm加工余量。具体焊接参数如表2所示。

表2 焊接参数

（4）后热 补焊完成后，齿套不能直接冷却到室温，以防产生冷裂纹，应立即进行后热处理，后热温度350℃，持续加热3h后，利用石棉被保温缓冷。

4. 结语

冷却到室温后，将补焊部位利用砂轮清理打磨，补焊区做着色探伤，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，返加工车间加工后，经检测变形量小0.1mm，满足了加工精度要求，现该齿套已在用户安全使用5年。