焊接工艺在42CrMo特大型转盘轴承返修中的应用

李崇崇，张磊磊，霍晓磊，赵瑞瑞，王凯歌

(洛阳LYC轴承有限公司 a.特大型轴承厂；b.控股风电部，河南 洛阳 471039)

特大型转盘轴承广泛应用于起重机械、工程机械、港口机械、冶金机械及风力发电等重要领域，其使用过程中转速通常较低，能够承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。由于大多数特大型转盘轴承的使用环境比较恶劣，如风沙、地下、海水环境等，且承受重载、交变载荷和冲击载荷的作用，因此，转盘轴承在使用若干年后会出现各种损伤。由于更换费用高，可以考虑对轴承进行返修，对局部损坏的滚道和齿轮进行修复，恢复其原有功能。

1 特大型转盘轴承的损伤特征

特大型转盘轴承的损伤形式有疲劳、磨损、腐蚀、塑性变形、裂纹、滚道剥落、齿根断裂等，根据损伤对轴承的危害性，对主要损伤特征进行原因分析，见表1。

表1 转盘轴承典型损伤特征及形成原因

图1 滚道片状剥落

图2 保持架与滚子损坏

图3 滚道磨损

图4 磨损放大图

2 焊接修复工艺

对于轻微的滚道磨损，通过对滚道的磨削和增大滚动体尺寸，可保证转盘轴承的原有游隙，恢复其使用性能，而严重的滚道磨损和裂纹会演变成剥落，将无法通过磨削来消除滚道缺陷，恢复其使用性能。经过多年的试验探索，采取焊接工艺，在滚道剥落处补焊一层耐磨金属，再进行相应的热处理，最后通过滚道磨削，配置适当的滚动体，实现了对特大型转盘轴承的修复。

图5 滚道裂纹

图6 断齿

下面主要对42CrMo转盘轴承的滚道剥落和齿轮断齿两类严重缺陷的返修进行介绍。

2.1 滚道剥落的焊接修复

滚道剥落多出现在轴承滚道软带附近，该处硬度突变(22～55 HRC)，应力集中，在受到冲击载荷或长期交变应力作用下易发生剥落，严重影响轴承的使用性能。采用焊接工艺补焊缺陷，焊后进行热处理，然后磨削滚道加以修复，可以达到转盘轴承的使用强度，满足用户的要求。

2.1.1 焊接材料的选择

正确选择焊接材料是转盘轴承补焊缺陷的关键，补焊部分质量和性能与焊接材料关系十分密切，关乎焊接修复的成败。由于补焊区和熔合区有合金元素和碳扩散等，存在一个过渡区，该处化学成分和金相组织不均匀，物理性能、力学性能有较大差异，可能引起缺陷或降低材料性能。因此，必须根据母材42CrMo的成分、性能、补焊形式和使用要求选择焊接材料。42CrMo为低合金高强度结构钢，要求补焊材料强度小于42CrMo，其塑性和冲击韧性优于42CrMo。经过多次试验和优选，采用奥氏体不锈钢焊丝ER308L进行补焊，补焊金属处基本上为奥氏体组织，由于Ni的含量较高，能起到稳定奥氏体组织的作用，可以抑制熔合区中碳的扩散，防止马氏体组织的产生和聚集，改变焊接处的应力分布，避免出现裂纹，是比较理想的填充材料。

2.1.2 焊前准备

用砂轮机将轴承滚道剥落处抛光，显出材料本色，然后用渗透探伤法检查表面，确定表面无缺陷；使用丙酮清理表面；由于42CrMo强度超过800 MPa，碳当量比较高，焊接前须进行预热，预热温度不低于100 ℃，可整体预热也可局部预热。

2.1.3 焊接方法

由于焊件要经过加热和冷却，在熔合线附近容易产生脆性马氏体组织和渗碳层，若再受到热应力作用，容易产生裂纹。因此，采用手工氩弧焊进行焊接，以降低焊接区域的熔合比和母材的金属熔化量，避免裂纹等缺陷的产生。同时，焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊条移动方法及焊接层数的选择，应以减少母材金属的熔化和提高焊缝的堆积量为主要原则。为减少焊缝金属的稀释率，采用小电流、小直径焊条和高焊接速度进行焊接，并采用多层多道焊，避免产生冷裂纹。焊接收尾时必须填满弧坑，以免产生弧坑裂纹。

2.1.4 补焊操作重点

控制层间温度和焊接热输入是补焊操作的要点，控制方法为：

(1)采用多层多道焊，层间间隔一段时间，以控制层间温度；

(2)每层焊后，除去表面(黄色)氧化层，用渗透探伤法检查表面无裂纹等缺陷后再进行下一层焊接；

(3)每层焊缝(整个焊缝)都要用小锤进行锤击，且能够看到清晰的锤击痕迹，锤击的频率为3 Hz；

(4)采用小电流、高焊接速度进行焊接，以减小焊接热的输入，避免产生冷裂纹。

2.1.5 焊后处理

返修工件焊后进行150 ℃×4 h回火处理，以提高接头淬硬区塑性，减小焊接应力，减小裂纹出现的概率。

2.2 齿轮断齿的焊接修复

特大型转盘轴承在冲击载荷作用下，容易出现个别齿提前断裂，影响整套轴承的使用，而整体更换的费用较大，因此，通过焊接进行挽救，以达到轴承的预定使用寿命。

转盘轴承齿轮有齿面淬火和齿面未淬火两种形式，齿面未淬火齿轮可以按照普通低合金结构钢的焊接方法进行焊接，在此不再赘述。着重介绍42CrMo特大型转盘轴承齿面淬火后断齿的补焊技术。因为齿轮经过表面淬火后，表层组织和内部基体组织发生改变，应力分布差异大，必须采用特殊的焊接方法，才能避免焊接裂纹、气孔和脱焊等缺陷的产生。

2.2.1 焊接材料的选择

选用奥氏体不锈钢焊丝ER308L打底焊第1层，改变焊接处的应力分布，避免出现裂纹；再采用D127堆焊焊条填满坡口。D127为低氢型药皮的堆焊焊材，其硬度大于35 HRC，适用于常温的中高硬度材料补焊。

2.2.2 坡口形状

采用双面U形坡口(X坡口的一种)，焊缝截面中心线对称布置，焊后齿轮主要受到纵向和横向的收缩力，可以有效避免焊接角变形，影响齿形角。

2.2.3 焊前准备

使用丙酮清理坡口表面；焊件预热温度不低于100 ℃，优先采用局部预热法。

2.2.4 焊接工艺

断齿的焊接层次如图7所示。第1层采用ER308L焊条，从中间到两侧分段逆向焊接，每段焊缝长10～20 mm，厚度1.5 mm左右；第2～4层采用D127焊条焊接，厚度控制在2.5 mm以内，以避免产生过多的焊接热，防止产生冷裂纹。焊接层间间隔一段时间，以控制层间温度；每层焊缝都使用丙酮清洗，保持焊缝的清洁；每层焊缝(整个焊缝)都要用小锤进行锤击，且能够看到清晰的锤击痕迹，锤击的频率为3 Hz。

图7 焊接层次

2.2.5 焊后处理

焊后立即对返修工件进行150 ℃×4 h回火处理。

3 结束语

此焊接工艺可以用于42CrMo特大型转盘轴承的返修，用来修复轴承的滚道剥落、齿根断裂和滚道磨损等各种缺陷，返修后满足了其使用要求，延长了轴承的使用寿命，节约了成本。另外，对研究高硬度、高强度中碳合金钢的焊接工艺也有一定的借鉴意义。