大型齿轮座下箱体焊接工艺

钟俊林，陈雪飞，缪 辉

中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641301

0 前言

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。

1 焊接工艺性分析

下箱体结构（见图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。

图1 齿轮座下箱体整体结构Fig.1 Overall structure of the lower case of the gearbox

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]。

（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），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]。

图2 齿轮座下箱体主焊缝焊接Fig.2 Welding of the main weld of the lower case of the gearbox

（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]。

（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]。

（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。

2 工艺控制措施

（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所示。

表1 主要部件下料放量尺寸Table 1 Unloading dimensions of main component

（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]。

（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]。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。

CO2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CO2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]。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]。因此，选用CO2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]。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]。

（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CO2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所示。

图3 超声波探伤示意Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic flaw detection

3 焊接工艺实施

3.1 焊接设备和材料

选用3台松下GR3-500 CO2焊机，1台NBC-800型碳弧气刨焊机。CO2焊和富氩气体保护焊均采用ER50-6焊丝，直径1.2 mm，CO2气体保护焊时CO2气体纯度≥99.5%，富氩气体保护焊时保护气体为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。

3.2 组焊工艺实施

（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]。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所示。

图4 内板与下内板组焊Fig.4 Assembly welding of the inner plate to the lower inner plate

表2 内板与下内板组件焊接工艺参数Table 2 Welding process parameters of the inner plate and lower in‐ner plate assembly

（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]。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所示。

表3 筒体与上盖板、下底板、中内板焊缝、筋板焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters of barrel and upper cover plate，lower base plate，middle and inner plate welds，tendon plate

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所示。焊接窥孔及所有筋板采用双面打底焊。

图5 内外筋板及外部槽钢支撑Fig.5 Internal and external reinforcement plates and external chan‐nel supports

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7所示。

图6 上盖板（下底板）与筒体焊缝焊层（道）分布顺序Fig.6 Distribution sequence of welding layers（passes）of welds be‐tween upper cover plate（lower bottom plate）and cylinder

图7 筒体与中内板焊缝焊层（道）分布顺序Fig.7 Welding layer（pass）distribution sequence of welds between cylinder and middle inner plate

4 焊后热处理

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所示。

图8 热处理工艺曲线Fig.8 Heat treatment process curve

5 焊后检测

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。

6 结论

（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CO2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。