某机座焊接变形堆焊修复工艺探讨

缪 辉，邓 敏，钟俊林

(中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641300)

0 引言

通过工艺分析，考虑到Q345C钢的可焊接性能，拟采用焊接的方法对超差区域进行堆焊修复，堆焊后堆焊位置略高于周边平面0.5～2 mm，以确保焊后通过再次机加工达到图样要求尺寸。

图1 机座结构示意图

1 存在的问题、难点及解决思路

1.1 存在的问题、难点

1)工件材料为Q345C，Q345钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，在低温下或在大刚性、大厚度结构上焊接时，易出现冷裂纹[1]，本文需要堆焊的板厚为30 mm，在室温6℃～15℃下焊接，存在此种风险。

2)工件的中心孔已完成机加工工序，而从堆焊面到中心孔弧面的最小距离仅为50 mm，中心孔在堆焊热影响区的范围内，因此保证堆焊后中心孔不变形是修复过程控制的关键。机座焊后变形如图2所示。

图2 机座焊后变形

1.2 解决思路

针对如何保证堆焊后中心孔不变形，工艺确定了“合理选择焊接设备及焊材、焊前固定、焊中降低热输入、焊后去应力”的解决思路，并制定修复工艺。

2 堆焊修复工艺

2.1 焊接设备的确定

手工电弧焊设备简单，焊接操作时不需要复杂的辅助设备，也不需要气体防护，具有较强的抗风能力，因此本次堆焊采用手工电弧焊。本次焊接采用的焊接设备为ZX 7-400型逆变直流焊机，极性选择直流反接。直流反接焊条熔化快，可减轻焊接飞溅，而且由于熔池处于阴极，由焊条方向射来的氢离子与熔池表面的电子中和形成氢原子，从而减少氢气孔。

2.2 焊接材料的选择

由于Q345钢有冷裂纹倾向，选用低氢型的焊接材料，同时考虑到焊接接头应与母材等强的原则和小的焊接热输入原则，选用E5015 (J507)型电焊条，焊条直径3.2 mm。

2.3 焊接参数的选择

为避免焊接过热，导致焊缝组织粗大，造成冲击韧性下降，选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺。焊接电流控制在110～120 A，采用快速焊，单层焊缝厚度控制在1.5 mm以内，单道焊缝宽度控制在5～7 mm。每段焊缝焊后冷却至30℃以下，再进行下一道焊接[2]。

2.4 刚性固定

机座端面有大量镂空，刚性弱，在中心孔垂直方向加工艺支撑(见图3)，增加端面刚性，防止圆孔受热后向下变形。

图3 焊前加工艺支撑

2.5 焊接顺序

将需要堆焊的区域用7条线，均分为6个区域，如图3所示。焊接时，首先在序号1位置沿板厚方向焊接一条30 mm长的焊缝，然后在序号3位置沿板厚方向焊接一条30 mm长的焊缝，以此类推，依次在序号6、2、5、4、7沿板厚方向焊接一条30 mm长的焊缝，通过这种交错对称施焊(1—3—6—2—5—4—7—1)的方式，控制层间温度，减少热输入，达到控制焊接变形的目的。

2.6 强制冷却

在焊接区域制作储水槽，将石棉垫浸湿后放到距离焊缝30 mm以外的位置，通过物理降温的方式降温(见图4)，减少受热面积，降低工件升温速度，从而减少变形。

图4 湿石棉网物理降温

2.7 焊后去应力

每条焊缝焊完后，立即用榔头对焊缝进行敲击，释放焊接应力[3]。

3 试验结果与讨论

焊接前，使用内径千分尺对N端端面中心孔内径水平方向和垂直方向以及机座长度进行测量并记录，然后使用砂轮将待焊区域及附近20 mm范围的油漆打磨抛光至露出金属光泽，并用胶皮对焊接区域进行防护，避免加工面和已加工孔损伤，然后按照堆焊工艺进行焊接，最终堆焊效果如图5所示。

图5 堆焊效果图

3.1 堆焊后中心孔尺寸检测

焊接后，使用内径千分尺再次对N端端面中心孔内径水平方向和垂直方向以及机座长度进行测量，测量结果如表1所示。

从表1中可以看出，堆焊后，中心孔内径垂直方向未发生改变，水平方向增加了0.03，但仍在设计公差范围内，符合要求。机座总长增加0.02 mm，在设计尺寸公差范围内，符合要求。堆焊完成后，堆焊面高于周圈平面1～2 mm，通过二次加工后机座顶部平面度达到1 mm，符合设计要求平面度小于等于2 mm。

3.2 焊缝质量检测

加工后采用磁粉探伤进行焊缝无损检测，磁粉探伤结果该焊缝无焊接裂纹、气孔等缺陷，焊缝质量满足ISO5817 B级标准要求。

表1 焊接前后尺寸测量结果 单位：mm

4 结语

本次机座焊接变形修补采用了低氢型J507碱性焊条直流反接的堆焊工艺。在焊接过程中使用小的焊接电流、分区域对称交错施焊焊接顺序等措施减少焊接热输入，同时通过物理降温降低工件升温速度，有效避免了焊接过热带来的焊接缺陷和焊接变形。焊后通过机械敲击释放焊接应力，避免因焊接应力集中导致焊缝产生裂纹。焊接后的尺寸检查以及焊缝探伤结果说明堆焊后尺寸和质量均符合设计要求，达到了预期目的，是一个成功的修复工艺。