大型轴承支柱焊接保持架焊接方式及焊接结构优化

于吉鲲，贾华

(大连海洋大学 a.应用技术学院；b.机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023)

大型轴承是柴油机、减速机、矿山破碎和研磨机以及轧钢机等旋转机械的核心部件[1-6]， 其运转稳定性和使用寿命不仅制约整个系统的质量，而且严重影响企业的生产效率和经济效益。

近年来，大型轴承的内、外圈和滚子质量均有明显提升，但保持架质量却始终无法突破瓶颈，使轴承整体性能进一步提升受到严重制约。大型轴承一般有支柱焊接保持架和金属实体保持架2种结构形式。金属实体保持架要考虑保持架强度(兜孔梁宽问题)，滚子数较少，承载能力低，且一般采用离心浇铸或特大型冲压模具加工，加工困难[7-10]。支柱焊接保持架支柱与垫圈连接，无需考虑兜孔梁宽问题，相邻滚子间距可适当减小，滚子数较多，承载能力高，加工容易。在低速、重载工况，大型圆柱或圆锥滚子轴承一般采用支柱焊接保持架和空心滚子结构[11]，轴承承载能力大幅提升，但在有冲击载荷时焊接部位易脱焊或疲劳破坏，焊接部位质量直接影响轴承使用寿命。为提高支柱焊接保持架轴承运行稳定性、可靠性和使用寿命，在此对其进行研究，提供了一种合适的焊接方法和焊接结构。

1 支柱焊接保持架特点

1.1 结构

保持架的作用是将滚动体限制在保持架内，幷使滚动体沿其圆周均匀分布，同时防止滚动体相互接触[9]。支柱焊接保持架由多个支柱穿过空心滚子与上下垫圈连接而成，如图1所示，支柱与两垫圈的连接方式有：1)一端螺纹连接，另一端焊接；2)两端均为焊接。支柱螺纹连接端需加工螺纹，焊接端需开凹槽，两垫圈需对应加工螺纹孔或焊接光孔。此外，垫圈焊接光孔的待焊部位需加工坡口，以增加焊接熔合面积。由于要在滚子上加工支柱孔，空心滚子直径不能太小，太小支柱强度不够，太大滚子易碎裂。滚子数量主要取决于支柱与支柱孔之间的平均间隙，间隙越小，滚子数量越多，反之越少。根据设计标准以及实际应用经验，相邻滚子之间的间隙只要不影响轴承正常运转即可，适当增加滚子数量可提高轴承承载能力。

(a)圆柱滚子

1.2 材料

在轴承运转过程中，支柱与空心滚子直接接触，要求：1)支柱硬度高，耐磨损；2)垫圈要能承受交变应力和冲击载荷，塑性和韧性好。文献[7]提出垫圈与支柱材料均为中碳钢，文献[9]提出支柱材料应为45#钢以下适合焊接的牌号。经长期应用发现支柱选择30#钢，垫圈选择20#钢最佳，支柱非焊接部位进行局部表面高频淬火，淬硬层深度为1.5～2.5 mm，表层硬度为45～50 HRC，支柱和垫圈待焊部位保持原始状态。

2 支柱焊接保持架焊接方法分析

2.1 普通焊条电弧焊

普通焊条电弧焊是支柱焊接保持架的主要焊接方法[12]。为保证支柱与垫圈的结合强度，要求焊接结合处为圆形凸起，凸起高度一般小于1.5 mm。为保证焊接处焊缝成形良好，要求无夹渣、焊瘤和气孔等缺陷。为保证焊接工艺性能和力学性能良好，焊接时一般采用J422结构钢焊条，焊接电弧稳定，飞溅少，脱渣容易且焊缝成形良好。在焊接电弧高温作用下，焊条药皮熔化会产生对焊接熔池或焊缝金属有保护作用的保护气体和熔渣[13]，但焊接熔渣易飞溅，黏附在滚子或滚道内，清理困难，从而加速轴承磨损，降低轴承使用寿命。

2.2 熔化极氩弧焊

熔化极氩弧焊是采用氩气作为保护气体，使用焊丝作为熔化电极，通过大电流使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接方法。氩气保护效果好，焊接过程稳定，焊接变形小，无焊渣，飞溅少，焊后焊接部位清理容易且外观质量良好[12]。但由于焊丝既作为电极又作为填充金属，焊接电流较高，焊接速度较快，导致填入的焊丝相对焊条电弧焊少，致使焊接部位结合不牢。为增加焊丝添加量，需要改进支柱长度和垫圈焊接孔的坡口尺寸，导致生产效率低。此外，熔化极氩弧焊无脱氧去氢作用，对焊接部位和焊丝上的油污和铁锈较为敏感，易形成焊接缺陷[14]。

2.3 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是在氩气的保护下，利用钨极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝(也可以不加填充焊丝)，形成焊缝的一种焊接方法[15]。焊接时，难熔的金属钨或钨合金作为电极，在焊接热作用下基本上不熔化，只有外加填充金属熔化，焊接电弧长度恒定[16]。氩气作为保护气体，具有与熔化极氩弧焊共同的优点。在焊接特大型圆锥滚子轴承支柱时通常采用电流正接法，此时工件接电源正极，钨极接电源负极，产生大量热能加热工件，能够形成深而窄的焊缝，生产效率高，工件收缩应力和变形小。可以根据焊帽高度和质量确定焊丝填充量，焊缝性能更好[12]。

2.4 小结

除上述3种焊接方法外，文献[17]利用激光焊接速度快、效率高和表面变形小的特点焊接微型轴承保持架，保持架材料未被氧化，焊接部位无污染，缺陷少，材料组织和性能无变化，轴承振动、噪声与焊点结合强度试验效果良好[17]。但由于激光焊接设备价格昂贵，未被应用于焊接大型支柱焊接保持架。目前，钨极氩弧焊是焊接支柱保持架的最佳方法。

3 支柱焊接保持架焊接结构优化

大型支柱焊接保持架主要失效形式为支柱与垫圈螺纹连接部位脱松，支柱与垫圈焊接部位脱焊等，早期失效主要发生在支柱与垫圈的焊接部位，如图2所示[7]，有必要对其焊接结构进行优化。

图2 大型支柱焊接保持架早期失效示意图

3.1 焊接结构优化

文献[7]通过对失效特大型四列圆柱滚子轴承支柱焊接保持架宏观检查、断口处及磨损部分的扫描电子显微镜检测，以及对轴承工作过程中的受力和运动模拟分析发现：在反复的冲击载荷作用下，支柱与垫圈焊接质量不稳定最终使支柱焊接端和螺纹端产生疲劳断裂。为防止支柱与保持架连接失效，减少焊接脆性裂纹及焊接缺陷，采取以下措施：1)将保持架材料改为与支柱相同的中碳钢；2)将垫圈上焊接凹穴处的深度由原来垫圈厚度的1/3增大到2/5，角度由45°减小到30°；3)改善滚子与支柱的接触状态，以减小滚子对支柱的剪切与弯曲作用。

文献[9]对大型轧机柱销焊接保持架轴承的失效分析发现：柱销焊接端的焊接缺陷引起焊接处应力集中增大，承载能力降低，在反复的冲击载荷作用下形成疲劳损伤累积，最终在焊接处开裂。为增加焊接部位熔合面积，要求焊接深入到柱销颈部，并对垫圈焊接孔倒角，深度达到柱销颈部，角度为45°。此外，改善柱销与滚子柱销孔接触状态，以减弱剪切力与弯曲力。

文献[10]对特大型滚子轴承支柱保持架优化设计发现：焊接残余应力、焊接部位未焊透或未熔合以及焊接脆性裂纹是引起保持架失效的主要原因。为增加焊接面积，提高结合强度，采取以下优化方案：1)增大支柱焊接端直径；2)在支柱焊接端增加一个轴肩；3)将支柱焊接端改为圆锥结构。优化方案不仅能增加焊接部位熔合面积，还能分担部分轴向力，从而减小焊缝处的轴向力，提高使用寿命。

文献[11]对焊接部位的失效分析发现：由于垫圈较薄，导致焊接熔合面积较小，焊接处微小焊接缺陷以及微小缺陷引起的应力集中是保持架失效的主要原因。为提高焊接结合强度和减少焊接缺陷，通过减小支柱与支柱孔间的装配间隙和采用专用锥形焊接螺母，改善焊接部位的接触状态。

文献[18]对应用在粗轧机架主减速机上的双列圆柱滚子轴承失效分析发现：保持架首先在支柱与垫圈焊接部位脱焊，然后引起支柱与垫圈的螺纹连接松脱，最终导致保持架散套。为使支柱与滚子接触部位充分润滑，将保持架垫圈内侧支柱上、下两侧各切削一个10°的楔形槽；为防止螺纹连接松脱，改变两列保持架支柱的螺纹方向；为减少焊接头部位的应力集中，选择对接接头，在焊缝起点或终点处避免出现未焊满或咬边缺陷；为增加焊接处熔合面积，使支柱焊接头高于保持架垫圈端面，并在端面上添加一个焊接凹槽。

结合上述焊接结构优化措施，提出一种支柱焊接保持架焊接结构优化方案：1)支柱材料为30#钢，垫圈材料为20#钢；2)支柱与垫圈一端为螺纹连接，另一端焊接，支柱和垫圈的焊接部位倒角为5 mm×45°。

3.2 焊接结构试验验证

焊接方式采用钨极氩弧焊，焊丝为ER50-6，焊接方式为流线焊。根据支柱与垫圈相对位置，试样焊接结构分为2种：1)支柱高于垫圈端面1 mm(试样1)；2)支柱与垫圈端面平齐(试样2)。焊接后试样如图3所示。

(a)试样1

采用线切割方式将2种焊接试样沿横断面抛开，依次研磨、抛光和酸洗，处理后的试样横断面如图4所示，2种试样焊接处结合牢固，无气孔、夹渣、未焊透或未熔合等缺陷。

(a)试样1 (b)试样2

为分析改进后2种试样焊接部位的结合强度，在万能拉伸试验机上对试样进行拉伸试验，拉断后试样如图5所示。试样1，2的拉伸力分别为158，136 kN，断裂部位均发生在焊接部位，说明焊接部位是保持架破坏的敏感部位，采取支柱高于垫圈1 mm的焊接结构可有效提高焊接部位结合强度。

(a)试样1

4 结束语

通过对支柱焊接保持架焊接结构的优化，能够提高保持架支柱与垫圈焊接部位的结合强度。下一步将主要从采用先进焊接方法和改善焊接工艺方面进行优化，如采取高能量密度的激光焊，增加焊缝熔合面积，减少焊接变形和气孔、裂纹、夹渣、未焊透或未熔合等焊接缺陷，提高焊缝结合强度，进一步改善支柱焊接保持架性能。