高强度齿圈铸钢件缺陷焊补工艺

周 辉

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

1 技术背景与现状

低合金高强钢广泛应用于机械工程、电力、压力容器、汽车行业、矿山机械、石油海洋等领域，具有超高的强度、良好的塑韧性和较好的焊接性能。按合金元素系别，高强钢大致可分为四类[1]：

1）M n-Si系：在 M n-Si基础上加少量的 Cr、N i、M o、V，抗拉强度≥600 M Pa；

2）M n-Si-Cr-N i-M o系：在 M n-Si系基础上，加入少量的V，抗拉强度≥700 M Pa；

3）M n-Si-Cr-N i-M o-Cu-V 系：在 M n-Si-Cr-N i-M o系基础上，加入一定量的B，抗拉强度≥800M Pa；

4）超合金系：在M n-Si-Cr-N i-M o-Cu-V系基础上，加入较多的N i，抗拉强度≥1 000 M Pa，且具有良好的抗冲击性能。

目前行业内，针对低合金高强钢的焊补，普遍存在的问题主要为：焊缝熔合区开裂、热影响区局部软化[2]、焊补区与母材区硬度差较大、铸钢件硬度不均匀等问题。为确保焊接接头具有良好的抗裂性，可选取强度低于母材的焊材进行焊补，即低强度匹配原则[3-4]，采用此方法虽然能够确保焊接部位具有良好的塑韧性，降低焊接接头开裂的风险；但此方法导致焊缝的强度低于母材，无法确保铸钢件在更加苛刻的工况环境下使用。本文研究的齿圈铸钢件属于第2～3系列高强钢，具有普通低合金高强钢的焊接特性。且齿圈作为重要的传动部件，其特殊的工况环境，要求齿圈除了具有较高的强度外，还要具有较高的硬度。特别对于开齿部位不仅要求有高的硬度，而且必须硬度均匀。因为硬度不均匀，会导致齿圈在后期使用过程中，齿面出现不同程度的磨损，最终导致齿轮传动效率下降，甚至出现断齿的危险。

齿圈类铸钢件属于矿山机械中的核心传动部件，在缺陷焊补修复过程中存在的难点主要为：焊缝开裂，特别是热影响区开裂明显，焊补区与母材硬度差较大，硬度均匀性差；尤其在精加工开齿后，齿槽硬度较齿端面硬度下降明显，即出现明显的硬度衰减问题，焊缝与母材均会出现此问题。

2 齿圈类高强钢可焊性分析

本文研究的齿圈高强钢，材料牌号为SAE8635，其主要成分、性能如表1、表2所示。根据国际焊接学会（II W）推荐的CE计算公式：CE（II W）=ω（C）+ ω（M n）/6+[ω（Cr）+ ω（M o）+ω（V）]/5+[ω（N i）+ω（Cu）]/15，计算表 1中母材的 CE 值为0.67%～0.69%之间。根据日本提出的冷裂纹敏感指数公式 Pcm=ω（C）+ ω（Si）/30+[ω（M n）+ ω（Cu）+ ω（Cr）]/20+ω（N i）/60+ω（M o）/15+ω（V）/10，计算表中母材Pcm值为0.44～0.46之间。当碳当量值大于0.4%～0.6%时，可焊性较差，可以看出，牌号为SAE8635的低合金高强钢，其焊接性较差，淬硬倾向大，且很容易产生冷裂纹缺陷。因此，焊材的选择，焊接参数控制，以及焊接完毕进行何种热处理，是控制焊接质量的关键点。

3 焊接前准备工作

3.1 焊材选择

焊材的选择，一般有两大原则：一是性能匹配，另一个是成分匹配。性能匹配多用于结构钢焊接，而成分匹配更多的需要考虑工件的工况环境，比如耐热钢焊材，其主要合金元素 Cr、M o、W、V、N b等需要与母材相当；耐腐蚀钢焊材，其主要合金元素Cr、N i、M o元素要与母材相当。对于牌号为SAE8635的齿圈铸件，主要考虑焊材的性能能否满足母材要求。除此之外，对于焊材的选择，还应考虑焊接后的热处理方式，即焊接完进行消应力热处理，还是调质热处理，这一点也很重要，尤其对于齿圈类铸钢件。从表2中看出，材料牌号为SAE8635的齿圈铸件，其强度、硬度较高。尤其在硬度均匀性问题上，突出的问题为：焊接区硬度与母材硬度差值、焊补区与母材的硬度衰减问题。表3所示为几种目标焊材的成分。

DI值的计算，参照AST M A255端淬实验标准，其计算公式如下：DI（in）=0.54ω（C）×（0.7ω（Si）+1）×（3.3333ω（M n）+1）×（2.16ω（Cr）+1）×（3ω（M o）+1） ×（0.363ω （N i）+1） ×（0.365ω （Cu）+1） ×（1.73ω（V）+1），此公式满足 ω（C）%＜0.4%的材料。最终焊材的确定，还需考虑焊接完的热处理方式，由于齿圈产品对硬度的均匀性要求较高，通常焊接后，进行调质热处理，此时在焊材选择方面，主要考虑DI值，同时兼顾CE值。对比表3与表1中的相关值，焊材1的DI值、CE值与母材最接近，因此，对于焊接后进行调质热处理，焊材1最合适；若焊接后进行焊后消应力热处理，则主要考虑焊材的CE值，但焊材的CE值过高会增加焊缝开裂的分享，而且会导致焊补区域与母材硬度差较大的问题。因此，若焊接后进行消应力热处理，则焊材4较合适，焊材的Pcm值，尽量选较低值。

3.2 缺陷挖除与坡口清理

针对齿圈高强钢铸件，主要通过碳弧气刨的方式去除缺陷。通过表1确定母材具有较高的CE值、Pcm值。为防止缺陷气刨过程中母材开裂，缺陷气刨之前，气刨过程中，都需要进行预热保温处理。

表1 SAE8635化学成分（质量分数，%）

表2 SAE8635力学性能

表3 焊材成分（质量分数，%）

图1 预热示意图

齿圈类铸钢件轮廓主要为整圆或半圆形，选择与齿圈轮廓形状相同的预热管，将铸件水平放置，有利于预热及气刨、焊接操作。具体预热操作如图1所示，选择与图示齿圈铸钢件轮廓形状相同的预热管，根据预热火苗长短，调整预热管与铸件间距，一般调整至50mm较合适。预热管上均匀分布有出气孔，点燃预热管，保证火苗从出气孔溢出长度在150 mm～200 mm，均匀加热。当齿圈壁厚较大时（横截面较宽），适当增加一条预热管，保证预热温度均匀，且符合要求温度。预热温度控制在250℃～300℃为宜，且所有缺陷部位的温差不得超过50℃.缺陷气刨停止时，需要持续预热保温。缺陷气刨完，坡口需要进行打磨处理，打磨过程中，温度也必须保持在200℃以上，坡口打磨光亮后，通过干粉检测，确保坡口部位无裂纹缺陷存在。焊接前的预热、保温同样按照图1执行。

4 焊接操作过程

4.1 焊接参数及手法

为有效控制热输入，防止热影响区软化的问题发生[3]。尽量选择直径为φ4.0 mm的焊条，多层多道焊接，具体焊补过程如图2所示。焊接过程中，通过调整铸件摆放位置，保证缺陷焊接部位处于平焊位置，每一层的焊层厚度小于等于3 mm，焊接过程左右摆动幅度小于等于10 mm，每一道焊道宽度控制在10 mm～15 mm之间，电流140 A～160 A，电压17 V～22 V.

对于体积大且处于立焊位置的缺陷，先进行两层打底焊接，后填充焊接的方式。打底焊具体要求为：采用直径φ4.0 mm焊条先进行第一层打底焊接，具体见图2中7所示，此时电流设定为150 A，电压设定为25 V，这样能够保证打底层具有较好的熔深，且通过母材对焊缝金属的稀释作用，能够改善母材近缝区的成分，而且不会导致热输入的明显增加，避免热影响区母材晶粒过度粗化的问题。图2中，第一层打底焊接完毕后，采用直径φ5.0 mm焊条进行第二层打底焊接序号8所指位置，此时电流设定为190 A，电压设定为25 V，两层打底完毕后，采用集中加热装置，对打底层进行高温后热处理，保证打底层在400℃～450℃之间，至少保持2 h，之后缓慢降温至200℃左右，对打底层进行打磨处理，将焊缝全部打磨光亮，进行干粉检测，确保无裂纹后，参照图2b）所示进行填充焊接，直至缺陷满焊。

图2 焊补示意图

4.2 后热与消氢

焊接完毕后，依然采取图1的方式，对铸件进行后热消氢处理，保证铸件整体温度在300℃～350℃，整个后热过程中，可采取保温棉或隔热布，对焊补区域进行覆盖保温，保证焊补区与母材区的温差≤50℃，整个过程中不允许降温，直至铸件进炉热处理。

5 结语

1）针对齿圈类高强钢，在焊材选择方面，通过对比焊材与母材的CE、DI、Pcm值，能够使焊材选择更加科学、合理。同时应当考虑产品焊接后的热处理方式。若焊接后进行消应力热处理，则主要考虑焊材的CE值与母材保持一致，同时兼顾焊材的Pcm值；若焊接后进行调质热处理，则主要考虑焊材的DI值与母材一致，同时需要兼顾考虑焊材的CE值与Pcm值。

2）为确保齿圈最终硬度均匀，焊接后尽量选择调质热处理，但需要参照AST M A255进行端淬实验，验证焊材、母材在特定热处理工艺下，其硬度衰减情况。结合齿圈最终开齿尺寸，确保开齿后硬度衰减值满足母材硬度要求。若不合适，则需要重新选择焊材，或调整淬火工艺。

3）齿圈类高强缸焊材，尽量选择手动焊条焊接的方式，且尽量选择小直径焊条，这样有利于热输入的控制，降低焊接热影响，除去因过热而导致的软化、开裂问题。

4）缺陷挖除时，同样需要预热，预热温度的高低取决于铸件含C量，含C量越高，则相应的预热温度就越高。对于w（C）%＜0.4%的产品，一般最小预热到250℃即可。停焊过程中，需要一直预热保温到250℃以上，且需要控制焊接部位的温差，防止预热不均而导致的开裂。

5）铸件焊接完毕，热处理前需要一直后热保温，这一点很重要。否则，焊接部位开裂严重。