数控机床断裂齿轮轮齿的焊接修复技术初探

邓康平

（广西理工职业技术学院，广西 崇左532200）

1 前言

焊接技术是指通过加热、加压或二者并用的方式使得量共建之间产生原子间的结合，使二者紧密连接的工艺或技术，多用于金属或非金属的连接。数控机床在使用的过程中经常发生齿轮轮齿断裂的现象，广西理工职业技术学院中的万能数控镗铣床也不例外。在经过一段时间的使用后，机床的齿轮发生了断裂，为降低生产的成本，采取焊条电弧焊对断裂的齿轮进行了修复，并取得了不错的成果，有效降低了成本，缩短了生产时间，解决了生产中的一大难题。本文将从数控机床的齿轮轮齿材料的特点入手，分析其焊接过程中应当采用的工艺和接头的微观组织，为数控机床齿轮轮齿的焊接修复技术发展提供有实际意义的参考。

2 齿轮轮齿材料焊接性分析

2.1 齿轮轮齿的材料构成及特点

齿轮轮齿的材料属于合金材料，主要化学成分包括0.5C、4.5Cr、0.8Mn、0.35Si、0.5Mo、0.01S、0.005P、0.2V，其表面硬度为58RC。根据国际焊接协会的检验标准，由国际焊接学会推荐的碳当量公式计算该齿轮的焊接性，得知该齿轮的材料中碳当量等于1.673，即该材料的淬硬倾向较为严重，焊接性不强，这对于焊接有不利影响，十分容易导致淬硬组织和冷裂纹的产生。该焊接材料的含碳量与金属元素较多，在500 ℃以下的温度区间中均能保持较为良好的稳定性。除此之外，该齿轮的微观构成十分精密，其中大量的碳元素和金属元素增大了齿轮轮齿材料的液-固区间，产生了严重的偏析，导致材料极易产生热裂纹，而热裂纹的产生不利于齿轮的使用，从而为数控机床断裂齿轮轮齿的修复造成了极大的困难。

2.2 焊接工艺

根据以上对齿轮轮齿材料特点的精密分析，总结出一套轮齿焊接的工艺措施。

2．2．1 在焊接前进行严格预热

在焊接前，要将齿轮轮齿的温度预热到200～250 ℃，最大限度地降低冷却速度，降低冷裂纹产生的概率。急剧的温度变化会对晶体的微观结构造成很大的影响，使得材料变得脆弱而易产生裂纹，因此，在进行材料焊接前要先对材料进行一定的预热，减小温度急剧变化对材料性能造成的影响，降低裂纹产生的概率，提升焊接修复的成功率，从而满足实际生产过程中的技术需求。

2．2．2 对表面进行清理

在焊接前，要对齿轮表面附着的各种污渍进行清理，如铁锈、油污等，使齿轮的表面达到光亮的程度，以减小其他物质对焊接造成的影响。

由于焊接过程是将两物件进行原子间的结合，保证两个焊接面的洁净就显得至关重要，接触面间的污渍会影响焊接面的紧密结合，使得焊接过程中混入其他物质而影响焊接的牢固程度，降低修复后的齿轮耐用程度。

2．2．3 试用焊条前进行烘干处理

在对齿轮轮齿进行焊接修复时要采用焊条电弧焊和直流反接的工艺，选取D227 焊条，并在修复前对焊条进行严格的烘干处理，防止表面水分对焊接修复的过程产生不良影响。

2．2．4 焊条的规格直径要小

焊条的规格直径大约为2 mm，以保证焊接点精确，并在焊接的过程中采用较小的电流，保持在120～150 A，使焊接更加精密。由于数控机床的齿轮结构设计相当精密，在焊接修复时要保证其形状与断裂前一致，在数控机床的运转过程中与其他齿轮紧密结合，因此，对于焊条尺寸的要求也相当苛刻。焊条直径过粗，将无法精准地对焊接点进行定位和焊接，导致修复后的形状产生偏差，无法在生产过程中继续使用；直径过细，则容易在焊接过程中断裂，影响焊接过程的进行。

因此，经过反复试验，得出直径在2 mm 左右的焊条进行齿轮轮齿的焊接修复时有着很大的优势，既可以精确地对焊接点进行焊接，又可以保证焊条自身的可使用性。

2．2．5 焊接后的冷却处理

在焊接后冷却过程中，应采用缓慢冷却的方式或者采取后加热的措施，防止产生裂痕，避免影响修复后的齿轮轮齿的使用。在焊接工作完成后将焊接物体加热到一定温度，并进行一段时间的保温处理，使其缓慢冷却，从而改善焊接接头处的金属性能，消除一些参与应力对物件造成的不良影响。焊接后的热处理一般包括加热、保温和冷却三个过程，在操作中要保证其连贯，不可间断。

3 焊机后的齿轮轮齿质量检验与分析

在对数控机床齿轮轮齿进行焊接修复后，对焊缝及其周围受到高温影响的区域进行了相关的检测，未发现焊接缺陷，不影响齿轮的使用。

3.1 焊接处的微观组织

采用DM12000M 金项显微镜对焊接处接头的微观组织进行观察，可以清晰地看到焊接接头的微观组织结构。观察结果表明，其焊接母材的晶粒十分细小，融合区和过热区域的晶粒较为粗大。在融合区，加热的温度处于固液之间，该状态下，材料的物理性能和化学性能都相当不稳定，有着极高的不均匀性，很大程度上影响了接头的强度和韧性等力学性能，因此，融合区是最容易发生焊接缺陷的部位。

数控机床在焊接过程中所处的温度范围在固相线以下到1 100 ℃的范围之间，金属处于过热状态，受热胀冷缩的影响，金属中的晶粒处于严重膨大状态，冷却后便形成了粗大的组织形态。这种组织形态在一定程度上削弱了金属的强度，又使融合区与过热区成为焊接接头中最薄弱的环节。

从焊缝的微观结构可以得出，焊缝的组织为下贝氏组织，有较高的强度、硬度、塑性以及韧性，这些力学性质使修复后的断裂齿轮具有良好性能，促进数控机床工作的顺利进行。

3.2 焊接修复后的表面硬度

此外，通过THSV-800 适应度计对修复后的齿轮轮齿焊缝表面的硬度进行相关的测试，结果为687HV，与59HRC等效，相较于数控机床齿轮轮齿断裂前的硬度略高，这表明焊接修复后的齿轮表面硬度达到了使用的要求，可以投入实际应用之中。

4 总结

该数控机床齿轮轮齿的焊接性较差，在焊接过程中易产生冷裂纹和热裂纹，因此，在焊接过充中要注意采用缓慢冷却技术或后热处理技术，最大程度地降低裂缝产生的概率，保证焊接修复的有效性和修复后的齿轮的可使用性。采用焊条电弧焊接技术对数控机床的齿轮轮齿进行焊接修复后，齿轮表面的硬度略高于断裂前的表面硬度，可以满足使用的要求。总而言之，采用焊接修复技术可以对数控机床的齿轮轮齿进行修复，修复效果可以很好地满足生产的需求，是生产过程中一项必备的技术。