韓飛云
(大慶石油管理局有限公司裝備制造分公司,黑龍江 大慶 163000)
當(dāng)前一些工業(yè)企業(yè)抽油機(jī)減速器中的齒輪大部分應(yīng)用的都為雙圓弧人字齒,這種齒輪的形式主要為整體鑄造齒輪形式,這種齒輪的鑄造成本高,工作量大,周期長(zhǎng),同時(shí)在精細(xì)加工中存在很多的缺陷,比如齒輪存在夾渣或者疏松等情況影響齒輪的質(zhì)量和正常使用,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。如果采用焊接的齒輪方式則能夠有效避免這種情況的發(fā)生。
首先,焊接齒輪的材質(zhì)主要為鍛造件,而齒輪圈的鍛造方式相對(duì)于整體的鑄造件來(lái)說(shuō)優(yōu)勢(shì)更強(qiáng);其次,焊接齒輪的毛坯質(zhì)量相對(duì)較輕,與鑄造齒輪的質(zhì)量對(duì)比會(huì)輕三分之一左右;再次,焊接齒輪的材料只對(duì)齒輪圈的要求較高,需要為ZG35SiMn優(yōu)質(zhì)合金鋼,其他部位的零件比如輪輻、輪轂以及筋板等部位的零件對(duì)材質(zhì)的要求比較低,因此相對(duì)于鑄造齒輪必須要貴重的金屬來(lái)說(shuō),其在造價(jià)方面也具有一定的優(yōu)勢(shì);最后,鑄造齒輪在制作的過(guò)程中,涉及到的工序繁瑣復(fù)雜,而且成品率不高,在加工的過(guò)程中,非常容易出現(xiàn)缺陷進(jìn)而產(chǎn)生殘次品,但是焊接齒輪在生產(chǎn)的過(guò)程中只需要保證工藝的合理性就可以保證齒輪制造成功。因此焊接齒輪憑借這些優(yōu)勢(shì)也被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域中。
但是焊接齒輪也存在一定的劣勢(shì),由于焊接的性能比較差,而且在齒輪焊接后還需要經(jīng)過(guò)退火、正火、調(diào)質(zhì)以及氮化等方面的熱工序處理,在生產(chǎn)加工的過(guò)程中工藝復(fù)雜,加工難度大,在焊接的過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋,因此在大型機(jī)械行業(yè)中焊接齒輪的應(yīng)用還存在限制。如果焊接齒輪能夠有效解決焊接方面的問(wèn)題,即可為以后焊接齒輪大規(guī)模的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
雙圓弧焊接齒輪可以分為三個(gè)部分,分別為齒圈、輻板以及輪轂,通過(guò)對(duì)這三個(gè)部分焊接組合而成。其中齒圈為齒輪的主要受力部位,齒根的彎曲應(yīng)力以及齒面的接觸應(yīng)力都需要齒圈承受。抽油機(jī)減速器對(duì)齒輪的要求高,承載的壓力大,所以在齒圈以及輪轂的材質(zhì)選擇中一般會(huì)采用ZG35SiMn中碳鋼,而輻板則會(huì)采用一般的Q235碳酸結(jié)構(gòu)鋼。為了降低由于焊接影響齒輪的程度,在焊接的過(guò)程中需要先進(jìn)行組焊然后在進(jìn)行整體的調(diào)整,提升焊接齒輪的強(qiáng)度和硬度。
中碳合金鋼ZG35SiMn在焊接的過(guò)程中焊接性能不強(qiáng),同時(shí)在焊接遇熱的過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋,或者出現(xiàn)脆化和冷裂紋等情況。
ZG35SiMn中碳合金鋼中的碳以及合金的含量都相對(duì)比較高,在焊接過(guò)程中焊縫凝固時(shí),由于固液間的溫度差比較大,所以偏析結(jié)晶的情況經(jīng)常發(fā)生,導(dǎo)致焊接過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)晶裂紋,而且這些裂紋本身的熱敏感性高。如果在焊接的過(guò)程中沒(méi)有采取特殊的處理和控制技術(shù),裂紋的問(wèn)題難以避免。為了有效的避免焊接中裂紋的出現(xiàn),必須要保證選擇材料的合理性,比如含碳量比較低或者含有硫、磷等雜質(zhì)元素比較少的材料,在焊接工藝的選擇中,需要保證對(duì)焊縫的填滿(mǎn),并保證焊縫的成型情況較好。
從焊接齒輪的材質(zhì)上來(lái)看,ZG35SiMn中碳合金鋼本身具有較強(qiáng)的淬硬性特點(diǎn),在焊接的過(guò)程中由于熱影響會(huì)導(dǎo)致鋼體表面存在馬氏體組織,為冷裂紋的出現(xiàn)提供條件。在焊接的過(guò)程中為了有效預(yù)防冷裂紋,必須要對(duì)焊接頭位置的含氫量進(jìn)行處理,在焊接前先做好預(yù)熱準(zhǔn)備,或者在加熱爐的旁邊進(jìn)行焊接,在焊接結(jié)束后再采用回火處理的方式。
中碳合金ZG35SiMn材料由于其中含有的碳元素以及合金元素都比較多,所以本身的淬硬性也比較強(qiáng),當(dāng)馬氏體的溫度逐漸降低后,會(huì)在焊接熱的區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生馬氏體組織,而且這些組織的淬硬性強(qiáng),在熱量影響下容易導(dǎo)致脆化。同時(shí)產(chǎn)生的馬氏體數(shù)量越多,其出現(xiàn)脆化情況也越明顯。
中碳合金鋼ZG35SiMn在焊接的過(guò)程中焊接性不強(qiáng),熱裂紋、冷裂紋以及淬硬性等情況經(jīng)常發(fā)生,進(jìn)而影響到焊接的質(zhì)量,因此在齒輪焊接的過(guò)程中必須要采取合理的焊接工藝,保證焊接的質(zhì)量。
在齒輪的焊接過(guò)程中需要合理選擇焊接方式,比如二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,由于其在焊接的過(guò)程中本身具有質(zhì)量高,應(yīng)力小以及變形小等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),所以二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊被廣泛的應(yīng)用到齒輪焊接過(guò)程中。在二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的應(yīng)用中還需要保證其工藝參數(shù),比如保證焊接的電流為200安,電壓為25伏,氣體流量為8到15升每分鐘,焊接的速度為40到50厘米每分鐘,采用的焊絲為H08Mn2SiA,焊絲的直徑設(shè)置為1.6毫米。
為了保證焊接的質(zhì)量,在焊接前需要先對(duì)焊接的位置進(jìn)行清理,焊件不得存在油污、鐵銹等雜質(zhì)。
在焊件清理完成后,需要把齒輪的齒圈以及輻板的位置擺放好,并放入到加熱爐中對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱處理,一般預(yù)熱的溫度需要設(shè)置為300~350℃。
焊接在預(yù)熱后,開(kāi)始進(jìn)行焊接工作,焊接需要在加熱爐前完成,保證焊件的溫度。從加熱爐中取出焊件后需要兩名焊工同時(shí)對(duì)稱(chēng)焊接。
在齒輪的輪圈以及輻板焊接完成后,需要將焊接完的焊件和輪轂進(jìn)行配對(duì),并保證位置的準(zhǔn)確性再放入加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱的溫度需要控制在400~430℃。
在這些工件預(yù)熱完成后,還需要在加熱爐前進(jìn)行焊接。焊接中焊縫接口處非常容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象,為了防止這種情況的發(fā)生,需要在輻板、齒圈以及輻板、輪轂的焊接點(diǎn)開(kāi)一個(gè)倒角,然后再進(jìn)行焊接,倒角為15×45°。
在完成齒輪焊接后,需要對(duì)焊接完成后的齒輪進(jìn)行高溫回火,溫度控制在600攝氏度左右。
在焊接完成后為了保證齒輪的合格率,需要對(duì)成品進(jìn)行檢驗(yàn)。在焊縫的檢驗(yàn)中,可以采用磁粉探傷或者外觀(guān)檢驗(yàn)的方式進(jìn)行。焊縫內(nèi)部則可以采用射線(xiàn)或者超聲波探傷的方式進(jìn)行檢驗(yàn),通過(guò)這種檢驗(yàn)的方式有效控制焊接的質(zhì)量。
在齒輪焊接完成后還需要再次進(jìn)行熱處理,對(duì)焊接中產(chǎn)生的粗晶組織進(jìn)行消除,提升齒輪的硬度和強(qiáng)度。比如針對(duì)焊縫開(kāi)裂的情況,在兩種不同材質(zhì)零件進(jìn)行焊接的齒輪,熱處理時(shí)容易出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。熱處理加熱和冷卻過(guò)程中存在的溫差較大,而熱脹冷縮的作用會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的出現(xiàn),進(jìn)而使焊縫開(kāi)裂。同時(shí)齒圈、輻板和輪轂的材料都存在差異,而不同材料的熱脹冷縮性和導(dǎo)熱性不同,導(dǎo)致熱處理過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫。
綜上所述,中碳鋼ZG35SiMn的含碳量高,所以在焊接的過(guò)程中可以采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的方式進(jìn)行焊接,在焊接過(guò)程中通過(guò)對(duì)預(yù)熱溫度的控制能夠防止焊接裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)在焊接的過(guò)程中還需要保證材料以及工藝選擇的合理性,保證焊接質(zhì)量。