■ 陳成，高亮

隨著船舶甲板機(jī)械及鋼構(gòu)機(jī)械運(yùn)輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代造船及鋼構(gòu)件噸位越來(lái)越大，對(duì)所配套件的材料力學(xué)性能要求越來(lái)越高，在這種特定的情況下，42CrMo鍛件鋼以其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，成為船舶企業(yè)自行設(shè)計(jì)的甲板機(jī)械及鋼構(gòu)機(jī)械運(yùn)輸結(jié)構(gòu)焊接齒輪的主流齒面材料。但是，42CrMo鋼作為一種中碳高合金鋼，碳當(dāng)量高，焊接性極差，42CrMo鋼齒輪的焊接一度成為甲板機(jī)械及鋼構(gòu)機(jī)械運(yùn)輸結(jié)構(gòu)焊接齒輪制造的瓶頸。

某船用項(xiàng)目甲板機(jī)械及鋼構(gòu)機(jī)械運(yùn)輸結(jié)構(gòu)焊接齒輪的主流齒面材料為42CrMo，輻板加強(qiáng)筋為Q235，筆者通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)該鋼材的焊接工藝性能的分析，并經(jīng)過(guò)多次探索改進(jìn)，制訂出合理的焊接工藝，解決了甲板機(jī)械及鋼構(gòu)機(jī)械運(yùn)輸結(jié)構(gòu)焊接此類齒輪制造的焊接難題，確保產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的要求。

1. 焊接性分析

42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度鋼，它具有良好的綜合力學(xué)性能和較高的淬透性，同時(shí)具有良好的強(qiáng)度與韌度匹配及較高的疲勞強(qiáng)度，目前在中硬齒面齒輪用鋼中應(yīng)用廣泛。其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

從表1可知，按國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦公式計(jì)算42CrMo鋼的碳當(dāng)量為0.89%，其焊接性極差，淬硬傾向比較大。它的馬氏體屈點(diǎn)Ms=280℃，冷裂紋傾向較為嚴(yán)重，該材料的焊件剛性大，若焊接材料或焊接工藝選用不當(dāng)，在焊件冷卻至 300℃以下時(shí)，容易沿?zé)嵊绊憛^(qū)的淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

42CrMo材料雖含有能細(xì)化晶粒的Mo以及提高M(jìn)n含量抑制硫的熱裂紋性，但其含碳量太高，合金元素含量也較多，因此液固相區(qū)間距較大，偏析嚴(yán)重；另外，由于齒輪結(jié)構(gòu)的拘束度比較大，所以具有較大的熱裂紋傾向。因此在選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)盡量選用含碳量低，并且S、P雜質(zhì)少的填充材料。在焊接工藝上應(yīng)注意保證填滿弧坑和良好的焊縫成形。因?yàn)闊崃鸭y容易出現(xiàn)在未填滿的弧坑處，特別是在多層焊時(shí)第一層的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。必須采取焊前預(yù)熱和緊急后熱處理，以及選用低匹配焊接材料，緩和焊接接頭的受力點(diǎn)狀態(tài)，提高塑性和韌性，避免應(yīng)力集中。

表2 42CrMo鋼力學(xué)性能

齒輪焊接如附圖所示。

齒輪焊接示意

2. 焊接工藝方案設(shè)計(jì)

（1）焊接方法及焊材 從整體使用要求和焊接性分析可知，不能采用高的熱輸入。而從工藝和操作角度分析，采用CO2細(xì)絲焊接比較合理，并可采用逆變式帶脈沖電源，用純CO2（100%）氣體保護(hù)，以減少飛濺和焊渣清理，可改善操作勞動(dòng)強(qiáng)度。我們選用了武漢鐵錨的全鍍銅WH50—6、φ1.2mm焊絲。焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表3及表4所示。

（2）坡口形式 采用I形坡口，組對(duì)間隙0～2mm。

（3）焊前清理 焊前打磨去除坡口表面及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的油污、油脂和雜質(zhì)，直至露出金屬光澤。

（4）焊接工藝 預(yù)熱溫度及層間溫度的選擇極其重要，從焊接性分析知，預(yù)熱溫度較低，易出現(xiàn)裂紋；預(yù)熱溫度較高，則熱影響區(qū)范圍變大，晶粒變粗。在操作條件惡劣的情況下，極易造成操作上的失誤，增加裂紋源的產(chǎn)生。因此，選擇合理的預(yù)熱溫度非常重要，故預(yù)熱溫度應(yīng)略高于Ms點(diǎn)溫度區(qū)間內(nèi)，取預(yù)熱溫度為300℃。在焊接過(guò)程中，應(yīng)采用石棉布包裹，層間溫度取270～280℃。

焊后應(yīng)立即進(jìn)爐熱處理，溫度設(shè)計(jì)：先升溫至400～420℃、保溫2h，再升溫至（550±15）℃、保溫4～5h，爐冷至≤300℃出爐，空冷。所采用的焊接參數(shù)如表5所示。

（5）焊接過(guò)程控制 ①由于齒輪結(jié)構(gòu)形式特殊，局面拘束力度大，應(yīng)采用分段對(duì)稱焊接。根據(jù)齒輪尺寸大小、技術(shù)上的要求和設(shè)備條件，需采用兩人對(duì)稱焊接操作。②先焊完輪芯與輻板及筋板，再用鏈?zhǔn)郊訜釒Щ蛘w進(jìn)爐加熱齒圈，使齒圈膨脹，最終可使焊縫受壓應(yīng)力，以防止產(chǎn)生裂紋。③在壓焊時(shí)應(yīng)特別注意與齒圈壁的熔合，蓋面焊完后，應(yīng)用角磨砂輪機(jī)將焊縫打磨成圓滑過(guò)渡，以減少角尖端壓力。

（6）無(wú)損檢測(cè) 焊縫分別按照GB/T 11345—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%UT檢測(cè)和JB/T6061—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%MT檢測(cè)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

100%UT探傷證實(shí)所有焊縫均達(dá)到GB/11345—2013標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)，100%MT探傷證實(shí)所有焊縫均達(dá)到JB/T6061—2007標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)，齒輪在直徑方向脹大了1～2mm，熱影響區(qū)外20mm處的硬度無(wú)明顯變化，可知外圈力學(xué)性能未變，滿足使用要求。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)42CrMo鋼的焊接性分析，制定合理的焊接工藝，能夠有效防止焊接裂紋的產(chǎn)生，其焊接接頭的性能可達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且可獲得無(wú)缺陷的焊接接頭。

表3 焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接材料力學(xué)性能

表5 焊接參數(shù)