于吉鯤，賈華

(大連海洋大學 a.應用技術學院；b.機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023)

大型軸承是柴油機、減速機、礦山破碎和研磨機以及軋鋼機等旋轉(zhuǎn)機械的核心部件[1-6]， 其運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和使用壽命不僅制約整個系統(tǒng)的質(zhì)量，而且嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

近年來，大型軸承的內(nèi)、外圈和滾子質(zhì)量均有明顯提升，但保持架質(zhì)量卻始終無法突破瓶頸，使軸承整體性能進一步提升受到嚴重制約。大型軸承一般有支柱焊接保持架和金屬實體保持架2種結構形式。金屬實體保持架要考慮保持架強度(兜孔梁寬問題)，滾子數(shù)較少，承載能力低，且一般采用離心澆鑄或特大型沖壓模具加工，加工困難[7-10]。支柱焊接保持架支柱與墊圈連接，無需考慮兜孔梁寬問題，相鄰滾子間距可適當減小，滾子數(shù)較多，承載能力高，加工容易。在低速、重載工況，大型圓柱或圓錐滾子軸承一般采用支柱焊接保持架和空心滾子結構[11]，軸承承載能力大幅提升，但在有沖擊載荷時焊接部位易脫焊或疲勞破壞，焊接部位質(zhì)量直接影響軸承使用壽命。為提高支柱焊接保持架軸承運行穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，在此對其進行研究，提供了一種合適的焊接方法和焊接結構。

1 支柱焊接保持架特點

1.1 結構

保持架的作用是將滾動體限制在保持架內(nèi)，幷使?jié)L動體沿其圓周均勻分布，同時防止?jié)L動體相互接觸[9]。支柱焊接保持架由多個支柱穿過空心滾子與上下墊圈連接而成，如圖1所示，支柱與兩墊圈的連接方式有：1)一端螺紋連接，另一端焊接；2)兩端均為焊接。支柱螺紋連接端需加工螺紋，焊接端需開凹槽，兩墊圈需對應加工螺紋孔或焊接光孔。此外，墊圈焊接光孔的待焊部位需加工坡口，以增加焊接熔合面積。由于要在滾子上加工支柱孔，空心滾子直徑不能太小，太小支柱強度不夠，太大滾子易碎裂。滾子數(shù)量主要取決于支柱與支柱孔之間的平均間隙，間隙越小，滾子數(shù)量越多，反之越少。根據(jù)設計標準以及實際應用經(jīng)驗，相鄰滾子之間的間隙只要不影響軸承正常運轉(zhuǎn)即可，適當增加滾子數(shù)量可提高軸承承載能力。

(a)圓柱滾子

1.2 材料

在軸承運轉(zhuǎn)過程中，支柱與空心滾子直接接觸，要求：1)支柱硬度高，耐磨損；2)墊圈要能承受交變應力和沖擊載荷，塑性和韌性好。文獻[7]提出墊圈與支柱材料均為中碳鋼，文獻[9]提出支柱材料應為45#鋼以下適合焊接的牌號。經(jīng)長期應用發(fā)現(xiàn)支柱選擇30#鋼，墊圈選擇20#鋼最佳，支柱非焊接部位進行局部表面高頻淬火，淬硬層深度為1.5～2.5 mm，表層硬度為45～50 HRC，支柱和墊圈待焊部位保持原始狀態(tài)。

2 支柱焊接保持架焊接方法分析

2.1 普通焊條電弧焊

普通焊條電弧焊是支柱焊接保持架的主要焊接方法[12]。為保證支柱與墊圈的結合強度，要求焊接結合處為圓形凸起，凸起高度一般小于1.5 mm。為保證焊接處焊縫成形良好，要求無夾渣、焊瘤和氣孔等缺陷。為保證焊接工藝性能和力學性能良好，焊接時一般采用J422結構鋼焊條，焊接電弧穩(wěn)定，飛濺少，脫渣容易且焊縫成形良好。在焊接電弧高溫作用下，焊條藥皮熔化會產(chǎn)生對焊接熔池或焊縫金屬有保護作用的保護氣體和熔渣[13]，但焊接熔渣易飛濺，黏附在滾子或滾道內(nèi)，清理困難，從而加速軸承磨損，降低軸承使用壽命。

2.2 熔化極氬弧焊

熔化極氬弧焊是采用氬氣作為保護氣體，使用焊絲作為熔化電極，通過大電流使被焊金屬和焊材達到冶金結合的一種焊接方法。氬氣保護效果好，焊接過程穩(wěn)定，焊接變形小，無焊渣，飛濺少，焊后焊接部位清理容易且外觀質(zhì)量良好[12]。但由于焊絲既作為電極又作為填充金屬，焊接電流較高，焊接速度較快，導致填入的焊絲相對焊條電弧焊少，致使焊接部位結合不牢。為增加焊絲添加量，需要改進支柱長度和墊圈焊接孔的坡口尺寸，導致生產(chǎn)效率低。此外，熔化極氬弧焊無脫氧去氫作用，對焊接部位和焊絲上的油污和鐵銹較為敏感，易形成焊接缺陷[14]。

2.3 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊是在氬氣的保護下，利用鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲(也可以不加填充焊絲)，形成焊縫的一種焊接方法[15]。焊接時，難熔的金屬鎢或鎢合金作為電極，在焊接熱作用下基本上不熔化，只有外加填充金屬熔化，焊接電弧長度恒定[16]。氬氣作為保護氣體，具有與熔化極氬弧焊共同的優(yōu)點。在焊接特大型圓錐滾子軸承支柱時通常采用電流正接法，此時工件接電源正極，鎢極接電源負極，產(chǎn)生大量熱能加熱工件，能夠形成深而窄的焊縫，生產(chǎn)效率高，工件收縮應力和變形小。可以根據(jù)焊帽高度和質(zhì)量確定焊絲填充量，焊縫性能更好[12]。

2.4 小結

除上述3種焊接方法外，文獻[17]利用激光焊接速度快、效率高和表面變形小的特點焊接微型軸承保持架，保持架材料未被氧化，焊接部位無污染，缺陷少，材料組織和性能無變化，軸承振動、噪聲與焊點結合強度試驗效果良好[17]。但由于激光焊接設備價格昂貴，未被應用于焊接大型支柱焊接保持架。目前，鎢極氬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結構優(yōu)化

大型支柱焊接保持架主要失效形式為支柱與墊圈螺紋連接部位脫松，支柱與墊圈焊接部位脫焊等，早期失效主要發(fā)生在支柱與墊圈的焊接部位，如圖2所示[7]，有必要對其焊接結構進行優(yōu)化。

圖2 大型支柱焊接保持架早期失效示意圖

3.1 焊接結構優(yōu)化

文獻[7]通過對失效特大型四列圓柱滾子軸承支柱焊接保持架宏觀檢查、斷口處及磨損部分的掃描電子顯微鏡檢測，以及對軸承工作過程中的受力和運動模擬分析發(fā)現(xiàn)：在反復的沖擊載荷作用下，支柱與墊圈焊接質(zhì)量不穩(wěn)定最終使支柱焊接端和螺紋端產(chǎn)生疲勞斷裂。為防止支柱與保持架連接失效，減少焊接脆性裂紋及焊接缺陷，采取以下措施：1)將保持架材料改為與支柱相同的中碳鋼；2)將墊圈上焊接凹穴處的深度由原來墊圈厚度的1/3增大到2/5，角度由45°減小到30°；3)改善滾子與支柱的接觸狀態(tài)，以減小滾子對支柱的剪切與彎曲作用。

文獻[9]對大型軋機柱銷焊接保持架軸承的失效分析發(fā)現(xiàn)：柱銷焊接端的焊接缺陷引起焊接處應力集中增大，承載能力降低，在反復的沖擊載荷作用下形成疲勞損傷累積，最終在焊接處開裂。為增加焊接部位熔合面積，要求焊接深入到柱銷頸部，并對墊圈焊接孔倒角，深度達到柱銷頸部，角度為45°。此外，改善柱銷與滾子柱銷孔接觸狀態(tài)，以減弱剪切力與彎曲力。

文獻[10]對特大型滾子軸承支柱保持架優(yōu)化設計發(fā)現(xiàn)：焊接殘余應力、焊接部位未焊透或未熔合以及焊接脆性裂紋是引起保持架失效的主要原因。為增加焊接面積，提高結合強度，采取以下優(yōu)化方案：1)增大支柱焊接端直徑；2)在支柱焊接端增加一個軸肩；3)將支柱焊接端改為圓錐結構。優(yōu)化方案不僅能增加焊接部位熔合面積，還能分擔部分軸向力，從而減小焊縫處的軸向力，提高使用壽命。

文獻[11]對焊接部位的失效分析發(fā)現(xiàn)：由于墊圈較薄，導致焊接熔合面積較小，焊接處微小焊接缺陷以及微小缺陷引起的應力集中是保持架失效的主要原因。為提高焊接結合強度和減少焊接缺陷，通過減小支柱與支柱孔間的裝配間隙和采用專用錐形焊接螺母，改善焊接部位的接觸狀態(tài)。

文獻[18]對應用在粗軋機架主減速機上的雙列圓柱滾子軸承失效分析發(fā)現(xiàn)：保持架首先在支柱與墊圈焊接部位脫焊，然后引起支柱與墊圈的螺紋連接松脫，最終導致保持架散套。為使支柱與滾子接觸部位充分潤滑，將保持架墊圈內(nèi)側(cè)支柱上、下兩側(cè)各切削一個10°的楔形槽；為防止螺紋連接松脫，改變兩列保持架支柱的螺紋方向；為減少焊接頭部位的應力集中，選擇對接接頭，在焊縫起點或終點處避免出現(xiàn)未焊滿或咬邊缺陷；為增加焊接處熔合面積，使支柱焊接頭高于保持架墊圈端面，并在端面上添加一個焊接凹槽。

結合上述焊接結構優(yōu)化措施，提出一種支柱焊接保持架焊接結構優(yōu)化方案：1)支柱材料為30#鋼，墊圈材料為20#鋼；2)支柱與墊圈一端為螺紋連接，另一端焊接，支柱和墊圈的焊接部位倒角為5 mm×45°。

3.2 焊接結構試驗驗證

焊接方式采用鎢極氬弧焊，焊絲為ER50-6，焊接方式為流線焊。根據(jù)支柱與墊圈相對位置，試樣焊接結構分為2種：1)支柱高于墊圈端面1 mm(試樣1)；2)支柱與墊圈端面平齊(試樣2)。焊接后試樣如圖3所示。

(a)試樣1

采用線切割方式將2種焊接試樣沿橫斷面拋開，依次研磨、拋光和酸洗，處理后的試樣橫斷面如圖4所示，2種試樣焊接處結合牢固，無氣孔、夾渣、未焊透或未熔合等缺陷。

(a)試樣1 (b)試樣2

為分析改進后2種試樣焊接部位的結合強度，在萬能拉伸試驗機上對試樣進行拉伸試驗，拉斷后試樣如圖5所示。試樣1，2的拉伸力分別為158，136 kN，斷裂部位均發(fā)生在焊接部位，說明焊接部位是保持架破壞的敏感部位，采取支柱高于墊圈1 mm的焊接結構可有效提高焊接部位結合強度。

(a)試樣1

4 結束語

通過對支柱焊接保持架焊接結構的優(yōu)化，能夠提高保持架支柱與墊圈焊接部位的結合強度。下一步將主要從采用先進焊接方法和改善焊接工藝方面進行優(yōu)化，如采取高能量密度的激光焊，增加焊縫熔合面積，減少焊接變形和氣孔、裂紋、夾渣、未焊透或未熔合等焊接缺陷，提高焊縫結合強度，進一步改善支柱焊接保持架性能。