機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究

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1、機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究 機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究 2016/04/22 《現(xiàn)代焊接雜志》2016年第三期 摘要： HXN5機車柴油機曲軸平衡塊采用焊接方式連接，曲軸體材料為ASTMA983M（42CrMo），平衡塊材料為ASTMA36M1020（20#），是典型的異種鋼焊接。文章對材料的焊接性、焊接材料及焊接規(guī)范選用、平衡塊組裝定位、組焊順序、焊道順序、焊前預(yù)熱和焊后消除應(yīng)力熱處理等工藝措施進行了分析和研究，并進行焊

2、接工藝試驗，確定了合適的曲軸平衡塊焊接工藝。焊接結(jié)果表明，采用該焊接工藝進行曲軸平衡塊焊接，焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計要求，為HXN5機車柴油機曲軸的批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 機車柴油機；曲軸平衡塊；焊接工藝 內(nèi)燃機車柴油機轉(zhuǎn)速一般在500~1100r/min,為平衡連桿頸曲柄的離心慣性力，在曲柄的相對應(yīng)側(cè)需加裝平衡塊。我公司從美國GE公司引進的HXN5型機車柴油機曲軸平衡塊采用焊接方式連接，如圖1、圖2所示。曲軸的材料為ASTMA983M，平衡塊材料為ASTMA36M1020。在研究了ASTM（美國材料與實驗學會）制定的中速柴油機用合金鋼曲軸技術(shù)

3、規(guī)范的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析和試驗：ASTMA983M相當于國產(chǎn)的42CrMo,ASTMA36M相當于國產(chǎn)的20#鋼。曲軸與平衡塊的焊接是一種典型的異種鋼焊接。 1焊接性分析 曲軸材料：ASTMA983M；平衡塊材料：20#（GB/T699）；焊接材料：TWE-711（E501T-1）藥芯焊絲，所采用材料的化學成分如附表。（國際焊接協(xié)會），一般鋼材的碳當量小于0.38,焊接性比較好。ASTMA983M，其碳含量較高（W（c）=0.30~0.48），并含有較多的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo等），碳當量最高可達0.77。該鋼種淬硬性好,可達很高的強度和硬度，屈服強度

4、可達690~830MPa,但韌性相對較低。在焊接時，焊接接頭的熱影響區(qū)極易產(chǎn)生硬脆的馬氏體，且熱影響區(qū)及過熱區(qū)晶粒易于長大，使其脆性下降，增加了熱影響區(qū)的組織應(yīng)力，具有很大的冷裂紋敏感性；由于其還含有較多的對熱裂紋起較大影響的C、Si等元素，熱敏感性強，具有一定的熱裂傾向。另外，ASTMA983M與20#的焊接是典型的異種鋼焊接，會造成焊接接頭區(qū)域的成分、組織、性能的不均勻性，給焊接帶來很大的困難。根據(jù)HXN5機車柴油機曲軸平衡塊解剖檢驗的分析結(jié)果及ASTMA983M+20#異種鋼焊接性的分析，選擇合適的焊接材料；采用合理的焊接接頭形式、焊接方法、焊接工藝措施（合適的焊接參數(shù)、預(yù)熱、緩冷等）、

5、焊后消除應(yīng)力熱處理等工藝措施，進行HXN5機車柴油機曲軸平衡塊的焊接。 2焊接工藝研究 通過對選用的國產(chǎn)材料的焊接性分析，進行了焊接工藝試驗，為制定合適的焊接工藝打下了基礎(chǔ)，試驗解決了以下幾個問題： 2.1平衡塊組裝定位問題焊前平衡塊的組裝定位、引弧板和收弧板的組裝直接影響到平衡塊最終的焊接質(zhì)量及曲軸與平衡塊的最后成型。為此，專門設(shè)計了平衡塊與曲軸組裝的定位工裝，定位工裝由兩塊定位板組成，在組裝定位焊接時，解決了平衡塊的中心線與曲軸中心線難以保持一致的問題，并能保持平衡塊的垂直。 2.2平衡塊組裝焊接順序問題HXN5機車柴油機曲軸

6、長4.5M左右，毛坯重達3T，由曲軸和8塊平衡塊組成。組裝焊接時，正確的組裝焊接順序能夠避免由重力、焊后冷卻及焊接應(yīng)力帶來的變形，從而保持平衡塊焊接完成后曲軸中心線的直線度。平衡塊組裝焊接順序如圖3所示。 2.3平衡塊焊道順序問題平衡快采用K形坡口,多層多道焊接。為了控制焊后由于焊縫冷卻收縮帶來的變形，對平衡塊在焊接時制定了嚴格的焊道順序，焊接時要求焊槍直線運動，控制每道焊縫的寬度和厚度，采取小線能量，減少每道焊縫的熱輸入量，從而達到降低焊接熱應(yīng)力，控制焊后變形的目的。平衡塊焊道順序如圖4所示。 2.4焊前預(yù)熱問題考慮到本體采用的是淬透性很高的調(diào)質(zhì)鋼42CrMo

7、，焊接性較差，因此在焊接之前必須進行預(yù)熱，以防止冷裂紋的產(chǎn)生。在平衡塊定位焊時，將曲柄局部預(yù)熱。待平衡塊全部定位完成之后，將曲軸整體放進爐內(nèi)整體預(yù)熱，并保溫一定時間。 2.5焊后消除應(yīng)力熱處理問題消除為降低焊接殘余應(yīng)力及擴散氫含量，減小曲軸體熱影響區(qū)的硬度，以避免焊接裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)過前期的反復(fù)試驗，確定了焊后消除應(yīng)力熱處理時機及工藝參數(shù)。 3焊接工藝設(shè)計 3.1焊接前的準備（1）在曲軸各曲柄劃出平衡塊的安裝定位中心線，為了保證最終的焊接質(zhì)量，在焊縫部位及周圍不少于30mm的范圍內(nèi)進行磁粉檢驗，判斷有無裂紋等缺陷，若有裂紋，通過機加工或打磨去除裂紋

8、，在去除裂紋的過程中，必須保證曲軸的質(zhì)量，若無裂紋，待組裝焊接。（2）加工平衡塊，坡口型式為K形坡口，兩邊坡口角度均為45，留2mm鈍邊，并劃出平衡塊安裝定位中心線。（3）在曲柄待焊接部位和平衡塊坡口表面及周圍不少于20mm的范圍內(nèi)通過打磨清除油、銹、氧化物、灰塵及其它污物，打磨見金屬本色。（4）平衡塊的定位組裝，按照設(shè)計的平衡塊定位工裝進行組裝，組裝順序如圖1所示。為保證焊縫的最終質(zhì)量，增加焊接引弧板和收弧板，焊接引弧板和收弧板的坡口型式應(yīng)與平衡塊一致，平衡塊與曲軸的組裝定位間隙為3~4mm。（5）平衡塊與曲柄組裝后的定位焊，在定位時，使平衡塊中心線與曲軸中心線一致，并保持平衡塊垂直。（6）

9、在進行定位焊前，曲柄局部采用氧乙炔火焰預(yù)熱至100℃，然后進行定位焊操作。（7）待平衡塊的組裝和定位焊結(jié)束后，將曲軸整體進爐內(nèi)預(yù)熱300℃，時間為6小時。 3.2焊接過程（1）采用CO氣體保護焊，焊接材料為直2徑1.4mm的E501T-1藥芯焊絲，直流反接。焊接電流：200~230A，電弧電壓：25~28V，保護氣體：99.5%的CO，流量：20~25L/min，層間溫度：2曲柄焊接部位及周圍100mm范圍內(nèi)，溫度不低于300℃。整個曲軸的平衡塊的焊接順序按照圖1所示的順序進行，要求焊工同時對稱實焊。焊接操作時，采用多層多道焊，焊道順序如圖4所示。第一道焊縫完成后，應(yīng)將焊縫根部

10、的夾渣、氣孔、焊渣等缺陷及雜物清除干凈，方可進行第二道焊縫的焊接；以后每道焊縫完成后，應(yīng)將缺陷及雜物清除干凈后才能進行后道焊縫的焊接。（2）在第一和第二道焊縫完成后，采用機械方法或氧-乙炔火焰切割清除定位板，不允許割傷平衡塊、曲軸表面。（3）平衡塊兩面最后一道焊縫應(yīng)確保靠平衡塊一側(cè)完成。（4）待焊接結(jié)束后，用碳弧氣刨（或氧-乙炔火焰）清除平衡塊端部的引（收）弧板及端部缺陷，并進行打磨呈金屬本色。（5）曲柄與平衡塊的焊縫外形尺寸應(yīng)符合圖5所示的要求。（6）曲軸平衡塊焊接完成后的半小時內(nèi)進爐進行消除應(yīng)力熱處理，其工藝參數(shù)：溫度580~600℃，保溫15小時，隨爐冷卻至250℃，出爐空冷。

11、 3.3焊接檢驗焊接檢驗在曲軸平衡塊消除應(yīng)力熱處理冷卻，經(jīng)打磨后進行。（1）焊縫外觀檢查：焊縫聯(lián)接處過渡平緩,符合焊接接頭的外形尺寸要求。（2）焊縫表面檢驗：按ASTMA986/A986M《連續(xù)晶粒線向曲軸鍛件磁粉探傷技術(shù)規(guī)范》進行磁粉探傷，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。（3）焊縫內(nèi)部探傷：按GB/T11345《焊縫無損檢測超聲波檢測技術(shù)、檢測等級和評定》進行超聲波探傷，檢驗等級B級，評定等級不低于2級，符合要求。 4結(jié)束語 通過小批量生產(chǎn)試制過程中的驗證證明，經(jīng)過合理的工藝設(shè)計，采取正確的焊接工藝方法和工藝參數(shù)，并充分考慮焊接前預(yù)熱和焊后消除應(yīng)力熱處理的影響和作用，曲軸平衡塊的焊接質(zhì)量能夠完全達到產(chǎn)品的使用要求，為HXN5機車柴油機曲軸批量生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。