寧波蘇宏機電設(shè)備有限公司 浙江寧波 315806

1 序言

光纖激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，其可將熱輸入量降低到最低需求，熱影響區(qū)金相變化范圍小，因此由熱傳導(dǎo)造成的變形也最小[1-3]。特別是近年來國內(nèi)一些廠家推出的手持式光纖激光焊設(shè)備，具有操作簡單、焊接速度快、焊縫美觀、變形微小、無耗材等優(yōu)點。其拖線長度可達(dá)10m以上，不僅可滿足大型零部件的焊接需求，而且適合焊接各種金屬及其合金材料、有色金屬材料等。

本文針對石油平臺35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼小齒輪的齒面缺陷修復(fù)任務(wù)，根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點，選擇CO2氣體保護焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接方法進行對比試驗，確定最終的焊接返修方案，為后續(xù)齒輪齒面缺陷修復(fù)提供有效的工藝修復(fù)依據(jù)。

2 齒輪的參數(shù)以及焊接性能分析

該齒輪為石油平臺齒輪箱二級傳動齒輪，為雙聯(lián)結(jié)構(gòu)；大齒輪采用環(huán)鍛齒圈、腹板、輪轂焊接式，齒圈材質(zhì)為35CrMo鋼，調(diào)質(zhì)硬度為210～240HBW，mn=12，z=112；小齒輪為整體鍛造式，齒輪材質(zhì)為42CrMo 鋼，調(diào)質(zhì)硬度為230～260HBW，齒面高頻淬火硬度48～53HRC，mn=12，z=12。齒輪精度等級為7級。

缺陷產(chǎn)生原因：設(shè)備在拉載時，因拉載鋼絲繩捆扎不當(dāng)，繩頭卡入齒輪嚙合面，造成齒面缺陷，位置在齒長方向1/3處，長度約50mm（雙聯(lián)總長150mm+150mm）。缺陷深度為大齒輪一側(cè)局部齒面凹陷3～4mm，另一側(cè)凸出3～4mm；小齒輪局部凹陷1～2mm，如圖1、圖2所示。

圖1 大齒輪

圖2 小齒輪

根據(jù)齒面變形情況分析，齒輪局部齒面已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，即使齒面修復(fù)，該齒輪缺陷部分的強度已經(jīng)造成不可恢復(fù)的影響。經(jīng)設(shè)計方對雙聯(lián)齒輪的結(jié)構(gòu)強度、接觸強度、彎曲強度等進行重新計算，確認(rèn)該齒長1/6缺陷部分即使不參與工作，剩下5/6部分齒長強度可以滿足工作需要，因此修復(fù)工作做到修復(fù)齒形缺陷、恢復(fù)齒形原始尺寸即可。

（1）齒輪材質(zhì)碳當(dāng)量計算 因大小齒輪均為合金結(jié)構(gòu)鋼，所以碳當(dāng)量值可按公式CE=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15計算，評估齒輪材質(zhì)的焊接性[4]。

35CrMo碳當(dāng)量：

42CrMo碳當(dāng)量：

由碳當(dāng)量計算可知，35CrMo鋼、42CrMo鋼的碳當(dāng)量CE≥0.6%，焊接性差，均屬于難焊接的材料。焊接過程中如果任何一個環(huán)節(jié)做不到位，都會導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生，使產(chǎn)品直接報廢。因此，必需選用一種熱輸入量低，焊接變形小，產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力小的工藝方案方可解決，同時還要采取焊前加熱、焊后保溫等相關(guān)措施。

（2）焊接方法分析 焊接工藝方法的選擇主要取決于材料類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等因素。由于該齒輪屬于難焊接材料且為精加工狀態(tài)，因此要求修復(fù)時必須采用較低焊接熱輸入、較小熱影響區(qū)（HAZ）和焊接變形的焊接方式。

光纖激光焊適合焊接各種金屬及其合金材料、有色金屬材料；可以實現(xiàn)自動送絲焊接、手工局部熔絲焊接，也可以無耗材焊接[5]。這對已經(jīng)精加工成形的齒輪來講，光纖激光束聚焦后的光斑最小可達(dá)10μm，焊點非常小，因此變形微小、焊接應(yīng)力也非常小。

經(jīng)市場調(diào)研，本次采用深圳銘鐳激光設(shè)備有限公司的功率為2kW手持式光纖激光焊接機，拖線長達(dá)10m，操作便利，適合大型設(shè)備的返修使用。焊前技術(shù)中心制定了詳細(xì)的修復(fù)工藝。

3 光纖激光焊熔覆工藝

1）大小齒輪清理干凈，進行齒表面著色檢測，結(jié)果齒面無裂紋缺陷，可以實施后續(xù)焊接工序，如圖3、圖4所示。

2 ） 焊前缺陷齒采用氧乙炔焰加熱到250～300℃，焊后回溫到300℃，測溫筆實時檢測，以保證焊接時層間溫度。焊接完成后采取石棉布扎緊緩冷工藝措施，如圖5、圖6所示。

圖3 無損檢測位置

圖4 缺陷部位清理

圖5 火焰加熱

圖6 石棉保溫緩冷

3）齒面激光焊接：大齒輪焊絲采用ER50-6，焊接后熔覆層硬度可達(dá)180～200HBW。小齒輪采用MG600焊絲，熔覆層硬度可達(dá)230HBW，工作硬化后可達(dá)45HRC，如圖7所示。

4）焊接時焊縫高度高于齒面2～3mm，保證焊接平整均勻，焊接時應(yīng)遮擋防風(fēng)。

5）齒面修復(fù)。線切割制作齒形樣板。鉗工利用齒形樣板、涂紅丹粉，使用銼刀、油石修磨焊接齒形，如圖8、圖9所示。

圖7 齒面激光焊

圖8 齒形樣板修磨

圖9 銼刀修磨

4 光纖激光焊熔覆結(jié)果分析

激光熔復(fù)層與齒面金屬經(jīng)目視檢測為全部熔合狀態(tài)；齒輪熔覆表面著色檢測，無裂紋缺陷，個別微小氣孔不影響質(zhì)量，如圖10、圖11所示。

熔覆層硬度檢測數(shù)值見表1。

表1 熔覆層硬度檢測 （HBW）

從大小齒輪熔覆層硬度檢測數(shù)值可以看出，大小齒輪的齒面硬度差值為30～40HBW，符合嚙合齒輪硬度配置要求。在使用一段時間后，小齒輪堆焊層會產(chǎn)生工作硬化情況，硬度會逐步提高到40HRC以上，不會產(chǎn)生齒面膠合等情況。

經(jīng)試驗臺空跑、100%負(fù)載、125%超載各30min試驗，經(jīng)檢測齒側(cè)隙為0.37mm、0.4mm，符合設(shè)計要求，齒面接觸良好，無異常噪聲等現(xiàn)象。

圖10 目視檢測

圖11 著色檢測

5 結(jié)束語

此次采用光纖激光焊接工藝成功修復(fù)35CrMo鋼、42CrMo鋼齒輪，確保為客戶按期交貨，避免了近30萬元的經(jīng)濟損失，為后續(xù)在合金鋼光纖激光焊應(yīng)用拓展了工藝經(jīng)驗，特別是對于已經(jīng)精加工成形的、難以焊接的關(guān)鍵零部件的修復(fù)，展現(xiàn)了光纖激光焊接的特點和優(yōu)勢。光纖激光焊接正在以熱輸入量低，焊接變形微小、高效率、操作方便的特點被用戶認(rèn)可，今后會在航空航天、汽車、船舶及家電等行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。