手弧冷焊焊補車床床頭箱軸承座裂紋

手弧冷焊焊補車床床頭箱軸承座裂紋

梁清枝

（肇慶市技師學院，廣東肇慶526060）

摘要：學校機械系實習車間經常會遇到一些機械設備損壞而需要焊補維修的工作。針對一台C630型車床床頭箱軸承座出現裂紋情況，經過綜合分析、試焊實驗，採用了手工電弧冷焊焊補的工藝方法，取得了滿意補焊質量效果，節約了成本，成功地恢復了該車床的正常運行。

關鍵詞：床頭箱軸承座；裂紋；手弧冷焊焊補

0 前言

筆者學校車工專業實習車間的一台C630型車床，長期用來提供車工學生實習和生產之用，車工學生在一次車削產品過程中，高低變速檔變位時發現有異樣，經機修組人員檢查發現車床床頭箱內有一傳動軸的軸承座上部離軸心約90 mm位置，出現一條長約60 mm的穿透性裂紋，裂紋的母材厚度為20 mm，如圖1所示。距離裂紋較近的這一傳動軸主要功能正好是擔當變速與剎車功能，由於該軸承座出現裂紋，直接影響了變速剎車靈敏性，使該車床無法正常工作。如果繼續開機使用，將直接導致傳動軸上的傳動齒輪、變速齒輪變形，同時也間接影響到其他傳動軸的齒輪傳動工作，嚴重時可能導致整個床頭箱報廢，只能停用。但是這台車床屬於大車床，從型號C630可知，床身最大迴轉直徑630 mm，是學校長期用來生產加工外協產品唯一的重要車床。這就直接影響了日常生產和教學工作。若將車床報廢無疑是非常浪費，因此要儘快修復好，使車床早日投入工作。

圖1 床頭箱軸承座裂紋示圖

圖2 新加工定位軸與軸套示圖

1 可焊性分析

（1）床頭箱材料分析

查閱有關資料，該床頭箱材質屬於HT200灰口鑄鐵，金相組織為珠光體基體。灰口鑄鐵中主要元素是碳、硅、錳、硫、磷等，其化學成分見表1，機械性能見表2，抗拉強度不小於200 MPa。

表1 HT200灰口鑄鐵的化學成分（%）

C P S 2.6～4.0 Si 1.0～3.0 Mn 0.5～1.50.1～0.5≤0.12

表2 HT200灰口鑄鐵的力學性能

抗拉強度/MPa≥200抗彎強度/MPa≥400硬度HB170～220

由表1表2可知，由於灰口鑄鐵固有的性質和冶金特性，勢必給電弧焊帶來一定的困難。

1）由於灰口鑄鐵組織中的碳大部分是以片狀石墨形式存在，而且硫、磷等有害雜質比較多，因而冷卻速度對焊縫的影響很大，焊接熔池的體積小冷卻速度大，焊縫的一次結晶時間很短，石墨化的時間不充分，使焊縫和熔合區中的碳以Fe3C（滲碳體）形態存在，極易形成白口和淬硬組織。

2）灰口鑄鐵幾乎沒有塑性，不能承受塑性變形，強度很低，當焊接應力大於鑄鐵強度極限時，易受破壞。而且電弧焊接時又具有加熱、冷卻速度快、焊件受熱不均勻、焊接應力大的特點，使灰口鑄鐵焊接極易形成冷裂紋和熱裂紋。

3）由於車床床頭箱軸承座厚度為20 mm，焊縫為多層焊，焊接層數越多，對焊後產生的收縮應力越大，越容易產生焊縫與母材剝離這樣的裂紋。

所以，車床床頭箱軸承座焊接修復的主要問題是：①焊接接頭容易出現白口和淬硬組織；②焊縫容易產生裂紋甚至與母材剝離。因此，為了減少白口組織產生和防止裂紋，焊接時必須選擇合適的焊接方法、焊接工藝、操作技巧等措施，適當調整填充金屬的化學成分和冷卻速度，來改善焊縫金屬的化學成分，增加石墨化元素的含量，從而獲得優質的焊縫。

（2）焊接位置分析

由於床頭箱大而重，拆卸工作量大、時間長，而且拆卸後安裝尺寸難免移位變形。因此決定現場焊補，只拆卸箱體內部部分相關的零件。

（3）焊接變形分析

為防止軸承座焊接變形，焊前專門加工一條與原軸尺寸相同的?650-0.02mm×535 mm的軸和兩個?1000-0.05×35 mm軸套，如圖2所示，便於在焊補過程中起到固定的作用，使隔板孔——軸承座——箱體軸孔等，三點位置連成一體的精度配合，如圖1所示。

2 焊接方法選擇

根據車床床頭軸承座裂紋開裂方向，屬於向上偏斜立焊位置開裂。由於車床床頭箱空間位置尺寸窄小，難以施焊，又是現場焊接，移動或轉動身位，都不便於焊補操作，若要取得滿意的焊接質量效果，並非易事。現有條件只有：第一，鹼性焊條；第二，CO2氣體保護焊；第三，鑄鐵焊條等。通過用廢舊的HT200灰口鑄鐵進行焊接試驗和結果比較如下。

①鹼性焊條：型號E5015（牌號J507），?3.2焊條，鋼絲焊芯；低氫鈉型葯皮，直流反接，熔合較好，但熱輸入大，易夾渣；適用於焊補鑄鐵要求不高的場合。

②CO2氣體保護焊：焊絲牌號H08Mn2SiA，焊絲直徑?0.8 mm，直流正接，熔合較好，熱輸入小，易控制。

③鎳基鑄鐵焊條（異質）：型號EZNi-1（牌號Z308），?3.2焊條，純鎳焊芯；石墨型葯皮，直流反接，細熔滴過渡，配合適當工藝，熔合好，抗裂性良好，焊縫組織具有一定的塑性性能，但價格偏貴。

經上述分析，最好是選擇CO2氣體保護焊，但是，CO2氣體保護焊的焊槍過長，不利於焊接空間施展焊接工作，為確保焊補成功，只能選用施展空間容易控制、操作靈活的手工焊條電弧焊進行修補，若焊條過長，可以剪短使用。以下就手工焊條電弧焊焊補鑄鐵常用的方法進行分析。

（1）熱焊和半熱焊

熱焊是指焊前將鑄件加熱到600℃～700℃（暗紅色），在補焊過程中保持這一溫度，並在焊後採取緩冷措施的工藝方法。其優點是焊件受熱均勻，冷卻速度緩慢，有利於焊縫金屬石墨化，減少和避免白口和淬硬組織的出現。缺點是焊工的勞動條件惡劣，焊接成本高，工期長，會因體力消耗過大而影響焊接質量。

預熱溫度在300℃～400℃稱為半熱焊。焊條主要為石墨化型，目前常用的只有兩種，一種是（同質）鑄鐵芯石墨化焊條「Z248」，一種是（異質）鋼芯石墨化焊條「Z208」。為保持預熱溫度、促進石墨化、降低焊接應力，故宜採用大直徑的焊條，大電流、長弧、連續焊。

（2）電弧冷焊

電弧冷焊就是焊件在焊前不用預熱，焊接過程中也不輔助加熱的焊接工藝。焊條分為同質和異質兩大類，優點是可以大大加快補焊的生產率，改善勞動條件，工件變形小。缺點是焊接接頭冷卻速度很快，容易形成白口和淬硬組織，工件受熱不均勻，收縮應力大，容易產生裂紋。

相比較，根據實際情況和結合上述的焊接分析，以及配合現有的維修設備和工具。選擇了手工焊條電弧冷焊法。但是，由於手工焊條電弧冷焊法的焊縫及熱影響區的冷卻速度很快，極易形成白口組織。此外，還因焊件受熱不均勻，常常形成較大的內應力，引起裂紋，所以焊接過程中必須採取合理的焊接材料和焊接工藝等措施。

3 焊條的選用

為了確保焊縫質量一次性焊補成功，根據以往對HT200灰口鑄鐵的焊接經驗，選用了北京金威Z308（異質）焊條。

（1）北京金威Z308焊條的特點

Z308（型號EZNi-1）是純鎳芯石墨型葯皮的鑄鐵電焊條。焊條可採用交直流兩用，電弧穩定，具有細熔滴過渡，熔渣覆蓋均勻，焊縫成形美觀，特別是在小電流時具有優良的操作工藝性能。用於鑄鐵薄件及加工面的補焊，如汽缸蓋、發動機座、齒輪箱以及機床導軌等重要灰口鑄鐵件。其化學成分見表3。

表3 北京金威Z308焊條熔敷金屬化學成分（%）

Ni 94.55 Mn 0.86 C S 0.250.009 Fe 1.75 Si 1.71

（2）異質焊縫的電弧冷焊工藝要點

為了防止裂紋和白口、淬硬組織的產生。焊接工藝上必須要注意：

①盡量降低鑄鐵母材在焊縫中的熔入量，以減少碳、硫等有害元素進入到焊縫中去，有利於提高焊縫質量；

②減少焊接應力，防止裂紋產生；

③盡量減小熱影響區的寬度，從而降低白口及淬硬組織。

4 焊前準備

（1）配備人員4人：焊工一人，機修人員二人，輔助人員一人，氧氣、乙炔和割炬一套，手提砂輪機一台、拆卸工具等若干。

（2）把床頭箱內的機油放盡，用毛巾吸乾淨，由於選擇現場不拆卸焊補。為防止焊接飛濺物落到零件表面，將箱內零件拆下，再剪薄鐵皮遮蓋床頭箱內壁。

（3）製作兩個與車床床頭箱一定高度的簡易平台支架，便於焊補操作。

（4）用氧——乙炔火陷將裂紋處的油污、水份等污物燒凈，直至不冒煙為止，燒烤時要注意加熱溫度不得過高（≤100℃），以防溫度過高而產生新的裂紋。通過燒烤清凈雜質，防止產生氣孔。然後用鋼絲刷、手提砂輪機拋光片去掉氧化層，直至露出金屬光澤。

（5）坡口加工：由於現場焊接，裂紋顯偏斜向上開裂，為減少熔合比，用角向砂輪機沿裂紋走向加工出雙邊U型坡口，在不影響焊條操作情況下，坡口盡量小些，以減少熔合比，將坡口兩邊約50 mm範圍內拋光出金屬光澤。坡口間隙與鈍邊約2 mm，如圖3所示。

圖3 雙U型坡口示圖

焊前清理乾淨焊接區域污物和床頭箱內角磨機打磨的粉塵。

5 焊接工藝

（1）焊機：選用ZX5-350

（2）焊條：北京金威Z308（型號EZNi-1）焊條，焊條直徑?2.5 mm、?3.2 mm。焊前將焊條進行150℃～200℃的烘焙，時間1～2 h，存放在保溫筒內，隨用隨取。

（3）焊接工藝參數的選擇：焊前為了確保焊補質量和工作效率，先用廢舊與斷裂處鑄件厚度同等的灰口鑄鐵進行試焊，確定焊接工藝參數和焊接層數，如表4所示，根部焊縫採用?2.5 mm的焊條打底，其他層採用?3.2 mm的焊條。

表4 焊接工藝參數

焊條牌號電源極性金威Z308金威Z308焊條直徑d/mm 2.5 3.2焊接電流I/A 80～90 90～100電弧電壓U/V 16～18 18～19直流反接直流反接

焊接時，電流比較關健，必須嚴格掌握，電流大了熔深越深，母材中的碳、硫等有害雜質進入焊縫的含量就越多，不利於焊縫質量的提高。如果焊縫中S、P含量多了，則容易使焊縫出現裂縫。因此，應採用較小的焊接電流，但必須保證焊縫和母材熔合良好為宜。與此同時，控制焊接熱輸入也同樣重要，速度不變的情況下，電流減小，則焊縫的焊接熱輸入就減少，這樣不但減少焊接應力降低裂紋的傾向，而且還可減少熱影響區的寬度和減少形成白口區的寬度，使白口層變薄。所以，焊接時應盡量控制焊接熱的輸入，採用短弧、小電流、分散、快速、窄道焊接。快速焊可以使熔深、熔寬減小，母材熔入量隨之下降，焊接熱輸入也隨之減少。

（4）坡口固定：在坡口上下兩端進行定位焊（正反面），點焊焊縫長度約15 mm，焊接參數與正式焊接相同，焊前用砂輪機將焊點始端介面處底部修磨成圓弧狀，清凈焊渣，有利於開始起焊時熔合過渡。

（5）坡口層數：單邊焊接層數：約3層。

（6）焊接操作過程

1）焊接方向由下至上焊接，立焊手法。焊條角度與焊接方向反方向夾角約60°～80°，如圖4所示，這樣有利於控制焊接電流的大小和焊接熱輸入。焊接順序和焊接層數，如圖5所示，採用多層多道短段、分段進行施焊，不要連續焊接，要保持較低溫度，用以減少與整體溫度的差別。先分別焊好底層焊縫1和焊縫2。然後其他各層各道的焊縫按照圖4所示互相交替進行焊接。每條焊縫分三到四段，每段焊縫長約20～30 mm左右為宜，焊縫過長熱輸入增加，會使焊接裂紋增加和白口的產生。每焊完一段，借焊縫還在紅熱狀態，塑性性能優良時，立即用小鐵鎚快速敲擊焊縫，使焊縫金屬產生塑性變形，以降低焊接應力。在保證熔合良好的情況下焊接速度盡量快些。以減少焊縫高溫區的停留時間，否則高溫在一個塑性低的區間停留時間長會產生熱裂紋。

圖4 焊條角度

2）焊完每一段焊道後，待冷卻至室溫或用手摸焊縫周圍不燙手大約50℃～60℃時，再焊下一段，段與段的時間間隔越長，溫度越低，降低焊接應力的效果越好。每段焊後，即用小錘尖頭敲擊焊縫由里向外逐步漸快速錘擊焊道金屬，使焊縫及焊縫坡口區域布滿均勻的錘擊小坑，用力要適中，不宜太大，但也不能過小，利用錘擊法是為了減少焊縫區金屬由於在冷卻收縮時受阻產生拉伸應力，錘擊促使焊縫產生塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮量，從而起到減少焊接應力的作用。

3）焊接中間焊道接頭要相互錯開。由於採用分段、短段焊接，焊接接頭較多，所以應特別注意焊接質量。焊縫介面處，段與段、層與層之間都要用鋼絲刷擦清除乾淨，如果接頭過高可用手提砂輪打磨圓滑過渡，利於接頭接合。

4）蓋面層焊縫余高應控制在0.5～1 mm，防止焊縫應力集中，避免裂紋的產生。

（7）焊後緩冷：補焊完成後，用氧氣、乙炔火焰在焊縫附近區域稍作適當的均勻加熱，溫度不能過高，約80℃～100℃左右，加熱完後，用石棉蓋住，讓工件緩慢冷卻，以減少應力，防止裂紋產生。

圖5 焊接順序和層數

（8）焊縫質量檢查：待工件冷卻後24小時，用砂輪機將焊縫余高磨平，用放大鏡檢驗，未發現有裂紋、氣孔等缺陷。再用銼刀銼焊縫表面，較容易銼動，說明焊縫表面沒有白口組織。補焊達到質量要求。經過檢查，重新將所有焊前拆卸的零部件安裝好，加入機油試車，空行半小時後，再檢查一次，無裂紋，滿足了技術要求。

6 結論

採用此法，工藝簡單，省時、省力、保證了焊接質量。該車床床頭箱軸承座裂紋自焊補修復投入使用多年，運行狀態良好，無裂紋，滿足了技術要求。由此證明，該焊接方法、焊接工藝是切實可行的，為學校節約了成本，恢復了該車床正常的使用性能。

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Fill Bearing Lathe Headstock Seat by Hand Arc Welding Cold Crack

LIANG Qing-zhi（Zhaoqing Technician Institute，Zhaoqing 526060，China）

Abstract：Mechanical system often meet some mechanical equipment damage which needs to be weld repaired during the internship time. This article aimed at a C630 lathe headstock which is cracked of bearing seat in our school』s professional latheman，through comprehensive analysis and test welding experiment，using the manual arc cold welding repair method，has obtained the satisfactory effect of repair welding quality and saved the cost and restored the normal operation of the lathe successfully.

Key words：bed case bearing seat；crack；hand arc welding

中圖分類號：TG51

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492(2017)04－0062－05

作者簡介：梁清枝，男，1965年生，廣東肇慶人，大學專科，一級教師。研究領域：焊接工藝。已發表論文2篇。

(編輯：向飛)

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2017.04.016

收稿日期：2016－10－06

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