CN108637428A - 一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸钢件缺陷焊补技术领域，特别涉及一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法。提供一种碳含量在0.25%~0.35%的低合金高强度齿圈铸钢件缺陷焊补修复方法，保证焊补部位获得更优的性能，减小焊补区与母材区的硬度差值，确保焊补区的综合力学性能更加接近母材，显著提高低合金高强度齿圈铸钢件的焊接质量，降低焊补区开裂机率，降低焊接成本，缩短生产周期。此方法，特别适用于抗拉强度在700~900Mpa，硬度在250~320HB的低合金高强钢铸钢件的缺陷焊补。

Description

一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法

技术领域

本发明涉及铸钢件缺陷焊补技术领域，特别涉及一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法。

背景技术

低合金高强钢广泛应用于机械工程、电力、压力容器、汽车行业、矿山机械、石油海洋等领域，具有超高的强度、良好的塑韧性和较好的焊接性能。按合金元素系别，高强钢大致可分为四类：1）、Mn-Si系：在Mn-Si基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V，抗拉强度≥600MPa ；2）、Mn-Si-Cr-Ni-Mo系：在Mn-Si系基础上，加入少量的V，抗拉强度≥700MPa；3）、Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系：在Mn-Si-Cr-Ni-Mo系基础上，加入一定量的B，抗拉强度≥800MPa；4）、超合金系：在Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系基础上，加入较多的Ni，抗拉强度≥1000MPa，且具有良好的抗冲击性能。

目前行业内，针对低合金高强钢的焊补，普遍存在的问题主要为：焊缝熔合区开裂、热影响区母材局部软化、焊补区与母材区硬度差较大、铸钢件硬度不均匀等问题。针对以上问题，现有技术焊补修复方法为：选取强度低于母材的焊材进行焊补，即低强度匹配原则，采用此方法虽然能够确保焊接部位具有良好的塑韧性，降低焊接接头开裂的风险；但此方法导致焊缝的强度低于母材，无法确保铸钢件在更加苛刻的工况环境下使用。齿圈类铸钢件属于第2~3系别高强钢，具有普通低合金高强钢的焊接特性。但齿圈作为重要的传动部件，其特殊的工况环境，要求齿圈除了具有较高的强度外，还要具有较高的硬度。特别对于开齿部位不仅要求有高的硬度，而且必须硬度均匀。因为硬度不均匀，会导致齿圈在后期使用过程中，齿面出现不同程度的磨损。最终导致齿轮传动效率下降，甚至出现断齿的危险。

齿圈类铸钢件属于矿山机械中的核心传动部件，在缺陷焊补修复过程中存在的难点主要为：焊缝开裂，特别是热影响区开裂明显，焊补区与母材硬度差较大，硬度均匀性差；精加工开齿后，齿槽硬度较齿端面硬度下降明显，即出现明显的硬度衰减问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，以解决上述齿圈类铸钢件在缺陷焊补修复过程中存在的难点，保证齿圈焊补区域具有良好的综合机械性能，降低焊缝区开裂机率，减小焊补区与母材区硬度差，并有效降低齿圈开齿部位的硬度衰减问题，延长齿圈类铸钢件的使用寿命。

本发明主要涉及一种碳含量在0.25%~0.35%的低合金高强度齿圈铸钢件缺陷焊补修复方法，保证焊补部位获得更优的性能，减小焊补区与母材区的硬度差值，确保焊补区的综合力学性能更加接近母材。此方法，特别适用于抗拉强度在700~900Mpa，硬度在250~320HB的低合金高强钢铸钢件的缺陷焊补。

一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，包括如下步骤：

步骤一：焊接前预热

选择与齿圈类铸钢件轮廓形状相同的预热管，将所述铸钢件水平放置，并采用支撑块支撑，放置方向需有利于预热及焊接操作；在所述铸钢件的各个部位随形放置对应形状的所述预热管，调整所述预热管的气流大小，保证每个出气孔喷出的火苗长度相同，一般火苗长度在150~200mm之间进行预热；

所述铸钢件直径大于6000mm，且半径方向上壁厚大于500mm时，为了保证铸钢件预热温度均匀，降低铸钢件温差，降低开裂变形风险，需要增加附加预热管。

步骤二：焊材成分确定

一般要求焊材最低抗拉强度高于母材平均抗拉强度50~60Mpa，通过比较焊条与母材的碳当量Ceq值、淬透性DI值、裂纹敏感系数Pcm值，进行设计选择所述焊材的成分；所述焊材成分选定方法如下：

a、碳当量Ceq值比较，所述焊材Ceq值大于等于所述母材Ceq值的85%；

b、淬透性DI值比较，所述焊材DI值大于等于所述母材DI值的90%；

c、裂纹敏感系数Pcm值比较，所述焊材Pcm值小于所述母材Pcm值，且在满足上述a和b的条件下，所述焊材Pcm值控制在最小值；

所述碳当量Ceq值、淬透性DI值、裂纹敏感系数Pcm值的计算公式如下，式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu 、Si 、B分别表示各组分的质量百分含量，没有的成分含量为0：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15；

D.I.(in)=0.54C*(0.7Si+1)*(3.3333Mn+1)*(2.16Cr+1)*(3Mo+1)*(0.363Ni+1)*(0.365Cu+1)*(1.73V+1)，此公式需满足C%＜0.4%；

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 。

步骤三：焊接

采用直径为φ4.0mm的碱性焊条，多层多道焊接；焊接过程中，通过调整所述铸件摆放位置，保证缺陷焊接部位处于平焊位置，每一层的焊层厚度小于等于3mm，焊接过程左右摆动幅度小于等于10mm，每一道焊道宽度控制在10～15mm之间，焊接电流140～160A，电压17～22V；

针对体积大且处于立焊位置的缺陷，先进行两层打底焊接，后填充焊接的方式。打底焊具体要求为：采用直径φ4.0mm 焊条先进行第一层打底焊接，此时电流设定为150A，电压设定为25V，这样能够保证打底层具有较好的熔深，且通过母材对焊缝金属的稀释作用，能够改善母材近缝区的成分，而且不会导致热输入的明显增加，避免热影响区母材晶粒过度粗化的问题。第一层打底焊接完毕后，采用直径φ5.0焊条进行第二层打底焊接，此时电流设定为190A，电压设定为25V，两层打底完毕后，采用集中加热装置，对打底层进行高温后热处理，保证打底层在400～450℃之间，至少保持2小时，之后缓慢降温至150℃左右，对打底层进行打磨处理，将焊缝全部打磨干净，尤其是缺陷边缘，以上打磨光亮后，进行干粉检测。确保无裂纹后，进行填充焊接，直至缺陷焊满。

步骤四：焊后处理

焊接完毕后，对铸钢件进行后热，采用焊接前预热的方式，整个后热过程中，采取保温棉或隔热布，对焊补区域进行覆盖保温，使所铸钢件的焊补区与母材区的温差小于等于50℃，过程中不允许降温，使铸钢件整体温度在300～350℃，直至铸钢件进行热处理。

本发明方法，能够有效的解决齿圈类高强钢铸钢件焊缝熔合区开裂问题，减小焊补区与母材区硬度差，避免铸钢件硬度不均匀的问题。显著提高低合金高强度齿圈铸钢件的焊接质量，降低焊补区开裂几率，降低焊接成本，缩短生产周期。

附图说明

图1为齿圈焊前预热示意图；

图2为分道焊接示意图；

图3为打底焊接示意图；

以下各图中，1、内圆预热管；2、外圆预热管；3、附加预热管；4、支撑块；5-10、多层多道焊接顺序；11、第一层打底焊接；12、第二层打底焊接；13、打底层与母材结合部位。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本专利作进一步的详细描述。

本发明主要涉及一种碳含量在0.25%~0.35%的低合金高强度齿圈铸钢件缺陷焊补修复方法，保证焊补部位获得更优的性能，减小焊补区与母材区的硬度差值，确保焊补区的综合力学性能更加接近母材。此方法，特别适用于抗拉强度在700~900Mpa，硬度在250~320HB的低合金高强钢铸件的缺陷焊补。

一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，以图1所示齿圈铸钢件为例，包括如下步骤：

步骤一：焊接前预热

a、由于齿圈类铸钢件轮廓主要为整圆或半圆形，焊前预热前选择与铸钢件轮廓形状相同的预热管，将铸件水平放置，需有利于预热及焊接操作，使用支撑块4支撑铸件，支撑块4选择垫铁。

b、具体预热操作如下：如图1所示，选择与图示齿圈铸钢件轮廓形状相同的预热管1、预热管2 ，将预热管1、预热管2与齿圈随形放置，并调整预热管1、预热管2与齿圈之间的间距为50mm，预热管上均匀分布有出气孔，点燃预热管，火苗从出气孔溢出，火苗方向如图中箭头所示。

c、调整预热管中的气体流量大小，保证每个出气孔喷出的火苗长度相同,一般火苗长度在150~200mm之间。

d、当齿圈的直径大于6000mm，且半径方向上壁厚大于500mm时，为了保证铸件预热温度均匀，降低铸件温差，降低开裂变形风险，需要在图1中所示位置增加附加预热管3。

步骤二：焊材成分确定

一般要求焊材最低抗拉强度高于母材平均抗拉强度50~60Mpa，通过比较焊条与母材的碳当量Ceq值、淬透性DI值、裂纹敏感系数Pcm值，进行设计选择焊材的成分，计算公式如下，式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu 、Si 、B分别表示各组分的质量百分含量，没有的成分含量为0：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15；

D.I.(in)=0.54C*(0.7Si+1)*(3.3333Mn+1)*(2.16Cr+1)*(3Mo+1)*(0.363Ni+1)*(0.365Cu+1)*(1.73V+1)，此公式满足C%＜0.4%；

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B ；

所述焊材成分选定方法如下：

a、碳当量Ceq值比较，所述焊材Ceq值大于等于所述母材Ceq值的85%；

b、淬透性DI值比较，所述焊材DI值大于等于所述母材DI值的90%；

c、裂纹敏感系数Pcm值比较，所述焊材Pcm值小于所述母材Pcm值，且在满足上述a和b的条件下，所述焊材Pcm值控制在最小值；

实施例：铸件的主要成分及Ceq值、DI值、Pcm值，见表1所示。

表1 铸件的主要成分及Ceq值、DI值、Pcm值

项目	C的百分含量	Si的百分含量	Mn的百分含量	Cr的百分含量	Ni的百分含量	Mo的百分含量	V的百分含量	Cu的百分含量	B的百分含量	Ceq值	DI值	Pcm值
													铸件1	0.35	0.25	0.85	0.40	0.61	0.23	0.006	0.046	---	0.66	3.36	0.449
铸件2	0.34	0.30	0.85	0.50	0.58	0.22	0.006	0.046	---	0.67	3.66	0.445
													铸件3	0.349	0.285	0.91	0.55	0.59	0.19	0.004	0.077	---	0.69	3.96	0.458
铸件4	0.351	0.279	0.89	0.55	0.59	0.19	0.003	0.077	---	0.69	3.88	0.459

对以上所述成分的铸件，按照本专利所述方法选择相应的焊材成分，焊材Ceq值在0.68~0.74之间，略高于母材Ceq值，满足焊材Ceq值≥85%母材Ceq值的要求；焊材DI值在3.30~3.79之间，相当于母材DI值的95%~98%，满足焊材DI值≥90%母材DI值的要求；焊材Pcm值均小于所述母材Pcm值，且在满足Ceq值和DI值的条件下，焊材Pcm值控制在最小值；见表2所示。

表2 焊材的主要成分及Ceq值、DI值、Pcm值

项目	C的百分含量	Si的百分含量	Mn的百分含量	Cr的百分含量	Ni的百分含量	Mo的百分含量	V的百分含量	Cu的百分含量	B的百分含量	Ceq值	DI值	Pcm值
													焊材1	0.090	0.70	1.70	0.30	1.85	0.60	---	---	---	0.68	3.72	0.284
焊材2	0.080	0.40	1.45	0.80	1.99	0.50	---	---	---	0.71	3.79	0.272
													焊材3	0.060	0.35	1.50	0.85	2.25	0.52	0.02	0.001	---	0.74	3.30	0.263
焊材4	0.083	0.35	1.80	0.95	---	0.58	---	---	---	0.69	3.27	0.271

步骤三：焊接

a、焊接手法控制：选择直径为φ4.0mm的碱性焊条，多层多道焊接，具体见图2，图中5-10数字代表不同焊道的先后焊接顺序。焊接过程中，通过调整铸件摆放位置，保证缺陷焊接部位处于平焊位置，每一层的焊层厚度小于等于3mm，焊接过程左右摆动幅度小于等于10mm，每一道焊道宽度控制在10~15mm之间，电流140~160A，电压17~22V。

b、对于体积大且处于立焊位置的缺陷，先进行两层打底焊接，后填充焊接的方式。打底焊具体要求为：采用直径φ4.0mm 焊条先进行第一层打底焊接11，具体见图3所示，此时电流设定为150A，电压设定为25V，这样能够保证打底层具有较好的熔深，且通过母材对焊缝金属的稀释作用，能够改善母材近缝区的成分，而且不会导致热输入的明显增加，避免热影响区母材晶粒过度粗化的问题。图3中，第一层打底焊接11完毕后，采用直径φ5.0焊条进行第二层打底焊接12，此时电流设定为190A，电压设定为25V，两层打底完毕后，采用集中加热装置，对打底层进行高温后热处理，保证打底层在400~450℃之间，至少保持2小时，之后缓慢降温至150℃左右，对打底层进行打磨处理，将焊缝全部打磨干净，尤其是缺陷边缘，如图3中打底层与母材结合部位13，以上打磨光亮后，进行干粉检测。确保无裂纹后，进行填充焊接，直至缺陷焊满。

步骤四：焊后处理

焊接完毕后，对铸钢件进行后热，采用焊接前预热的方式，整个后热过程中，采取保温棉或隔热布，对焊补区域进行覆盖保温，使所铸钢件的焊补区与母材区的温差小于等于50℃，过程中不允许降温，使铸钢件整体温度在300～350℃，直至铸钢件进行热处理。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (4)

1.一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：焊接前预热

选择与齿圈类铸钢件轮廓形状相同的预热管，将所述铸钢件水平放置，采用支撑块支撑；在所述铸钢件的各个部位随形放置对应形状的所述预热管，调整所述预热管的气流大小进行预热；

步骤二：焊材成分确定

通过比较焊材与母材的碳当量Ceq值、淬透性DI值、裂纹敏感系数Pcm值，进行设计选择所述焊材的成分；所述焊材成分选定方法如下：

a、碳当量Ceq值比较，所述焊材Ceq值大于等于所述母材Ceq值的85%；

b、淬透性DI值比较，所述焊材DI值大于等于所述母材DI值的90%；

c、裂纹敏感系数Pcm值比较，所述焊材Pcm值小于所述母材Pcm值，且在满足上述a和b的条件下，所述焊材Pcm值控制在最小值；

步骤三：焊接

采用直径为φ4.0mm的碱性焊条，多层多道焊接；焊接过程中，通过调整所述铸钢件摆放位置，保证缺陷焊接部位处于平焊位置，每一层的焊层厚度小于等于3mm，焊接过程左右摆动幅度小于等于10mm，每一道焊道宽度控制在10～15mm之间，焊接电流140～160A，电压17～22V；

步骤四：焊后处理

焊接完毕后，对铸钢件进行后热，采用所述步骤一焊接前预热的方式，整个后热过程中，采取保温棉或隔热布，对焊补区域进行覆盖保温，使所述铸钢件的焊补区与母材区的温差小于等于50℃，过程中不允许降温，使所述铸钢件整体温度在300～350℃，直至所述铸钢件进行热处理。

2.根据权利要求1所述的一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，其特征在于：所述步骤一所述铸钢件直径大于6000mm，且半径方向上壁厚大于500mm时，需要增加附加预热管。

3.根据权利要求1所述的一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，其特征在于：所述步骤二所述的碳当量Ceq值、淬透性DI值、裂纹敏感系数Pcm值的计算公式如下，式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu 、Si 、B分别表示各组分的质量百分含量，没有的成分含量为0：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15；

D.I.(in)=0.54C*(0.7Si+1)*(3.3333Mn+1)*(2.16Cr+1)*(3Mo+1)*(0.363Ni+1)*(0.365Cu+1)*(1.73V+1)，此公式需满足C%＜0.4%；

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 。

4.根据权利要求1所述的一种高强度齿圈类铸钢件缺陷焊补修复方法，其特征在于：所述步骤三中焊接时，针对体积大且处于立焊位置的缺陷，先进行两层打底焊接，后填充焊接。