機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸平衡塊焊接工藝研究

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1、機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸平衡塊焊接工藝研究機(jī)車(chē)柴油機(jī)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(jī)車(chē)柴油機(jī)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(duì)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(jìn)行了分析和研究，并進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，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(jìn)行曲軸平衡塊焊接，焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)要求，為HXN5機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸的批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：機(jī)

2、車(chē)柴油機(jī)；曲軸平衡塊；焊接工藝內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般在5001100r/min,為平衡連桿頸曲柄的離心慣性力，在曲柄的相對(duì)應(yīng)側(cè)需加裝平衡塊。我公司從美國(guó)GE公司引進(jìn)的HXN5型機(jī)車(chē)柴油機(jī)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(guó)材料與實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)）制定的中速柴油機(jī)用合金鋼曲軸技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)：ASTMA983M相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)的42CrMo,ASTMA36M相當(dāng)于國(guó)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/T69

3、9）；焊接材料：TWE-711（E501T-1）藥芯焊絲，所采用材料的化學(xué)成分如附表。（國(guó)際焊接協(xié)會(huì)），一般鋼材的碳當(dāng)量小于0.38,焊接性比較好。ASTMA983M，其碳含量較高（W（c）=0.300.48），并含有較多的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo等），碳當(dāng)量最高可達(dá)0.77。該鋼種淬硬性好,可達(dá)很高的強(qiáng)度和硬度，屈服強(qiáng)度可達(dá)690830MPa,但韌性相對(duì)較低。在焊接時(shí)，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(guò)熱區(qū)晶粒易于長(zhǎng)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(duì)熱裂紋起較大影響的C、Si等元素，熱敏感性強(qiáng)，具有一定的熱裂

4、傾向。另外，ASTMA983M與20#的焊接是典型的異種鋼焊接，會(huì)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(lái)很大的困難。根據(jù)HXN5機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸平衡塊解剖檢驗(yàn)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）、焊后消除應(yīng)力熱處理等工藝措施，進(jìn)行HXN5機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸平衡塊的焊接。2焊接工藝研究通過(guò)對(duì)選用的國(guó)產(chǎn)材料的焊接性分析，進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，為制定合適的焊接工藝打下了基礎(chǔ)，試驗(yàn)解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：2.1平衡塊組裝定位問(wèn)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

5、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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(shí)，解決了平衡塊的中心線與曲軸中心線難以保持一致的問(wèn)題，并能保持平衡塊的垂直。2.2平衡塊組裝焊接順序問(wèn)題HXN5機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸長(zhǎng)4.5M左右，毛坯重達(dá)3T，由曲軸和8塊平衡塊組成。組裝焊接時(shí)，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(lái)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(wèn)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(lái)的變形，對(duì)平衡塊在焊接時(shí)制定了嚴(yán)格的焊道順序，

6、焊接時(shí)要求焊槍直線運(yùn)動(dòng)，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(dá)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(wèn)題考慮到本體采用的是淬透性很高的調(diào)質(zhì)鋼42CrMo，焊接性較差，因此在焊接之前必須進(jìn)行預(yù)熱，以防止冷裂紋的產(chǎn)生。在平衡塊定位焊時(shí)，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(jìn)爐內(nèi)整體預(yù)熱，并保溫一定時(shí)間。2.5焊后消除應(yīng)力熱處理問(wèn)題消除為降低焊接殘余應(yīng)力及擴(kuò)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(guò)前期的反復(fù)試驗(yàn)，確定了焊后消除應(yīng)力熱處理時(shí)機(jī)及工藝參數(shù)。3焊接工藝設(shè)計(jì)3.1焊接前的準(zhǔn)備（1）

7、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?chē)簧儆?0mm的范圍內(nèi)進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，判斷有無(wú)裂紋等缺陷，若有裂紋，通過(guò)機(jī)加工或打磨去除裂紋，在去除裂紋的過(guò)程中，必須保證曲軸的質(zhì)量，若無(wú)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?chē)簧儆?0mm的范圍內(nèi)通過(guò)打磨清除油、銹、氧化物、灰塵及其它污物，打磨見(jiàn)金屬本色。（4）平衡塊的定位組裝，按照設(shè)計(jì)的平衡塊定位工裝進(jìn)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

8、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34mm。（5）平衡塊與曲柄組裝后的定位焊，在定位時(shí)，使平衡塊中心線與曲軸中心線一致，并保持平衡塊垂直。（6）在進(jìn)行定位焊前，曲柄局部采用氧乙炔火焰預(yù)熱至100，然后進(jìn)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(jìn)爐內(nèi)預(yù)熱300，時(shí)間為6小時(shí)。3.2焊接過(guò)程（1）采用CO氣體保護(hù)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：200230A，電弧電壓：2528V，保護(hù)氣體：99.5%的CO，流量：2025L/min，層間溫度：2曲柄焊接部位及周?chē)?00mm范圍內(nèi)，溫度不低于300。整個(gè)曲軸的平

9、衡塊的焊接順序按照?qǐng)D1所示的順序進(jìn)行，要求焊工同時(shí)對(duì)稱(chēng)實(shí)焊。焊接操作時(shí)，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)將焊縫根部的夾渣、氣孔、焊渣等缺陷及雜物清除干凈，方可進(jìn)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(jìn)行后道焊縫的焊接。（2）在第一和第二道焊縫完成后，采用機(jī)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(jìn)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

10、平衡塊焊接完成后的半小時(shí)內(nèi)進(jìn)爐進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，其工藝參數(shù)：溫度580600，保溫15小時(shí)，隨爐冷卻至250，出爐空冷。3.3焊接檢驗(yàn)焊接檢驗(yàn)在曲軸平衡塊消除應(yīng)力熱處理冷卻，經(jīng)打磨后進(jìn)行。（1）焊縫外觀檢查：焊縫聯(lián)接處過(guò)渡平緩,符合焊接接頭的外形尺寸要求。（2）焊縫表面檢驗(yàn)：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(jìn)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(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定進(jìn)行超聲波探傷，檢驗(yàn)等級(jí)B級(jí)，評(píng)定等級(jí)不低于2級(jí)，符合要求。4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)小批量生產(chǎn)試制過(guò)程中的驗(yàn)證證明，經(jīng)過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，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(dá)到產(chǎn)品的使用要求，為HXN5機(jī)車(chē)柴油機(jī)曲軸批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。