40CrMnMo材质齿轮轴断齿修复工艺

1.损坏情况

1次操作失误，使我单位减速机齿轮损坏，其齿轮轴的1个轮齿出现了严重塑性变形，部分轮齿断裂，断裂情况如图1所示。



图1    齿轮轴断齿情况

如果更换新的齿轮轴，加工制作周期需要4个多月时间，而且要花费数万元资金。经有关技术人员研究论证，决定采用补焊方法修复齿轮轴断齿，这样可缩短修理周期，还可降低修理成本。

通过查阅该减速机说明书得知，该齿轮轴齿数为26，模数为30，齿厚为47mm，轮齿部分长度为520mm。轮齿较大，比较适合焊接。

2.修复工艺

修复方法

为了保证轮齿补焊后轮齿的力学性能，提高齿轮轴的使用寿命，针对40CrMnMo调质高强钢焊接性较差的特点，我们选择以下4项修复方法：一是采用螺栓镶齿加焊接的方法修复，这样修复的轮齿在工作时所受的载荷大部分由螺栓承受，大大减轻焊缝的受力；二是采用CO₂气体保护焊，防止产生热裂纹；三是选用含碳量低于0.12%焊丝，控制焊缝的含碳量；四是采取缓慢冷却和焊后热处理等办法降低钢材的淬硬倾向，防止焊缝冷却时产生裂纹。

选择焊丝和保护气体

根据焊缝与母材等强原则，兼顾40CrMnMo调质高强钢的可焊性，选择天津法奥迪焊材贸易有限公司生产的ER80-G高强度气体保护焊丝，保护气体选用80%的Ar气和20%的CO₂气组成的混合气体。该焊丝和保护气体可使焊接电弧柔和、燃烧稳定、飞溅较少，焊缝低温冲击韧性高，该焊丝已广泛应用于焊接抗拉强度为790MPa级的高强度钢结构件。

焊接后熔敷金属抗拉强度R_m≥790MPa、屈服强度（R_eL或R_p0）≥690 MPa、延伸率A≥17%、-20℃的冲击韧性KV₂≥27 J。

选择电焊机

采用上海正博焊接机有限公司生产的NBC-500IT型CO₂气体保护逆变电焊机，其特点是动特性好、电弧稳定、飞溅小、电弧穿透力强、熔池深、焊缝成形美观。

3.实施修复

准备工作

清理   为了保证焊接质量，防止焊接操作时产生气孔、夹渣等缺陷，进行了以下清理：首先，将齿轮轴上的泥土、油污等清理干净；其次，再将变形及损坏的轮齿切除，用磨光机将参差不齐的断面打磨平整、光滑，露出金属光泽；最后，用棉纱蘸酒精或汽油反复擦拭断齿部位，使断齿部位清洁干燥。

钻孔   沿断齿的齿宽方向划线钻孔，加工出8个Ｍ25螺孔，孔深为齿根圆以下40ｍｍ。

加工单头螺栓   选用材质为40CrMnMo调质高强钢，用CA6140型普通车床加工出8条M25单头螺栓，将制作好的单头螺栓安装在螺孔内形成“栽丝”，如图2所示。



图2    在切除的轮齿部位安装单头螺栓

制作轮齿   按照齿轮轴实际磨损量测量轮齿的齿形、齿廓的几何尺寸，绘制加工轮齿的零件图，选用材质为40CrMnMo调质高强钢制作轮齿。制作时注意以下2点：一是在轮齿下部左、右两侧边缘开坡口，坡口角度为45^o；二是在轮齿上加工出“栽丝孔”，第一个“栽丝孔”距轮齿的端部50mm，孔与孔中心距为60mm。为使轮齿安装定位调整方便，孔径为26mm。轮齿和栽丝孔可在立式数控铣床上进行铣削加工，以保证轮齿加工精度。轮齿外形如图3所示。



图3    制作的轮齿

安装轮齿

为了确保齿轮修补后的传动精度，按照齿轮轴现有轮齿外形制作轮齿定位样板，按照轮齿定位样板安装轮齿，并用栽丝固定。安装完成后，使用齿轮测量仪严格控制轮齿定位精度。检测定位合格后，方可点焊固定。最后再用气体保护焊在栽丝孔处对轮齿进行塞焊，如图4所示。



图4    轮齿坡口及焊接位置

焊接

为了缩小焊缝与工件之间的温差，焊前将坡口周围预热，预热方式采用了红外线加热器进行加热，加热温度控制在250～350℃之间，以降低产生焊接应力及冷裂纹倾向。焊接时使齿轮轴的轴线处于垂直状态，采用立焊方法焊接，由上向下施焊，这样有利于降低熔深，减小焊缝金属的熔合比，有效控制母材的碳及合金元素等溶入焊缝。

由2名焊工在左、右两侧对称施焊，尽量连续焊接，焊接时采用小热量输入、多层、多道焊接，尽量缩短各层焊缝焊接的间隔时间，焊缝层间温度控制在300℃左右。焊缝的引弧、收弧处尽量错开，收弧必须填满弧坑。焊后检查每层焊道，若产生气孔、裂纹等缺陷，应清除干净后再进行焊接。　    

为消除焊接应力，每层焊缝施焊后用圆角为1.4～1.9mm的小锤沿焊道敲击，锤击时相隔焊道的敲击走向最好相反。

焊后热处理

焊后先将齿轮轴补焊区及其周围200mm范围均匀加热到500～600 ℃，以消除焊接应力，再用石棉布缠绕齿轮轴多层，使齿轮轴缓慢冷却，以防产生冷裂纹。

修整

轮齿焊接完毕待完全冷却后，先用角向磨光机对轮齿的焊缝进行修磨，再使用锉刀修整至标准尺寸，然后用刮刀刮削齿面，提高轮齿接触精度。修磨时用自制的轮齿定位样板检验，最后用齿轮轴与大齿轮旋转啮合，检查轮齿侧隙，使轮齿外形达到规定的要求。

4.修复效果

采用以上焊接修补工艺后，检验焊缝质量良好，没有发现裂纹、气孔等缺陷，达到预期的焊接质量。用此方法补焊的齿轮轴，已经使用2年多，补焊的轮齿未发现任何异常现象。实践证明用该工艺修复断裂轮齿，操作简单、省时、省力，能获得较高补焊质量，该工艺可降低修复成本，具有较高的应用价值。

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