機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究范文

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《現代焊接雜志》2016年第三期

摘要：

HXN5機車柴油機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。文章對材料的焊接性、焊接材料及焊接規范選用、平衡塊組裝定位、組焊順序、焊道順序、焊前預熱和焊后消除應力熱處理等工藝措施進行了分析和研究，并進行焊接工藝試驗，確定了合適的曲軸平衡塊焊接工藝。焊接結果表明，采用該焊接工藝進行曲軸平衡塊焊接，焊接質量滿足了設計要求，為HXN5機車柴油機曲軸的批量生產打下了基礎。

關鍵詞：

機車柴油機；曲軸平衡塊；焊接工藝

內燃機車柴油機轉速一般在500~1100r/min,為平衡連桿頸曲柄的離心慣性力，在曲柄的相對應側需加裝平衡塊。我公司從美國GE公司引進的HXN5型機車柴油機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（美國材料與實驗學會）制定的中速柴油機用合金鋼曲軸技術規范的基礎上，經過分析和試驗：ASTMA983M相當于國產的42CrMo,ASTMA36M相當于國產的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/T699）；焊接材料：TWE-711（E501T-1）藥芯焊絲，所采用材料的化學成分如附表。（國際焊接協會），一般鋼材的碳當量小于0.38,焊接性比較好。ASTMA983M，其碳含量較高（W（c）=0.30~0.48），并含有較多的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo等），碳當量最高可達0.77。該鋼種淬硬性好,可達很高的強度和硬度，屈服強度可達690~830MPa,但韌性相對較低。在焊接時，焊接接頭的熱影響區極易產生硬脆的馬氏體，且熱影響區及過熱區晶粒易于長大，使其脆性下降，增加了熱影響區的組織應力，具有很大的冷裂紋敏感性；由于其還含有較多的對熱裂紋起較大影響的C、Si等元素，熱敏感性強，具有一定的熱裂傾向。另外，ASTMA983M與20#的焊接是典型的異種鋼焊接，會造成焊接接頭區域的成分、組織、性能的不均勻性，給焊接帶來很大的困難。根據HXN5機車柴油機曲軸平衡塊解剖檢驗的分析結果及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、預熱、緩冷等）、焊后消除應力熱處理等工藝措施，進行HXN5機車柴油機曲軸平衡塊的焊接。

2焊接工藝研究

通過對選用的國產材料的焊接性分析，進行了焊接工藝試驗，為制定合適的焊接工藝打下了基礎，試驗解決了以下幾個問題：

2.1平衡塊組裝定位問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到平衡塊最終的焊接質量及曲軸與平衡塊的最后成型。為此，專門設計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，解決了平衡塊的中心線與曲軸中心線難以保持一致的問題，并能保持平衡塊的垂直。

2.2平衡塊組裝焊接順序問題HXN5機車柴油機曲軸長4.5M左右，毛坯重達3T，由曲軸和8塊平衡塊組成。組裝焊接時，正確的組裝焊接順序能夠避免由重力、焊后冷卻及焊接應力帶來的變形，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的變形，對平衡塊在焊接時制定了嚴格的焊道順序，焊接時要求焊槍直線運動，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，從而達到降低焊接熱應力，控制焊后變形的目的。平衡塊焊道順序如圖4所示。

2.4焊前預熱問題考慮到本體采用的是淬透性很高的調質鋼42CrMo，焊接性較差，因此在焊接之前必須進行預熱，以防止冷裂紋的產生。在平衡塊定位焊時，將曲柄局部預熱。待平衡塊全部定位完成之后，將曲軸整體放進爐內整體預熱，并保溫一定時間。

2.5焊后消除應力熱處理問題消除為降低焊接殘余應力及擴散氫含量，減小曲軸體熱影響區的硬度，以避免焊接裂紋的產生，經過前期的反復試驗，確定了焊后消除應力熱處理時機及工藝參數。

3焊接工藝設計

3.1焊接前的準備（1）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量，在焊縫部位及周圍不少于30mm的范圍內進行磁粉檢驗，判斷有無裂紋等缺陷，若有裂紋，通過機加工或打磨去除裂紋，在去除裂紋的過程中，必須保證曲軸的質量，若無裂紋，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圍不少于20mm的范圍內通過打磨清除油、銹、氧化物、灰塵及其它污物，打磨見金屬本色。（4）平衡塊的定位組裝，按照設計的平衡塊定位工裝進行組裝，組裝順序如圖1所示。為保證焊縫的最終質量，增加焊接引弧板和收弧板，焊接引弧板和收弧板的坡口型式應與平衡塊一致，平衡塊與曲軸的組裝定位間隙為3~4mm。（5）平衡塊與曲柄組裝后的定位焊，在定位時，使平衡塊中心線與曲軸中心線一致，并保持平衡塊垂直。（6）在進行定位焊前，曲柄局部采用氧乙炔火焰預熱至100℃，然后進行定位焊操作。（7）待平衡塊的組裝和定位焊結束后，將曲軸整體進爐內預熱300℃，時間為6小時。

3.2焊接過程（1）采用CO氣體保護焊，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：200~230A，電弧電壓：25~28V，保護氣體：99.5%的CO，流量：20~25L/min，層間溫度：2曲柄焊接部位及周圍100mm范圍內，溫度不低于300℃。整個曲軸的平衡塊的焊接順序按照圖1所示的順序進行，要求焊工同時對稱實焊。焊接操作時，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，方可進行第二道焊縫的焊接；以后每道焊縫完成后，應將缺陷及雜物清除干凈后才能進行后道焊縫的焊接。（2）在第一和第二道焊縫完成后，采用機械方法或氧-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確保靠平衡塊一側完成。（4）待焊接結束后，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，并進行打磨呈金屬本色。（5）曲柄與平衡塊的焊縫外形尺寸應符合圖5所示的要求。（6）曲軸平衡塊焊接完成后的半小時內進爐進行消除應力熱處理，其工藝參數：溫度580~600℃，保溫15小時，隨爐冷卻至250℃，出爐空冷。

3.3焊接檢驗焊接檢驗在曲軸平衡塊消除應力熱處理冷卻，經打磨后進行。（1）焊縫外觀檢查：焊縫聯接處過渡平緩,符合焊接接頭的外形尺寸要求。（2）焊縫表面檢驗：按ASTMA986/A986M《連續晶粒線向曲軸鍛件磁粉探傷技術規范》進行磁粉探傷，焊縫表面未發現裂紋。（3）焊縫內部探傷：按GB/T11345《焊縫無損檢測超聲波檢測技術、檢測等級和評定》進行超聲波探傷，檢驗等級B級，評定等級不低于2級，符合要求。

4結束語

通過小批量生產試制過程中的驗證證明，經過合理的工藝設計，采取正確的焊接工藝方法和工藝參數，并充分考慮焊接前預熱和焊后消除應力熱處理的影響和作用，曲軸平衡塊的焊接質量能夠完全達到產品的使用要求，為HXN5機車柴油機曲軸批量生產打下了堅實的基礎。

作者：徐春林 方榮良 單位：中車戚墅堰機車有限公司