手弧冷焊焊补车床床头箱轴承座裂纹梁清枝 （肇庆市技师学院，广东肇庆526060） 摘要：学校机械系实习车间经常会遇到一些机械设备损坏而需要焊补维修的工作。针对一台C630型车床床头箱轴承座出现裂纹情况，经过综合分析、试焊实验，采用了手工电弧冷焊焊补的工艺方法，取得了满意补焊质量效果，节约了成本，成功地恢复了该车床的正常运行。 关键词：床头箱轴承座；裂纹；手弧冷焊焊补 0 前言笔者学校车工专业实习车间的一台C630型车床，长期用来提供车工学生实习和生产之用，车工学生在一次车削产品过程中，高低变速档变位时发现有异样，经机修组人员检查发现车床床头箱内有一传动轴的轴承座上部离轴心约90 mm位置，出现一条长约60 mm的穿透性裂纹，裂纹的母材厚度为20 mm，如图1所示。距离裂纹较近的这一传动轴主要功能正好是担当变速与刹车功能，由于该轴承座出现裂纹，直接影响了变速刹车灵敏性，使该车床无法正常工作。如果继续开机使用，将直接导致传动轴上的传动齿轮、变速齿轮变形，同时也间接影响到其他传动轴的齿轮传动工作，严重时可能导致整个床头箱报废，只能停用。但是这台车床属于大车床，从型号C630可知，床身最大回转直径630 mm，是学校长期用来生产加工外协产品唯一的重要车床。这就直接影响了日常生产和教学工作。若将车床报废无疑是非常浪费，因此要尽快修复好，使车床早日投入工作。  图1 床头箱轴承座裂纹示图  图2 新加工定位轴与轴套示图 1 可焊性分析（1）床头箱材料分析 查阅有关资料，该床头箱材质属于HT200灰口铸铁，金相组织为珠光体基体。灰口铸铁中主要元素是碳、硅、锰、硫、磷等，其化学成分见表1，机械性能见表2，抗拉强度不小于200 MPa。 表1 HT200灰口铸铁的化学成分（%）  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灰口铸铁的力学性能  抗拉强度/MPa≥200抗弯强度/MPa≥400硬度HB170～220 由表1表2可知，由于灰口铸铁固有的性质和冶金特性，势必给电弧焊带来一定的困难。 1）由于灰口铸铁组织中的碳大部分是以片状石墨形式存在，而且硫、磷等有害杂质比较多，因而冷却速度对焊缝的影响很大，焊接熔池的体积小冷却速度大，焊缝的一次结晶时间很短，石墨化的时间不充分，使焊缝和熔合区中的碳以Fe3C（渗碳体）形态存在，极易形成白口和淬硬组织。 2）灰口铸铁几乎没有塑性，不能承受塑性变形，强度很低，当焊接应力大于铸铁强度极限时，易受破坏。而且电弧焊接时又具有加热、冷却速度快、焊件受热不均匀、焊接应力大的特点，使灰口铸铁焊接极易形成冷裂纹和热裂纹。 3）由于车床床头箱轴承座厚度为20 mm，焊缝为多层焊，焊接层数越多，对焊后产生的收缩应力越大，越容易产生焊缝与母材剥离这样的裂纹。 所以，车床床头箱轴承座焊接修复的主要问题是：①焊接接头容易出现白口和淬硬组织；②焊缝容易产生裂纹甚至与母材剥离。因此，为了减少白口组织产生和防止裂纹，焊接时必须选择合适的焊接方法、焊接工艺、操作技巧等措施，适当调整填充金属的化学成分和冷却速度，来改善焊缝金属的化学成分，增加石墨化元素的含量，从而获得优质的焊缝。 （2）焊接位置分析 由于床头箱大而重，拆卸工作量大、时间长，而且拆卸后安装尺寸难免移位变形。因此决定现场焊补，只拆卸箱体内部部分相关的零件。 （3）焊接变形分析 为防止轴承座焊接变形，焊前专门加工一条与原轴尺寸相同的?650-0.02mm×535 mm的轴和两个?1000-0.05×35 mm轴套，如图2所示，便于在焊补过程中起到固定的作用，使隔板孔——轴承座——箱体轴孔等，三点位置连成一体的精度配合，如图1所示。 2 焊接方法选择根据车床床头轴承座裂纹开裂方向，属于向上偏斜立焊位置开裂。由于车床床头箱空间位置尺寸窄小，难以施焊，又是现场焊接，移动或转动身位，都不便于焊补操作，若要取得满意的焊接质量效果，并非易事。现有条件只有：第一，碱性焊条；第二，CO2气体保护焊；第三，铸铁焊条等。通过用废旧的HT200灰口铸铁进行焊接试验和结果比较如下。 ①碱性焊条：型号E5015（牌号J507），?3.2焊条，钢丝焊芯；低氢钠型药皮，直流反接，熔合较好，但热输入大，易夹渣；适用于焊补铸铁要求不高的场合。 ②CO2气体保护焊：焊丝牌号H08Mn2SiA，焊丝直径?0.8 mm，直流正接，熔合较好，热输入小，易控制。 ③镍基铸铁焊条（异质）：型号EZNi-1（牌号Z308），?3.2焊条，纯镍焊芯；石墨型药皮，直流反接，细熔滴过渡，配合适当工艺，熔合好，抗裂性良好，焊缝组织具有一定的塑性性能，但价格偏贵。 经上述分析，最好是选择CO2气体保护焊，但是，CO2气体保护焊的焊枪过长，不利于焊接空间施展焊接工作，为确保焊补成功，只能选用施展空间容易控制、操作灵活的手工焊条电弧焊进行修补，若焊条过长，可以剪短使用。以下就手工焊条电弧焊焊补铸铁常用的方法进行分析。 （1）热焊和半热焊 热焊是指焊前将铸件加热到600℃～700℃（暗红色），在补焊过程中保持这一温度，并在焊后采取缓冷措施的工艺方法。其优点是焊件受热均匀，冷却速度缓慢，有利于焊缝金属石墨化，减少和避免白口和淬硬组织的出现。缺点是焊工的劳动条件恶劣，焊接成本高，工期长，会因体力消耗过大而影响焊接质量。 预热温度在300℃～400℃称为半热焊。焊条主要为石墨化型，目前常用的只有两种，一种是（同质）铸铁芯石墨化焊条“Z248”，一种是（异质）钢芯石墨化焊条“Z208”。为保持预热温度、促进石墨化、降低焊接应力，故宜采用大直径的焊条，大电流、长弧、连续焊。 （2）电弧冷焊 电弧冷焊就是焊件在焊前不用预热，焊接过程中也不辅助加热的焊接工艺。焊条分为同质和异质两大类，优点是可以大大加快补焊的生产率，改善劳动条件，工件变形小。缺点是焊接接头冷却速度很快，容易形成白口和淬硬组织，工件受热不均匀，收缩应力大，容易产生裂纹。 相比较，根据实际情况和结合上述的焊接分析，以及配合现有的维修设备和工具。选择了手工焊条电弧冷焊法。但是，由于手工焊条电弧冷焊法的焊缝及热影响区的冷却速度很快，极易形成白口组织。此外，还因焊件受热不均匀，常常形成较大的内应力，引起裂纹，所以焊接过程中必须采取合理的焊接材料和焊接工艺等措施。 3 焊条的选用为了确保焊缝质量一次性焊补成功，根据以往对HT200灰口铸铁的焊接经验，选用了北京金威Z308（异质）焊条。 （1）北京金威Z308焊条的特点 Z308（型号EZNi-1）是纯镍芯石墨型药皮的铸铁电焊条。焊条可采用交直流两用，电弧稳定，具有细熔滴过渡，熔渣覆盖均匀，焊缝成形美观，特别是在小电流时具有优良的操作工艺性能。用于铸铁薄件及加工面的补焊，如汽缸盖、发动机座、齿轮箱以及机床导轨等重要灰口铸铁件。其化学成分见表3。 表3 北京金威Z308焊条熔敷金属化学成分（%）  Ni 94.55 Mn 0.86 C S 0.250.009 Fe 1.75 Si 1.71 （2）异质焊缝的电弧冷焊工艺要点 为了防止裂纹和白口、淬硬组织的产生。焊接工艺上必须要注意： ①尽量降低铸铁母材在焊缝中的熔入量，以减少碳、硫等有害元素进入到焊缝中去，有利于提高焊缝质量； ②减少焊接应力，防止裂纹产生； ③尽量减小热影响区的宽度，从而降低白口及淬硬组织。 4 焊前准备（1）配备人员4人：焊工一人，机修人员二人，辅助人员一人，氧气、乙炔和割炬一套，手提砂轮机一台、拆卸工具等若干。 （2）把床头箱内的机油放尽，用毛巾吸干净，由于选择现场不拆卸焊补。为防止焊接飞溅物落到零件表面，将箱内零件拆下，再剪薄铁皮遮盖床头箱内壁。 （3）制作两个与车床床头箱一定高度的简易平台支架，便于焊补操作。 （4）用氧——乙炔火陷将裂纹处的油污、水份等污物烧净，直至不冒烟为止，烧烤时要注意加热温度不得过高（≤100℃），以防温度过高而产生新的裂纹。通过烧烤清净杂质，防止产生气孔。然后用钢丝刷、手提砂轮机抛光片去掉氧化层，直至露出金属光泽。 （5）坡口加工：由于现场焊接，裂纹显偏斜向上开裂，为减少熔合比，用角向砂轮机沿裂纹走向加工出双边U型坡口，在不影响焊条操作情况下，坡口尽量小些，以减少熔合比，将坡口两边约50 mm范围内抛光出金属光泽。坡口间隙与钝边约2 mm，如图3所示。  图3 双U型坡口示图 焊前清理干净焊接区域污物和床头箱内角磨机打磨的粉尘。 5 焊接工艺（1）焊机：选用ZX5-350 （2）焊条：北京金威Z308（型号EZNi-1）焊条，焊条直径?2.5 mm、?3.2 mm。焊前将焊条进行150℃～200℃的烘焙，时间1～2 h，存放在保温筒内，随用随取。 （3）焊接工艺参数的选择：焊前为了确保焊补质量和工作效率，先用废旧与断裂处铸件厚度同等的灰口铸铁进行试焊，确定焊接工艺参数和焊接层数，如表4所示，根部焊缝采用?2.5 mm的焊条打底，其他层采用?3.2 mm的焊条。 表4 焊接工艺参数  焊条牌号电源极性金威Z308金威Z308焊条直径d/mm 2.5 3.2焊接电流I/A 80～90 90～100电弧电压U/V 16～18 18～19直流反接直流反接 焊接时，电流比较关健，必须严格掌握，电流大了熔深越深，母材中的碳、硫等有害杂质进入焊缝的含量就越多，不利于焊缝质量的提高。如果焊缝中S、P含量多了，则容易使焊缝出现裂缝。因此，应采用较小的焊接电流，但必须保证焊缝和母材熔合良好为宜。与此同时，控制焊接热输入也同样重要，速度不变的情况下，电流减小，则焊缝的焊接热输入就减少，这样不但减少焊接应力降低裂纹的倾向，而且还可减少热影响区的宽度和减少形成白口区的宽度，使白口层变薄。所以，焊接时应尽量控制焊接热的输入，采用短弧、小电流、分散、快速、窄道焊接。快速焊可以使熔深、熔宽减小，母材熔入量随之下降，焊接热输入也随之减少。 （4）坡口固定：在坡口上下两端进行定位焊（正反面），点焊焊缝长度约15 mm，焊接参数与正式焊接相同，焊前用砂轮机将焊点始端接口处底部修磨成圆弧状，清净焊渣，有利于开始起焊时熔合过渡。 （5）坡口层数：单边焊接层数：约3层。 （6）焊接操作过程 1）焊接方向由下至上焊接，立焊手法。焊条角度与焊接方向反方向夹角约60°～80°，如图4所示，这样有利于控制焊接电流的大小和焊接热输入。焊接顺序和焊接层数，如图5所示，采用多层多道短段、分段进行施焊，不要连续焊接，要保持较低温度，用以减少与整体温度的差别。先分别焊好底层焊缝1和焊缝2。然后其他各层各道的焊缝按照图4所示互相交替进行焊接。每条焊缝分三到四段，每段焊缝长约20～30 mm左右为宜，焊缝过长热输入增加，会使焊接裂纹增加和白口的产生。每焊完一段，借焊缝还在红热状态，塑性性能优良时，立即用小铁锤快速敲击焊缝，使焊缝金属产生塑性变形，以降低焊接应力。在保证熔合良好的情况下焊接速度尽量快些。以减少焊缝高温区的停留时间，否则高温在一个塑性低的区间停留时间长会产生热裂纹。  图4 焊条角度 2）焊完每一段焊道后，待冷却至室温或用手摸焊缝周围不烫手大约50℃～60℃时，再焊下一段，段与段的时间间隔越长，温度越低，降低焊接应力的效果越好。每段焊后，即用小锤尖头敲击焊缝由里向外逐步渐快速锤击焊道金属，使焊缝及焊缝坡口区域布满均匀的锤击小坑，用力要适中，不宜太大，但也不能过小，利用锤击法是为了减少焊缝区金属由于在冷却收缩时受阻产生拉伸应力，锤击促使焊缝产生塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量，从而起到减少焊接应力的作用。 3）焊接中间焊道接头要相互错开。由于采用分段、短段焊接，焊接接头较多，所以应特别注意焊接质量。焊缝接口处，段与段、层与层之间都要用钢丝刷擦清除干净，如果接头过高可用手提砂轮打磨圆滑过渡，利于接头接合。 4）盖面层焊缝余高应控制在0.5～1 mm，防止焊缝应力集中，避免裂纹的产生。 （7）焊后缓冷：补焊完成后，用氧气、乙炔火焰在焊缝附近区域稍作适当的均匀加热，温度不能过高，约80℃～100℃左右，加热完后，用石棉盖住，让工件缓慢冷却，以减少应力，防止裂纹产生。  图5 焊接顺序和层数 （8）焊缝质量检查：待工件冷却后24小时，用砂轮机将焊缝余高磨平，用放大镜检验，未发现有裂纹、气孔等缺陷。再用锉刀锉焊缝表面，较容易锉动，说明焊缝表面没有白口组织。补焊达到质量要求。经过检查，重新将所有焊前拆卸的零部件安装好，加入机油试车，空行半小时后，再检查一次，无裂纹，满足了技术要求。 6 结论采用此法，工艺简单，省时、省力、保证了焊接质量。该车床床头箱轴承座裂纹自焊补修复投入使用多年，运行状态良好，无裂纹，满足了技术要求。由此证明，该焊接方法、焊接工艺是切实可行的，为学校节约了成本，恢复了该车床正常的使用性能。 参考文献： ［1］邓文英.金属工艺学［M］.北京：中国高等教育出版社.2001. ［2］邱霞菲.焊工工艺学［M］.北京：中国劳动出版社，2002. ［3］张应立，张梅.新编焊工手册［M］.北京：金盾出版社，2004. ［4］周振丰.焊接冶金学金属焊接性［M］.北京：机械工业出版社，1995. ［5］张文明，焦万才，刘立新.简明焊工手册［M］.沈阳：辽宁科学出版社，2009. Fill Bearing Lathe Headstock Seat by Hand Arc Welding Cold Crack LIANG Qing-zhi 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 中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1009－9492(2017)04－0062－05 作者简介：梁清枝，男，1965年生，广东肇庆人，大学专科，一级教师。研究领域：焊接工艺。已发表论文2篇。 (编辑：向飞) DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2017.04.016 收稿日期：2016－10－06 |
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