CN114131286B - 一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法 - Google Patents

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郭国均
刘宝双
许云伟
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华忠阳
肖仲谊
周舸
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Abstract

本发明公开了一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，包括以下步骤：花键轴断裂面上的裂纹清理；理论分析，拟定若干可行的焊条；通过小试样熔敷金属试验，方案测试比较，确定焊条；确定焊接及热处理工艺参数，确定后续花键轴组对焊缝热处理恒温时间以及热处理升降温速度；确定坡口尺寸，确定断裂面堆焊厚度、焊接顺序；断裂面堆焊及热处理；堆焊面坡口加工、PT渗透探伤、组对；花键轴的坡口对接焊接及热处理；焊缝表面加工、检测：对焊缝表面进行机加工平整，对焊缝表面进行PT渗透检测及直探头UT超声波检测，用百分表进行变形监测。本发明提出的新工艺，能够采用焊接修复，实现此类花键轴完全断裂后的成功焊接修复及焊后运行。

Description

一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法
【技术领域】
本发明涉及轴修复的技术领域，特别是高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法的技术领域。
【背景技术】
花键轴是机械传动一种，和平键、半圆键、斜键作用一样，都是传递机械扭矩的，在轴的外表有纵向的键槽，套在轴上的旋转件也有对应的键槽，可保持跟轴同步旋转。花键轴是机械领域不可或缺的常用零件。在一些大型机械中的花键轴具有大直径，这样的花键轴价值不菲。如果在运行过程中出现断裂，需要对其进行焊接修复。由于其直径大，长度长，采用焊接方法修复时，应力和变形是两大问题；同时，断裂面平整以后轴长度不够，不能直接组对焊接，修复起来难度很大。花键轴断裂面堆焊填充量大，焊缝热量集中，焊接应力大，易产生裂纹缺陷及焊接变形；堆焊完成以后，轴的最终组对焊接长度很长，焊接极易产生变形，同轴度精度控制难；断裂面堆焊以后需要加工坡口，以及轴组对完成以后需要加工花键槽，精度很高，需要一流加工设备支撑；轴的强度及硬度都太高，一般的焊接材料很难满足强度要求。为此，需要一种新的修复方法，以解决上述的问题。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，能够采用焊接修复，实现此类花键轴完全断裂后采用焊接工艺成功修复运行，安全无任何质量故障生产出合格产品。
为实现上述目的，本发明提出了一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，包括以下步骤：
步骤一：花键轴断裂面上的裂纹清理：将花键轴断裂面上的裂纹，经机加工加工至平整，再将两根花键轴进行精确定位，测两断裂面间的间距为L；
步骤二：结合碳当量进行焊接性分析、焊接变形分析，拟定若干可行的焊条：从理论上考虑焊条的化学成分与花键轴的成分相接近，抗拉强度基本满足母材要求，比较焊条的主要化学元素的成分及抗拉强度指标，确定若干可行的焊条；
步骤三：通过小试样熔敷金属试验，对可行的焊条进行方案测试比较，确定焊条的型号；
步骤四：结合所确定的焊条的材质说明书，确定焊接及热处理工艺参数，包括预热温度、焊后热处理温度、层间温度，结合花键轴的直径，确定后续花键轴组对焊缝热处理恒温时间以及热处理升降温速度；
步骤五：确定坡口尺寸，确定断裂面堆焊厚度、焊接顺序：花键轴之间的坡口为U型坡口，堆焊层中心理论厚度为
Figure BDA0003373548820000021
堆焊层边缘理论厚度为
Figure BDA0003373548820000022
其中R为中心柱外周底部角半径、D为花键轴直径、d为中心柱直径，结合焊接变形及足够加工余量，中心堆焊厚度为
Figure BDA0003373548820000023
边缘堆焊厚度为
Figure BDA0003373548820000024
确定堆焊过程中用纵横交错法、分段错开法的焊接顺序堆焊；
步骤六：断裂面堆焊及热处理：用纵横交错法、分段错开法的焊接顺序堆焊，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊缝焊后热处理；通过热处理控温技术，用细圆钢将花键轴的花键槽凹槽填满，再用绳状加热器包扎，进行预热和热处理；
步骤七：堆焊面坡口加工、PT渗透探伤、组对：用数控车床加工U型坡口至步骤五中的尺寸，并使花键轴的长度尺寸基本符合原花键轴尺寸长度要求；坡口表面经过PT渗透检验，确认没有裂纹等缺陷后，进行组对；
步骤八：花键轴的坡口对接焊接及热处理：利用大型机床作为支架，设置花键轴进行转动焊接，并在花键轴的上侧和右侧各安装1个百分表监控上下侧和左右侧焊接变形及花键轴的挠度，根据变形趋势及时调整焊接施焊顺序，焊接过程中采用两人对称焊、多层多道焊的方式焊接，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊后热处理；
步骤九：焊缝表面加工、检测：对焊缝表面进行机加工平整，对焊缝表面进行PT渗透检测及直探头UT超声波检测，用百分表进行变形监测。
作为优选，所述步骤三的具体步骤为：
步骤31：焊前火焰预热小试件；
步骤32：利用对比的可行焊条完成堆焊小试件；
步骤33：对小试件进行焊后热处理；
步骤34：对小试件焊缝表面进行PT渗透检测，再测定对比材料熔敷金属的化学成分及拉抗强度值，然后进行比较分析，最后确定焊条的型号。
作为优选，所述步骤六中的绳状加热器，预热时绳状加热器宽度至少为花键轴直径的二倍，焊后热处理时绳状加热器宽度至少为花键轴直径的四倍，焊后热处理时保温层宽度至少为花键轴直径的六倍，保温层厚度为40-60mm。
作为优选，所述步骤六中的细圆钢的直径等于花键轴的花键槽的凹槽槽宽。
作为优选，所述步骤六中的焊缝焊后热处理为：焊缝经过520-530℃，恒温时间为5h的焊后热处理。
本发明的有益效果：
1、通过焊接方法及热处理工艺的创新对低合金钢高强钢大直径超长花键轴完全断裂进行了成功修复。
2、采用细圆钢将花键槽填充后再用绳状加热器绑扎，解决了花键轴这类有键槽凹凸不平的结构件焊后热处理传热极不均匀，焊后热处理内外壁温差无法控制影响焊缝质量及性能的问题。
3、采用纵横交错法、分段错开焊等焊接工艺首次进行大面积对花键轴断裂面进行堆焊，并对堆焊厚度进行精准加工U型坡口进行轴的组对焊接，利用大型机床作为支架，设置轴进行转动焊接，用上下两侧百分表精准控制轴的变形趋势，并在焊接中及时调整施焊顺序，确保了超长花键轴的同轴精度满足要求。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法的加热装置的剖面结构示意图；
图2是本发明一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法的加热装置的测温传感器的安装方式图；
图3是本发明一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法的焊缝堆叠后的结构图；
图4是本发明一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法的堆焊完成后坡口图。
图中：1-花键轴、2-填充钢料、3-第一钢丝、4-加热器、5-保温层、6-第二钢丝、7-保温填充料、8-隔热罩、9-测温传感器、10-堆焊焊缝。
【具体实施方式】
参阅图1、图2、图3和图4，本发明，包括以下步骤：
步骤一：花键轴断裂面上的裂纹清理；
步骤二：结合碳当量进行焊接性分析、焊接变形分析，拟定若干可行的焊条；
步骤三：通过小试样熔敷金属试验，对可行的焊条进行方案测试比较，确定焊条的型号；
步骤四：结合所确定的焊条的材质说明书，确定焊接及热处理工艺参数，包括预热温度、焊后热处理温度、层间温度，结合花键轴的直径，确定后续花键轴组对焊缝热处理恒温时间以及热处理升降温速度；
步骤五：确定坡口尺寸，确定断裂面堆焊厚度、焊接顺序；
步骤六：断裂面堆焊及热处理；
步骤七：堆焊面坡口加工、PT渗透探伤、组对；
步骤八：花键轴的坡口对接焊接及热处理；
步骤九：焊缝表面加工、检测：对焊缝表面进行机加工平整，对焊缝表面进行PT渗透检测及直探头UT超声波检测，用百分表进行变形监测。
本发明工作过程：
本发明一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法在工作过程中，结合附图进行说明。
在生产聚乙烯产品的化工行业，日本进口的CMP335挤压机花键轴的应用非常普遍，此花键轴由株式会社日本制钢所广岛制作所制造，典型尺寸为φ271×12750mm，钢种为SFNCM1080S，硬度321HB，最低抗拉强度为1080MPa，工作时，转速达到193/241rpm，功率9500/12000kW。由于此类大直径、超长高强钢花键轴断裂修复过程中极易产生裂纹及变形，同轴精度控制难度很大，在国内从未有过完全断裂采用焊接工艺成功修复的案例可以参考，甚至在国外也未有耳闻。本案例中，清除轴断面裂纹后，为保证螺杆总长尺寸不变，两断面装配间距约为120mm，堆焊时熔敷金属填充量大，热量集中容易使断裂面发生变形；花键轴为实心圆柱，待焊部位直径210mm，长度约为12.7m，焊接过程中，需严格控制轴的挠度，同轴度精度必须≤0.2mm，如何控制变形，保证同轴度，是一个难题。按以往经验，此轴断裂只能考虑整轴重新购买更换，采购周期需六个月以上，甚至需近一年时间，所以轴的断裂常常给企业造成巨大的经济损失。
机具配备：焊机、热处理机、大型数控车床、数控镗铣床配备到位，变形监控百分表等各种辅助工器具配备到位，所有设备仪表计量准确。
材料配备：加热器、热电偶、保温棉及辅助材料配备齐全。
环境条件：在相对封闭的厂房环境中进行，空间充足，环境满足施工要求。
实施步骤：
步骤一：花键轴断裂面上的裂纹清理：将花键轴断裂面上的裂纹，经机加工加工至平整，再将两根花键轴进行精确定位，测两断裂面间的间距为L＝120mm。
步骤二：结合碳当量进行焊接性分析、焊接变形分析，拟定若干可行的焊条：结合碳当量的焊接性分析：根据美国焊接学会推荐的碳当量计算公式，经计算，碳当量(CEAWS)＝1.368％，由此表示钢淬硬倾向很大。轴断裂面裂纹延伸较长造成断裂面加工量很大，使实心轴断面间距变得很大，直径又大，焊缝冷却速度不均，应力很大，极易产生冷裂纹；焊接变形分析：清除轴断面裂纹后，为保证螺杆总长尺寸不变，两断面装配间距约为120mm，焊接过程中，需严格控制轴的挠度，同轴度精度必须≤0.2mm。首先考虑镍基焊条，但是经过分析，镍基焊条强度一般不超过700MPa，不能保证高强度钢的强度要求。所以选择同质焊条，虽然对热处理要求比较高，但能保证钢的强度，韧性和塑性等性能要求。理论上分析如果选择抗裂性能好的碱性焊条，可选用比母材低一级强度的焊条。经过理论分析与匹配，初步选定以下两种生产厂家的焊条：
①选择CHE107RH焊条(符合GB/T5118 E10015-G标准)，大西洋生产；
②选择THJ107RH焊条(符合GB/T32533 E9815-G标准)，天津大桥生产。
步骤三：通过小试样熔敷金属试验，对可行的焊条进行方案测试比较，确定焊条的型号：通过焊前火焰预热、小试件焊接、小试件焊后热处理、小试件无损检测的步骤完成CMP335挤压机花键轴SFNCM1080S低合金钢高强钢的焊条选择，确定了焊接及焊后热处理参数；在试验过程中确定采用大西洋生产的CHE107RH焊条(规格φ3.2mm)；
步骤四：结合所确定的焊条CHE107RH的材质说明书，确定焊接及热处理工艺参数，包括预热温度、焊后热处理温度、层间温度，结合花键轴的直径，确定后续花键轴组对焊缝热处理恒温时间以及热处理升降温速度；焊接前焊条经430℃烘干2小时后放在100-150℃的恒温箱内，领用时，放在80-110℃的专用保温筒内，现场通电保温，随用随取；焊接工艺参数：电流：90-120A，电压：21-26V，操作时采用短弧焊接，小线能量窄焊道焊接(线能量实际不超过2000J/mm)，焊缝摆动宽度不超过焊条直径的4倍；主要的热处理工艺参数：预热温度200-250℃，焊后热处理温度520-530℃，层间温度：200-300℃；后热处理温度300-350℃，恒温时间为2h。根据轴的直径，确定后续轴组对焊缝热处理恒温时间为5h，热处理升降温速度60℃/h。
步骤五：确定断裂面堆焊厚度、焊接顺序，完成花键轴断裂面的堆焊厚度计算及坡口预设计，并计算厚度：花键轴之间的坡口为U型坡口(由于是实心圆柱焊接，为了保证根部的焊缝质量，根据轴结构的特殊性，对中间小圆柱部分可进行打磨改进，制成锥形或扁平状)，两断裂面间的间距为L＝120mm，两轴正式连接的中心组对对口间隙设定为3mm，考虑焊缝的收缩，堆焊层中心理论厚度为
Figure BDA0003373548820000081
堆焊层边缘理论厚度为
Figure BDA0003373548820000082
其中R为中心柱外周底部角半径为5mm、D为花键轴直径为210mm、d为中心柱直径为10mm，所以按这样的计算，每侧轴中心堆焊厚度应大于60mm，轴边缘堆焊厚度应大于29.5mm，结合焊接变形及足够加工余量，中心堆焊厚度为
Figure BDA0003373548820000083
边缘堆焊厚度为
Figure BDA0003373548820000084
确定堆焊过程中采用纵横交错法为主，辅以分段错开焊等方法进行堆焊，堆焊时前后层焊缝须纵横交错布置，每层焊道走向一致；
堆焊时，前两层线能量应适当提高，后续焊层线能量逐渐降低；堆焊过程中采用纵横交错法、分段错开法等焊接顺序堆焊，确保了堆焊过程中不出现焊接裂纹，并减少焊接变形，确保堆焊焊缝质量。
步骤六：断裂面堆焊及热处理：通过热处理控温技术，用细圆钢(尺寸根据键槽的尺寸确定)将花键轴的花键槽凹槽填满，细圆钢基本与轴的外圈端面齐平，再用绳状加热器包扎，进行预热，完成了热处理温度的有效控制(解决了花键轴这类有键槽凹凸不平的结构件焊后热处理传热极不均匀，焊后热处理内外壁温差无法控制影响焊缝质量及性能的问题)；用纵横交错法、分段错开法的焊接顺序堆焊，有效控制焊接变形及裂纹产生，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊缝焊后热处理；
上述的热处理控温技术为改进了的技术，本实施例中，首先用φ8mm细圆钢填充花键轴上面的键槽，再用绳状加热器绑扎；弥补了花键槽的空间，增加了温度传递面积，极大地提升了热处理效果，均温效果满足要求；
具体的，本实施例中，用φ8的细圆钢填充花键轴1的槽，在填充完成后，在细圆钢外部捆扎上第一钢丝3；在外部缠绕上绳状加热器，并在绳状加热器外部包裹上保温层5，并用第二钢丝6捆扎牢固；保温层5外部还通过第二钢丝6固定有测温传感器9，且测温传感器位于隔热罩8内，通过隔热罩8及其内部的保温填充料7为测温传感器9的测温减少干扰，避免了测温传感器9被加热器4直接辐射，确保了测温的准确性；结合测温传感器9对加热器4进行有效控制，从而让花键轴1满足焊接前的温度要求；
用绳状加热器绑扎，预热时加热器宽度至少为端面沿轴420mm(直径的2倍)；焊后热处理时加热器宽度至少840mm(直径的4倍)；焊后热处理时保温层5宽度至少为1300mm(直径的6倍)，保温层5厚度为40-60mm为宜。
步骤七：堆焊面坡口加工、PT渗透探伤、组对：用数控车床加工U型坡口，并使花键轴的长度尺寸基本符合原花键轴尺寸长度要求；坡口表面经过PT渗透检验，确认没有裂纹等缺陷后，进行组对；
步骤八：花键轴的坡口对接焊接及热处理：利用大型机床作为支架，设置花键轴进行转动焊接，并在花键轴的上侧和右侧各安装1个百分表监控上下侧和左右侧焊接变形及花键轴的挠度，根据变形趋势及时调整焊接施焊顺序，对焊接与热处理可能对轴产生的径向变形进行实时监控，当百分表显示变形较大时，立即在变形的反方向处进行焊接，利用焊缝的收缩应力对变形进行自然矫正，并利用焊缝两侧胀接套管，适当旋转螺杆，辅以挠度控制，有效地控制了焊接变形，确保了超长花键轴的同轴精度满足要求；焊接过程中采用两人对称焊、多层多道焊的方式焊接，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊后热处理；
步骤九：焊缝表面加工、检测：对焊缝表面进行机加工平整，对焊缝表面进行PT渗透检测及直探头UT超声波检测，均未发现裂纹等缺陷；用百分表进行变形监测，同轴度控制在0.12mm，达到同轴度精度必须≤0.2mm的技术要求，至此轴的焊接修复工作全部完成。采用动龙门式五轴联动数控镗铣床设备对焊接修复完成的轴进行键槽零件等加工，并完成螺套等零件安装，直至与原轴形状完全一致。经试运行，各项指标控制都非常好，投产试验一次成功。为尽可能确保设备的运行可靠性，企业按正常运行工况的80％负荷进行运行，一直运行至进口新轴采购到位更换，实际连续运行135天，期间无任何质量问题，且停机后对轴进行了复测，尺寸和形位公差合格。
本实施例中：
(1)SFNCM1080S花键轴焊接采用CHE107RH同质焊条，主要考虑等强匹配，并考虑熔敷金属化学成分尽量接近于轴的材质，满足SFNCM1080S的焊接性要求；
(2)通过采取预热200-250℃、焊后热处理520-530℃、恒温5h等热处理技术措施，充分释放了花键轴实心螺杆的焊接应力，提高焊缝金属的塑性、断裂韧性，有效地控制了裂纹的产生；
(3)通过先堆焊螺杆断面，再加工成U型坡口进行焊接的方式，并采用多层多道焊、堆焊时前后层焊缝纵横交错布置、分段错开焊等焊接工艺，有效地改善了焊缝的应力分布，降低了产生裂纹的风险；
(4)采用对称焊接的方法，利用百分表对螺杆的变形进行实时监控，并对变形采取对向焊接纠正，有效地控制了焊接变形，保证连接时的同轴度和轴的挠度等技术要求；
(5)先进的机加工设备及加工技术确保了坡口加工尺寸及花键轴零件加工的精准度，也为轴的变形控制及尺寸精确度提供了必要的技术保障。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：花键轴断裂面上的裂纹清理：将花键轴断裂面上的裂纹，经机加工加工至平整，再将两根花键轴进行精确定位，测两断裂面间的间距为L；
步骤二：结合碳当量进行焊接性分析、焊接变形分析，拟定若干可行的焊条：从理论上考虑焊条的化学成分与花键轴的成分相接近，抗拉强度基本满足母材要求，比较焊条的主要化学元素的成分及抗拉强度指标，确定若干可行的焊条；
步骤三：通过小试样熔敷金属试验，对可行的焊条进行方案测试比较，确定焊条的型号；
步骤四：结合所确定的焊条的材质说明书，确定焊接及热处理工艺参数，包括预热温度、焊后热处理温度、层间温度，结合花键轴的直径，确定后续花键轴组对焊缝热处理恒温时间以及热处理升降温速度；
步骤五：确定坡口尺寸，确定断裂面堆焊厚度、焊接顺序：花键轴之间的坡口为U型坡口，堆焊层中心理论厚度为
Figure 407598DEST_PATH_IMAGE001
，堆焊层边缘理论厚度为
Figure 819119DEST_PATH_IMAGE002
，其中R为中心柱外周底部角半径、D为花键轴直径、d为中心柱直径，结合焊接变形及足够加工余量，中心堆焊厚度为
Figure 164649DEST_PATH_IMAGE003
，边缘堆焊厚度为
Figure 518270DEST_PATH_IMAGE004
，确定堆焊过程中用纵横交错法、分段错开法的焊接顺序堆焊；上述尺寸参数的单位均为mm；
步骤六：断裂面堆焊及热处理：用纵横交错法、分段错开法的焊接顺序堆焊，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊缝焊后热处理；通过热处理控温技术，用细圆钢将花键轴的花键槽凹槽填满，再用绳状加热器包扎，进行预热和热处理；
步骤七：堆焊面坡口加工、PT渗透探伤、组对：用数控车床加工U型坡口至步骤五中的尺寸，并使花键轴的长度尺寸基本符合原花键轴尺寸长度要求；坡口表面经过PT渗透检验，确认没有裂纹缺陷后，进行组对；
步骤八：花键轴的坡口对接焊接及热处理：利用大型机床作为支架，设置花键轴进行转动焊接，并在花键轴的上侧和右侧各安装1个百分表监控上下侧和左右侧焊接变形及花键轴的挠度，根据变形趋势及时调整焊接施焊顺序，焊接过程中采用两人对称焊、多层多道焊的方式焊接，按步骤四中的热处理工艺参数进行焊后热处理；
步骤九：焊缝表面加工、检测：对焊缝表面进行机加工平整，对焊缝表面进行PT渗透检测及直探头UT超声波检测，用百分表进行变形监测。
2.如权利要求1所述的一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤为：
步骤31：焊前火焰预热小试件；
步骤32：利用对比的可行焊条完成堆焊小试件；
步骤33：对小试件进行焊后热处理；
步骤34：对小试件焊缝表面进行PT渗透检测，再测定对比材料熔敷金属的化学成分及拉抗强度值，然后进行比较分析，最后确定焊条的型号。
3.如权利要求1所述的一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，其特征在于：所述步骤六中的绳状加热器，预热时绳状加热器宽度至少为花键轴直径的二倍，焊后热处理时绳状加热器宽度至少为花键轴直径的四倍，焊后热处理时保温层宽度至少为花键轴直径的六倍，保温层厚度为40-60mm。
4.如权利要求1所述的一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，其特征在于：所述步骤六中的细圆钢的直径等于花键轴的花键槽的凹槽槽宽。
5.如权利要求1所述的一种高强钢大直径超长花键轴断裂修复方法，其特征在于：所述步骤六中的焊缝焊后热处理为：焊缝经过520-530℃，恒温时间为5h的焊后热处理。
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