机车柴油机曲轴平衡块焊接工艺研究范文

《现代焊接杂志》2016年第三期

摘要：

HXN5机车柴油机曲轴平衡块采用焊接方式连接，曲轴体材料为ASTMA983M（42CrMo），平衡块材料为ASTMA36M1020（20#），是典型的异种钢焊接。文章对材料的焊接性、焊接材料及焊接规范选用、平衡块组装定位、组焊顺序、焊道顺序、焊前预热和焊后消除应力热处理等工艺措施进行了分析和研究，并进行焊接工艺试验，确定了合适的曲轴平衡块焊接工艺。焊接结果表明，采用该焊接工艺进行曲轴平衡块焊接，焊接质量满足了设计要求，为HXN5机车柴油机曲轴的批量生产打下了基础。

关键词：

机车柴油机；曲轴平衡块；焊接工艺

内燃机车柴油机转速一般在500~1100r/min,为平衡连杆颈曲柄的离心惯性力，在曲柄的相对应侧需加装平衡块。我公司从美国GE公司引进的HXN5型机车柴油机曲轴平衡块采用焊接方式连接，如图1、图2所示。曲轴的材料为ASTMA983M，平衡块材料为ASTMA36M1020。在研究了ASTM（美国材料与实验学会）制定的中速柴油机用合金钢曲轴技术规范的基础上，经过分析和试验：ASTMA983M相当于国产的42CrMo,ASTMA36M相当于国产的20#钢。曲轴与平衡块的焊接是一种典型的异种钢焊接。

1焊接性分析

曲轴材料：ASTMA983M；平衡块材料：20#（GB/T699）；焊接材料：TWE-711（E501T-1）药芯焊丝，所采用材料的化学成分如附表。（国际焊接协会），一般钢材的碳当量小于0.38,焊接性比较好。ASTMA983M，其碳含量较高（W（c）=0.30~0.48），并含有较多的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo等），碳当量最高可达0.77。该钢种淬硬性好,可达很高的强度和硬度，屈服强度可达690~830MPa,但韧性相对较低。在焊接时，焊接接头的热影响区极易产生硬脆的马氏体，且热影响区及过热区晶粒易于长大，使其脆性下降，增加了热影响区的组织应力，具有很大的冷裂纹敏感性；由于其还含有较多的对热裂纹起较大影响的C、Si等元素，热敏感性强，具有一定的热裂倾向。另外，ASTMA983M与20#的焊接是典型的异种钢焊接，会造成焊接接头区域的成分、组织、性能的不均匀性，给焊接带来很大的困难。根据HXN5机车柴油机曲轴平衡块解剖检验的分析结果及ASTMA983M+20#异种钢焊接性的分析，选择合适的焊接材料；采用合理的焊接接头形式、焊接方法、焊接工艺措施（合适的焊接参数、预热、缓冷等）、焊后消除应力热处理等工艺措施，进行HXN5机车柴油机曲轴平衡块的焊接。

2焊接工艺研究

通过对选用的国产材料的焊接性分析，进行了焊接工艺试验，为制定合适的焊接工艺打下了基础，试验解决了以下几个问题：

2.1平衡块组装定位问题焊前平衡块的组装定位、引弧板和收弧板的组装直接影响到平衡块最终的焊接质量及曲轴与平衡块的最后成型。为此，专门设计了平衡块与曲轴组装的定位工装，定位工装由两块定位板组成，在组装定位焊接时，解决了平衡块的中心线与曲轴中心线难以保持一致的问题，并能保持平衡块的垂直。

2.2平衡块组装焊接顺序问题HXN5机车柴油机曲轴长4.5M左右，毛坯重达3T，由曲轴和8块平衡块组成。组装焊接时，正确的组装焊接顺序能够避免由重力、焊后冷却及焊接应力带来的变形，从而保持平衡块焊接完成后曲轴中心线的直线度。平衡块组装焊接顺序如图3所示。

2.3平衡块焊道顺序问题平衡快采用K形坡口,多层多道焊接。为了控制焊后由于焊缝冷却收缩带来的变形，对平衡块在焊接时制定了严格的焊道顺序，焊接时要求焊枪直线运动，控制每道焊缝的宽度和厚度，采取小线能量，减少每道焊缝的热输入量，从而达到降低焊接热应力，控制焊后变形的目的。平衡块焊道顺序如图4所示。

2.4焊前预热问题考虑到本体采用的是淬透性很高的调质钢42CrMo，焊接性较差，因此在焊接之前必须进行预热，以防止冷裂纹的产生。在平衡块定位焊时，将曲柄局部预热。待平衡块全部定位完成之后，将曲轴整体放进炉内整体预热，并保温一定时间。

2.5焊后消除应力热处理问题消除为降低焊接残余应力及扩散氢含量，减小曲轴体热影响区的硬度，以避免焊接裂纹的产生，经过前期的反复试验，确定了焊后消除应力热处理时机及工艺参数。

3焊接工艺设计

3.1焊接前的准备（1）在曲轴各曲柄划出平衡块的安装定位中心线，为了保证最终的焊接质量，在焊缝部位及周围不少于30mm的范围内进行磁粉检验，判断有无裂纹等缺陷，若有裂纹，通过机加工或打磨去除裂纹，在去除裂纹的过程中，必须保证曲轴的质量，若无裂纹，待组装焊接。（2）加工平衡块，坡口型式为K形坡口，两边坡口角度均为45°，留2mm钝边，并划出平衡块安装定位中心线。（3）在曲柄待焊接部位和平衡块坡口表面及周围不少于20mm的范围内通过打磨清除油、锈、氧化物、灰尘及其它污物，打磨见金属本色。（4）平衡块的定位组装，按照设计的平衡块定位工装进行组装，组装顺序如图1所示。为保证焊缝的最终质量，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应与平衡块一致，平衡块与曲轴的组装定位间隙为3~4mm。（5）平衡块与曲柄组装后的定位焊，在定位时，使平衡块中心线与曲轴中心线一致，并保持平衡块垂直。（6）在进行定位焊前，曲柄局部采用氧乙炔火焰预热至100℃，然后进行定位焊操作。（7）待平衡块的组装和定位焊结束后，将曲轴整体进炉内预热300℃，时间为6小时。

3.2焊接过程（1）采用CO气体保护焊，焊接材料为直2径1.4mm的E501T-1药芯焊丝，直流反接。焊接电流：200~230A，电弧电压：25~28V，保护气体：99.5%的CO，流量：20~25L/min，层间温度：2曲柄焊接部位及周围100mm范围内，温度不低于300℃。整个曲轴的平衡块的焊接顺序按照图1所示的顺序进行，要求焊工同时对称实焊。焊接操作时，采用多层多道焊，焊道顺序如图4所示。第一道焊缝完成后，应将焊缝根部的夹渣、气孔、焊渣等缺陷及杂物清除干净，方可进行第二道焊缝的焊接；以后每道焊缝完成后，应将缺陷及杂物清除干净后才能进行后道焊缝的焊接。（2）在第一和第二道焊缝完成后，采用机械方法或氧-乙炔火焰切割清除定位板，不允许割伤平衡块、曲轴表面。（3）平衡块两面最后一道焊缝应确保靠平衡块一侧完成。（4）待焊接结束后，用碳弧气刨（或氧-乙炔火焰）清除平衡块端部的引（收）弧板及端部缺陷，并进行打磨呈金属本色。（5）曲柄与平衡块的焊缝外形尺寸应符合图5所示的要求。（6）曲轴平衡块焊接完成后的半小时内进炉进行消除应力热处理，其工艺参数：温度580~600℃，保温15小时，随炉冷却至250℃，出炉空冷。

3.3焊接检验焊接检验在曲轴平衡块消除应力热处理冷却，经打磨后进行。（1）焊缝外观检查：焊缝联接处过渡平缓,符合焊接接头的外形尺寸要求。（2）焊缝表面检验：按ASTMA986/A986M《连续晶粒线向曲轴锻件磁粉探伤技术规范》进行磁粉探伤，焊缝表面未发现裂纹。（3）焊缝内部探伤：按GB/T11345《焊缝无损检测超声波检测技术、检测等级和评定》进行超声波探伤，检验等级B级，评定等级不低于2级，符合要求。

4结束语

通过小批量生产试制过程中的验证证明，经过合理的工艺设计，采取正确的焊接工艺方法和工艺参数，并充分考虑焊接前预热和焊后消除应力热处理的影响和作用，曲轴平衡块的焊接质量能够完全达到产品的使用要求，为HXN5机车柴油机曲轴批量生产打下了坚实的基础。

作者：徐春林 方荣良 单位：中车戚墅堰机车有限公司