特大型圆锥滚子轴承支柱保持架氩弧焊接技术

林国福，褚翠霞，姬晓飞，陈相东，郭新

（洛阳LYC轴承有限公司 航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

特大型圆锥滚子轴承保持架主要有冲压保持架和支柱焊接保持架两类。冲压保持架加工工艺［1］过程需要大量模具，冲压设备调整比较复杂，首次投入生产成本高，致使其产品价格较高；而且相同尺寸的特大型圆锥滚子轴承，采用冲压保持架时的滚子数量较采用支柱焊接保持架时的滚子数量少，轴承承载能力降低。因此，受成本和使用工况限制，对于小批量、专用的特大型圆锥滚子轴承通常选用支柱焊接保持架。支柱焊接保持架由金属车削保持架圈和支柱相连焊接而成，支柱焊接技术十分关键。

1 特大型圆锥滚子轴承支柱保持架焊接现状

特大型圆锥滚子轴承支柱焊接保持架结构如图1所示，支柱穿过滚子，其螺纹一端旋入保持架大圈的螺纹孔内，另一端与保持架小圈的光孔连接，通过焊接成为一体。目前大型圆锥滚子支柱焊接保持架的焊接方式为普通电弧焊接，为保证焊接强度，电弧焊接的焊帽为圆形凸起，焊帽的高度e小于1.5 mm。焊帽不得有夹渣、焊瘤、气孔等缺陷，表面光滑。但在电弧焊接过程中，为防止焊接区域被氧化，从而使用带保护药皮的422结构钢电焊焊条，保护药皮会产生大量焊渣，焊渣容易飞溅到滚子和滚道内，并粘附在滚子和滚道上，很难将其清理干净。即使在焊接时使用石棉绳进行防护，依然无法有效防止焊渣进入滚道内。如果无法清理滚子与滚道内的焊渣，将会降低轴承的使用寿命。

图1 圆锥滚子轴承结构图Fig.1 Structure diagram of tapered roller bearing

随着产品质量的不断提高，特大型圆锥滚子轴承支柱焊接保持架选择无焊渣飞溅的焊接方式替代电弧焊接，以确保焊接质量，是急需要解决的问题。

2 支柱氩弧焊接技术

氩弧焊接技术是在普通电弧焊接原理的基础上，利用氩气对金属焊接进行保护，通过高电流使被焊接金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术。氩弧焊接适用于金属焊接，焊接坡口小，焊接需焊材少；操作简单，焊接过程中有惰性气体的保护，无焊渣飞溅，焊接后焊接部位容易清理，焊接部位的质量和外观较好。但所需的焊接电流较高，焊接速度比较快。

目前氩弧焊接技术比较成熟，应用领域也比较广泛，但氩弧焊接很少应用在轴承制造领域。氩弧焊接特大型圆锥滚子轴承保持架支柱时，选用氩弧焊机YC－630BC，其最大焊接电流为630 A。氩弧焊接填入焊丝相对电弧焊接少，因此需将支柱长度和保持架小圈的坡口进行改进（图2），支柱高出保持架小圈h由原来的1 mm增加为2 mm，因此支柱长度增加1 mm。保持架小圈通孔的倒角c×α由原来的5 mm×90°优化为3 mm×45°，从而减小焊接坡口，使支柱和保持架形成的焊接坡口能够满足氩弧焊接要求。

图2 氩弧焊接工艺尺寸改进图Fig.2 Improvement diagram of dimension of argon arc welding process

特大型圆锥滚子轴承支柱氩弧焊接采用直流TIG（非熔化极气体保护电弧焊）焊接方式，属于电流正接法，钨极为负极，产生热量小，钨极伸出喷嘴的长度为3～5 mm。在焊接支柱φ10.5 mm特大型圆锥滚子轴承时，选择氩弧焊接钨极直径为4.0 mm，焊丝选用与支柱材料相似的中碳钢，焊丝直径为4.5 mm；焊接电流选用360 A，焊接氩气留量为10 L／min，焊接时滞后停气3～7 s。依据焊接参数调整YC－630BC氩弧焊机，焊接钨极直接熔化支柱和保持架倒角，形成焊接熔池，并根据焊帽的高度和质量确定填入氩弧焊丝的多少。

特大型圆锥滚子轴承支柱采取氩弧焊接工艺后的焊帽如图3所示，焊接过程无焊渣飞溅，焊接后清理容易；焊帽的外观质量能够满足设计要求，较普通电弧焊接的焊帽更加规则。

图3 氩弧焊接焊帽Fig.3 Welding cap of argon arc welding

3 支柱焊接验证

为验证普通电弧焊接和氩弧焊接支柱的抗拉强度，将φ10.5 mm的支柱按照焊接工艺要求放入对应的保持架小圈通孔中，分别使用电弧焊接和氩弧焊接各制作4个试件，试件编号为SJ－1，SJ－2，SJ－3，SJ－4。设计制作工装，使试件能够在拉力机上进行抗拉试验，以试件拉脱焊为止，记录拉力数值，试验检测结果见表1。

表1 拉力试验检测结果Tab.1 Testing results of tensile test kN

由表可知，氩弧焊接的抗拉强度与电弧焊接相当，轴承支柱焊接保持架的焊接方式完全可以使用氩弧焊接取代电弧焊接。

4 支柱氩弧焊焊帽质量的无损检测

目前轴承行业广泛使用超声检测（UT）的方法来检测材料内部的裂纹、夹渣、针孔等缺陷，被检测表面要求光滑平整；使用磁粉检测（MT）的方法来检测零件表面裂纹、夹渣等缺陷，被检测零件需要充磁。

结合特大型支柱氩弧焊接焊帽的特点，超声和磁粉检测焊帽的内部和表面缺陷是无法实现的，因此必须探索其他的无损检测方法。在常用的无损检测方法中涡流检测（ET）主要检测轴类、管件类等材料的内部缺陷，而射线检测（RT）可以检测材料内部的气孔、夹渣、裂纹、未焊透、熔合不足等内部缺陷，且对表面平整度没有要求。渗透检测（PT）可以检测零件表面的裂纹、夹渣等缺陷，无需对被检测零件充磁。

综上，支柱氩弧焊接焊帽的内部缺陷的无损检测可采用射线检测，表面缺陷的无损检测可以采用渗透检测。

5 结束语

通过对特大型圆锥滚子轴承支柱焊接技术的研究，改进了支柱和保持架小圈孔的倒角设计，探索了支柱氩弧焊接工艺，通过对支柱保持架电弧焊接和氩弧焊接抗拉强度的对比表明，氩弧焊接能够满足支柱焊接的强度需要。特大型圆锥滚子轴承支柱保持架采用氩弧焊接不仅解决了焊渣进入滚道内部的问题，也提高了轴承焊接质量和使用寿命，具有良好的推广应用价值。