碳鋼表面堆焊鋁青銅的工藝研究

天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 （300301） 羅福軍 張貴芳

水電設(shè)備的制作過程中經(jīng)常接觸到碳鋼表面堆焊特殊熔敷金屬，此制作方法既能降低材料成本又能滿足使用要求。我公司承攬某水電設(shè)備制作中需要在工件密封環(huán)（見圖1、表1）上堆焊鋁青銅。本文將通過試驗(yàn)及實(shí)際操作對碳鋼表面堆焊鋁青銅進(jìn)行研究探討，制定合理的焊接工藝。

圖1 堆焊加工后的補(bǔ)償環(huán)示意

表1 Q235C化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

1.釬焊問題分析

火焰釬焊是釬焊中的一種，屬于固體相連接，是焊接時(shí)釬料熔化而母材不熔化、使用比母材熔點(diǎn)低的釬料、焊接加熱溫度低于母材的固相線而高于釬料液相線的一種連接方法。被加熱而熔化的液態(tài)釬料在母材間隙中潤濕、毛細(xì)流動(dòng)、填縫與母材相互溶解擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)零件間的連接。用火焰釬焊在密封圈上堆焊鋁青銅，需要很高的預(yù)熱溫度，并且持續(xù)進(jìn)行加熱，以補(bǔ)償釬焊過程中熱量的散失。釬焊對母材表面要求較高，如果焊前沒有徹底清除工件表面的氧化物、油漬等雜質(zhì)，當(dāng)預(yù)熱溫度不夠時(shí)，可導(dǎo)致焊接過程中釬料不能很好的潤濕鋪展工件的表面，焊后易使堆焊金屬與母材產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。

2.碳鋼表面堆焊鋁青銅易產(chǎn)生的問題

（1）接頭強(qiáng)度的影響 堆焊過程中在熔合線處銅沿鋼的晶界滲透，在拉應(yīng)力作用下易形成滲透裂紋，進(jìn)而降低了焊接接頭強(qiáng)度。

（2）焊接熔合困難 由于鋁青銅與碳鋼的物理性能有一定的差距，尤其導(dǎo)熱系數(shù)（見表2）差距更大，所以在較厚的鋼板上堆焊鋁青銅時(shí)，容易產(chǎn)生未熔合缺陷。另外鋁和氧的親和力強(qiáng)，氧化后生成Al2O3，其熔點(diǎn)高達(dá)2030℃。在脫氧條件不好的情況下，Al2O3分布在熔化金屬表面，阻礙了金屬的熔合，使焊縫容易產(chǎn)生夾渣、未熔合等焊縫缺陷。

表2 Cu與Fe的物理性能

（3）容易產(chǎn)生氣孔缺陷 鋁青銅焊接時(shí)銅的結(jié)晶過程進(jìn)行很快，液態(tài)銅中的氫來不及逸出和上浮而滯留在焊縫中，容易形成氣孔。

（4）焊縫受熱區(qū)域增大 銅的線性膨脹系數(shù)大，使得焊縫受熱區(qū)明顯增大，尤其是在堆焊特定條件下受熱區(qū)域更加增大，故而導(dǎo)致工件剛性不足，極易產(chǎn)生變形。

（5）易產(chǎn)生裂紋 由銅鋁狀態(tài)圖可知，當(dāng)鋁含量為9%～10%時(shí)，合金中存在脆性相，使其塑性降低。當(dāng)變形受阻，就會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生裂紋。

3.工藝的確定

（1）焊接方法的選擇 鋁青銅的焊接方法有很多，包括熔焊、電阻焊、釬焊在內(nèi)的各種方法均可實(shí)施。焊接銅需要大功率、高能束的焊接方法，能量越高對焊接過程越有利。根據(jù)每個(gè)工件的具體情況及焊接的工藝要求選擇正確的焊接方法，對焊接質(zhì)量至關(guān)重要。半自動(dòng)MIG焊，采用氬氣進(jìn)行保護(hù)，電弧熱量集中，焊縫成形好，易操作，生產(chǎn)效率高。對于焊接量較大的密封環(huán)鋁青銅堆焊，MIG焊是較為理想的焊接方法。

（2）焊接材料的選用 堆焊金屬鋁青銅具有耐磨性及對海水有較高耐蝕性。本工藝選用鋁青銅焊絲ERCuAl－A1，φ1.6mm。保護(hù)氣體純度≥99.99%的氬氣。ERCuAl－A1焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分如表3所示，熔敷金屬物理性能如表4所示。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 熔敷金屬物理性能

（3）焊接參數(shù)的確定 鋁青銅MIG焊中，焊接電流的大小決定著熔滴的過渡形式，而熔滴的過渡形式不同，決定電弧穩(wěn)定與焊縫成形。在氬氣氣氛中，只有達(dá)到噴射過渡時(shí)才能獲得穩(wěn)定的電弧和良好的焊接成形，因此在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)增大焊接電流，使熔滴過渡形式保持為噴射過渡。但在打底層堆焊時(shí)，電流過大會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大，增加母材對焊縫的稀釋，使抗裂性變差。所以打底層焊接時(shí)，在保證焊接質(zhì)量的前提下盡量選擇較小的焊接參數(shù)。由于銅散熱較快，從第二層開始將適當(dāng)增加焊接參數(shù)及層間溫度，以獲得更加穩(wěn)定的電弧。焊接參數(shù)如表5所示。

表5 堆焊工藝用MIG焊焊接參數(shù)

（4）焊接工藝評(píng)定試驗(yàn) 采用半自動(dòng)MIG焊在試板上堆焊厚度大于6mm，為減小碳鋼母材對熔敷金屬的稀釋，堆焊層數(shù)≥3層。不能有脫層、氣孔、裂紋、夾渣和未熔合等缺陷。

通過對堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能及硬度值的測試，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

（5）焊前準(zhǔn)備 首先，將堆焊表面的油及其他污物清除干凈，用丙酮擦洗堆焊表面，露出金屬光澤。

其次，在母材堆焊表面的一側(cè)點(diǎn)焊4mm厚碳鋼環(huán)形托板（見圖2），用來限制液態(tài)堆焊金屬的流動(dòng)，最后加工去除。

圖2 堆焊示意

最后，把工件墊起適宜的焊接高度，用天燃?xì)鈱ぜ訜幔ㄒ妶D3），預(yù)熱溫度150～200℃，并在施焊過程中使用測溫儀器監(jiān)測溫度變化。

（6）焊后熱處理及檢測 焊后對補(bǔ)償環(huán)進(jìn)行600℃退火處理，退火及加工后做PT探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)堆焊處有焊接缺陷，效果良好。

圖3 施焊

4.結(jié)語

（1）根據(jù)工件不同的結(jié)構(gòu)形狀及設(shè)計(jì)要求，選擇正確的焊接方法。

（2）焊前清理、預(yù)熱和焊后緩冷這些都直接影響焊縫接頭的質(zhì)量及性能。

（3）焊接參數(shù)的選擇對焊接質(zhì)量影響至關(guān)重要，由于銅散熱較快，所以焊接時(shí)電弧電壓往往要高于碳鋼。

（4）對于剛性差，易變形的工件，應(yīng)當(dāng)考慮采取一些控制變形的措施。