柳鋼軋機(jī)托架體Q345鋼基體上鋁青銅的焊接工藝

楊華，劉鳳偉，陳君，呂海軍

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州545002）

柳鋼軋機(jī)托架體Q345鋼基體上鋁青銅的焊接工藝

楊華，劉鳳偉，陳君，呂海軍

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州545002）

本文分析柳鋼熱軋1250軋機(jī)托架體鋁青銅焊接質(zhì)量問題，對(duì)焊條電弧焊及氣體保護(hù)焊方式分別進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，介紹了在Q345基體上堆焊鋁青銅的焊接實(shí)踐案例，本文對(duì)研究碳鋼基體上鋁青銅的堆焊工藝及焊接操作方法有一定參考作用。

Q345鋼；鋁青銅焊接；焊接工藝

托架體為柳鋼熱軋廠1250軋機(jī)換輥機(jī)構(gòu)中重要配件，在換輥時(shí)用于夾持輥?zhàn)拥谋馕?，將輥?zhàn)铀瓦M(jìn)、移出。其使用需兩件一組配套使用，托架體導(dǎo)槽兩側(cè)壁堆焊銅合金，導(dǎo)槽與導(dǎo)軌為間隙滑動(dòng)配合。如圖1所示。由于軋輥較重，滑動(dòng)時(shí)作用在導(dǎo)槽上的摩擦力較大，導(dǎo)槽兩側(cè)損耗較快，需堆焊耐磨銅合金層，可有效減小摩擦，以提高使用壽命。本文基于對(duì)碳鋼基體上鋁青銅的堆焊工藝及焊接操作方法進(jìn)行研究，以期掌握相關(guān)焊接工藝，并對(duì)柳鋼相關(guān)冶金設(shè)備關(guān)鍵備件現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)提供技術(shù)解決方案。

圖1 托架體

1焊條電弧焊工藝實(shí)踐

托架體本體為Q345鋼，因機(jī)加工后堆焊層為3 mm，導(dǎo)槽處實(shí)際堆焊層（長(zhǎng)×寬×厚）為600 mm ×20mm×6mm.采用兩層堆焊的方法堆焊鋁青銅。首先加工導(dǎo)槽，去除原堆焊層，預(yù)留焊接層余量7mm.

1.1 焊條選型

Cu237(ECuA1-A2)鋁青銅焊條，以紫銅為焊芯，藥皮為低氫型，力學(xué)性能較好，具有耐磨、耐蝕、強(qiáng)度高特點(diǎn)。銅合金焊接或堆焊采用直徑3.2mm，焊條牌號(hào)為CIMIC CU237焊條。

1.2 焊接實(shí)施

焊前對(duì)工件進(jìn)行火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度250~350℃.焊條放置烘箱150℃烘干，保溫1.5 h.然后進(jìn)行試焊操作：先在同等材質(zhì)鋼板上試堆焊2層，焊接長(zhǎng)度300 mm，加工后未見缺陷，具體如圖2所示。

圖2 焊條電弧焊試焊效果圖

1.3 正式焊接

組織對(duì)工件進(jìn)行堆焊合金厚度為6 mm，預(yù)留3 mm的加工余量，工件呈45°放置，形成船形焊接，焊接采用交流弧焊機(jī)，交流反接，電壓38 V，電流90 ~120 A的焊接參數(shù)進(jìn)行堆焊。焊接采用逐步退焊法，焊后用平頭錘錘擊焊縫，清理焊層雜質(zhì)。焊后加工后，檢查發(fā)現(xiàn)堆焊層表面存在密集型氣孔，無法滿足圖紙技術(shù)要求，如圖3所示。

圖3 焊條電弧焊正式焊效果圖

1.4 焊接優(yōu)化

焊前預(yù)熱至400°，焊中跟隨加熱，施焊采用短弧，焊條作W型往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以加強(qiáng)攪動(dòng)，增加熔池流動(dòng)性，提高氣體排除效果，焊中采用氬氣吹焊接，以起到氣體保護(hù)作用。組織3名焊工分別試焊3件，焊后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有明顯焊縫質(zhì)量有一定提升，氣孔減少較明顯，如圖4所示，但仍有10%~25%氣孔無法完全消除，在焊接時(shí)跟隨加熱，造成焊接操作不便，對(duì)焊接操作水平要求較高，總體效率不高，不利于組織批量生產(chǎn)。

圖4 焊條電弧焊改進(jìn)后效果圖

2焊接缺陷原因分析

2.1 試件焊接對(duì)比分析

對(duì)比試件及實(shí)際工件焊接情況，經(jīng)分析，雖試件焊接效果較好，但試焊的條件與實(shí)際施焊有區(qū)別，試件焊接長(zhǎng)度較短，采用平焊方式，工件在槽內(nèi)焊接，工件結(jié)構(gòu)、施焊方式對(duì)焊接熔池的保護(hù)有較大差異。

2.2 氣孔產(chǎn)生的原因

（1）工件表面的油污，水分在堆焊過程中與焊縫金屬產(chǎn)生化合作用產(chǎn)生氧氣孔。

（2）在堆焊過程中熔池金屬與空氣產(chǎn)生化學(xué)作用產(chǎn)生大量的氫氣，由于銅合金熱導(dǎo)率比碳鋼高，堆焊層比母材結(jié)晶快，導(dǎo)致熔池中的金屬在氫原子還來不及完全逸出的時(shí)候就開始結(jié)晶，在堆焊焊縫中形成大量的氫氣孔。

2.3 焊條電弧焊局限性分析

實(shí)際施焊前按工藝規(guī)程進(jìn)行了300~350℃的預(yù)熱，焊條也經(jīng)過烘干處理，焊縫表面以及焊條的水分已經(jīng)完全蒸發(fā)，可以排除化合作用產(chǎn)生的氧原子造成密集氣孔的可能性。焊條電弧焊時(shí)如果電流過小，會(huì)造成電弧引弧困難，熔滴過渡不穩(wěn)定，焊縫金屬熔合效果不好，容易產(chǎn)生夾渣以及未熔合的現(xiàn)象；電流過大又會(huì)造成熔滴呈噴射過渡狀態(tài)，電弧長(zhǎng)度過長(zhǎng)對(duì)熔池的保護(hù)效果不好，空氣侵入熔池與液態(tài)金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在熔池表面形成大量熔點(diǎn)很高的氧化鋁（AI2O3），進(jìn)入熔池中空氣里的氧原子與鋁離子結(jié)合后剩下大量的氫原子（H），過量的氫原子還沒有來得及逸出，就會(huì)在迅速結(jié)晶的熔池中形成大量的密集型氫氣孔。

3焊接方案分析及優(yōu)化

焊接鋁青銅的主要困難是鋁的氧化，生成致密而難熔的Al2O3薄膜覆蓋在熔滴和熔池表面，易在焊縫中產(chǎn)生夾渣、氣孔和未熔合等缺陷。清除鋁的氧化物和防止鋁的氧化，對(duì)施焊過程中電弧對(duì)熔池的保護(hù)，成為焊接鋁青銅成敗的關(guān)鍵。

為解決該焊接質(zhì)量問題，需重新對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定。鋁青銅目前常用三種焊接方式，焊條電弧焊、氬弧焊、氣體保護(hù)焊。

經(jīng)過比較，焊條電弧焊在較大面積堆焊時(shí)電弧對(duì)熔池的保護(hù)效果較低，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高，焊接的一次合格率較低，適合小面積堆焊、補(bǔ)焊場(chǎng)合，不適于批量的生產(chǎn)；TIG焊（惰性氣體鎢極保護(hù)焊）需要配備500 A以上大功率氬弧焊機(jī)，我廠目前沒有配備此設(shè)備，不做考慮；MIG焊（惰性氣體保護(hù)金屬極電弧焊）采用惰性氣體作為保護(hù)介質(zhì)對(duì)熔池的保護(hù)作用非常明顯，采用鋁青銅合金焊絲焊接利用率非常高，焊接電壓和焊接電流有較大的調(diào)節(jié)幅度，因此決定采取MIG焊接方式。

4鋁青銅氣體保護(hù)焊工藝實(shí)施

4.1 焊材選型

經(jīng)調(diào)查選型，采用斯米克焊材，S215鋁鐵青銅焊絲，該焊絲為含鐵量較高，可用于焊接類似成分的鋁青銅、錳硅青銅、銅鎳合金、鐵基合金和異種金屬（如鋁青銅與鋼、銅與鋼），適合耐磨、耐腐蝕表面的堆焊，具有良好機(jī)械性能及焊接工藝性能。焊絲成分及性能如表1所示。

表1 S215焊絲成分及性能表

4.2 焊前準(zhǔn)備

（1）Q345母材加工1～1.5 mm，保證完全去除原堆焊層及雜質(zhì)，防止產(chǎn)生焊接缺陷；

（2）工件焊接部位焊前進(jìn)行300～350℃預(yù)熱15min，確保無水分；

（3）選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)作為電流輸出設(shè)備，保護(hù)氣體采用純度99.9%氬氣；

（4）焊接電壓23 V，焊接電流200 A，電流極性為直流正接方式；

（5）氬氣壓力1 MPa；

（6）焊絲采用斯米克焊材，型號(hào)ERCUAI-A2鋁鐵青銅焊絲，牌號(hào)S215，焊絲直徑1.2 mm；

（7）焊縫采取兩層兩道焊法。

4.3 焊接工藝分析

在焊接過程中，過小的焊接電流會(huì)使鋁青銅合金與母材的融合效果不好，焊接電壓過大熔滴過渡呈噴射過渡，產(chǎn)生較多的飛濺，對(duì)焊縫的冶金過程產(chǎn)生很大的影響，焊縫內(nèi)部主要存在未熔合，少量氣孔等缺陷。

鋁青銅合金與母材熔合效果不好應(yīng)該是焊接電流偏小的原因，少量氣孔產(chǎn)生的原因應(yīng)該是母材表面氣孔沒有完全清除干凈，焊接電流過小也造成了母材表面缺陷沒有被完全融合。產(chǎn)生較多的飛濺是由于焊接電流和焊接電壓的匹配原因以及焊絲與熔池的角度不合理造成的。

4.4 制定氣體保護(hù)焊接工藝

（1）選取二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)作為電流輸出設(shè)備，電流極性為直流正接，保護(hù)氣體采用純度99.9 %氬氣。氬氣壓力調(diào)節(jié)至1 MPa，氬氣流量控制在8～1 0 L/min；

（2）焊接電壓25 V，焊接電流280 A，施焊速度；

（3）焊縫采取兩層三道焊法，熔滴呈短路過渡方式，保護(hù)套距離焊縫表面保持在20 mm左右，焊絲與焊縫夾角呈70°；

（4）焊接作業(yè)區(qū)采取隔擋措施，保證處于無風(fēng)狀態(tài)。

4.5 焊后檢驗(yàn)

批量焊接后，機(jī)加工去除余量，經(jīng)檢查，焊縫成型良好，無焊接質(zhì)量缺陷，完全達(dá)到圖紙質(zhì)量要求，具體如圖5所示，焊縫材質(zhì)成分及硬度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所列。

圖5 用S215焊絲焊后效果圖

表2 焊縫成分及硬度檢測(cè)表

5結(jié)束語

通過上述MIG焊工藝方式進(jìn)行鋁青銅合金堆焊，此堆焊層經(jīng)機(jī)械加工后檢測(cè)，無任何裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷，取得了理想的堆焊效果。焊接工效較原焊條電弧焊提高25%，該工藝方法可適用于碳鋼基體上鋁青銅的堆焊，為今后在柳鋼冶金設(shè)備備件鋁青銅堆焊及修復(fù)提供了成功技術(shù)解決方案，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

Welding Process of Alum inum Bronze on Q345 SteelSubstrate of Rolling MillBracke

YANG Hua，LIU Feng-wei，CHENG Jun，LV Hai-jun
（Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545002，China）

This paper analyze mill aluminum bronze on the bracket welding quality problems，introduces the qualification of SMAW and MIG welding procedure，introduces the Q345 substrate aluminum-bronze surfacing welding practice case.In this paper，the research of aluminum bronze on the carbon steel substrate welding technology has reference function.

Q345 steel；aluminum bronze welding；welding procedure

TG457

A

1672-545X（2016）12-0085-03

2016-09-12

楊華（1977-），男，廣西柳州人，本科，工程師，研究方向：冶金機(jī)械設(shè)備制造及修復(fù)、鋼結(jié)構(gòu)工程；劉鳳偉（1967-），男，廣西臨桂人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：冶金機(jī)械設(shè)備制造及修復(fù)、液壓系統(tǒng)。