軸頭堆焊工藝試驗及分析

孔念榮，于光遠，謝 蕊

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213019)

0 前言

助卷器擺動臂加工周期長，難度大，費用高，一旦因加工質量不達標而報廢，將帶來較大的經濟損失。助卷器擺動臂在加工過程中特別容易出現走刀過量產生啃刀，致使擺動臂軸頭根部圓角被刮平，達不到設計要求，出現產品報廢等情況如圖1所示。目前修復的方式主要有兩種，一種為鑲套然后再加工，由于鑲套屬于物理結合，在以后使用的過程中存在脫落及斷裂的危險;另一種為整體加工，去除軸頭，重新裝入新軸頭后焊接，但由于其已加工至成品，無法焊后整體回火消除內應力，從而在使用過程中會存在變形、開裂甚至疲勞斷裂的風險。

經過多方案比較分析發現，采用表面堆焊辦法進行修復是比較經濟快捷的工藝方法。表面堆焊是用焊接的方法把填充金屬熔敷在金屬表面形成冶金結合，以便獲得所要求的性能和幾何尺寸［1］。

圖1 擺動臂加工啃刀圖Fig.1 Picture of gnawing the turning tool while wrapper swing arm is machined

堆焊后的各項性能指標能否滿足設計要求成為方案選取的關鍵。評定擺動臂軸頭堆焊層的主要指標有:①堆焊層與基體金屬的結合強度;②堆焊層硬度的均勻性;③堆焊層對零件疲勞強度的影響。基于以上評判標準，試驗擬對各試樣分別進行拉伸、沖擊、硬度和旋轉彎曲疲勞試驗。

1 試驗設備與材料

1.1 母材

首先對助卷器擺動臂軸頭產品進行分析，選取最常用的42CrMo、45鋼、35鋼、20鋼4種材料進行試驗。

42CrMo、45鋼、35鋼和20鋼均為 Φ250 mm的鍛件，按YB/T036.0-2005 UTⅡ級要求檢查合格，與擺動臂的實際尺寸和要求一致。42CrMo鋼調質處理(880℃油淬，600℃回火處理);45鋼、35鋼、20鋼進行 860℃正火處理。

1.2 母材坡口加工

參照擺動臂的啃刀情況，在各試件上加工如圖2所示的坡口，然后進行焊接。

圖2 母材坡口形式及尺寸Fig.2 Groove shape and dimention of base metal

1.3 焊接

本試驗均采用國內某單位生產的Φ1.2 mm藥芯焊絲，焊絲牌號及熔敷金屬主要化學成分和力學性能見表1;保護氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 焊絲熔敷金屬化學成分及力學性能Table 1 Deposited metal chemical compositions and mechnical properties of welding wire

試驗采用林肯POWERTMΠ 650焊機，由具相應資質的焊工焊接。每焊完一層必須清渣，發現缺陷立即打磨補焊，然后進行后道焊接(工藝參數見表2);焊接過程中采取防風措施，焊后立即進行回火處理。

表2 焊接工藝參數表Table 2 Parameters of welding technology

2 試驗過程

焊接后根據試驗要求，分別在母材與焊縫區域(見圖2，N－N側為母材試樣取樣區域、MM側為焊縫試樣取樣區域)截取拉伸、沖擊、硬度和疲勞試樣并編號(見表3)，其中H表示焊縫試樣組、B表示母材試樣組。各試驗試樣尺寸均符合相應標準。拉伸試驗分別做母材和接頭試樣各兩個，尺寸Φ10 mm×110 mm;沖擊試驗做母材、焊縫及熱影響區試樣各兩個，尺寸55 mm×10 mm×10 mm;硬度試驗在每個堆焊試樣上分別做兩排;疲勞試驗分別做母材和接頭試樣每組各一件，取樣符合GB/T4337－2008相關要求，尺寸為Φ7.5 mm×80 mm。

試驗過程分別按照相應標準進行。

3 試驗結果及分析

3.1 拉伸及沖擊試驗結果

為了檢測堆焊層與基體的結合強度，分別做了常溫拉伸及沖擊試驗。如果堆焊層試樣的抗拉強度和沖擊吸收功同時達到要求值，說明其結合強度滿足性能要求;反之，則說明該工藝不滿足試驗要求，試驗結果見表3。

表3 拉伸及沖擊試驗結果Table 3 Results of tensile and impact test

由表3可得知:

(1)除42CrMo堆焊層的抗拉強度不達標外，其余各組均達到要求值。其中，1H組試樣軸頭抗拉強度比要求值低1.9%～5.6%，而其焊縫和熱影響區的沖擊吸收功分別高于要求值282.4%～326.5%和35.3%～47.1%;而2H組試樣軸頭抗拉強度比要求值高6.67% ～8.67%，而熱影響區的沖擊吸收功比要求值低29.4%～38.2%。

(2)除1組試樣外，其余各軸頭試樣的抗拉強度均與母材的抗拉強度大致相當。

(3)除2H組試樣外，其余各熱影響區與焊縫中心試樣的沖擊吸收功均高于母材，熱影響區與母材沖擊吸收功差別不大，而焊縫中心區均高于母材約140%～390%。

(4)對于強度較低的鋼材(20鋼、35鋼及45鋼)，無論是其母材還是焊縫均有較高的韌性儲備，所以按等強度匹配選用焊接材料時，既可保證強度要求，又不會損害焊縫韌性;而對于強度較高的鋼種(如42CrMo)，保證軸頭強度時往往會損害焊縫熱影響區的韌性，反之，在大幅提高焊縫韌性的同時，又會降低焊縫的抗拉強度［3］。

(5)強度較低的鋼材按等強度匹配原則選用焊接材料是可行的。

(6)對于抗拉強度在 800～820 MPa的42CrMo材料而言，在選擇堆焊材料時要考慮工作條件。

當工件在低溫運行時，可選取1H試樣工藝(RD－YJ607焊絲堆焊)，以在適當降低其抗拉強度的前提下，大幅提高其堆焊軸頭的韌性，以獲得最佳綜合機械性能。

在200℃ ～300℃溫度下運行時，可選取2H試樣工藝(RD－YR312焊絲堆焊)，雖在常溫下焊縫HAZ(熱影響區)損失掉約30%的沖擊功，但由于其焊絲成分中含有 Cr、Mo元素，使其與42CrMo的耐熱鋼成分相一致，故有較好的耐熱性能。

總之，當工件在低溫下運行時，可按照綜合機械性能進行最佳選擇，而工件在一定的溫度下運行時，則應按照其化學成分選取，以滿足其耐熱鋼的性能。

3.2 硬度試驗結果

一般而言，堆焊層的硬度與軸頭組織性能有對應相關關系，軸頭硬度值分布越均勻，組織性能相對均一。

對各焊接軸頭試樣進行硬度試驗，檢測點位置如圖3所示，檢測結果見表4。

圖3 硬度測試點位置示意圖Fig.3 Location of hardness test points

表4 硬度檢測結果Table 4 Results of hardness test(HV 10) HV10

根據ISO15614－1規定，1H和2H組試樣接頭及母材硬度值須≤320 HV10，5H組硬度值≤380 HV10，其余各組硬度值不作要求。分析對比結果見表5。+表示大于母材硬度;－表示小于母材硬度。

由表5可以看出:

(1)依照碳及合金元素含量高低，母材硬度值按42CrMo、45鋼、35鋼和20鋼依次遞減。究其原因，其一，在一定范圍內碳及合金元素會顯著提高金屬的硬度值［4］;其二，母材在焊接之前進行的熱處理也不同程度地影響母材的硬度;其三，硬度與抗拉強度有對應正相關系［5］。

(2)相同母材采用不同焊接填充材料時，2H的焊縫硬度遠高于1H組試樣。這主要由于RD－YR312與RD－YJ607型焊絲熔敷金屬化學成分不同，影響焊縫的硬度，尤其是RD－YR312焊絲含有Cr、Mo、V等元素，能夠顯著提高焊縫金屬的硬度。

表5 硬度分析結果Table 5 Results of hardness analysis %

(3)作為焊接結構，各組堆焊層試樣焊縫與熱影響區及母材的硬度差絕大部分介于10%～30%，雖然4H組焊縫比母材硬度大約42%，是由于其基數低，但其絕對值仍較低，僅為234HV10，硬度值分布仍在標準范圍內;由此可推斷，堆焊接頭和母材之間組織性能基本均勻。

3.3 旋轉彎曲疲勞試驗結果

為了檢測試樣的抗疲勞能力，驗證其使用壽命，對各試樣進行了旋轉彎曲疲勞試驗，試驗結果見表6。

表6 旋轉彎曲疲勞試驗結果Table 6 Results of rotation fatigue test

由表6分析可知:

(1)堆焊試樣的疲勞強度全部符合設計要求，循環次數達到106以上。

(2)除42CrMo外，其余母材的疲勞循環次數均未達到106。總體而言，堆焊層熔敷金屬的抗疲勞性能好于母材，試驗所選擇的焊材和焊接工藝是合適的。

(3)對于45鋼、35鋼和20鋼母材試樣，旋轉疲勞強度隨著硬度和抗拉強度的降低而下降。這是因為，對于抗拉強度小于1400 MPa的鋼鐵材料，其疲勞強度與抗拉強度是近似成線性關系的，即抗拉強度越高其疲勞強度相應的越大［6］。

4 結論

通過分析試驗數據找到了不同材料堆焊工藝選取方法。45鋼、35鋼和20鋼選用的焊材與焊接工藝完全達到產品整體機械性能的使用要求;而42CrMo鋼則要依據其工作條件選擇堆焊材料，如在常溫下工作時可采用RD－YJ607焊絲堆焊工藝，而在特定溫度下工作時則要選取RD－YR312焊絲堆焊工藝。

綜上所述，本次試驗對常用幾種擺動臂材料的堆焊進行系統的工藝評定，為補焊提供了試驗數據。

［1］ 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊(1卷)［M］．北京:機械工業出版社，2006，528－543．

［2］ 成大先．機械設計手冊(第四版)［M］．北京:化學工業出版社，2004:13－29．

［3］ 印建正，陳伯蠡．不同強韌性組配的16Mn鋼焊接接頭的斷裂性能和斷裂行為［J］．機械工程學報，1995(1)．

［4］ 張元彬，任登義．合金元素對對焊焊縫硬度的影響［J］．熱加工工藝，2003(4):15－16．

［5］ GB/T1172－1999．黑色金屬硬度及強度換算［S］．

［6］ 鄒偉龍．軸用馬氏體鋼斷裂行為的研究［D］．昆明:昆明理工大學，2008．