碳鋼表面堆焊鋁青銅的工藝研究

天津賽瑞機器設備有限公司 （300301） 羅福軍 張貴芳

水電設備的制作過程中經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備制作中需要在工件密封環（見圖1、表1）上堆焊鋁青銅。本文將通過試驗及實際操作對碳鋼表面堆焊鋁青銅進行研究探討，制定合理的焊接工藝。

圖1 堆焊加工后的補償環示意

表1 Q235C化學成分（質量分數） （%）

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，是焊接時釬料熔化而母材不熔化、使用比母材熔點低的釬料、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釬料在母材間隙中潤濕、毛細流動、填縫與母材相互溶解擴散而實現零件間的連接。用火焰釬焊在密封圈上堆焊鋁青銅，需要很高的預熱溫度，并且持續進行加熱，以補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，當預熱溫度不夠時，可導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生剝離現象。

2.碳鋼表面堆焊鋁青銅易產生的問題

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

（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，尤其導熱系數（見表2）差距更大，所以在較厚的鋼板上堆焊鋁青銅時，容易產生未熔合缺陷。另外鋁和氧的親和力強，氧化后生成Al2O3，其熔點高達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）容易產生氣孔缺陷 鋁青銅焊接時銅的結晶過程進行很快，液態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）焊縫受熱區域增大 銅的線性膨脹系數大，使得焊縫受熱區明顯增大，尤其是在堆焊特定條件下受熱區域更加增大，故而導致工件剛性不足，極易產生變形。

（5）易產生裂紋 由銅鋁狀態圖可知，當鋁含量為9%～10%時，合金中存在脆性相，使其塑性降低。當變形受阻，就會產生很大的內應力，導致焊縫及近縫區產生裂紋。

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、釬焊在內的各種方法均可實施。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。根據每個工件的具體情況及焊接的工藝要求選擇正確的焊接方法，對焊接質量至關重要。半自動MIG焊，采用氬氣進行保護，電弧熱量集中，焊縫成形好，易操作，生產效率高。對于焊接量較大的密封環鋁青銅堆焊，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。保護氣體純度≥99.99%的氬氣。ERCuAl－A1焊絲的熔敷金屬化學成分如表3所示，熔敷金屬物理性能如表4所示。

表3 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表4 熔敷金屬物理性能

（3）焊接參數的確定 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，決定電弧穩定與焊縫成形。在氬氣氣氛中，只有達到噴射過渡時才能獲得穩定的電弧和良好的焊接成形，因此在條件允許的情況下，應當增大焊接電流，使熔滴過渡形式保持為噴射過渡。但在打底層堆焊時，電流過大會導致晶粒粗大，增加母材對焊縫的稀釋，使抗裂性變差。所以打底層焊接時，在保證焊接質量的前提下盡量選擇較小的焊接參數。由于銅散熱較快，從第二層開始將適當增加焊接參數及層間溫度，以獲得更加穩定的電弧。焊接參數如表5所示。

表5 堆焊工藝用MIG焊焊接參數

（4）焊接工藝評定試驗 采用半自動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≥3層。不能有脫層、氣孔、裂紋、夾渣和未熔合等缺陷。

通過對堆焊層進行化學成分、力學性能及硬度值的測試，各項指標符合設計要求。

（5）焊前準備 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點焊4mm厚碳鋼環形托板（見圖2），用來限制液態堆焊金屬的流動，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，用天燃氣對工件加熱（見圖3），預熱溫度150～200℃，并在施焊過程中使用測溫儀器監測溫度變化。

（6）焊后熱處理及檢測 焊后對補償環進行600℃退火處理，退火及加工后做PT探傷檢測，未發現堆焊處有焊接缺陷，效果良好。

圖3 施焊

4.結語

（1）根據工件不同的結構形狀及設計要求，選擇正確的焊接方法。

（2）焊前清理、預熱和焊后緩冷這些都直接影響焊縫接頭的質量及性能。

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

（4）對于剛性差，易變形的工件，應當考慮采取一些控制變形的措施。