硬質合金釬焊工藝的研究

□ 葛志德 □ 郭 勐 □ 荊 皓

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1　問題的提出

硬質合金耐磨件是道碴挖掘機械上一個耐磨性能要求較高的部件，這一部件一方面要承擔挖掘鏈及挖掘鏈輪所受的道碴挖掘阻力，另一方面還要承受道碴清篩過程中的磨損。為了保證鏈輪側板的工作性能，要求側板端面具有較高的耐磨性能，因此需要在側板的端面上釬焊硬質合金，以保證其耐磨性。

硬質合金的釬焊方法很多，包括火焰釬焊、鹽浴釬焊、氣相釬焊、電阻釬焊、感應釬焊、保護氣體爐中釬焊、真空釬焊等［1］。合適的釬焊間隙、正確的火焰加熱過程和添加釬料方法是保證釬焊質量的關鍵［2］。采用火焰釬焊，加熱時間長，工人勞動強度大，同時由于加熱時間長，對基材的硬度有較大影響。采用感應釬焊，加熱速度快，工藝穩定性能好，但由于需要焊接硬質合金片較多，必須采用工裝固定，工件和工裝體積較大，使感應釬焊線圈離工件較遠，熱影響區變大，造成側板基材硬度降低。采用真空爐中釬焊將工件整體加熱，同樣會降低基材性能。因此，必須選用合適的加熱方法，在保證釬焊強度的同時，避免基材硬度受到較大影響，從而滿足工件的使用性能要求。

2　釬焊工藝的選擇

采用感應加熱與火焰加熱相結合的工藝，即以中頻感應加熱提高工件溫度，再以局部火焰加熱進行釬焊硬質合金片，這樣既可以減少火焰加熱的時間，提高焊接效率，又可以通過人工控制火焰加熱的位置和時間，防止基材過熱。

3　材料的選用

42CrMo廣泛應用于硬質合金釬焊類磨耗件領域，作為基體材料，具有良好的力學和耐磨損性能，其化學成分見表1。

硬質合金的焊接性能較差［3］，選擇合適的硬質合金對焊接質量有密切影響。因此，選用具有良好潤濕性和鋪展性的釬料，以及選用焊接性能相對較好的硬質合金，能夠更容易獲得優質、飽滿的焊縫。經過比較，硬質合金選用 YG15［4］，其晶粒度為 2～3 μm，密度為13.9～14.1 g/cm3，鈷質量分數為 14.8%～15.2%。 鈷質量分數較大的硬質合金，具有較好的沖擊韌性，同時還具有較大的抗彎強度。

釬料的選用要考慮焊接溫度、潤濕性要求，以及與母材形成冶金結合性能的要求等，同時還要滿足焊縫物理、化學及力學性能要求。釬料的化學成分見表2，其熔化溫度為671～779℃，釬焊溫度為779～899℃。

在釬焊過程中，為了使釬料更好地流動和獲得質量更好的焊縫，應選用釬劑作為助焊劑。助焊劑的作用主要是去除表面雜物，增強釬料在焊接表面的鋪展能力，隔絕焊接面與空氣而防止氧化。基于以上考慮，釬劑采用FB102C銀焊膏，能夠滿足焊接需要。

表1　42CrMo化學成分

表2　釬料化學成分

4　釬焊過程

焊前處理、裝夾、加熱方式對焊接的效率和焊縫強度等有不同影響。在釬焊過程中，焊縫排渣也會對焊接質量造成影響。筆者采用不同的試驗方案研究釬焊方法對焊接質量的影響。

4.1　焊前處理

硬質合金釬焊和其它釬焊一樣需要焊前處理，目的是為釬焊創造有利條件，以獲得優質焊縫。一般焊前對硬質合金的處理有機械、化學、物理、超聲波、電化學去膜等方法。筆者對硬質合金和基材采用噴砂方法去除表面雜質，同時考察噴砂工序對釬焊表面及釬焊質量的影響。

由于需焊接的硬質合金片較多，因此為提高釬焊效率和質量，在焊接前用工裝將硬質合金片固定。

4.2　焊接工藝

采用中頻感應加熱至450℃左右對基材的硬度影響較小，再采用火焰加熱至釬焊溫度850℃左右，釬焊完成后在250～300℃內保溫。應用這一工藝，可以減小加熱對基材硬度的影響，同時使焊接加熱時間有很大縮短。

釬焊時若沒有排渣操作，將硬質合金片加熱至暗紅色，有釬料從硬質合金片四周均勻析出，將工裝擰緊。釬焊時若有排渣操作，將硬質合金片加熱至暗紅色，當有釬料均勻析出時，松開緊固工裝，輕微移動硬質合金片，使焊渣及時排出，然后擰緊工裝。對兩種操作進行對比，考察排渣工序對硬質合金釬焊質量的影響。

4.3　焊接試驗方案

焊接試驗方案見表3。

表3　焊接試驗方案

每個焊接試驗方案做三個焊接試樣，針對每個試驗方案隨機選擇一個試樣進行分析研究。

5　焊接試樣分析

試驗用設備包括顯微硬度儀［5］、能譜儀、電子顯微鏡、液壓壓力機等。

5.1　焊接工藝

采用顯微硬度儀檢測試樣，發現硬質合金在釬焊后基材硬度有一定下降，見表4。離焊縫位置較近，即熱影響區（圖1）位置硬度下降得更多。

5.2　焊縫剪切強度

釬焊質量通過剪切試驗確定。焊縫剪切強度測試如圖2所示，壓力機將壓頭向下擠壓硬質合金，檢測焊縫受剪切力后斷裂時的最大剪切力。

焊縫剪切強度作為硬質合金釬焊的主要參數，直接反映了釬料與基材及硬質合金的熔合情況。按不同焊接試驗方案得到的焊縫，經剪切強度測試，得到數據見表5。對基材進行噴砂和排渣處理，焊縫的平均強度達到287.5 MPa，與基材沒有噴砂但有排渣處理的試驗相比，強度有較大提高。試驗方案1相比試驗方案3的強度也有明顯提高。從測試結果來看，焊前對基材進行噴砂處理，提高了焊縫剪切強度，這是因為基材表面噴砂能有效增大焊縫的接觸面積，對焊縫強度的提高有較大幫助。

▲圖1 焊接熱影響區

▲圖2 焊縫剪切強度測試

從圖3可以看出，焊縫排渣較好的剪切斷面比較光滑，焊料鋪展比較均勻，而沒有排渣操作的斷面有明顯的焊渣存在。這是因為焊渣沒有及時排出，影響了釬料的鋪展，減小了硬質合金與基材的有效焊接面積，在斷面處呈現不整齊形貌，降低了焊接強度。基材噴砂后表面呈現不規則的凹凸，增大了焊接面的有效釬焊面積，同時也能使釬料在基材的結合面形成更好的互熔，增加了剪切強度，如圖4所示。

表4　試樣硬度

表5　焊縫剪切強度

5.3　焊縫顯微組織

釬焊過程中，焊料與基材及硬質合金進行相互作用，形成緊密結合的微觀組織，通過對焊縫的微觀組織進行分析可以發現其與焊接質量有密切聯系。

圖5為釬焊焊縫顯微組織，可以看出，釬料與基材及硬質合金連接的界面清晰，結合較好，無氣孔、裂紋、脫焊等明顯釬焊缺陷，釬料在焊接過程中表現出較好的焊接性能。圖5中上側靠近硬質合金的焊縫反應界面形成了一層薄且均勻的帶狀反應區，下側為釬料與基材的反應界面，基材在焊接前進行了噴砂處理，焊接面表現出凹凸不平，使釬料與基材的結合緊密，沒有明顯缺陷。在剪切測試中，釬焊界面的斷裂從釬料處斷裂，硬質合金片及基材表面釬料斷面均勻平整，從側面驗證了釬焊工藝，達到了焊接質量要求。

▲圖3 剪切斷面形貌

▲圖4 試驗方案1焊縫結合情況

5.4　釬焊焊縫元素擴散分布情況

為考察釬料在焊接過程中的擴散分布情況，對焊接試樣做了能譜分析，考察焊接界面及焊縫各處的元素分布情況。圖6中，橫坐標為從硬質合金側至基材側的距離，縱坐標數值為能譜計數率，反映焊縫中元素的質量分數趨勢。

釬焊的加熱過程是釬料與基材及硬質合金擴散、融合的過程，元素之間的互相擴散形成了一個復雜的反應體系，這一擴散的過程也是形成較佳連接焊縫的保證。在不同的釬焊溫度下，焊縫中的元素分布規律基本相同［7-8］，然而各個元素的擴散、富集也有自身的規律。鉻的擴散相對均勻，在硬質合金及釬料中都有很大程度的存在，在焊縫的反應界面富集較多，原本只存在于釬料中的鎳在兩側也有一定的擴散。銅、鋅、鈉在焊接后大部分存在于釬料中，銅在釬焊界面中富集較為明顯。硬質合金中鈷的擴散較為活躍，通過長程擴散至基材中，在釬焊界面及基材中有明顯增多，顯示其具有較強的擴散能力，且與鐵形成固溶體［9-11］。銀在焊接過程中的區域富集情況較明顯，界面附近的銀較多。從上述元素擴散分布情況可以看出，雖然釬焊的釬焊溫度相對較低，焊接時間相對較短，但焊縫中的各個元素在一定程度上得到了充分的融合。

▲圖5 試驗方案1焊縫顯微組織

▲圖6 釬焊焊縫元素擴散分布情況

6　結論

應用中頻感應加熱工件至一定溫度，然后進行火焰釬焊，在保證基材硬度的同時能確保焊接質量，同時得出如下結論：

（1）基材的噴砂處理增大了焊接過程中的接觸面積，顯著提高焊接強度；

（2）焊接過程中的排渣操作必不可少，采取排渣工作能改善焊縫的釬料鋪覆，提高焊接性能；

（3）采用工藝方案1的釬焊焊縫，銅、鈷、銀等元素的擴散比較充分，可獲得較好的焊接質量。

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