球鉸座堆焊錫磷青銅的焊接工藝

秦四田 賈登峰

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西·桂林 541004)

0 引言

球鉸座作為挖掘機(jī)上的重要部件之一，由于球鉸座不但要能承受高強(qiáng)度的載荷，而且需具備良好的耐磨性，鑒于以上原因，在設(shè)計(jì)球鉸座的過(guò)程中，需綜合考慮以上力學(xué)性能。而斗輪挖掘機(jī)中所使用的球鉸座運(yùn)用了合金鑄鋼ZG23SiMnMo材料，因此在自身的強(qiáng)度上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，另外，工作面上進(jìn)行堆焊錫磷青銅QSn6.5～0.1，該材料具有良好的耐磨性。但由于堆焊錫磷青銅操作難度大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣孔或者裂紋等問(wèn)題，給整個(gè)球鉸座的安全性與穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。因此本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)該材料的堆焊焊接性進(jìn)行了分析，并提出了解決該問(wèn)題的工藝措施。

1 球鉸座凹形球面堆焊技術(shù)要求

按照設(shè)計(jì)要求，球鉸座合金鑄鋼ZG23SiMnMo母材上堆焊錫磷青銅 QSn6.5～0.1。合金鑄鋼 ZG23SiMnMo母材保證了球鉸座具有很高的力學(xué)承載能力，母材堆焊錫磷青銅QSn6.5～0.1之后，球襯內(nèi)的耐磨性得到很大提升。球座結(jié)構(gòu)尺寸要求包括了（1）球座凹形球襯堆焊，堆焊加工之后要求整體尺寸必須要控制在425mm；（2）并在球座凹形球面母材上必須要有不得低于5mm厚度堆焊金屬層；（3）堆焊的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是嚴(yán)格依照歐州TAD2355-2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。

2 焊接性分析

考慮到基體材料和焊接材料熱力學(xué)性能和物理性能的差異，堆焊焊接性的評(píng)價(jià)是由兩種材料來(lái)共同決定的。基體材料的焊接性分析：基體材料ZG23SiMnMo的化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，按照Z(yǔ)G23SiMnMo基體材料的內(nèi)容與JIS與WWS標(biāo)準(zhǔn)的碳當(dāng)量公式計(jì)算得出：zg23simnmo材料的碳當(dāng)量Cep＞0.8%，因此可以確認(rèn)出ZG23SiMnMo材質(zhì)的焊接性能差。焊接材料在焊接性分析當(dāng)中，與其他材料相比，銅與鋼在高溫的環(huán)境當(dāng)中，晶格的類(lèi)型、常數(shù)以及原子半徑等基本相同，這對(duì)于焊接工作的順利進(jìn)行是極為有利的。除此之外，錫磷青銅當(dāng)中的錫元素可以有效地提高處在液態(tài)的金屬流動(dòng)性能，對(duì)于提高焊絲的質(zhì)量和工藝具有重要的作用。加上錫元素還具備良好的脫氧效果，所以能夠顯著地降低堆焊之后產(chǎn)生氣孔的幾率。而這正是錫磷青銅在焊接工藝上所起到的重要作用。因?yàn)殄a磷青銅具有出色的導(dǎo)熱性能，而且在收縮率也相對(duì)較高，所以在進(jìn)行焊接的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋和氣孔等問(wèn)題。加上球鉸座結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致在堆焊作業(yè)的時(shí)候，出現(xiàn)基體材料和堆焊層材料的收縮程度出現(xiàn)差異，造成層狀剝離問(wèn)題。而這也是錫磷青銅在焊接時(shí)的最大弊端。

在堆焊錫磷青銅的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，而裂紋也是堆焊作業(yè)當(dāng)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。為解決焊接過(guò)程中的裂紋問(wèn)題，就必須要從裂紋產(chǎn)生的原因開(kāi)始著手。按照“銅--錫相圖”可以了解到，錫青銅擁有其他材料所沒(méi)有的，足夠?qū)拸V的結(jié)晶溫度區(qū)間，但是其偏析相當(dāng)嚴(yán)重，因此容易產(chǎn)生粗大的、硬脆樹(shù)枝結(jié)構(gòu)晶體顆粒。在堆焊的過(guò)程中，由于金屬熔池空間有限，錫青銅具有良好的導(dǎo)熱性，熔池能夠在較短的時(shí)間內(nèi)冷卻，且基材和焊材兩種材料的熱物理性能和熱力學(xué)性能存在較大的差異，這促使了堆焊焊面上容易產(chǎn)生熱裂紋（特別是在堆焊第一層的時(shí)候）。因此在進(jìn)行堆焊的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要具備相應(yīng)的加工工藝，才可以避免堆焊過(guò)程中出現(xiàn)熱裂紋。

表1：ZG23SiMnMo化學(xué)成分

表 2：QSn6.5～0.1化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3：QSn6.5～0.1力學(xué)性能與物理性能

綜上所述：無(wú)論基體材料還是焊接材料，這兩者的焊接性都并不理想。

3 工藝方案的確定

3.1 堆焊材料的選擇

按照?qǐng)D紙中所要求的，設(shè)備堆焊層必須要具備良好的耐磨性，同時(shí)承載性能要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，最后要經(jīng)過(guò)歐洲的專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行檢驗(yàn)與確認(rèn)之后，才可驗(yàn)收成功。焊材選擇QSn6.5～0.1的國(guó)內(nèi)堆焊合金材料，這種材料同時(shí)具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能，QSn6.5～0.1的化學(xué)成分見(jiàn)表2，物理性能和力學(xué)性能見(jiàn)表 3。分析該材料的理論值，可以斷定：QSn6.5～0.1來(lái)作為堆焊材料是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的，。

3.2 焊接工藝方法的選擇

按照上文中的分析結(jié)果，可以得出球鉸座基體材料與焊接材料的焊接性比較差，因此在焊接方法的選擇上，以及焊接工藝參數(shù)的匹配上就顯得特別重要了。想要確保堆焊質(zhì)量不受影響，在通常情況下會(huì)選擇熔化極氬弧焊的方式來(lái)進(jìn)行焊接，焊材選擇2.5mm的QSn6.5～0.1焊絲。通過(guò)與鎢極氬弧焊（TIG）焊接方法的對(duì)比，熔化極氬弧焊所使用焊接電流比鎢極氬弧焊高出35%，熔化極氬弧焊不但能夠有效地提高焊接效率，而且焊接速度比鎢極氬弧焊快1.5倍。最為重要的，就是熔化極氬弧焊可以通過(guò)熔滴噴射過(guò)渡的方式，能夠讓焊接的焊縫成形變得更加穩(wěn)定，對(duì)于解決焊接過(guò)程中焊縫的裂紋，以及出現(xiàn)大量氣孔的問(wèn)題具有重要的意義。

3.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，可以保證焊接電弧的穩(wěn)定性，確保優(yōu)良的焊縫成形以及優(yōu)良的力學(xué)性能。在焊接過(guò)程當(dāng)中就應(yīng)當(dāng)要選擇最為合適的工藝參數(shù)，尤其是在焊接電流的選擇方面，焊接電流的大小對(duì)于溶滴的過(guò)渡形式具有重要的影響。如果焊接電流持續(xù)保持在某個(gè)高度的時(shí)候，那么熔滴過(guò)渡形式會(huì)伴隨短路過(guò)渡的方式轉(zhuǎn)化為噴射守渡，為了證明具體的效果，進(jìn)行了相應(yīng)的焊接試驗(yàn)。

把球鉸座置于焊接變位機(jī)處，讓基材焊接表面隨著焊接進(jìn)度的變化始終處于水平位置。在焊前要先利用加熱器將基體材料進(jìn)行預(yù)熱，采用直流反接的接線(xiàn)方式進(jìn)行焊接，當(dāng)基體材料內(nèi)外溫度均達(dá)到220℃的時(shí)候，焊接所使用的焊絲直徑為2.5mm，在焊接的時(shí)候電流選擇270A～280A，該電流范圍熔滴過(guò)渡形式為噴射過(guò)渡，此時(shí)電弧不會(huì)產(chǎn)生較大飛濺，焊縫成型美觀，噴射過(guò)渡的工藝參數(shù)如下：焊絲的直徑為 2.5(d/mm)，焊接電流為 270～280A(I/A)之間，電弧電壓為 28～30(U/V)，送絲的速度為4.5～5.0(v/(m*min-1))之間，氬氣流量為19～23（Q（/L*min-1））。

4 堆焊缺陷的控制

4.1 預(yù)熱方法

可以利用加熱器的方式來(lái)對(duì)被焊表面進(jìn)行加熱，而且預(yù)熱的溫度必須要保持在160℃到220℃之間，持續(xù)時(shí)間要控制在5個(gè)小時(shí)以上，這樣才能夠保障球鉸座能夠均勻受熱。在焊接的時(shí)候還應(yīng)當(dāng)要將層間的溫度控制準(zhǔn)確，確保堆焊表面的溫度不得低于150℃，并運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)溫設(shè)備來(lái)進(jìn)行即時(shí)測(cè)量。采取這種方式的主要原因就是減少金屬熔池的冷卻速度，降低淬硬傾向來(lái)減少裂紋。

4.2 采用大電流，高焊速的方法

運(yùn)用大焊接電流（I≦280A）在進(jìn)行焊接作業(yè)的時(shí)候，就能夠提高電流的密度，金屬熔池的體積也會(huì)隨之?dāng)U大，導(dǎo)致熔池的冷卻速度逐漸降低，加之運(yùn)用了高焊速的作業(yè)方式（送絲速度在5m/min），這樣就使得熔池高溫的占用時(shí)間大大降低了，有效地控制了晶粒的長(zhǎng)大，焊接過(guò)程中的裂紋問(wèn)題也得到了緩解。除此之外，因?yàn)槭褂玫氖谴箅娏骱附幽Ｊ剑先鄣螄娚溥^(guò)渡的熔滴過(guò)渡形式，所以在焊接的過(guò)程中能夠得到穩(wěn)定的電弧和美觀的焊縫成形，并且在裂紋控制方面也起到了重要的作用。按照上述方法綜合作用的結(jié)果顯示，原本在堆焊過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的裂紋問(wèn)題也被順利地解決，而且還提高了焊接的質(zhì)量。

4.3 氣孔問(wèn)題

氣孔是堆焊錫磷青銅的過(guò)程中的缺陷之一。造成氣孔的原因是：（1）由于熔池中的Cu2o在焊接凝固的時(shí)候，無(wú)法溶于銅被析出，與CO產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶于銅的CO2而變成氣孔；（2）H致裂紋，焊接時(shí)游離態(tài)的H聚集后產(chǎn)生較大的力而導(dǎo)致的裂紋。為排除氣孔問(wèn)題，在焊接工藝中應(yīng)當(dāng)要降低氫與氧的來(lái)源控制，同時(shí)還要通過(guò)預(yù)熱的方式來(lái)延長(zhǎng)熔池的存時(shí)間，以確保氣體能夠被析出。也就是說(shuō)要在堆焊作業(yè)之前要保持堆焊表面清潔，減少基材表面的油污與水分。堆焊表面的預(yù)熱溫度不得低于220℃時(shí)才能夠施焊。

5 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)球鉸座的堆焊工藝進(jìn)行了分析研究，進(jìn)行了球鉸座的堆焊焊接性分析，確定了焊接材料，焊接工藝方法，焊接工藝參數(shù)，為避免焊接缺陷的產(chǎn)生，制定了對(duì)應(yīng)的焊接缺陷預(yù)防措施。通過(guò)采用上述工藝對(duì)球鉸座堆焊錫青銅工藝方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示優(yōu)良。尤其是采用預(yù)熱方式，運(yùn)用大電流，高焊速的方式，能夠讓堆焊錫磷青銅時(shí)所產(chǎn)生的裂紋和氣孔問(wèn)題，得到順利地控制，解決了合金鑄鋼堆焊錫磷青銅產(chǎn)生的技術(shù)難點(diǎn)。