42CrMo方軸堆焊鋁青銅工藝研究

摘 要：用S214Φ2.0鋁青銅焊絲TIG焊在42CrMo方軸上堆焊鋁青銅，可增加方軸的耐磨性及抗蝕性，但焊接工藝要求嚴格。采用適當的焊接工藝及熱處理工藝焊后經檢查堆焊層無剝落、氣孔、裂紋和未融合等缺陷，堆焊金屬的硬度分布在160-190HB，滿足使用要求。

關鍵詞：42CrMo；TIG焊；堆焊；工藝

1 概述

42CrMo鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火淬性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。該鋼適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料磨具、機車牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、壓力容器齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾等。

鋁青銅可熱處理強化，其強度比錫青銅高，抗高溫氧化性也好，有較高的強度，良好的耐磨性和抗蝕性，可用于強度比較高的螺桿、螺帽、銅套、密封環等，和耐磨的零部件，最突出的特點就是其良好的耐磨性。

由以上兩種材料的特性可知，在42CrMo鋼上堆焊鋁青銅的零件，既有42CrMo的超高強度和韌性大等特點，又有鋁青銅的良好耐磨性和抗蝕性等特點。

2 焊接性分析

在銅/鋼[1]焊接中，一方面銅與鐵的熔點、導熱系數、線膨脹系數和力學性能等都有很大的差異，表1為銅和鐵常見的物理性能，銅的熱導率比鐵大，在20℃時為7倍多。

而在1000℃時為11倍多；銅的收縮率是鐵的2倍多。因此在焊接時主要存在以下三個問題：焊縫易產生熱裂紋、熱影響區產生銅的滲透裂紋、焊接接頭力學性能下降等；另一方面，銅與鋼的原子半徑、晶格類型、晶格常數及原子外層電子數目等都比較接近，且銅與鐵屬于在液態時無限互溶，在固態下雖為有限固溶，但并不形成脆性金屬間化合物，而是由鐵的化合物和單相的α銅固溶體組成的雙相組織形式存在，而這是二者實現焊接的基本依據。因此，只要克服上述銅與鐵在物理性能上存在的差異，獲得可靠的焊接接頭是可行的。

42CrMo合金調質鋼[2]，其化學成分和力學性能如表2所示，通過國際焊接學會推薦的碳當量公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15（%），可得Ceq（42CrMo）=0.67～0.88%，當CE>0.6%時，焊接性較差。42CrMo的淬硬傾向大，焊接時容易產生冷裂紋和熱影響區脆化，因此對焊接工藝有嚴格的要求。

3 實驗工件及焊接工藝

3.1 實驗工件

實驗工件材質為42CrMo方軸，尺寸為240×250×300，如圖1所示。

3.2 焊接工藝

考慮方軸的材質和堆焊上去的青銅必須具有較好的力學性能、耐磨性、耐腐蝕能力、能保持一定的塑性和良好的焊接性等方面因素，選擇S214Φ2.0鋁青銅焊絲[3]。其中Al元素起到固溶強化和細化晶粒的作用，從而提高堆焊層的塑性和耐蝕性又可以對堆焊層進行脫氧、脫氮，防止氣孔等缺陷。為減少母材及焊絲中合金元素的燒損及氧化選擇TIG焊，該焊接方法熱源集中、熱效率高、電弧穩定和焊縫質量可靠等優點。經多次實驗按照表3所示工藝施焊可獲得良好的堆焊層。

4 焊接及熱處理工藝要點

4.1 焊接工藝要點

焊接前對方軸待焊區域及其四周30mm內進行去除鐵銹、油污、氧化膜等，以便減少焊接質量變差的影響因素，焊絲在焊前需在250℃溫度下烘烤2h后方可使用。為避免因堆焊層冷卻過快導致熱裂紋傾向增大，焊接方向不宜沿著軸的方向進行，應垂直于軸的方向施焊。為減少因焊接時引起的橫向變形和殘余應力，從軸的中間向兩斷面焊接，靠近兩個端面的那兩道焊縫應留到最后焊接，讓焊縫金屬自由收縮。端面處溫度控制在350℃左右，可以防止焊縫金屬中產生過多的淬硬組織和滲透裂紋。焊接過程中若發生鎢極和熔池金屬粘連，則要將粘連點打磨干凈后再堆焊，這樣可以避免焊縫金屬中出現夾鎢，弱化焊縫金屬的力學性能；并且應注意保證填滿弧坑和良好的焊縫成形，因為熱裂紋容易出現在未填滿的弧坑處[4]。

4.2 熱處理工藝要點

預熱可以減小母材的淬硬傾向，減緩焊接接頭的冷卻速度，有利于焊接部位形成塑性組織，同時有利于焊縫氫的逸出，有效防止氫致冷裂紋。焊接前在堆焊處預熱350℃-400℃，焊接時堆焊處應保持在250℃-350℃。為了焊縫中的擴散氫盡快地逸出及降低殘余應力，防止冷裂紋和再熱裂紋出現，焊接達到尺寸要求后，進行消氫處理使焊縫中的氫擴散出來，消氫處理溫度≥250℃，時間為2h，石棉保溫緩冷至室溫。為了消除焊后的殘余應力，改善焊縫及熱影響區的組織，從而提高焊接接頭的性能，特別是接頭的韌性，所以需要進行整體熱處理（工藝如圖2）。

5 結束語

在42CrMo方軸上堆焊鋁青銅，對焊接工藝及熱處理工藝要求嚴格，通過選擇合適的焊接工藝及熱處理工藝可獲得良好的堆焊層。焊后經檢查堆焊層無剝落、氣孔、裂紋和未融合等缺陷，經測量堆焊表層焊縫金屬的硬度為175-223HB。

參考文獻

[1]王厚勤，曹健，張麗霞，等.銅合金與鋼連接技術研究進展[J].焊接技術，2009，38（3）：1-5.

[2]艾云龍.工程材料及成形技術[M].北京：科學出版社，2008：197-201.

[3]李亞江.焊接冶金學-材料焊接性[M].北京：機械工業出版社，2008：23-174.

[4]李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱點問題[J].焊管，2000，23（3）：43-61

作者簡介：賀運平，男，本科，焊接助理工程師，從事焊接技術、施工。