鋁青銅與合金鋼焊接工藝研究

■ 高宗讓

自升式鉆井平臺CJ46懸臂梁X-Y滑移機構的耐磨板為鋁青銅，它要與合金鋼本體進行焊接。由于鋁青銅與鋼在物理性能和化學組織方面差別很大，這就對焊接帶來很大困難，焊接時易產生未熔合和裂紋，易在焊縫中產生夾渣等焊接缺陷。我們利用公司現有的焊接資源，通過對S221焊絲氧乙炔火焰焊、Cu237焊條電弧焊、UTP A34N焊絲熔化極氬弧焊的試驗分析對比，成功研究出方便有效焊接鋁青銅與合金鋼的SMAW+GMAW組合焊工藝。

1.試驗材料

（1）鋁青銅 本試驗采用鋁青銅為ASTM B171 C6300，厚度15mm，其化學成分、力學性能和物理性能分別如表1～表3所示。

（2）合金鋼 本試驗采用合金鋼為ABS DH36，厚度15mm，其化學成分、力學性能和物理性能分別如表4～表6所示。

表1 ASTM B171 C6300的化學成分（質量分數） （%）

表2 ASTM B171 C6300的力學性能

表3 ASTM B171 C6300的物理性能

表4 ABS DH36的化學成分（質量分數） （%）

表5 ABS DH36的力學性能

表6 ABS DH36的物理性能

（3）焊接性分析 由于鋁青銅熱導率高、熔點低、線脹系數大，焊接時易產生未焊透和裂紋；另外，焊接時因鋁被氧化而形成致密難熔的Al2O3薄膜覆蓋在熔池表面，易在焊縫中產生夾渣和氣孔。

由于鋼熔點為1536℃，鋁青銅為1060℃，二者相差很大，鋼與鋁青銅焊接時，鋼側難熔化極易形成未熔合；鋁青銅與鋼合金系不同，焊接時也易產生裂紋等焊接缺陷。因此，鋁青銅與鋼的焊接比較難，焊接工藝的重點是要解決未熔合及裂紋問題。

2.焊接試驗

（1）焊接工藝 鋁青銅與鋼的焊接方法很多，比如釬焊、氧乙炔火焰焊、鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊及焊條電弧焊等。釬焊最適合異種金屬的焊接，但因其接頭強度低、施工效率低，不適合懸臂梁X-Y滑移機鋁青銅耐磨板與鋼的焊接。根據我們工廠的現有焊接工藝條件，本文依次用氧乙炔火焰焊、熔化極氬弧焊、焊條電弧焊方法對鋁青銅與鋼的焊接進行焊接試驗。

對于焊接材料的選擇，必須兼顧鋁青銅和鋼。查詢焊接資料，氧乙炔火焰焊的S221焊絲、焊條電弧焊的Cu237焊條、UTP A34N焊絲熔化極氬弧焊的UTP A34N焊絲均能焊接鋁青銅與鋼，故我們選上述焊材進行焊接試驗，優選其中比較經濟可行的方案。

由于實際產品中鋁青銅與鋼的連接形式為角接，因此本試驗利用T形接頭角焊縫來研究其焊接工藝。

（2）氧乙炔火焰氣焊 選用S221（φ3mm）焊絲和HJ301進行試驗，S221化學成分如表7所示。

表7 化學成分（質量分數）（%）

表8 UTP A34N的化學成分（質量分數） （%）

表9 UTP A34N的力學性能

表10 GMAW焊接參數

焊接位置：2F；火焰性質：中性焰；預熱溫度：400℃。宏觀金相顯示：焊縫中有夾渣和氣孔，與鋼側熔合線很直，鋼側未熔合，呈虛焊狀（見圖1）。

（3）熔化極氬弧焊 焊材成分和性能：我們工廠已經積累了熔化極氬弧焊修補鋁青銅螺旋槳的工藝經驗，采用的焊絲為UTP A34N（φ1.2mm），故我們用該焊絲來進行試驗。焊絲UTP A34N化學成分和力學性能如表8、表9所示。

焊接參數：焊前用氧乙炔火焰把接頭區域預熱，主要加熱鋼板，使其溫度達到350～400℃，銅板溫度可低些， 150℃左右即可；焊后馬上用絲綿覆蓋，保溫緩冷。具體焊接參數如表10所示。

圖1 氧乙炔氣焊宏觀金相

圖2 熔化極氬弧焊宏觀金相

宏觀金相顯示：鋁青銅側咬邊最大0.5mm，未發現裂紋、夾渣等，焊縫與DH36交界為直線且與板邊基本平齊，敲斷后發現熔合不良，為虛焊狀態（見圖2）。

合金鋼DH36側熔合不良的分析：由于鋼的熔點比鋁青銅熔點高約500℃，當鋁青銅已熔化時而鋼還未開始熔化，再加上鋁青銅焊絲因熔點低熔覆率高，大量熔化的焊絲金屬液體堆積在未熔化的DH36表面，就形成了合金鋼鋼側焊縫的未熔合，也可以稱作“滿溢”。理論上焊接電流增加，熔深會增大，但是對熔化極氣保焊焊接電流增加，送絲速度也會加快，焊絲的熔化和熔覆也同時就加快了。因此，通過增加電流并不能改變這種狀態。也許，改變電焊機的電特性及電弧反饋系統可以將此改善。

（4）焊條電弧焊 焊材分析：選用Cu237（φ3.2mm）焊條進行試驗，其化學成分如表11所示。

焊接參數：焊前用氧乙炔火焰把接頭區域預熱，使其溫度達到200～250℃；焊后馬上用絲綿覆蓋，保溫緩冷；焊條經過200～250℃×2h的烘干才能使用。具體焊接參數如表12所示。從焊接過程中可見：Cu237焊接時與鋼熔合好，飛濺少；但與鋁青銅工藝性差，飛濺大，熔合難。

（5）組合焊（SMAW+GMAW） 從上述結果看，單獨用氧乙炔氣焊、熔化極氬弧焊、焊條電弧焊來焊接鋁青銅與合金鋼，其結果都不理想。氧乙炔氣焊缺陷多且效率低；熔化極氬弧焊效率高、焊縫與鋁青銅熔合好，而與鋼熔合差；焊條電弧焊焊縫與鋁青銅熔合差，而與鋼熔合好。鑒于此，我們重新設計焊接工藝，用Cu237焊條在合金鋼側打底焊接過渡層，然后用UTP A34N焊絲焊接連接焊縫。

組合焊焊接參數：焊前用氧乙炔火焰把接頭區域預熱，主要加熱鋼板，使其溫度達到250～300℃，然后用Cu237焊條在合金鋼側打底焊接過渡層（見圖3），再用UTP A34N焊絲焊接主連接焊縫；連接焊縫焊接時層間溫度要保持在150℃以上；焊后馬上用絲綿覆蓋，保溫緩冷。具體焊接參數如表13所示。

試驗結果：焊縫表面用PT檢查未發現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，宏觀金相顯示焊縫熔合良好，未發現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷（見圖4）。

圖3 組合焊（SMAW+GMAW）示意

圖4 組合焊（SMAW+GMAW）宏觀金相

表11 化學成分（質量分數） （%）

表12 SMAW焊接參數

表13 SMAW+GMAW組合焊焊接參數

3.結語

用上述組合焊工藝焊接自升式鉆井平臺CJ46懸臂梁X-Y滑移機構的ASTM B171 C6300鋁青銅耐磨板與DH36合金鋼機體，一次焊接成功。不僅焊縫熔合良好，沒有發現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，而且GMAW焊接工藝效率高，成本低。