球鉸座堆焊錫磷青銅的焊接工藝

秦四田 賈登峰

(桂林航天工業學院 廣西·桂林 541004)

0 引言

球鉸座作為挖掘機上的重要部件之一，由于球鉸座不但要能承受高強度的載荷，而且需具備良好的耐磨性，鑒于以上原因，在設計球鉸座的過程中，需綜合考慮以上力學性能。而斗輪挖掘機中所使用的球鉸座運用了合金鑄鋼ZG23SiMnMo材料，因此在自身的強度上具有明顯的優勢，另外，工作面上進行堆焊錫磷青銅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，經常會出現氣孔或者裂紋等問題，給整個球鉸座的安全性與穩定性造成嚴重影響。因此本文針對上述問題，對該材料的堆焊焊接性進行了分析，并提出了解決該問題的工藝措施。

1 球鉸座凹形球面堆焊技術要求

按照設計要求，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承載能力，母材堆焊錫磷青銅QSn6.5～0.1之后，球襯內的耐磨性得到很大提升。球座結構尺寸要求包括了（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）堆焊的驗收標準是嚴格依照歐州TAD2355-2001標準進行驗收。

2 焊接性分析

考慮到基體材料和焊接材料熱力學性能和物理性能的差異，堆焊焊接性的評價是由兩種材料來共同決定的。基體材料的焊接性分析：基體材料ZG23SiMnMo的化學成分見表1所示，按照ZG23SiMnMo基體材料的內容與JIS與WWS標準的碳當量公式計算得出：zg23simnmo材料的碳當量Cep＞0.8%，因此可以確認出ZG23SiMnMo材質的焊接性能差。焊接材料在焊接性分析當中，與其他材料相比，銅與鋼在高溫的環境當中，晶格的類型、常數以及原子半徑等基本相同，這對于焊接工作的順利進行是極為有利的。除此之外，錫磷青銅當中的錫元素可以有效地提高處在液態的金屬流動性能，對于提高焊絲的質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。因為錫磷青銅具有出色的導熱性能，而且在收縮率也相對較高，所以在進行焊接的時候經常會出現裂紋和氣孔等問題。加上球鉸座結構的特殊性，導致在堆焊作業的時候，出現基體材料和堆焊層材料的收縮程度出現差異，造成層狀剝離問題。而這也是錫磷青銅在焊接時的最大弊端。

在堆焊錫磷青銅的時候經常會出現裂紋現象，而裂紋也是堆焊作業當中的重點與難點問題。為解決焊接過程中的裂紋問題，就必須要從裂紋產生的原因開始著手。按照“銅--錫相圖”可以了解到，錫青銅擁有其他材料所沒有的，足夠寬廣的結晶溫度區間，但是其偏析相當嚴重，因此容易產生粗大的、硬脆樹枝結構晶體顆粒。在堆焊的過程中，由于金屬熔池空間有限，錫青銅具有良好的導熱性，熔池能夠在較短的時間內冷卻，且基材和焊材兩種材料的熱物理性能和熱力學性能存在較大的差異，這促使了堆焊焊面上容易產生熱裂紋（特別是在堆焊第一層的時候）。因此在進行堆焊的過程中，應當要具備相應的加工工藝，才可以避免堆焊過程中出現熱裂紋。

表1：ZG23SiMnMo化學成分

表 2：QSn6.5～0.1化學成分（質量分數，%）

表3：QSn6.5～0.1力學性能與物理性能

綜上所述：無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

按照圖紙中所要求的，設備堆焊層必須要具備良好的耐磨性，同時承載性能要達到標準要求，最后要經過歐洲的專家學者進行檢驗與確認之后，才可驗收成功。焊材選擇QSn6.5～0.1的國內堆焊合金材料，這種材料同時具有良好的力學性能和耐磨性能，QSn6.5～0.1的化學成分見表2，物理性能和力學性能見表 3。分析該材料的理論值，可以斷定：QSn6.5～0.1來作為堆焊材料是滿足設計要求的，。

3.2 焊接工藝方法的選擇

按照上文中的分析結果，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，以及焊接工藝參數的匹配上就顯得特別重要了。想要確保堆焊質量不受影響，在通常情況下會選擇熔化極氬弧焊的方式來進行焊接，焊材選擇2.5mm的QSn6.5～0.1焊絲。通過與鎢極氬弧焊（TIG）焊接方法的對比，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熔滴噴射過渡的方式，能夠讓焊接的焊縫成形變得更加穩定，對于解決焊接過程中焊縫的裂紋，以及出現大量氣孔的問題具有重要的意義。

3.3 焊接工藝參數的選擇

選擇適當的焊接工藝參數，可以保證焊接電弧的穩定性，確保優良的焊縫成形以及優良的力學性能。在焊接過程當中就應當要選擇最為合適的工藝參數，尤其是在焊接電流的選擇方面，焊接電流的大小對于溶滴的過渡形式具有重要的影響。如果焊接電流持續保持在某個高度的時候，那么熔滴過渡形式會伴隨短路過渡的方式轉化為噴射守渡，為了證明具體的效果，進行了相應的焊接試驗。

把球鉸座置于焊接變位機處，讓基材焊接表面隨著焊接進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行預熱，采用直流反接的接線方式進行焊接，當基體材料內外溫度均達到220℃的時候，焊接所使用的焊絲直徑為2.5mm，在焊接的時候電流選擇270A～280A，該電流范圍熔滴過渡形式為噴射過渡，此時電弧不會產生較大飛濺，焊縫成型美觀，噴射過渡的工藝參數如下：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 預熱方法

可以利用加熱器的方式來對被焊表面進行加熱，而且預熱的溫度必須要保持在160℃到220℃之間，持續時間要控制在5個小時以上，這樣才能夠保障球鉸座能夠均勻受熱。在焊接的時候還應當要將層間的溫度控制準確，確保堆焊表面的溫度不得低于150℃，并運用先進的測溫設備來進行即時測量。采取這種方式的主要原因就是減少金屬熔池的冷卻速度，降低淬硬傾向來減少裂紋。

4.2 采用大電流，高焊速的方法

運用大焊接電流（I≦280A）在進行焊接作業的時候，就能夠提高電流的密度，金屬熔池的體積也會隨之擴大，導致熔池的冷卻速度逐漸降低，加之運用了高焊速的作業方式（送絲速度在5m/min），這樣就使得熔池高溫的占用時間大大降低了，有效地控制了晶粒的長大，焊接過程中的裂紋問題也得到了緩解。除此之外，因為使用的是大電流焊接模式，而符合熔滴噴射過渡的熔滴過渡形式，所以在焊接的過程中能夠得到穩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果顯示，原本在堆焊過程中經常出現的裂紋問題也被順利地解決，而且還提高了焊接的質量。

4.3 氣孔問題

氣孔是堆焊錫磷青銅的過程中的缺陷之一。造成氣孔的原因是：（1）由于熔池中的Cu2o在焊接凝固的時候，無法溶于銅被析出，與CO產生化學反應，形成不溶于銅的CO2而變成氣孔；（2）H致裂紋，焊接時游離態的H聚集后產生較大的力而導致的裂紋。為排除氣孔問題，在焊接工藝中應當要降低氫與氧的來源控制，同時還要通過預熱的方式來延長熔池的存時間，以確保氣體能夠被析出。也就是說要在堆焊作業之前要保持堆焊表面清潔，減少基材表面的油污與水分。堆焊表面的預熱溫度不得低于220℃時才能夠施焊。

5 結論

綜上所述，本文對球鉸座的堆焊工藝進行了分析研究，進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，為避免焊接缺陷的產生，制定了對應的焊接缺陷預防措施。通過采用上述工藝對球鉸座堆焊錫青銅工藝方法進行了實驗，結果顯示優良。尤其是采用預熱方式，運用大電流，高焊速的方式，能夠讓堆焊錫磷青銅時所產生的裂紋和氣孔問題，得到順利地控制，解決了合金鑄鋼堆焊錫磷青銅產生的技術難點。