碳钢表面堆焊铝青铜的工艺研究

天津赛瑞机器设备有限公司 （300301） 罗福军 张贵芳

水电设备的制作过程中经常接触到碳钢表面堆焊特殊熔敷金属，此制作方法既能降低材料成本又能满足使用要求。我公司承揽某水电设备制作中需要在工件密封环（见图1、表1）上堆焊铝青铜。本文将通过试验及实际操作对碳钢表面堆焊铝青铜进行研究探讨，制定合理的焊接工艺。

图1 堆焊加工后的补偿环示意

表1 Q235C化学成分（质量分数） （%）

1.钎焊问题分析

火焰钎焊是钎焊中的一种，属于固体相连接，是焊接时钎料熔化而母材不熔化、使用比母材熔点低的钎料、焊接加热温度低于母材的固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。被加热而熔化的液态钎料在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解扩散而实现零件间的连接。用火焰钎焊在密封圈上堆焊铝青铜，需要很高的预热温度，并且持续进行加热，以补偿钎焊过程中热量的散失。钎焊对母材表面要求较高，如果焊前没有彻底清除工件表面的氧化物、油渍等杂质，当预热温度不够时，可导致焊接过程中钎料不能很好的润湿铺展工件的表面，焊后易使堆焊金属与母材产生剥离现象。

2.碳钢表面堆焊铝青铜易产生的问题

（1）接头强度的影响 堆焊过程中在熔合线处铜沿钢的晶界渗透，在拉应力作用下易形成渗透裂纹，进而降低了焊接接头强度。

（2）焊接熔合困难 由于铝青铜与碳钢的物理性能有一定的差距，尤其导热系数（见表2）差距更大，所以在较厚的钢板上堆焊铝青铜时，容易产生未熔合缺陷。另外铝和氧的亲和力强，氧化后生成Al2O3，其熔点高达2030℃。在脱氧条件不好的情况下，Al2O3分布在熔化金属表面，阻碍了金属的熔合，使焊缝容易产生夹渣、未熔合等焊缝缺陷。

表2 Cu与Fe的物理性能

（3）容易产生气孔缺陷 铝青铜焊接时铜的结晶过程进行很快，液态铜中的氢来不及逸出和上浮而滞留在焊缝中，容易形成气孔。

（4）焊缝受热区域增大 铜的线性膨胀系数大，使得焊缝受热区明显增大，尤其是在堆焊特定条件下受热区域更加增大，故而导致工件刚性不足，极易产生变形。

（5）易产生裂纹 由铜铝状态图可知，当铝含量为9%～10%时，合金中存在脆性相，使其塑性降低。当变形受阻，就会产生很大的内应力，导致焊缝及近缝区产生裂纹。

3.工艺的确定

（1）焊接方法的选择 铝青铜的焊接方法有很多，包括熔焊、电阻焊、钎焊在内的各种方法均可实施。焊接铜需要大功率、高能束的焊接方法，能量越高对焊接过程越有利。根据每个工件的具体情况及焊接的工艺要求选择正确的焊接方法，对焊接质量至关重要。半自动MIG焊，采用氩气进行保护，电弧热量集中，焊缝成形好，易操作，生产效率高。对于焊接量较大的密封环铝青铜堆焊，MIG焊是较为理想的焊接方法。

（2）焊接材料的选用 堆焊金属铝青铜具有耐磨性及对海水有较高耐蚀性。本工艺选用铝青铜焊丝ERCuAl－A1，φ1.6mm。保护气体纯度≥99.99%的氩气。ERCuAl－A1焊丝的熔敷金属化学成分如表3所示，熔敷金属物理性能如表4所示。

表3 熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

表4 熔敷金属物理性能

（3）焊接参数的确定 铝青铜MIG焊中，焊接电流的大小决定着熔滴的过渡形式，而熔滴的过渡形式不同，决定电弧稳定与焊缝成形。在氩气气氛中，只有达到喷射过渡时才能获得稳定的电弧和良好的焊接成形，因此在条件允许的情况下，应当增大焊接电流，使熔滴过渡形式保持为喷射过渡。但在打底层堆焊时，电流过大会导致晶粒粗大，增加母材对焊缝的稀释，使抗裂性变差。所以打底层焊接时，在保证焊接质量的前提下尽量选择较小的焊接参数。由于铜散热较快，从第二层开始将适当增加焊接参数及层间温度，以获得更加稳定的电弧。焊接参数如表5所示。

表5 堆焊工艺用MIG焊焊接参数

（4）焊接工艺评定试验 采用半自动MIG焊在试板上堆焊厚度大于6mm，为减小碳钢母材对熔敷金属的稀释，堆焊层数≥3层。不能有脱层、气孔、裂纹、夹渣和未熔合等缺陷。

通过对堆焊层进行化学成分、力学性能及硬度值的测试，各项指标符合设计要求。

（5）焊前准备 首先，将堆焊表面的油及其他污物清除干净，用丙酮擦洗堆焊表面，露出金属光泽。

其次，在母材堆焊表面的一侧点焊4mm厚碳钢环形托板（见图2），用来限制液态堆焊金属的流动，最后加工去除。

图2 堆焊示意

最后，把工件垫起适宜的焊接高度，用天燃气对工件加热（见图3），预热温度150～200℃，并在施焊过程中使用测温仪器监测温度变化。

（6）焊后热处理及检测 焊后对补偿环进行600℃退火处理，退火及加工后做PT探伤检测，未发现堆焊处有焊接缺陷，效果良好。

图3 施焊

4.结语

（1）根据工件不同的结构形状及设计要求，选择正确的焊接方法。

（2）焊前清理、预热和焊后缓冷这些都直接影响焊缝接头的质量及性能。

（3）焊接参数的选择对焊接质量影响至关重要，由于铜散热较快，所以焊接时电弧电压往往要高于碳钢。

（4）对于刚性差，易变形的工件，应当考虑采取一些控制变形的措施。