柳钢轧机托架体Q345钢基体上铝青铜的焊接工艺

杨华，刘凤伟，陈君，吕海军

（广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州545002）

柳钢轧机托架体Q345钢基体上铝青铜的焊接工艺

杨华，刘凤伟，陈君，吕海军

（广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州545002）

本文分析柳钢热轧1250轧机托架体铝青铜焊接质量问题，对焊条电弧焊及气体保护焊方式分别进行焊接工艺评定，介绍了在Q345基体上堆焊铝青铜的焊接实践案例，本文对研究碳钢基体上铝青铜的堆焊工艺及焊接操作方法有一定参考作用。

Q345钢；铝青铜焊接；焊接工艺

托架体为柳钢热轧厂1250轧机换辊机构中重要配件，在换辊时用于夹持辊子的扁位，将辊子送进、移出。其使用需两件一组配套使用，托架体导槽两侧壁堆焊铜合金，导槽与导轨为间隙滑动配合。如图1所示。由于轧辊较重，滑动时作用在导槽上的摩擦力较大，导槽两侧损耗较快，需堆焊耐磨铜合金层，可有效减小摩擦，以提高使用寿命。本文基于对碳钢基体上铝青铜的堆焊工艺及焊接操作方法进行研究，以期掌握相关焊接工艺，并对柳钢相关冶金设备关键备件现场修复提供技术解决方案。

图1 托架体

1焊条电弧焊工艺实践

托架体本体为Q345钢，因机加工后堆焊层为3 mm，导槽处实际堆焊层（长×宽×厚）为600 mm ×20mm×6mm.采用两层堆焊的方法堆焊铝青铜。首先加工导槽，去除原堆焊层，预留焊接层余量7mm.

1.1 焊条选型

Cu237(ECuA1-A2)铝青铜焊条，以紫铜为焊芯，药皮为低氢型，力学性能较好，具有耐磨、耐蚀、强度高特点。铜合金焊接或堆焊采用直径3.2mm，焊条牌号为CIMIC CU237焊条。

1.2 焊接实施

焊前对工件进行火焰预热，预热温度250~350℃.焊条放置烘箱150℃烘干，保温1.5 h.然后进行试焊操作：先在同等材质钢板上试堆焊2层，焊接长度300 mm，加工后未见缺陷，具体如图2所示。

图2 焊条电弧焊试焊效果图

1.3 正式焊接

组织对工件进行堆焊合金厚度为6 mm，预留3 mm的加工余量，工件呈45°放置，形成船形焊接，焊接采用交流弧焊机，交流反接，电压38 V，电流90 ~120 A的焊接参数进行堆焊。焊接采用逐步退焊法，焊后用平头锤锤击焊缝，清理焊层杂质。焊后加工后，检查发现堆焊层表面存在密集型气孔，无法满足图纸技术要求，如图3所示。

图3 焊条电弧焊正式焊效果图

1.4 焊接优化

焊前预热至400°，焊中跟随加热，施焊采用短弧，焊条作W型往复运动，以加强搅动，增加熔池流动性，提高气体排除效果，焊中采用氩气吹焊接，以起到气体保护作用。组织3名焊工分别试焊3件，焊后对比，发现有明显焊缝质量有一定提升，气孔减少较明显，如图4所示，但仍有10%~25%气孔无法完全消除，在焊接时跟随加热，造成焊接操作不便，对焊接操作水平要求较高，总体效率不高，不利于组织批量生产。

图4 焊条电弧焊改进后效果图

2焊接缺陷原因分析

2.1 试件焊接对比分析

对比试件及实际工件焊接情况，经分析，虽试件焊接效果较好，但试焊的条件与实际施焊有区别，试件焊接长度较短，采用平焊方式，工件在槽内焊接，工件结构、施焊方式对焊接熔池的保护有较大差异。

2.2 气孔产生的原因

（1）工件表面的油污，水分在堆焊过程中与焊缝金属产生化合作用产生氧气孔。

（2）在堆焊过程中熔池金属与空气产生化学作用产生大量的氢气，由于铜合金热导率比碳钢高，堆焊层比母材结晶快，导致熔池中的金属在氢原子还来不及完全逸出的时候就开始结晶，在堆焊焊缝中形成大量的氢气孔。

2.3 焊条电弧焊局限性分析

实际施焊前按工艺规程进行了300~350℃的预热，焊条也经过烘干处理，焊缝表面以及焊条的水分已经完全蒸发，可以排除化合作用产生的氧原子造成密集气孔的可能性。焊条电弧焊时如果电流过小，会造成电弧引弧困难，熔滴过渡不稳定，焊缝金属熔合效果不好，容易产生夹渣以及未熔合的现象；电流过大又会造成熔滴呈喷射过渡状态，电弧长度过长对熔池的保护效果不好，空气侵入熔池与液态金属产生化学反应，在熔池表面形成大量熔点很高的氧化铝（AI2O3），进入熔池中空气里的氧原子与铝离子结合后剩下大量的氢原子（H），过量的氢原子还没有来得及逸出，就会在迅速结晶的熔池中形成大量的密集型氢气孔。

3焊接方案分析及优化

焊接铝青铜的主要困难是铝的氧化，生成致密而难熔的Al2O3薄膜覆盖在熔滴和熔池表面，易在焊缝中产生夹渣、气孔和未熔合等缺陷。清除铝的氧化物和防止铝的氧化，对施焊过程中电弧对熔池的保护，成为焊接铝青铜成败的关键。

为解决该焊接质量问题，需重新对焊接工艺进行评定。铝青铜目前常用三种焊接方式，焊条电弧焊、氩弧焊、气体保护焊。

经过比较，焊条电弧焊在较大面积堆焊时电弧对熔池的保护效果较低，对操作人员的技术水平要求较高，焊接的一次合格率较低，适合小面积堆焊、补焊场合，不适于批量的生产；TIG焊（惰性气体钨极保护焊）需要配备500 A以上大功率氩弧焊机，我厂目前没有配备此设备，不做考虑；MIG焊（惰性气体保护金属极电弧焊）采用惰性气体作为保护介质对熔池的保护作用非常明显，采用铝青铜合金焊丝焊接利用率非常高，焊接电压和焊接电流有较大的调节幅度，因此决定采取MIG焊接方式。

4铝青铜气体保护焊工艺实施

4.1 焊材选型

经调查选型，采用斯米克焊材，S215铝铁青铜焊丝，该焊丝为含铁量较高，可用于焊接类似成分的铝青铜、锰硅青铜、铜镍合金、铁基合金和异种金属（如铝青铜与钢、铜与钢），适合耐磨、耐腐蚀表面的堆焊，具有良好机械性能及焊接工艺性能。焊丝成分及性能如表1所示。

表1 S215焊丝成分及性能表

4.2 焊前准备

（1）Q345母材加工1～1.5 mm，保证完全去除原堆焊层及杂质，防止产生焊接缺陷；

（2）工件焊接部位焊前进行300～350℃预热15min，确保无水分；

（3）选用二氧化碳气体保护焊机作为电流输出设备，保护气体采用纯度99.9%氩气；

（4）焊接电压23 V，焊接电流200 A，电流极性为直流正接方式；

（5）氩气压力1 MPa；

（6）焊丝采用斯米克焊材，型号ERCUAI-A2铝铁青铜焊丝，牌号S215，焊丝直径1.2 mm；

（7）焊缝采取两层两道焊法。

4.3 焊接工艺分析

在焊接过程中，过小的焊接电流会使铝青铜合金与母材的融合效果不好，焊接电压过大熔滴过渡呈喷射过渡，产生较多的飞溅，对焊缝的冶金过程产生很大的影响，焊缝内部主要存在未熔合，少量气孔等缺陷。

铝青铜合金与母材熔合效果不好应该是焊接电流偏小的原因，少量气孔产生的原因应该是母材表面气孔没有完全清除干净，焊接电流过小也造成了母材表面缺陷没有被完全融合。产生较多的飞溅是由于焊接电流和焊接电压的匹配原因以及焊丝与熔池的角度不合理造成的。

4.4 制定气体保护焊接工艺

（1）选取二氧化碳气体保护焊机作为电流输出设备，电流极性为直流正接，保护气体采用纯度99.9 %氩气。氩气压力调节至1 MPa，氩气流量控制在8～1 0 L/min；

（2）焊接电压25 V，焊接电流280 A，施焊速度；

（3）焊缝采取两层三道焊法，熔滴呈短路过渡方式，保护套距离焊缝表面保持在20 mm左右，焊丝与焊缝夹角呈70°；

（4）焊接作业区采取隔挡措施，保证处于无风状态。

4.5 焊后检验

批量焊接后，机加工去除余量，经检查，焊缝成型良好，无焊接质量缺陷，完全达到图纸质量要求，具体如图5所示，焊缝材质成分及硬度的监测数据如表2所列。

图5 用S215焊丝焊后效果图

表2 焊缝成分及硬度检测表

5结束语

通过上述MIG焊工艺方式进行铝青铜合金堆焊，此堆焊层经机械加工后检测，无任何裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，取得了理想的堆焊效果。焊接工效较原焊条电弧焊提高25%，该工艺方法可适用于碳钢基体上铝青铜的堆焊，为今后在柳钢冶金设备备件铝青铜堆焊及修复提供了成功技术解决方案，具有一定推广应用价值。

Welding Process of Alum inum Bronze on Q345 SteelSubstrate of Rolling MillBracke

YANG Hua，LIU Feng-wei，CHENG Jun，LV Hai-jun
（Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545002，China）

This paper analyze mill aluminum bronze on the bracket welding quality problems，introduces the qualification of SMAW and MIG welding procedure，introduces the Q345 substrate aluminum-bronze surfacing welding practice case.In this paper，the research of aluminum bronze on the carbon steel substrate welding technology has reference function.

Q345 steel；aluminum bronze welding；welding procedure

TG457

A

1672-545X（2016）12-0085-03

2016-09-12

杨华（1977-），男，广西柳州人，本科，工程师，研究方向：冶金机械设备制造及修复、钢结构工程；刘凤伟（1967-），男，广西临桂人，本科，高级工程师，研究方向：冶金机械设备制造及修复、液压系统。