更好地了解螺纹上的焊接失效

文/ Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland

大多数挤出螺杆的螺纹上都会有一层硬面堆焊材料，用于延长螺杆的磨损寿命。正常情况下，聚合物不会磨损螺杆，除非是添加了研磨性填料。如果在没有研磨性填料的情况下，螺杆还是发生了磨损，可以通过螺纹上的毛刺来判断问题的原因。如果不存在毛刺，就可能出现了焊接问题。

大多数挤出螺杆都会在螺纹上施加一层硬面堆焊材料，以延长螺杆的磨损寿命。当没有使用研磨性填料却发生了极度磨损时，可以通过观察螺纹上的毛刺来找出问题所在。

尾侧的毛刺表明有一个非常高的侧向力正引起螺纹磨损，甚至使螺纹与机筒接触在一起，这通常是由于“楔入”而导致的，发生此问题的原因是径向位置处的固体聚合物暂时堵塞了螺杆。如果这种因堵塞而产生的压力不能被另一侧相似的力所平衡，那么在这个巨大的作用力下螺杆会被推向机筒。

这个力很难测量，因为它可能只持续几分之一秒，但是，可以大体进行一下估算：通过计算需要多大的压力才能使螺杆弯曲，从而以一个相对较短的长度与机筒相接触，可以发现，这个力可以高达25 000 psi（1 psi=6.89 kPa）。请记住，压缩段的螺杆是一个由挤出机驱动器的全部转矩所驱动的双螺旋楔块，因此提供了巨大的压缩力。而“楔入”问题通常是由于螺杆设计不合理，使得螺杆的熔融速率不足以匹配压缩速率而导致的。

图1 螺纹出现了一块大面积的完全失效。螺纹表面上焊接材料缺失形成的图案表明焊接热量会使焊缝坡口适度形变。但是它非常光滑，说明焊接只是简单地铺在螺纹上，很少或没有与下面的材料连接

机筒每次旋转都会使螺杆适当弯曲以适应机筒，如果螺纹两侧出现毛刺通常表示出现了螺杆与机筒的对齐问题。另外，挤出机的驱动力也可能压碎螺纹、形成磨损，导致螺纹两侧出现毛刺。

图1、图2和图3中的螺纹都没有毛刺，所以不太可能是由于楔入或机筒对齐问题而导致了焊接失效。更可能的原因是焊接不当，使得硬面堆焊材料和基体金属之间连接不良。图1显示了螺纹大面积的完全失效。螺纹表面的焊接材料的缺失表明焊接热量会使焊接坡口发生适度的形变。但是它非常光滑，说明焊接只是简单地“铺”在螺纹上，很

少甚至没有与下面的材料连接。图2、图3中显示的焊接失效比图1中稍轻一些，但仍然十分严重。焊接脱落区域在任何一侧都没有磨损迹象，这也是焊接不良的明显标志。如今，几乎所有的螺杆制造商都使用一种等离子转移弧（PTA）焊接技术来将硬面堆焊材料施加在螺杆螺纹上。这一技术之所以被越来越多地应用，是因为它能尽可能地减小对底层螺杆材料的影响，并产生非常高的温度，从而实现很强的冶金结合。其他焊接工艺的加热时间更长，且焊接点的热影响区域更宽。这会使硬面堆焊材料被基体金属稀释，而且铁会使硬面堆焊材料受到污染导致其抗擦伤性能降低。

大 多 数 的 镍 /铬（Ni/Cr）和钴基硬面堆焊材料会在大约2 000 ℉（1 093 ℃）的温度下与底层材料融合，而等离子体“火焰”可产生超过10 000 ℉（5 538 ℃）的温度。这比大多数其他的焊接工艺要热并且集中，减少了对硬面堆焊材料的稀释。

图2（左）和图3（右）中焊接脱落区域的两侧没有任何磨损迹象，这再次说明是焊接不良

PTA焊接是一个异常敏感的过程，需要操作人员的持续关注。它要求对焊枪本身的位置和焊缝在圆形表面上的位置进行大量的调整。此外，焊接电弧、保护气体和安培数也需要调整。即使电弧上的一点点牵伸也会干扰保护气体和等离子气体，并导致连接减少以及界面区域的快速氧化。例如，在焊接一根小螺杆时，PTA焊枪只偏离了中心位置超过1/16 in.，就会显著降低连接强度。

另外，焊接前后基体金属的状况也很关键。如果碳钢保持在低于650℉（343 ℃）的温度下，就会发生相变，变成一种脆性且密度较低的钢。这会导致基体金属开裂并将裂纹扩展至硬面堆焊材料层，从而形成焊接失效区域。为了防止这种相变，必须将螺杆预热并通过焊接过程保持在高温下，然后再非常缓慢地冷却以防止相变发生。这一过程非常关键，即使预热和后冷却过程稍有偏差也会导致过度开裂。

硬面堆焊层出现一些径向开裂是正常的，这是因为这一覆盖层的膨胀系数通常比基体金属大，一旦冷却，它要比基体金属收缩更多，而这些能通过径向开裂得到缓解。新螺杆在加工出螺纹前，会将焊缝施加在浅的螺槽中，这有助于降低焊枪位置的敏感性并提高焊接速度，所以螺槽的尺寸也很重要。但是，如果是对螺杆进行修复，那么焊接是在一个狭窄且圆的表面上进行的，所以硬面堆焊层很难获得与以前相同的硬度，特别是在小螺杆上。如果螺杆焊接时的预热和后冷却不当，由于先前的相变导致的裂纹和脆性会延伸到基体金属中，使螺杆难以修复好。因此，一种好的做法是，在重修螺杆之前磨掉旧的焊缝并使用各种冶金测试方法来检查开裂。

有时，可以在硬面堆焊层下面施加一层较软的不锈钢层来阻挡下面的开裂。但是，这会形成两处焊接，如果处理不当，会使焊接失效的几率增加一倍。

无论如何，要记住的重要一点是：聚合物不会磨损螺杆，除非填充了坚硬的研磨性填料。只有机筒与螺杆螺纹的接触才会导致磨损。而一般通过简单地观察“毛刺”，就可以确定磨损的原因。如果没有毛刺迹象的硬面堆焊失效，就可能是焊接问题。