铝青铜与合金钢焊接工艺研究

■ 高宗让

自升式钻井平台CJ46悬臂梁X-Y滑移机构的耐磨板为铝青铜，它要与合金钢本体进行焊接。由于铝青铜与钢在物理性能和化学组织方面差别很大，这就对焊接带来很大困难，焊接时易产生未熔合和裂纹，易在焊缝中产生夹渣等焊接缺陷。我们利用公司现有的焊接资源，通过对S221焊丝氧乙炔火焰焊、Cu237焊条电弧焊、UTP A34N焊丝熔化极氩弧焊的试验分析对比，成功研究出方便有效焊接铝青铜与合金钢的SMAW+GMAW组合焊工艺。

1.试验材料

（1）铝青铜 本试验采用铝青铜为ASTM B171 C6300，厚度15mm，其化学成分、力学性能和物理性能分别如表1～表3所示。

（2）合金钢 本试验采用合金钢为ABS DH36，厚度15mm，其化学成分、力学性能和物理性能分别如表4～表6所示。

表1 ASTM B171 C6300的化学成分（质量分数） （%）

表2 ASTM B171 C6300的力学性能

表3 ASTM B171 C6300的物理性能

表4 ABS DH36的化学成分（质量分数） （%）

表5 ABS DH36的力学性能

表6 ABS DH36的物理性能

（3）焊接性分析 由于铝青铜热导率高、熔点低、线胀系数大，焊接时易产生未焊透和裂纹；另外，焊接时因铝被氧化而形成致密难熔的Al2O3薄膜覆盖在熔池表面，易在焊缝中产生夹渣和气孔。

由于钢熔点为1536℃，铝青铜为1060℃，二者相差很大，钢与铝青铜焊接时，钢侧难熔化极易形成未熔合；铝青铜与钢合金系不同，焊接时也易产生裂纹等焊接缺陷。因此，铝青铜与钢的焊接比较难，焊接工艺的重点是要解决未熔合及裂纹问题。

2.焊接试验

（1）焊接工艺 铝青铜与钢的焊接方法很多，比如钎焊、氧乙炔火焰焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊及焊条电弧焊等。钎焊最适合异种金属的焊接，但因其接头强度低、施工效率低，不适合悬臂梁X-Y滑移机铝青铜耐磨板与钢的焊接。根据我们工厂的现有焊接工艺条件，本文依次用氧乙炔火焰焊、熔化极氩弧焊、焊条电弧焊方法对铝青铜与钢的焊接进行焊接试验。

对于焊接材料的选择，必须兼顾铝青铜和钢。查询焊接资料，氧乙炔火焰焊的S221焊丝、焊条电弧焊的Cu237焊条、UTP A34N焊丝熔化极氩弧焊的UTP A34N焊丝均能焊接铝青铜与钢，故我们选上述焊材进行焊接试验，优选其中比较经济可行的方案。

由于实际产品中铝青铜与钢的连接形式为角接，因此本试验利用T形接头角焊缝来研究其焊接工艺。

（2）氧乙炔火焰气焊 选用S221（φ3mm）焊丝和HJ301进行试验，S221化学成分如表7所示。

表7 化学成分（质量分数）（%）

表8 UTP A34N的化学成分（质量分数） （%）

表9 UTP A34N的力学性能

表10 GMAW焊接参数

焊接位置：2F；火焰性质：中性焰；预热温度：400℃。宏观金相显示：焊缝中有夹渣和气孔，与钢侧熔合线很直，钢侧未熔合，呈虚焊状（见图1）。

（3）熔化极氩弧焊 焊材成分和性能：我们工厂已经积累了熔化极氩弧焊修补铝青铜螺旋桨的工艺经验，采用的焊丝为UTP A34N（φ1.2mm），故我们用该焊丝来进行试验。焊丝UTP A34N化学成分和力学性能如表8、表9所示。

焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，主要加热钢板，使其温度达到350～400℃，铜板温度可低些， 150℃左右即可；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷。具体焊接参数如表10所示。

图1 氧乙炔气焊宏观金相

图2 熔化极氩弧焊宏观金相

宏观金相显示：铝青铜侧咬边最大0.5mm，未发现裂纹、夹渣等，焊缝与DH36交界为直线且与板边基本平齐，敲断后发现熔合不良，为虚焊状态（见图2）。

合金钢DH36侧熔合不良的分析：由于钢的熔点比铝青铜熔点高约500℃，当铝青铜已熔化时而钢还未开始熔化，再加上铝青铜焊丝因熔点低熔覆率高，大量熔化的焊丝金属液体堆积在未熔化的DH36表面，就形成了合金钢钢侧焊缝的未熔合，也可以称作“满溢”。理论上焊接电流增加，熔深会增大，但是对熔化极气保焊焊接电流增加，送丝速度也会加快，焊丝的熔化和熔覆也同时就加快了。因此，通过增加电流并不能改变这种状态。也许，改变电焊机的电特性及电弧反馈系统可以将此改善。

（4）焊条电弧焊 焊材分析：选用Cu237（φ3.2mm）焊条进行试验，其化学成分如表11所示。

焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，使其温度达到200～250℃；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷；焊条经过200～250℃×2h的烘干才能使用。具体焊接参数如表12所示。从焊接过程中可见：Cu237焊接时与钢熔合好，飞溅少；但与铝青铜工艺性差，飞溅大，熔合难。

（5）组合焊（SMAW+GMAW） 从上述结果看，单独用氧乙炔气焊、熔化极氩弧焊、焊条电弧焊来焊接铝青铜与合金钢，其结果都不理想。氧乙炔气焊缺陷多且效率低；熔化极氩弧焊效率高、焊缝与铝青铜熔合好，而与钢熔合差；焊条电弧焊焊缝与铝青铜熔合差，而与钢熔合好。鉴于此，我们重新设计焊接工艺，用Cu237焊条在合金钢侧打底焊接过渡层，然后用UTP A34N焊丝焊接连接焊缝。

组合焊焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，主要加热钢板，使其温度达到250～300℃，然后用Cu237焊条在合金钢侧打底焊接过渡层（见图3），再用UTP A34N焊丝焊接主连接焊缝；连接焊缝焊接时层间温度要保持在150℃以上；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷。具体焊接参数如表13所示。

试验结果：焊缝表面用PT检查未发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，宏观金相显示焊缝熔合良好，未发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷（见图4）。

图3 组合焊（SMAW+GMAW）示意

图4 组合焊（SMAW+GMAW）宏观金相

表11 化学成分（质量分数） （%）

表12 SMAW焊接参数

表13 SMAW+GMAW组合焊焊接参数

3.结语

用上述组合焊工艺焊接自升式钻井平台CJ46悬臂梁X-Y滑移机构的ASTM B171 C6300铝青铜耐磨板与DH36合金钢机体，一次焊接成功。不仅焊缝熔合良好，没有发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，而且GMAW焊接工艺效率高，成本低。