球铰座堆焊锡磷青铜的焊接工艺

秦四田 贾登峰

(桂林航天工业学院 广西·桂林 541004)

0 引言

球铰座作为挖掘机上的重要部件之一，由于球铰座不但要能承受高强度的载荷，而且需具备良好的耐磨性，鉴于以上原因，在设计球铰座的过程中，需综合考虑以上力学性能。而斗轮挖掘机中所使用的球铰座运用了合金铸钢ZG23SiMnMo材料，因此在自身的强度上具有明显的优势，另外，工作面上进行堆焊锡磷青铜QSn6.5～0.1，该材料具有良好的耐磨性。但由于堆焊锡磷青铜操作难度大，经常会出现气孔或者裂纹等问题，给整个球铰座的安全性与稳定性造成严重影响。因此本文针对上述问题，对该材料的堆焊焊接性进行了分析，并提出了解决该问题的工艺措施。

1 球铰座凹形球面堆焊技术要求

按照设计要求，球铰座合金铸钢ZG23SiMnMo母材上堆焊锡磷青铜 QSn6.5～0.1。合金铸钢 ZG23SiMnMo母材保证了球铰座具有很高的力学承载能力，母材堆焊锡磷青铜QSn6.5～0.1之后，球衬内的耐磨性得到很大提升。球座结构尺寸要求包括了（1）球座凹形球衬堆焊，堆焊加工之后要求整体尺寸必须要控制在425mm；（2）并在球座凹形球面母材上必须要有不得低于5mm厚度堆焊金属层；（3）堆焊的验收标准是严格依照欧州TAD2355-2001标准进行验收。

2 焊接性分析

考虑到基体材料和焊接材料热力学性能和物理性能的差异，堆焊焊接性的评价是由两种材料来共同决定的。基体材料的焊接性分析：基体材料ZG23SiMnMo的化学成分见表1所示，按照ZG23SiMnMo基体材料的内容与JIS与WWS标准的碳当量公式计算得出：zg23simnmo材料的碳当量Cep＞0.8%，因此可以确认出ZG23SiMnMo材质的焊接性能差。焊接材料在焊接性分析当中，与其他材料相比，铜与钢在高温的环境当中，晶格的类型、常数以及原子半径等基本相同，这对于焊接工作的顺利进行是极为有利的。除此之外，锡磷青铜当中的锡元素可以有效地提高处在液态的金属流动性能，对于提高焊丝的质量和工艺具有重要的作用。加上锡元素还具备良好的脱氧效果，所以能够显著地降低堆焊之后产生气孔的几率。而这正是锡磷青铜在焊接工艺上所起到的重要作用。因为锡磷青铜具有出色的导热性能，而且在收缩率也相对较高，所以在进行焊接的时候经常会出现裂纹和气孔等问题。加上球铰座结构的特殊性，导致在堆焊作业的时候，出现基体材料和堆焊层材料的收缩程度出现差异，造成层状剥离问题。而这也是锡磷青铜在焊接时的最大弊端。

在堆焊锡磷青铜的时候经常会出现裂纹现象，而裂纹也是堆焊作业当中的重点与难点问题。为解决焊接过程中的裂纹问题，就必须要从裂纹产生的原因开始着手。按照“铜--锡相图”可以了解到，锡青铜拥有其他材料所没有的，足够宽广的结晶温度区间，但是其偏析相当严重，因此容易产生粗大的、硬脆树枝结构晶体颗粒。在堆焊的过程中，由于金属熔池空间有限，锡青铜具有良好的导热性，熔池能够在较短的时间内冷却，且基材和焊材两种材料的热物理性能和热力学性能存在较大的差异，这促使了堆焊焊面上容易产生热裂纹（特别是在堆焊第一层的时候）。因此在进行堆焊的过程中，应当要具备相应的加工工艺，才可以避免堆焊过程中出现热裂纹。

表1：ZG23SiMnMo化学成分

表 2：QSn6.5～0.1化学成分（质量分数，%）

表3：QSn6.5～0.1力学性能与物理性能

综上所述：无论基体材料还是焊接材料，这两者的焊接性都并不理想。

3 工艺方案的确定

3.1 堆焊材料的选择

按照图纸中所要求的，设备堆焊层必须要具备良好的耐磨性，同时承载性能要达到标准要求，最后要经过欧洲的专家学者进行检验与确认之后，才可验收成功。焊材选择QSn6.5～0.1的国内堆焊合金材料，这种材料同时具有良好的力学性能和耐磨性能，QSn6.5～0.1的化学成分见表2，物理性能和力学性能见表 3。分析该材料的理论值，可以断定：QSn6.5～0.1来作为堆焊材料是满足设计要求的，。

3.2 焊接工艺方法的选择

按照上文中的分析结果，可以得出球铰座基体材料与焊接材料的焊接性比较差，因此在焊接方法的选择上，以及焊接工艺参数的匹配上就显得特别重要了。想要确保堆焊质量不受影响，在通常情况下会选择熔化极氩弧焊的方式来进行焊接，焊材选择2.5mm的QSn6.5～0.1焊丝。通过与钨极氩弧焊（TIG）焊接方法的对比，熔化极氩弧焊所使用焊接电流比钨极氩弧焊高出35%，熔化极氩弧焊不但能够有效地提高焊接效率，而且焊接速度比钨极氩弧焊快1.5倍。最为重要的，就是熔化极氩弧焊可以通过熔滴喷射过渡的方式，能够让焊接的焊缝成形变得更加稳定，对于解决焊接过程中焊缝的裂纹，以及出现大量气孔的问题具有重要的意义。

3.3 焊接工艺参数的选择

选择适当的焊接工艺参数，可以保证焊接电弧的稳定性，确保优良的焊缝成形以及优良的力学性能。在焊接过程当中就应当要选择最为合适的工艺参数，尤其是在焊接电流的选择方面，焊接电流的大小对于溶滴的过渡形式具有重要的影响。如果焊接电流持续保持在某个高度的时候，那么熔滴过渡形式会伴随短路过渡的方式转化为喷射守渡，为了证明具体的效果，进行了相应的焊接试验。

把球铰座置于焊接变位机处，让基材焊接表面随着焊接进度的变化始终处于水平位置。在焊前要先利用加热器将基体材料进行预热，采用直流反接的接线方式进行焊接，当基体材料内外温度均达到220℃的时候，焊接所使用的焊丝直径为2.5mm，在焊接的时候电流选择270A～280A，该电流范围熔滴过渡形式为喷射过渡，此时电弧不会产生较大飞溅，焊缝成型美观，喷射过渡的工艺参数如下：焊丝的直径为 2.5(d/mm)，焊接电流为 270～280A(I/A)之间，电弧电压为 28～30(U/V)，送丝的速度为4.5～5.0(v/(m*min-1))之间，氩气流量为19～23（Q（/L*min-1））。

4 堆焊缺陷的控制

4.1 预热方法

可以利用加热器的方式来对被焊表面进行加热，而且预热的温度必须要保持在160℃到220℃之间，持续时间要控制在5个小时以上，这样才能够保障球铰座能够均匀受热。在焊接的时候还应当要将层间的温度控制准确，确保堆焊表面的温度不得低于150℃，并运用先进的测温设备来进行即时测量。采取这种方式的主要原因就是减少金属熔池的冷却速度，降低淬硬倾向来减少裂纹。

4.2 采用大电流，高焊速的方法

运用大焊接电流（I≦280A）在进行焊接作业的时候，就能够提高电流的密度，金属熔池的体积也会随之扩大，导致熔池的冷却速度逐渐降低，加之运用了高焊速的作业方式（送丝速度在5m/min），这样就使得熔池高温的占用时间大大降低了，有效地控制了晶粒的长大，焊接过程中的裂纹问题也得到了缓解。除此之外，因为使用的是大电流焊接模式，而符合熔滴喷射过渡的熔滴过渡形式，所以在焊接的过程中能够得到稳定的电弧和美观的焊缝成形，并且在裂纹控制方面也起到了重要的作用。按照上述方法综合作用的结果显示，原本在堆焊过程中经常出现的裂纹问题也被顺利地解决，而且还提高了焊接的质量。

4.3 气孔问题

气孔是堆焊锡磷青铜的过程中的缺陷之一。造成气孔的原因是：（1）由于熔池中的Cu2o在焊接凝固的时候，无法溶于铜被析出，与CO产生化学反应，形成不溶于铜的CO2而变成气孔；（2）H致裂纹，焊接时游离态的H聚集后产生较大的力而导致的裂纹。为排除气孔问题，在焊接工艺中应当要降低氢与氧的来源控制，同时还要通过预热的方式来延长熔池的存时间，以确保气体能够被析出。也就是说要在堆焊作业之前要保持堆焊表面清洁，减少基材表面的油污与水分。堆焊表面的预热温度不得低于220℃时才能够施焊。

5 结论

综上所述，本文对球铰座的堆焊工艺进行了分析研究，进行了球铰座的堆焊焊接性分析，确定了焊接材料，焊接工艺方法，焊接工艺参数，为避免焊接缺陷的产生，制定了对应的焊接缺陷预防措施。通过采用上述工艺对球铰座堆焊锡青铜工艺方法进行了实验，结果显示优良。尤其是采用预热方式，运用大电流，高焊速的方式，能够让堆焊锡磷青铜时所产生的裂纹和气孔问题，得到顺利地控制，解决了合金铸钢堆焊锡磷青铜产生的技术难点。