基于巴氏合金CMT技术的工艺性研究

安建勇，黄玉琴

(1. 太原市挂车制造厂，太原 030024； 2. 哈尔滨 150040)

0 引言

目前轴承瓦巴氏合金层的生产工艺主要采用重力浇铸和离心浇铸两种方式。重力浇铸是将熔融状态的巴氏合金浇铸到已经搪锡处理的低合金钢基体表面，生产出的巴氏合金轴承瓦质量不高，经常出现巴氏合金组织疏松、气孔、合金与瓦背脱离等缺陷。离心浇铸通过离心力的作用将熔融状态的巴氏合金浇铸到基体瓦背上，其合金组织致密度以及与基体的结合强度均有所提高，但同样具有较低合格率，同时受设备能力限制，大型轴瓦不能利用离心机进行离心浇铸[1]。两种方法都存在材料损耗量较大、后续加工时间长、耗电量较大等问题。

冷金属过渡焊接技术(Cold Metal Transfer，简称：CMT焊接技术)，可以弥补目前重力浇铸后渗透探伤达不到D级的缺点，采用这种技术焊接后的轴承合金的致密性不亚于采用离心浇铸方式生产的轴瓦。

CMT焊接技术是基于熔点差异较大异种金属的连接、无飞溅引弧技术及微型焊接技术发展起来的。其特点是将焊丝运动与电弧变化相结合，通过特殊波形控制熔滴过渡形式。CMT短路过渡过程中减小短路电流接近于零，并通过焊丝的回抽运动使熔滴过渡，避免在熔滴短路过渡时产生大的电磁力和电爆炸形成飞溅，实现冷金属过渡。因此CMT焊接技术应用于低熔点巴氏合金金属堆焊，对于滑动轴承轴瓦的制备工艺来说是革命性的创新，提高了滑动轴承的使用寿命[2]。

1 研究方法

1．1 试验材料

针对大型轴承体的要求，制作堆焊试板。试板材质：ZG230-450；试板尺寸：内径φ1 648×600(弧长)×400(宽)×60(厚)弧形试板；400(长)×400(宽)×60(厚)平板试板；试板要求：利用重力浇铸工艺在部分试板上浇铸不同厚度的SnSb8Cu4巴氏合金层，巴氏合金材质为SnSb8Cu4，并对堆焊层加工，获得8 mm、5 mm、2.5 mm和1.5 mm不同厚度的巴氏合金试板。

试验所用巴氏合金焊丝为φ1.6 mm的SnSb8Cu4焊丝，化学成分见表1，试验用保护气体为99.999%Ar。

表1 巴氏合金焊丝SnSb8Cu4化学成分

1．2 试验设备

试验所用设备为奥地利Fronius公司生产的CMT TPS5000(FRONIUS TPS5000CMT)焊机，如图1所示，主要包括VR7000-CMT送丝系统、CMT焊枪、CMT电源、CMT焊丝缓冲器和FK4000R水箱。

图1 试验用CMT TPS5000焊机

1．3 试验方法

将试板平放在焊接平台上进行半自动堆焊，通过调节送丝速度改变数据库中的焊接电流和焊接电压等焊接参数，可获得不同规范的堆焊试件，验证工艺规范对大型轴承体的可行性。

1．3．1 试板的表面处理

CMT焊接前，使用丙酮等清洗剂去除试板上的污垢、灰尘、油脂等影响堆焊质量的材质。

1．3．2 试板CMT堆焊

在不同厚度原浇铸巴氏合金层试板上堆焊，验证堆焊工艺规范对原巴氏合金浇铸层的影响，并确定选择最优工艺参数。巴氏合金熔点为270 ℃，钢基体的熔点在1 500 ℃，两种金属熔点热传导系数以及热膨胀系数存在较大差异，堆焊冷却后巴氏合金层与钢本体产生不同程度的收缩变形，将在巴氏合金层与钢基体之间产生焊后残余应力，影响堆焊后的结合强度。因此，堆焊前对钢基体进行预热处理，缩减巴氏合金层与钢基体两者之间收缩变形量差。验证预热温度对巴氏合金层与钢基体结合强度影响，并确定最佳预热温度。

1．3．3 对堆焊工艺参数与性能优化匹配

利用现有的工装设备实现大型轴承体巴氏合金层的修复工作。

1．4 堆焊合金层测试

SnSb8Cu4巴氏合金层与钢基体之间结合性测试。目视检查，检查巴氏合金层与钢基体之间结合性；超声波(UT)探伤，检查巴氏合金层与钢基体之间的结合性。

2 数据整理分析

巴氏合金SnSb8Cu4与铸钢ZG230-450物理性能相差很大，如表2，热传导系数和线膨胀系数相差，导致巴氏合金层与钢基体之间的热变形量相差很大，这样在巴氏合金层与钢基体之间产生热应力，当产生的热应力大于巴氏合金层与钢基体之间的结合强度时，发生巴氏合金层的剥离现象。

表2 母材的物理性能

2．1 重力浇铸巴氏合金层上CMT堆焊工艺技术研究

在不同厚度重力浇铸巴氏合金层上堆焊，原重力浇铸巴氏合金层厚度为8 mm、5 mm、2.5 mm和1.5 mm。

2．1．1 焊接工艺参数

CMT模式，焊接电流94 A，焊接电压9.3 V，送丝速度5.5 m/min；CMT模式，焊接电流34 A，焊接电压7.6 V，送丝速度2.3 m/min；脉冲模式(打底焊)，焊接电流106 A，焊接电压19.9 V，送丝速度602 m/min。预热温度分别为20 ℃和60 ℃。

2．1．2 堆焊试验结果

(1) CMT焊接电流在大、小不同焊接规范下，堆焊层表面均成型良好，不同点是堆焊焊道的宽度和厚度，如图2所示。区域a：焊接电流34 A，堆焊宽度130 mm区域需堆焊23道，堆焊厚度9 mm需堆焊3层，焊接时间每道用23 s，焊接速度约400 mm/min；区域b：焊接电流94 A，堆焊宽度40 mm区域需堆焊4道，堆焊厚度8 mm需堆焊4层，焊接时间每道用12 s，焊接速度约1 000 mm/min。电流的增加可以提高工作效率，造成的负面影响是焊接飞溅大，产生的烟尘多。

图2 不同焊接规范下堆焊层成型外观

(2) 原重力浇铸巴氏合金层厚度8 mm，采用CMT焊接技术在原合金层上堆焊。CMT焊接电流94 A，预热温度分别为20 ℃和60 ℃时，试验结果：预热温度20 ℃堆焊时，堆焊过程中目视发现原巴氏合金层与钢基体之间发生脱壳现象，试验失败，如图3所示；预热温度60 ℃时，堆焊厚度9 mm后，目视未发现原巴氏合金层与钢基体之间发生脱壳现象，但是后序UT探伤检查，原巴氏合金层与钢基体中发生80%的脱壳，试验失败。

图3 原8 mm厚浇铸巴氏合金层CMT堆焊脱壳试样

(3) 原重力浇铸巴氏合金层厚度5 mm和2.5 mm，CMT焊接电流94 A，预热温度60 ℃，堆焊厚度10 mm。试验结果：目视均未发现原巴氏合金层与钢基体之间发生脱壳现象，UT探伤检查，原巴氏合金层厚度5 mm，局部出现脱壳现象；原巴氏合金层厚度2.5 mm，巴氏合金堆焊层与钢基体之间100%结合良好，如图4所示。

图4 原5 mm厚浇铸巴氏合金层CMT堆焊局部脱壳试样

(4) 原重力浇铸巴氏合金层厚度1.5 mm，CMT焊接电流94 A，预热温度60 ℃，堆焊厚度10 mm。试验结果：目视均未发现原巴氏合金层与钢基体之间发生脱壳现象，UT探伤检查，巴氏合金堆焊层与钢基体之间100%结合良好，如图5所示。

图5 1.5 mm厚浇铸巴氏合金层CMT堆焊试样

2．1．3 试验结论

(1) 巴氏合金与其他焊材的堆焊过程存在很大差异，SnSb8Cu4巴氏合金熔点低270 ℃，焊缝金属为液态状态，并沿重力方向流动。随着焊接电流的增大，焊道的宽度增大，高度减小。试验认为电流加大，熔池液态金属的温度提高，液态巴氏合金的表面张力减小，对母材的润湿性和铺展性提高，导致焊道的宽度增大，高度减小。

(2) 巴氏合金(锡基材料)的热传导系数和热膨胀系数均比钢基材料大，相同加热温度下巴氏合金的热变形量要比铁基材料的大，在巴氏合金层与钢基体之间产生热应力，同时巴氏合金浇铸层与钢基体为最薄弱区域，因此在焊接热应力的作用下产生了原浇铸巴氏合金层与钢基体产生脱壳现象。通过预热，可减缓巴氏合金原浇铸层与基体的脱壳现象，考虑因素是降低巴氏合金层与钢基体的温度梯度，减小巴氏合金层与钢基体的热变形量差值，降低热应力，减缓原巴氏合金浇铸层的脱壳现象。

(3) 较薄的原浇铸巴氏合金层，在电弧吹力的作用下，堆焊金属与原巴氏合金浇铸层搅拌熔合，在巴氏合金与钢基体之间形成新的结合层，结合强度得到提高。而在较厚的巴氏合金层上堆焊，电弧不能将原巴氏合金穿透，原结合层没有破坏掉，在热应力的作用下，较薄弱的结合层出现脱壳现象。

2．2 钢基体上直接CMT堆焊

综合考虑在不同厚度原重力浇铸巴氏合金层CMT堆焊试验结果，表明原重力浇铸的巴氏合金层与钢基体结合强度薄弱，在焊接热应力的作用下易发生脱壳现象。当结合层采用CMT焊接技术重熔后，合金层与基体之间会发生脱壳现象，说明采用焊接技术重熔形成的焊接接头，结合强度要高于重力浇铸的结合强度。因此在钢基体上直接进行CMT堆焊工艺技术的研究。

2．2．1 焊接工艺参数

(1) 脉冲模式(打底焊)，焊接电流106 A，焊接电压19.9 V，送丝速度6.2 m/min。

(2) CMT模式，焊接电流72A，焊接电压7.6 V，送丝速度4.5 m/min。

(3) 预热温度为60 ℃。

2．2．2 堆焊试验结果

在预热温度60 ℃，堆焊厚度8 mm下，UT探伤检查，巴氏合金堆焊层与钢基体之间结合良好，UT探伤并未发现合金层与基体之间脱壳现象。堆焊试样如图6所示。

图6 钢基体上直接CMT堆焊试样

2．3 金相组织分析

牌号为SnSb8Cu4的巴氏合金是轴承合金中应用较多的一种，锡基巴氏合金含87%Sn、8%Sb和4%Cu。按照Sn-Sb合金相图，合金的组织中主要有以Sb溶于Sn中的α固溶体为软基体和以Sn-Sb为基的有序固溶体β相为硬质点。同时，为了消除由于β相比重小而易上浮所造成的比重偏析，在合金中特地加入Cu形成Cu6Sn5。Cu6Sn5在液体冷却时最先结晶成树枝状晶体，能阻碍β上浮，因而使合金获得较均匀的组织。图7所示为巴氏合金的显微组织，暗黑色基体为软的α相，白色方块为硬的β相，而白色枝状析出物则为Cu6Sn5，它也起硬质点作用。这种软基体硬质点混合组织能保证轴承合金具有必要的机械性能。

图7 SnSb8Cu4金相组织100×

依据滑动轴承的工况情况，巴氏合金材料的良好金相组织是确保轴瓦具有足够的抗压强度、疲劳强度、塑性、韧性、良好的磨合性、抗咬合性、减摩性，并能承受较高的压力[3]。在实际生产过程中，影响巴氏合金组织的主要因素是在浇注巴氏合金液体后的冷却速度。在结晶温度范围内快速冷却时晶粒就均匀和细致，反之则变粗大，它是一种很脆的组织，粗大会使材料变脆，降低巴氏合金轴瓦的使用寿命。在冷金属过渡技术(CMT)堆焊过程中，焊接线能量低，从熔融状态的熔池金属到α固溶体形成冷却速度要明显高于浇铸的冷却速度，这种冷却速度是巴氏合金浇铸无法达到的。CMT焊接是在熔滴短路过渡过程中减小短路电流接近于零，并通过焊丝回抽运动使熔滴过渡，实现冷金属过渡，最大限度减少热量的产生，从而减少热应力的产生，巴氏合金液体在快速冷却中可以得到均匀细小的Cu6Sn5硬质相，应用CMT焊接技术制备的轴瓦组织致密性高、与基体结合强度提高，从而得到良好的合金组织，有利于提高合金的强度、韧性和使用寿命，如图8所示。

图8 SnSb8Cu4金相组织100×

3 结论

本课题对巴氏合金CMT焊接工艺进行了探索性研究，了解锡基巴氏合金焊接的工艺特点，测试接头的力学性能，分析合金层的金相组织，测试堆焊接头的力学性能，实现锡基巴氏合金CMT堆焊工艺的实际应用，得出主要结论如下：

(1) 巴氏合金(锡基)熔点低，若焊接线能量过高，会引起熔池金属的流淌，不利于焊缝成形。CMT焊接技术短路过渡时，焊接电流几乎为零，具有很低焊接线能量，适合巴氏合金堆焊，焊接电流90～110 A，焊接速度800～1 000 mm/min时，巴氏合金堆焊焊缝成形美观，焊接烟尘不大，同时具有较高焊接工作效率。

(2) 巴氏合金(锡基)物理性能与钢基体差距较大，重力浇铸的巴氏合金层与基体结合强度较弱。直接在原重力浇铸巴氏合金层堆焊，产生的焊接热应力将原巴氏合金层从基体撕离，造成合金层的脱壳。通过预热，可减缓原合金层与基体的脱壳现象，但不能完全避免。因此CMT焊接技术并不适合直接在结合强度较低的重力浇铸巴氏合金层上堆焊返修。

(3) 在钢基体上直接堆焊巴氏合金，脉冲焊接模式打底焊接，CMT焊接模式进行铺焊，可获得良好的堆焊层。CMT堆焊形成的巴氏合金层金相组织中的硬质相以细小针状和星状均匀的弥散在软相锡基中，组织细化且均匀分布的合金，有利于提高合金的强度、韧性和使用寿命；与基体界面之间生成很薄的化合物反应层，显著提高合金层与基体之间的结合强度。通过结合强度测试表明，合金层与基体之间的结合强度约为86 MPa，高于铸造合金锭抗拉强度，并可推断出，巴氏合金CMT堆焊获得巴氏合金本体的抗拉强度高于铸造合金锭的抗拉强度。

通过努力将巴氏合金CMT堆焊工艺技术成功的应用到生产实践上，为轴瓦制备提供了一种经济效益好、质量好的工艺方法，为在轴瓦制备技术上提供更多的选择方法。