高二慶，宋慶雷，黃廷磊，王 倩

（徐州巴特工程機(jī)械股份有限公司，江蘇 徐州 221110）

0 引言

挖掘機(jī)斗鏟類產(chǎn)品的具體應(yīng)用環(huán)境比較特殊，因此要求挖掘機(jī)的斗齒具備較高的耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度，所以斗齒往往選用高強(qiáng)度鑄造成型的材料，但是普通碳化材料無法回避焊接性能不足的問題。因此，一般采用焊前預(yù)熱的方法，以降低焊接裂紋情況產(chǎn)生。對(duì)于刃板組件（斗齒與主刃板組成的組件），一般通過預(yù)熱爐工藝可以有效預(yù)熱控制，但對(duì)于邊齒與鏟斗兩側(cè)的夾板焊接因鏟斗結(jié)構(gòu)較大，無法投入大型預(yù)熱爐而采用預(yù)熱槍的方式進(jìn)行預(yù)熱。因此這種方式存在預(yù)熱不充分、預(yù)熱效率低、預(yù)熱過程不易控制等問題，而造成邊齒與夾板焊縫易開裂失效。同時(shí)，戶外作業(yè)的鏟斗因斗齒失效需要更換刃板組件時(shí)，若戶外不具備預(yù)熱條件，則無法完成焊接所致無法及時(shí)修復(fù)，最終導(dǎo)致作業(yè)中斷。因此，為解決這一問題，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，在斗齒表面開發(fā)了一層可焊性較好的過渡層，并對(duì)堆焊層的外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量展開了研究，以期實(shí)現(xiàn)表面經(jīng)堆焊的邊齒可直接與夾板焊接，無需預(yù)熱即可有效降低斗齒焊接裂紋的發(fā)生率，減少邊齒與夾板焊縫開裂的目的。

1 斗齒堆焊技術(shù)要求分析

挖掘機(jī)鏟斗需要堆焊的斗齒為兩側(cè)邊齒，堆焊位置是斗齒的上表面，堆焊面為異形面，且邊緣為圓弧過渡。見圖1所示。因邊齒需要與夾板拼點(diǎn)，考慮到拼點(diǎn)要求，堆焊高度不宜過高，控制在3~4.5 mm，表面堆焊覆蓋率100%，堆焊后平面度控制在1.5 mm.

圖1 邊齒堆焊過渡層

2 堆焊工藝

2.1 堆焊方法

選擇堆焊方法時(shí)，應(yīng)滿足以下要求：（1）稀釋率低；（2）熔敷速度和效率高；（3）工件尺寸、形狀復(fù)雜程度和批量大??；（4）綜合成本低。

從國內(nèi)堆焊技術(shù)的應(yīng)用看，堆焊方法主要有：氣體保護(hù)電弧堆焊、帶極電弧堆焊、電子束堆焊、激光堆焊、聚焦光束堆焊。其中氣體保護(hù)電弧堆焊具有成本低、生產(chǎn)效率高、熱影響區(qū)小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于合金鋼和特殊合金的堆焊。挖掘機(jī)鏟斗斗齒材料為低合金鋼、砂鑄成型，主要化學(xué)成分見表1，結(jié)合我司生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇手工混合氣體保護(hù)堆焊進(jìn)行斗齒堆焊應(yīng)用。

表1 斗齒化學(xué)成分

2.2 堆焊材料

為了提高斗齒表面的耐磨性能，保證斗齒表面與基體有較好的過渡層，對(duì)堆焊材料合理選擇尤為必要。通常對(duì)對(duì)焊材料的選擇具體原則如下：（1）能滿足零件工作時(shí)的性能要求；（2）具有良好的焊接性，在現(xiàn)場條件下應(yīng)易于施焊并獲得與基體結(jié)合良好而無缺陷的堆焊層；需注意堆焊金屬與基體的相溶性，充分估計(jì)到基體稀釋對(duì)堆焊層性能的影響；當(dāng)基體碳當(dāng)量較高時(shí)，為防止裂紋，可考慮預(yù)熱、保溫緩冷的工藝；若不可行時(shí)，考慮利用過渡層解決；（3）考慮堆焊的經(jīng)濟(jì)性，所選堆焊合金應(yīng)是使用性能相同的多種合金中價(jià)格最低廉的一種，同時(shí)還應(yīng)是焊接工藝最簡單、加工費(fèi)用最少的一種[1]。

從國內(nèi)堆焊技術(shù)的應(yīng)用看，常用的堆焊材料按照形態(tài)分，有焊條、焊絲、焊塊、合金粉及合金塊；按照成份分，有鐵基堆焊合金、鎳基堆焊合金、鈷基堆焊合金及碳化鎢堆焊合金[2]。這些材料一般用于耐磨堆焊。

綜合上述因素及公司生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇ER70S實(shí)心焊絲作為堆焊材料。ER70S是抗拉強(qiáng)度為70公斤級(jí)的低碳合金填充材料，裂紋敏感指數(shù)和綜合力學(xué)性能較好，可以作為過渡層材料使用。

2.3 堆焊工藝參數(shù)

堆焊層的指標(biāo)主要包括熔深大小、熔覆速度、變形大小、平面度、內(nèi)部及外觀質(zhì)量。本文介紹的斗齒堆焊，技術(shù)要求見表2所示。在堆焊研究中，焊接電流是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它對(duì)上述指標(biāo)都有著非常重要的影響，在堆焊應(yīng)用上一般希望在獲得較低熔深的同時(shí)，獲得較高的熔覆速度，實(shí)際上這是一個(gè)矛盾[3]。當(dāng)焊接電流過大時(shí)，單層焊道成型系數(shù)較差，焊趾直線性差，焊接流紋被打亂，過度的熱輸入造成熔深過大，影響區(qū)增加，因此焊接電流不宜太大。當(dāng)焊接電流過小時(shí)，堆焊層與母材融合不充分，熔池流動(dòng)性差，影響成型系數(shù)，且焊絲不能充分參與冶金反應(yīng)，易形成夾渣等缺陷。參考本公司挖斗焊接工藝，選定電流260~320 A、電壓26~31 V在Q345鋼板樣塊上進(jìn)行不同參數(shù)組合的堆焊試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比堆焊外觀質(zhì)量、堆焊面的平面度、變形量及剖切后的內(nèi)部質(zhì)量，確定表3中焊接參數(shù)。

表2 堆焊技術(shù)要求

表3 焊接參數(shù)

斗齒在鑄造時(shí)表面產(chǎn)生的冶金反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜，以及后期的運(yùn)輸和熱處理都會(huì)在表面形成“雜質(zhì)”化合物，因此堆焊前需對(duì)斗齒表面進(jìn)行打磨處理，一方面是去除表面雜質(zhì)，另一方面活化堆焊層表面，有利于熔覆層融合，活化深度0.5 mm左右。所有參與焊接的斗齒需進(jìn)行焊前磁粉探傷檢驗(yàn)，避免本身斗齒缺陷對(duì)焊接結(jié)果造成干擾。

斗齒為鑄件，焊接性較差，焊前需要預(yù)熱處理，否則很容易出現(xiàn)焊接裂紋。所以，預(yù)熱是堆焊前必須進(jìn)行的關(guān)鍵步驟，預(yù)熱溫度過高，或者保溫時(shí)間太長，斗齒的綜合力學(xué)性能相應(yīng)下降，主要表現(xiàn)在耐磨性和硬度方面低于設(shè)計(jì)指標(biāo)；若預(yù)熱溫度不夠，或者保溫時(shí)間太短，則預(yù)熱不充分，不能有效地去除組織中的游離氫原子，增加延遲裂紋產(chǎn)生的幾率，同時(shí)因未能建立起一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，造成焊接時(shí)溫度過于集中，各部分組織轉(zhuǎn)變不同步，形成組織應(yīng)力，兩者共同作用下，產(chǎn)生焊接裂紋[4]，本文介紹的斗齒堆焊，預(yù)熱溫度要求在150~220℃，焊接過程中層間溫度控制在150~220℃.一般情況下，無需對(duì)斗齒進(jìn)行保溫緩冷[5]。本文介紹的斗齒堆焊焊后空冷即可。

2.4 堆焊順序

斗齒堆焊面為異形面，且邊緣為圓弧過渡，直接堆焊難以滿足100%覆蓋率和平面度要求，因此合理的焊接順序和搭接方法也是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。經(jīng)過研究斗齒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需避免在斗齒邊緣堆焊時(shí)發(fā)生焊接熔池流淌，另外經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)，確定了圖2的焊接順序：斗齒兩側(cè)（調(diào)整位置為水平，寬度20 mm，見圖2中的序1和序2）→斗齒尾端（序3）→自一側(cè)連續(xù)搭接堆焊（序4，5，6……），需注意在每條焊縫焊完后須進(jìn)行收尾回?zé)?/p>

圖2 邊齒堆焊順序

3 堆焊質(zhì)量檢測

為了驗(yàn)證堆焊質(zhì)量，進(jìn)行了如下檢驗(yàn)：（1）堆焊外觀檢驗(yàn)：經(jīng)目視和磁粉探傷檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)焊接外觀缺陷；（2）內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)：經(jīng)剖切后進(jìn)行宏觀腐蝕和微觀組織檢驗(yàn)（見圖3），未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷；（3）硬度檢驗(yàn)：經(jīng)微觀硬度檢測（見圖4），熱影響區(qū)的硬度值小于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足ISO15614標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 宏觀腐蝕檢測

圖4 硬度檢測

經(jīng)過質(zhì)量驗(yàn)證，表明選用混合氣體保護(hù)焊，在指定的焊接工藝下，可以在斗齒表面堆焊出符合圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求的過渡熔覆層；150℃~220℃是比較理想的預(yù)熱溫度，可以在保持斗齒力學(xué)性能的同時(shí)，避免焊接裂紋的產(chǎn)生；280±10 A焊接電流可以保證焊道較好的成型性，堆焊層與母材結(jié)合良好，內(nèi)部質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

將鏟斗兩側(cè)的夾板與邊齒堆焊熔覆層進(jìn)行焊接，無需預(yù)熱批量生產(chǎn)將鏟斗運(yùn)用之后，未發(fā)現(xiàn)熔覆層與夾板焊接處開裂的現(xiàn)象。說明在斗齒焊接表面熔覆一層焊接性能較好的過渡層，避免斗齒與焊接電弧直接接觸，熱影響區(qū)（HAZ）的過熱區(qū)上移到可焊性較好的過渡層上，組織粗大脆化傾向減小，可有效降低焊接裂紋產(chǎn)生的幾率。

4 結(jié)束語

通過對(duì)挖掘機(jī)鏟斗斗齒堆焊要求進(jìn)行分析，根據(jù)公司實(shí)際情況，選用了ER70S-3，1.32實(shí)芯焊絲作為堆焊材料和混合氣體保護(hù)焊作為堆焊方法進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)，確定了堆焊工藝參數(shù)、預(yù)熱和層間溫度，焊接順序，搭接參數(shù)等。經(jīng)驗(yàn)證，堆焊工藝滿足堆焊質(zhì)量要求和鏟斗實(shí)際使用要求，取消了邊齒與夾板焊前需預(yù)熱的工藝，大大提高邊齒的焊接質(zhì)量，減少邊齒與斗體焊縫的開裂失效，提高了鏟斗的使用壽命，這無疑具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。