□ 葛志德 □ 郭 勐 □ 荊 皓

中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1　問(wèn)題的提出

硬質(zhì)合金耐磨件是道碴挖掘機(jī)械上一個(gè)耐磨性能要求較高的部件，這一部件一方面要承擔(dān)挖掘鏈及挖掘鏈輪所受的道碴挖掘阻力，另一方面還要承受道碴清篩過(guò)程中的磨損。為了保證鏈輪側(cè)板的工作性能，要求側(cè)板端面具有較高的耐磨性能，因此需要在側(cè)板的端面上釬焊硬質(zhì)合金，以保證其耐磨性。

硬質(zhì)合金的釬焊方法很多，包括火焰釬焊、鹽浴釬焊、氣相釬焊、電阻釬焊、感應(yīng)釬焊、保護(hù)氣體爐中釬焊、真空釬焊等［1］。合適的釬焊間隙、正確的火焰加熱過(guò)程和添加釬料方法是保證釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵［2］。采用火焰釬焊，加熱時(shí)間長(zhǎng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)由于加熱時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)基材的硬度有較大影響。采用感應(yīng)釬焊，加熱速度快，工藝穩(wěn)定性能好，但由于需要焊接硬質(zhì)合金片較多，必須采用工裝固定，工件和工裝體積較大，使感應(yīng)釬焊線圈離工件較遠(yuǎn)，熱影響區(qū)變大，造成側(cè)板基材硬度降低。采用真空爐中釬焊將工件整體加熱，同樣會(huì)降低基材性能。因此，必須選用合適的加熱方法，在保證釬焊強(qiáng)度的同時(shí)，避免基材硬度受到較大影響，從而滿足工件的使用性能要求。

2　釬焊工藝的選擇

采用感應(yīng)加熱與火焰加熱相結(jié)合的工藝，即以中頻感應(yīng)加熱提高工件溫度，再以局部火焰加熱進(jìn)行釬焊硬質(zhì)合金片，這樣既可以減少火焰加熱的時(shí)間，提高焊接效率，又可以通過(guò)人工控制火焰加熱的位置和時(shí)間，防止基材過(guò)熱。

3　材料的選用

42CrMo廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金釬焊類磨耗件領(lǐng)域，作為基體材料，具有良好的力學(xué)和耐磨損性能，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

硬質(zhì)合金的焊接性能較差［3］，選擇合適的硬質(zhì)合金對(duì)焊接質(zhì)量有密切影響。因此，選用具有良好潤(rùn)濕性和鋪展性的釬料，以及選用焊接性能相對(duì)較好的硬質(zhì)合金，能夠更容易獲得優(yōu)質(zhì)、飽滿的焊縫。經(jīng)過(guò)比較，硬質(zhì)合金選用 YG15［4］，其晶粒度為 2～3 μm，密度為13.9～14.1 g/cm3，鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 14.8%～15.2%。 鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的硬質(zhì)合金，具有較好的沖擊韌性，同時(shí)還具有較大的抗彎強(qiáng)度。

釬料的選用要考慮焊接溫度、潤(rùn)濕性要求，以及與母材形成冶金結(jié)合性能的要求等，同時(shí)還要滿足焊縫物理、化學(xué)及力學(xué)性能要求。釬料的化學(xué)成分見(jiàn)表2，其熔化溫度為671～779℃，釬焊溫度為779～899℃。

在釬焊過(guò)程中，為了使釬料更好地流動(dòng)和獲得質(zhì)量更好的焊縫，應(yīng)選用釬劑作為助焊劑。助焊劑的作用主要是去除表面雜物，增強(qiáng)釬料在焊接表面的鋪展能力，隔絕焊接面與空氣而防止氧化。基于以上考慮，釬劑采用FB102C銀焊膏，能夠滿足焊接需要。

表1　42CrMo化學(xué)成分

表2　釬料化學(xué)成分

4　釬焊過(guò)程

焊前處理、裝夾、加熱方式對(duì)焊接的效率和焊縫強(qiáng)度等有不同影響。在釬焊過(guò)程中，焊縫排渣也會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成影響。筆者采用不同的試驗(yàn)方案研究釬焊方法對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

4.1　焊前處理

硬質(zhì)合金釬焊和其它釬焊一樣需要焊前處理，目的是為釬焊創(chuàng)造有利條件，以獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。一般焊前對(duì)硬質(zhì)合金的處理有機(jī)械、化學(xué)、物理、超聲波、電化學(xué)去膜等方法。筆者對(duì)硬質(zhì)合金和基材采用噴砂方法去除表面雜質(zhì)，同時(shí)考察噴砂工序?qū)︹F焊表面及釬焊質(zhì)量的影響。

由于需焊接的硬質(zhì)合金片較多，因此為提高釬焊效率和質(zhì)量，在焊接前用工裝將硬質(zhì)合金片固定。

4.2　焊接工藝

采用中頻感應(yīng)加熱至450℃左右對(duì)基材的硬度影響較小，再采用火焰加熱至釬焊溫度850℃左右，釬焊完成后在250～300℃內(nèi)保溫。應(yīng)用這一工藝，可以減小加熱對(duì)基材硬度的影響，同時(shí)使焊接加熱時(shí)間有很大縮短。

釬焊時(shí)若沒(méi)有排渣操作，將硬質(zhì)合金片加熱至暗紅色，有釬料從硬質(zhì)合金片四周均勻析出，將工裝擰緊。釬焊時(shí)若有排渣操作，將硬質(zhì)合金片加熱至暗紅色，當(dāng)有釬料均勻析出時(shí)，松開(kāi)緊固工裝，輕微移動(dòng)硬質(zhì)合金片，使焊渣及時(shí)排出，然后擰緊工裝。對(duì)兩種操作進(jìn)行對(duì)比，考察排渣工序?qū)τ操|(zhì)合金釬焊質(zhì)量的影響。

4.3　焊接試驗(yàn)方案

焊接試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3　焊接試驗(yàn)方案

每個(gè)焊接試驗(yàn)方案做三個(gè)焊接試樣，針對(duì)每個(gè)試驗(yàn)方案隨機(jī)選擇一個(gè)試樣進(jìn)行分析研究。

5　焊接試樣分析

試驗(yàn)用設(shè)備包括顯微硬度儀［5］、能譜儀、電子顯微鏡、液壓壓力機(jī)等。

5.1　焊接工藝

采用顯微硬度儀檢測(cè)試樣，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金在釬焊后基材硬度有一定下降，見(jiàn)表4。離焊縫位置較近，即熱影響區(qū)（圖1）位置硬度下降得更多。

5.2　焊縫剪切強(qiáng)度

釬焊質(zhì)量通過(guò)剪切試驗(yàn)確定。焊縫剪切強(qiáng)度測(cè)試如圖2所示，壓力機(jī)將壓頭向下擠壓硬質(zhì)合金，檢測(cè)焊縫受剪切力后斷裂時(shí)的最大剪切力。

焊縫剪切強(qiáng)度作為硬質(zhì)合金釬焊的主要參數(shù)，直接反映了釬料與基材及硬質(zhì)合金的熔合情況。按不同焊接試驗(yàn)方案得到的焊縫，經(jīng)剪切強(qiáng)度測(cè)試，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。對(duì)基材進(jìn)行噴砂和排渣處理，焊縫的平均強(qiáng)度達(dá)到287.5 MPa，與基材沒(méi)有噴砂但有排渣處理的試驗(yàn)相比，強(qiáng)度有較大提高。試驗(yàn)方案1相比試驗(yàn)方案3的強(qiáng)度也有明顯提高。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，焊前對(duì)基材進(jìn)行噴砂處理，提高了焊縫剪切強(qiáng)度，這是因?yàn)榛谋砻鎳娚澳苡行г龃蠛缚p的接觸面積，對(duì)焊縫強(qiáng)度的提高有較大幫助。

▲圖1 焊接熱影響區(qū)

▲圖2 焊縫剪切強(qiáng)度測(cè)試

從圖3可以看出，焊縫排渣較好的剪切斷面比較光滑，焊料鋪展比較均勻，而沒(méi)有排渣操作的斷面有明顯的焊渣存在。這是因?yàn)楹冈鼪](méi)有及時(shí)排出，影響了釬料的鋪展，減小了硬質(zhì)合金與基材的有效焊接面積，在斷面處呈現(xiàn)不整齊形貌，降低了焊接強(qiáng)度?；膰娚昂蟊砻娉尸F(xiàn)不規(guī)則的凹凸，增大了焊接面的有效釬焊面積，同時(shí)也能使釬料在基材的結(jié)合面形成更好的互熔，增加了剪切強(qiáng)度，如圖4所示。

表4　試樣硬度

表5　焊縫剪切強(qiáng)度

5.3　焊縫顯微組織

釬焊過(guò)程中，焊料與基材及硬質(zhì)合金進(jìn)行相互作用，形成緊密結(jié)合的微觀組織，通過(guò)對(duì)焊縫的微觀組織進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)其與焊接質(zhì)量有密切聯(lián)系。

圖5為釬焊焊縫顯微組織，可以看出，釬料與基材及硬質(zhì)合金連接的界面清晰，結(jié)合較好，無(wú)氣孔、裂紋、脫焊等明顯釬焊缺陷，釬料在焊接過(guò)程中表現(xiàn)出較好的焊接性能。圖5中上側(cè)靠近硬質(zhì)合金的焊縫反應(yīng)界面形成了一層薄且均勻的帶狀反應(yīng)區(qū)，下側(cè)為釬料與基材的反應(yīng)界面，基材在焊接前進(jìn)行了噴砂處理，焊接面表現(xiàn)出凹凸不平，使釬料與基材的結(jié)合緊密，沒(méi)有明顯缺陷。在剪切測(cè)試中，釬焊界面的斷裂從釬料處斷裂，硬質(zhì)合金片及基材表面釬料斷面均勻平整，從側(cè)面驗(yàn)證了釬焊工藝，達(dá)到了焊接質(zhì)量要求。

▲圖3 剪切斷面形貌

▲圖4 試驗(yàn)方案1焊縫結(jié)合情況

5.4　釬焊焊縫元素?cái)U(kuò)散分布情況

為考察釬料在焊接過(guò)程中的擴(kuò)散分布情況，對(duì)焊接試樣做了能譜分析，考察焊接界面及焊縫各處的元素分布情況。圖6中，橫坐標(biāo)為從硬質(zhì)合金側(cè)至基材側(cè)的距離，縱坐標(biāo)數(shù)值為能譜計(jì)數(shù)率，反映焊縫中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨勢(shì)。

釬焊的加熱過(guò)程是釬料與基材及硬質(zhì)合金擴(kuò)散、融合的過(guò)程，元素之間的互相擴(kuò)散形成了一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)體系，這一擴(kuò)散的過(guò)程也是形成較佳連接焊縫的保證。在不同的釬焊溫度下，焊縫中的元素分布規(guī)律基本相同［7-8］，然而各個(gè)元素的擴(kuò)散、富集也有自身的規(guī)律。鉻的擴(kuò)散相對(duì)均勻，在硬質(zhì)合金及釬料中都有很大程度的存在，在焊縫的反應(yīng)界面富集較多，原本只存在于釬料中的鎳在兩側(cè)也有一定的擴(kuò)散。銅、鋅、鈉在焊接后大部分存在于釬料中，銅在釬焊界面中富集較為明顯。硬質(zhì)合金中鈷的擴(kuò)散較為活躍，通過(guò)長(zhǎng)程擴(kuò)散至基材中，在釬焊界面及基材中有明顯增多，顯示其具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，且與鐵形成固溶體［9-11］。銀在焊接過(guò)程中的區(qū)域富集情況較明顯，界面附近的銀較多。從上述元素?cái)U(kuò)散分布情況可以看出，雖然釬焊的釬焊溫度相對(duì)較低，焊接時(shí)間相對(duì)較短，但焊縫中的各個(gè)元素在一定程度上得到了充分的融合。

▲圖5 試驗(yàn)方案1焊縫顯微組織

▲圖6 釬焊焊縫元素?cái)U(kuò)散分布情況

6　結(jié)論

應(yīng)用中頻感應(yīng)加熱工件至一定溫度，然后進(jìn)行火焰釬焊，在保證基材硬度的同時(shí)能確保焊接質(zhì)量，同時(shí)得出如下結(jié)論：

（1）基材的噴砂處理增大了焊接過(guò)程中的接觸面積，顯著提高焊接強(qiáng)度；

（2）焊接過(guò)程中的排渣操作必不可少，采取排渣工作能改善焊縫的釬料鋪覆，提高焊接性能；

（3）采用工藝方案1的釬焊焊縫，銅、鈷、銀等元素的擴(kuò)散比較充分，可獲得較好的焊接質(zhì)量。

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