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        鋁青銅與合金鋼焊接工藝研究

        2018-11-29 08:23:22高宗讓
        金屬加工(熱加工) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:合金鋼電弧焊夾渣

        ■ 高宗讓

        自升式鉆井平臺CJ46懸臂梁X-Y滑移機(jī)構(gòu)的耐磨板為鋁青銅,它要與合金鋼本體進(jìn)行焊接。由于鋁青銅與鋼在物理性能和化學(xué)組織方面差別很大,這就對焊接帶來很大困難,焊接時易產(chǎn)生未熔合和裂紋,易在焊縫中產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷。我們利用公司現(xiàn)有的焊接資源,通過對S221焊絲氧乙炔火焰焊、Cu237焊條電弧焊、UTP A34N焊絲熔化極氬弧焊的試驗(yàn)分析對比,成功研究出方便有效焊接鋁青銅與合金鋼的SMAW+GMAW組合焊工藝。

        1.試驗(yàn)材料

        (1)鋁青銅 本試驗(yàn)采用鋁青銅為ASTM B171 C6300,厚度15mm,其化學(xué)成分、力學(xué)性能和物理性能分別如表1~表3所示。

        (2)合金鋼 本試驗(yàn)采用合金鋼為ABS DH36,厚度15mm,其化學(xué)成分、力學(xué)性能和物理性能分別如表4~表6所示。

        表1 ASTM B171 C6300的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表2 ASTM B171 C6300的力學(xué)性能

        表3 ASTM B171 C6300的物理性能

        表4 ABS DH36的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表5 ABS DH36的力學(xué)性能

        表6 ABS DH36的物理性能

        (3)焊接性分析 由于鋁青銅熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)低、線脹系數(shù)大,焊接時易產(chǎn)生未焊透和裂紋;另外,焊接時因鋁被氧化而形成致密難熔的Al2O3薄膜覆蓋在熔池表面,易在焊縫中產(chǎn)生夾渣和氣孔。

        由于鋼熔點(diǎn)為1536℃,鋁青銅為1060℃,二者相差很大,鋼與鋁青銅焊接時,鋼側(cè)難熔化極易形成未熔合;鋁青銅與鋼合金系不同,焊接時也易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷。因此,鋁青銅與鋼的焊接比較難,焊接工藝的重點(diǎn)是要解決未熔合及裂紋問題。

        2.焊接試驗(yàn)

        (1)焊接工藝 鋁青銅與鋼的焊接方法很多,比如釬焊、氧乙炔火焰焊、鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊及焊條電弧焊等。釬焊最適合異種金屬的焊接,但因其接頭強(qiáng)度低、施工效率低,不適合懸臂梁X-Y滑移機(jī)鋁青銅耐磨板與鋼的焊接。根據(jù)我們工廠的現(xiàn)有焊接工藝條件,本文依次用氧乙炔火焰焊、熔化極氬弧焊、焊條電弧焊方法對鋁青銅與鋼的焊接進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

        對于焊接材料的選擇,必須兼顧鋁青銅和鋼。查詢焊接資料,氧乙炔火焰焊的S221焊絲、焊條電弧焊的Cu237焊條、UTP A34N焊絲熔化極氬弧焊的UTP A34N焊絲均能焊接鋁青銅與鋼,故我們選上述焊材進(jìn)行焊接試驗(yàn),優(yōu)選其中比較經(jīng)濟(jì)可行的方案。

        由于實(shí)際產(chǎn)品中鋁青銅與鋼的連接形式為角接,因此本試驗(yàn)利用T形接頭角焊縫來研究其焊接工藝。

        (2)氧乙炔火焰氣焊 選用S221(φ3mm)焊絲和HJ301進(jìn)行試驗(yàn),S221化學(xué)成分如表7所示。

        表7 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        表8 UTP A34N的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表9 UTP A34N的力學(xué)性能

        表10 GMAW焊接參數(shù)

        焊接位置:2F;火焰性質(zhì):中性焰;預(yù)熱溫度:400℃。宏觀金相顯示:焊縫中有夾渣和氣孔,與鋼側(cè)熔合線很直,鋼側(cè)未熔合,呈虛焊狀(見圖1)。

        (3)熔化極氬弧焊 焊材成分和性能:我們工廠已經(jīng)積累了熔化極氬弧焊修補(bǔ)鋁青銅螺旋槳的工藝經(jīng)驗(yàn),采用的焊絲為UTP A34N(φ1.2mm),故我們用該焊絲來進(jìn)行試驗(yàn)。焊絲UTP A34N化學(xué)成分和力學(xué)性能如表8、表9所示。

        焊接參數(shù):焊前用氧乙炔火焰把接頭區(qū)域預(yù)熱,主要加熱鋼板,使其溫度達(dá)到350~400℃,銅板溫度可低些, 150℃左右即可;焊后馬上用絲綿覆蓋,保溫緩冷。具體焊接參數(shù)如表10所示。

        圖1 氧乙炔氣焊宏觀金相

        圖2 熔化極氬弧焊宏觀金相

        宏觀金相顯示:鋁青銅側(cè)咬邊最大0.5mm,未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣等,焊縫與DH36交界為直線且與板邊基本平齊,敲斷后發(fā)現(xiàn)熔合不良,為虛焊狀態(tài)(見圖2)。

        合金鋼DH36側(cè)熔合不良的分析:由于鋼的熔點(diǎn)比鋁青銅熔點(diǎn)高約500℃,當(dāng)鋁青銅已熔化時而鋼還未開始熔化,再加上鋁青銅焊絲因熔點(diǎn)低熔覆率高,大量熔化的焊絲金屬液體堆積在未熔化的DH36表面,就形成了合金鋼鋼側(cè)焊縫的未熔合,也可以稱作“滿溢”。理論上焊接電流增加,熔深會增大,但是對熔化極氣保焊焊接電流增加,送絲速度也會加快,焊絲的熔化和熔覆也同時就加快了。因此,通過增加電流并不能改變這種狀態(tài)。也許,改變電焊機(jī)的電特性及電弧反饋系統(tǒng)可以將此改善。

        (4)焊條電弧焊 焊材分析:選用Cu237(φ3.2mm)焊條進(jìn)行試驗(yàn),其化學(xué)成分如表11所示。

        焊接參數(shù):焊前用氧乙炔火焰把接頭區(qū)域預(yù)熱,使其溫度達(dá)到200~250℃;焊后馬上用絲綿覆蓋,保溫緩冷;焊條經(jīng)過200~250℃×2h的烘干才能使用。具體焊接參數(shù)如表12所示。從焊接過程中可見:Cu237焊接時與鋼熔合好,飛濺少;但與鋁青銅工藝性差,飛濺大,熔合難。

        (5)組合焊(SMAW+GMAW) 從上述結(jié)果看,單獨(dú)用氧乙炔氣焊、熔化極氬弧焊、焊條電弧焊來焊接鋁青銅與合金鋼,其結(jié)果都不理想。氧乙炔氣焊缺陷多且效率低;熔化極氬弧焊效率高、焊縫與鋁青銅熔合好,而與鋼熔合差;焊條電弧焊焊縫與鋁青銅熔合差,而與鋼熔合好。鑒于此,我們重新設(shè)計(jì)焊接工藝,用Cu237焊條在合金鋼側(cè)打底焊接過渡層,然后用UTP A34N焊絲焊接連接焊縫。

        組合焊焊接參數(shù):焊前用氧乙炔火焰把接頭區(qū)域預(yù)熱,主要加熱鋼板,使其溫度達(dá)到250~300℃,然后用Cu237焊條在合金鋼側(cè)打底焊接過渡層(見圖3),再用UTP A34N焊絲焊接主連接焊縫;連接焊縫焊接時層間溫度要保持在150℃以上;焊后馬上用絲綿覆蓋,保溫緩冷。具體焊接參數(shù)如表13所示。

        試驗(yàn)結(jié)果:焊縫表面用PT檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷,宏觀金相顯示焊縫熔合良好,未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷(見圖4)。

        圖3 組合焊(SMAW+GMAW)示意

        圖4 組合焊(SMAW+GMAW)宏觀金相

        表11 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表12 SMAW焊接參數(shù)

        表13 SMAW+GMAW組合焊焊接參數(shù)

        3.結(jié)語

        用上述組合焊工藝焊接自升式鉆井平臺CJ46懸臂梁X-Y滑移機(jī)構(gòu)的ASTM B171 C6300鋁青銅耐磨板與DH36合金鋼機(jī)體,一次焊接成功。不僅焊縫熔合良好,沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷,而且GMAW焊接工藝效率高,成本低。

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