雷錦宏，周秋忠，陳卓君，崔 良，顧小龍

(1.沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159；2.浙江亞通焊材有限公司，杭州 310030)

曲軸是發(fā)動機的關鍵零件之一，將活塞的往復運動轉化為轉動，曲軸的質(zhì)量直接影響著工作系統(tǒng)的性能。曲軸連續(xù)運轉時，軸頸表面受到周期變化的壓力、慣性力和扭矩的復合作用。長期服役的曲軸容易出現(xiàn)軸頸磨損、燒傷、擦傷和疲勞斷裂，影響曲軸工作精度，造成曲軸失效，若不及時處理，會對機器和人身安全構成嚴重威脅。曲軸需求數(shù)量多且價格昂貴，占整機成本的10%～20%，整根曲軸報廢極其浪費，而進口曲軸除了價格昂貴外，備用件很少，一旦損壞將嚴重影響系統(tǒng)運轉。因此，為延長曲軸的使用壽命，提高其服役性能，本文選擇堆焊技術對曲軸表面進行修復，研究在不同電流和氬氣流量下堆焊層的各項性能的好壞，確定曲軸修復過程中較好的工藝參數(shù)，為進一步優(yōu)化堆焊工藝參數(shù)提供理論基礎的參考與指導[1-2]。

1 試驗材料、設備及方案

1.1 焊絲材料

焊絲牌號為SHQ-605，其化學成分如表1所示。

表1 SHQ-605焊絲化學成分 %

1.2 基體材料

選用軸用低碳鋼材料20CrMnTi作為堆焊的基體材料，20CrMnTi試件尺寸為30mm×10mm×8mm。對試件進行表面熱處理，淬火的溫度為840℃，保溫時間為10min，回火的溫度為180℃。選用600#、800#、1200#等砂紙對熱處理后的試件表面進行打磨和拋光，并用無水乙醇清洗后吹干密封保存。

1.3 試驗設備

1.3.1 氬弧焊機

研究用上海長濤焊接設備有限公司生產(chǎn)的WSE-350交直流脈沖氬弧焊機，其最小焊接電流為10A，最大焊接電流為350A，穩(wěn)弧性能較好，同時也可以焊接薄、中、厚多種材料，穩(wěn)定性好。脈沖峰值電流和脈沖基值電流均為5～350A，脈沖電流、脈沖基值時間、氣體滯后關斷時間為無級調(diào)節(jié)，具有脈沖氬弧焊、交直流點焊及手工焊的使用功能。焊接電流緩慢上升和衰減，有利于收弧時填滿弧坑，從而避免堆焊層產(chǎn)生裂紋。

1.3.2 MDW-02往復式摩擦磨損試驗機

往復式摩擦磨損試驗機主要用于材料及表面涂層的摩擦磨損性能測試。該機采用砝碼加載(50～2000g)；自動恒定加載；動態(tài)交變加載(正弦波加載、三角波、梯度加載)三種加載方式，可模擬點、線、面的接觸形式進行往復運動。本研究試驗條件：室溫，試驗力為25N，試驗頻率為2Hz，試驗時間為60min。通過摩擦系數(shù)和磨損率來表示堆焊試樣的耐磨性。

1.4 試驗方案

在氬弧焊焊接過程中，影響堆焊層耐磨性能的參數(shù)有焊接電流I，電弧電壓U，焊接速度V，氬氣流量Q。焊接電流是氬弧焊中最重要的工藝參數(shù)，決定了堆焊過程中的熱量輸入。氬氣流量也是一個重要參數(shù)，如果氬氣流量過小，氣流挺度不夠，影響氬氣保護效果；如果氬氣流量過大，容易形成紊流，同樣影響氬氣保護效果。本試驗中的固定參數(shù)焊接速度為12cm/min，電弧電壓為20V。變化參數(shù)為焊接電流I和氬氣流量Q。焊接電流I，堆焊前進行試焊，發(fā)現(xiàn)焊接電流小于30A時，焊絲和基體的熔合不充分。焊接電流大于110A時，試樣熔化變形較大，故選擇起始電流為30A，終止電流為110A，間隔增量為20A，焊接電流取值為30A、50A、70A、90A、110A。氬氣流量Q，選用氬氣流量為8L/min、12L/min[5]。

2 試驗結果與分析

2.1 硬度測試

氬氣流量為8L/min和12L/min試驗組的顯微硬度變化如圖1所示。

圖1 各試驗組顯微硬度變化

由圖1可知，當氬氣流量為8L/min時，隨著焊接電流從30A增大到110A，堆焊層的顯微硬度總體趨勢是下降的，但在50～70A，90～110A時有少許的增加；當氬氣流量為12L/min時，隨著焊接電流的增加，顯微硬度是緩慢增加的。氬氣流量為8L/min，焊接電流為30A、50A、70A時，堆焊層顯微硬度依次為3549HV、2873HV、2942HV；氬氣流量為12L/min，焊接電流30A、50A、70A時堆焊層顯微硬度2291HV、2419HV、2544HV。此時氬氣流量8L/min試驗組顯微硬度大于氬氣流量12L/min試驗組顯微硬度，且兩者之間差值逐漸減少。氬氣流量為8L/min，焊接電流為90A、110A時，堆焊層顯微硬度分別為2335HV、2433HV；氬氣流量為12L/min，焊接電流為90A、110A時堆焊層顯微硬度2522HV、2646HV，此時氬氣流量8L/min試驗組顯微硬度小于氬氣流量12L/min試驗組顯微硬度，且兩者之間顯微硬度差值不大。氬氣流量為8L/min時，顯微硬度值的下降比較劇烈；氬氣流量為12L/min時，顯微硬度值的上升比較緩慢。由此可知，當焊接電流為30A，氬氣流量為8L/min時，堆焊層的顯微硬度最大，顯微硬度值為3549HV。

2.2 耐磨性能分析

各試驗組摩擦系數(shù)的變化趨勢基本一致，其中部分試驗組試樣的摩擦力-時間-摩擦系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 部分20CrMnTi試件摩擦力-時間-摩擦系數(shù)曲線

由圖2可知，在磨損試驗開始的一段時間之內(nèi)，摩擦系數(shù)緩慢增加，其值在0.2～0.8，原因可能是堆焊層的表面有一層氧化膜，導致摩擦系數(shù)減小，在氧化膜破損后，摩擦系數(shù)達到穩(wěn)定，其值在0.2～0.8。對比氬氣流量8L/min和12L/min可知，8L/min時的摩擦系數(shù)上升期較12L/min時長，可能是因為12L/min時保護效果更好，氧化膜較薄所致。

各試驗組試件的摩擦系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 各試驗組試件的摩擦系數(shù)變化

由圖3可知，摩擦系數(shù)的變化大約是0.25～0.61。氬氣流量8L/min時，隨著焊接電流從30A增加到110A，摩擦系數(shù)先變小到0.27然后增大到0.61，最后再變小到0.25；90A時，摩擦系數(shù)有最大值0.61；110A時，摩擦系數(shù)有最小值0.25。氬氣流量12L/min時，隨著焊接電流從30A增大到110A，摩擦系數(shù)先增大到0.58，然后減小到0.5，90A時達到最大值0.58；30A時，摩擦系數(shù)最小，其值為0.29。當焊接電流為30A時，氬氣流量為8L/min時的摩擦系數(shù)幾乎為12L/min時的兩倍；50～90A時，氬氣流量8L/min和氬氣流量12L/min時的摩擦系數(shù)變化趨勢一樣，且摩擦系數(shù)的值也相差不大；110A時，氬氣流量12L/min時的摩擦系數(shù)是氬氣流量8L/min時摩擦系數(shù)的兩倍。由此可知，焊接電流為30A時，氬氣流量12L/min時的耐磨性好于氬氣流量8L/min時的耐磨性；焊接電流為110A時，氬氣流量8L/min時的耐磨性好于氬氣流量12L/min時的耐磨性，50～90A時，氬氣流量8L/min和12L/min的耐磨性相差不大。

磨損率計算公式：

(1)

式中：V為磨損量；t為磨損時間；F為加載載荷。

氬氣流量為8L/min和12L/min試驗組的磨損率變化曲線如圖4所示。

圖4 各試驗組試樣磨損率變化

氬氣流量8L/min時，隨著焊接電流從30A增加到110A，磨損率先變小然后增大，最后再變小，90A時，摩損率有最大值6×10-7g/N·min；110A時，磨損率有最小值2×10-7g/N·min。氬氣流量12L/min時，隨著焊接電流從30A增大到110A，磨損率先增大后減小，70A時達到最大值7.33×10-7g/N·min；30A時磨損率最小，為2.67×10-7g/N·min。當焊接電流為30A時，氬氣流量8L/min時的磨損率和氬氣流量12L/min時的磨損率相差值為0.67×10-7g/N·min；50～90A時，氬氣流量8L/min時磨損率逐漸增大，12L/min時磨損率先增大后減?。?10A時，氬氣流量12L/min時的磨損率比8L/min時的磨損率大0.67×10-7g/N·min。對比圖3的摩擦系數(shù)圖線，說明磨損率與摩擦系數(shù)是成正比的關系。由此可知，氬氣流量8L/min，50A時，涂層硬度較高，磨損率較小，其值為2×10-7g/N·min，此時堆焊層的耐磨性能較好。

氬氣流量8L/min，焊接電流50A時堆焊層SEM圖像如圖5所示。由圖5a可知，堆焊層與基體熔合良好，沒有氣孔等焊接缺陷。由圖5b可知，堆焊層金相組織中主要為板條狀馬氏體，具有較高的硬度和強度。氬氣流量12L/min，焊接電流50A時堆焊層堆焊層SEM圖像如圖6所示。由圖6a所示，堆焊層與基體熔合良好，分層明顯。由圖6b可知，堆焊層金相組織中主要也為板條狀馬氏體，但表面有較多氣孔，導致硬度下降，磨損量增大[6]。

圖5 氬氣流量8L/min、焊接電流50A時20CrMnTi堆焊層SEM圖像

圖6 氬氣流量12L/min、焊接電流50A時20CrMnTi堆焊層SEM圖像

3 結論

通過改變不同的焊接電流和氬氣流量，在20CrMnTi上堆焊SHQ-605耐磨焊絲，通過對堆焊層進行顯微硬度測試、摩擦磨損性能測試、掃描電鏡組織分析，得出焊接電流為50A，氬氣流量為8L/min時，堆焊層顯微硬度2837HV，摩擦系數(shù)0.27，磨損率為2×10-7g/N·min，堆焊層的耐磨性能較好，是曲軸修復過程中較好的堆焊工藝參數(shù)。