趙佳銘，岳峰麗，陳卓君，陳 彬

(1.沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽110159； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)業(yè)工程學院，沈陽 110866)

焊接是現(xiàn)代機械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車的發(fā)動機、變速器、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用，零部件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的高低絕大程度上取決于焊接；制造商一直致力于優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)性能，從車身重量、剛度和抗沖性、成本等方面進行研究。目前市場競爭激烈以及生產(chǎn)批量加大的情況，汽車焊接技術(shù)雖然性能穩(wěn)定，但其工作時間仍可以縮減，從而加強整體生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文嘗試采用氬弧堆焊工藝，用弧焊熱源將2Cr13熔敷在38CrMoAl表面，以獲得硬質(zhì)堆焊層；通過改變堆焊工藝參數(shù)以及對堆焊層性能進行測驗，研究堆焊工藝參數(shù)對堆焊層性能的影響規(guī)律[1-3]。

1 試驗材料、設(shè)備及試驗設(shè)計

1.1 焊條材料

本研究采用馬氏體不銹鋼2Cr13焊條，其具有高抗蝕性、抗氧化、高強度、高韌性和足夠的熱強性，具有較好的綜合機械性能[4]。2Cr13焊條化學成分如表1所示。

表1 焊條2Cr13化學成分 wt/%

1.2 基體材料

本研究堆焊基體選用中碳合金鋼38CrMoAl，該合金鋼硬度為950～1100Hv，耐磨性好，可加工性好，其化學成分如表2所示。

表2 基體38CrMoAl化學成分 wt/%

堆焊前對試件表面熱處理，對其800℃保溫10min，250℃低溫回火油淬，并用乙醇和超聲波清洗除油污。

1.3 試驗設(shè)備

設(shè)備選用WSE-350交直流脈沖氬弧焊機；硬度測試選用HV-1000手動轉(zhuǎn)塔顯微硬度儀；磨損試驗選用MM-200磨損試驗機；金相組織分析選用日立S-3400N掃描電鏡。

1.4 試驗設(shè)計

堆焊電流是氬弧焊中主要的工藝參數(shù)，其直接影響堆焊層的形成及力學性能。本研究選用的焊接電流為110A、120A、130A、140A、150A。

氬氣壓強也是一個重要工藝參數(shù)，氬氣壓強的大小影響氬氣保護的效果[5]。本試驗選用的氬氣壓強為5MPa和10MPa。

對磨損的評定方法，一般通過磨損量和磨損率兩個指標進行評定。

(1)磨損量

在實驗室摩擦磨損試驗中應(yīng)用最多的是重量磨損量ΔW，也是本研究采用的評定指標，指的是試樣磨損后重量的變化量。為減小試驗誤差，磨損前后使用超聲波清洗儀和無水乙醇對試件進行清洗，用吹風機吹干。

(2)磨損率

磨損率是重量磨損量與磨損時間之比，由于對達到的磨損程度、需要的時間很難把握，所以對實驗室的摩擦磨損試驗一般不采用該指標對金屬材料磨損進行評定。但本研究的磨損時間為固定值300min，磨損率也可以作為評價指標。

2 試驗結(jié)果與討論

圖1為2Cr13堆焊層顯微硬度隨焊接電流和氬氣壓強變化的曲線圖。

圖1 2Cr13堆焊層硬度隨焊接電流和氬氣壓強變化曲線

由圖1可看出，當氬氣壓強5MPa，焊接電流110A時，顯微硬度為3512.2Hv。焊接電流120A時，顯微硬度上升到3653.8Hv。焊接電流增長到130A時，焊條得到足夠能量與38CrMoAl熔合，堆焊層中有大量合金元素，使堆焊層組織得到強化，顯微硬度為3745.4Hv，比焊接電流110A時的顯微硬度提高了81.6Hv。焊接電流140A時，顯微硬度下降至3497.6Hv。焊接電流150A時，顯微硬度降至3444.2Hv。當電流超過130A時，熱輸入過大，堆焊層冷速減慢使硬度降低。

當氬氣壓強10MPa，焊接電流110A時，顯微硬度為3246.4Hv。焊接電流120A時，顯微硬度上升至3522.6Hv。焊接電流增長到130A時，顯微硬度較大，為3651.4Hv，比焊接電流110A時的顯微硬度提高了405Hv。焊接電流140A時，硬度下降至3439.4Hv。焊接電流150A時，顯微硬度下降至3269.2Hv。

當焊接電流相同時，在氬氣壓強分別為5MPa、10MPa，堆焊層硬度對比可以看出，氬氣壓強過大，氬氣的保護效果較差，導致5MPa的顯微硬度大于10MPa。當電流小于130A時，由于堆焊電流較小，焊條不能完全熔化，合金元素熔入較少，使熔池合金元素含量降低，堆焊層顯微組織中固溶體減少，導致組織硬度不高。當電流大于130A時，熱輸入過大，推焊層冷速減慢，使硬度降低。

圖2為在38CrMoAl上堆焊2Cr13磨損量隨焊接電流和氬氣壓強變化的柱狀圖。

圖2 2Cr13堆焊層磨損量隨堆焊電流和氬氣壓強變化圖

從圖2可以看出，氬氣壓強5MPa，焊接電流110A時，磨損量為31.6mg。焊接電流120A時，磨損量為24.1mg，比110A時的磨損量減少了7.5mg。焊接電流130A，磨損量為15.6mg，比120A時的磨損量減少了8.5mg。焊接電流140A時，磨損量為20.8mg，比130A時的磨損量增長了5.2mg。焊接電流150A時，磨損量為30.9mg，比130A時的磨損量增長了15.3mg。電流130A磨損量最少，為15.6mg，此時磨損率也最低，為0.52mg/min。

當氬氣壓強10MPa，焊接電流110A時，磨損量為35.7mg。焊接電流120A時，磨損量為26.0mg，比110A時的磨損量減少了9.7mg。焊接電流130A，磨損量為23.3mg，比120A時的磨損量減少了2.7mg。焊接電流140A時，磨損量為23.9mg，比130A時的磨損量增長了0.6mg。焊接電流150A時，磨損量為36.2mg，比140A時的磨損量增長了12.3mg。磨損量最少仍為130A時，為23.3mg，此時磨損率最低，為0.078mg/min。

在相同焊接電流下，氬氣壓強過大，保護效果較差，堆焊層組織結(jié)構(gòu)得不到強化導致磨損量增大，所以氬氣壓強10MPa的磨損量和磨損率均大于5MPa時，磨損量相差1.9～7.7mg，磨損率相差0.0063～0.025mg/min。

圖3、圖4分別為氬氣壓強5MPa、10MPa，焊接電流130A，2Cr13堆焊層SEM圖像。由圖3a看出，堆焊層和38CrMoAl分層明顯，且有明顯的斷面，約0.08mm，2Cr13熔渣與38CrMoAl熔合，焊接效果較好。由圖4a看出，堆焊層和38CrMoAl有明顯的斷層，約0.06mm，且與基體的分層較明顯，堆焊層組織出現(xiàn)凹坑、氣孔等焊接缺陷。由圖3b、圖4b看出，堆焊層組織為板條狀馬氏體，其具有較高的硬度和強度，在高倍下發(fā)現(xiàn)有較多的形狀各異、大小不等的組織和凹槽。堆焊層金相組織的硬質(zhì)相分布均勻，顯著提高了堆焊層的硬度和耐磨性。

圖3 氬氣壓強5MPa、焊接電流130A時堆焊層SEM圖像

圖4 氬氣壓強10MPa、焊接電流130A時堆焊層SEM圖像

圖5為氬氣壓強5MPa、10MPa，焊接電流130A，2Cr13堆焊層斷層附近Cr元素能譜圖。橫坐標為基體到堆焊層的截面深度，單位μm；縱坐標為能譜的計數(shù)率。

由圖5看出，堆焊層中的Cr 滲透到了38CrMoAl中，由于元素的相互滲透擴散，Cr的含量在斷層處有明顯的增長。隨著斷面深度的增加，Cr含量急劇升高，熔渣與38CrMoAl發(fā)生了冶金結(jié)合，提高了結(jié)合強度，從而增加了堆焊層的顯微硬度。對比圖5a、圖5b，當焊接電流為130A，氬氣壓強5MPa時，Cr含量增長均勻，說明堆焊層與基體結(jié)合的較好。氬氣壓強10MPa時，Cr含量突增，說明Cr在焊接過程中滲透的不好。

3 結(jié)論

本研究使用WSE-350氬弧焊機，通過改變不同的焊接電流和氬氣壓強，在38CrMoAl上堆焊2Cr13。通過對堆焊層進行硬度測試、耐磨性試驗，掃描電鏡組織分析得出：當氬氣壓強5MPa，焊接電流130A時，堆焊層的顯微硬度為3745.4Hv，磨損量為15.6mg，磨損率為0.052mg/min；焊層組織均勻，且無氣孔、凹坑等焊接缺陷，Cr在堆焊層和38CrMoAl中相互滲透的比較好，耐磨性較強，可以有效的提高曲軸的耐磨性。