摘 要：用S214Φ2.0铝青铜焊丝TIG焊在42CrMo方轴上堆焊铝青铜，可增加方轴的耐磨性及抗蚀性，但焊接工藝要求严格。采用适当的焊接工艺及热处理工艺焊后经检查堆焊层无剥落、气孔、裂纹和未融合等缺陷，堆焊金属的硬度分布在160-190HB，满足使用要求。
关键词：42CrMo；TIG焊；堆焊；工艺
1 概述
42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火淬性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，高温时有高的蠕变强度和持久强度。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料磨具、机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹等。
铝青铜可热处理强化，其强度比锡青铜高，抗高温氧化性也好，有较高的强度，良好的耐磨性和抗蚀性，可用于强度比较高的螺杆、螺帽、铜套、密封环等，和耐磨的零部件，最突出的特点就是其良好的耐磨性。
由以上两种材料的特性可知，在42CrMo钢上堆焊铝青铜的零件，既有42CrMo的超高强度和韧性大等特点，又有铝青铜的良好耐磨性和抗蚀性等特点。
2 焊接性分析
在铜/钢[1]焊接中，一方面铜与铁的熔点、导热系数、线膨胀系数和力学性能等都有很大的差异，表1为铜和铁常见的物理性能，铜的热导率比铁大，在20℃时为7倍多。
而在1000℃时为11倍多；铜的收缩率是铁的2倍多。因此在焊接时主要存在以下三个问题：焊缝易产生热裂纹、热影响区产生铜的渗透裂纹、焊接接头力学性能下降等；另一方面，铜与钢的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数目等都比较接近，且铜与铁属于在液态时无限互溶，在固态下虽为有限固溶，但并不形成脆性金属间化合物，而是由铁的化合物和单相的α铜固溶体组成的双相组织形式存在，而这是二者实现焊接的基本依据。因此，只要克服上述铜与铁在物理性能上存在的差异，获得可靠的焊接接头是可行的。
42CrMo合金调质钢[2]，其化学成分和力学性能如表2所示，通过国际焊接学会推荐的碳当量公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15（%），可得Ceq（42CrMo）=0.67～0.88%，当CE>0.6%时，焊接性较差。42CrMo的淬硬倾向大，焊接时容易产生冷裂纹和热影响区脆化，因此对焊接工艺有严格的要求。
3 实验工件及焊接工艺
3.1 实验工件
实验工件材质为42CrMo方轴，尺寸为240×250×300，如图1所示。
3.2 焊接工艺
考虑方轴的材质和堆焊上去的青铜必须具有较好的力学性能、耐磨性、耐腐蚀能力、能保持一定的塑性和良好的焊接性等方面因素，选择S214Φ2.0铝青铜焊丝[3]。其中Al元素起到固溶强化和细化晶粒的作用，从而提高堆焊层的塑性和耐蚀性又可以对堆焊层进行脱氧、脱氮，防止气孔等缺陷。为减少母材及焊丝中合金元素的烧损及氧化选择TIG焊，该焊接方法热源集中、热效率高、电弧稳定和焊缝质量可靠等优点。经多次实验按照表3所示工艺施焊可获得良好的堆焊层。
4 焊接及热处理工艺要点
4.1 焊接工艺要点
焊接前对方轴待焊区域及其四周30mm内进行去除铁锈、油污、氧化膜等，以便减少焊接质量变差的影响因素，焊丝在焊前需在250℃温度下烘烤2h后方可使用。为避免因堆焊层冷却过快导致热裂纹倾向增大，焊接方向不宜沿着轴的方向进行，应垂直于轴的方向施焊。为减少因焊接时引起的横向变形和残余应力，从轴的中间向两断面焊接，靠近两个端面的那两道焊缝应留到最后焊接，让焊缝金属自由收缩。端面处温度控制在350℃左右，可以防止焊缝金属中产生过多的淬硬组织和渗透裂纹。焊接过程中若发生钨极和熔池金属粘连，则要将粘连点打磨干净后再堆焊，这样可以避免焊缝金属中出现夹钨，弱化焊缝金属的力学性能；并且应注意保证填满弧坑和良好的焊缝成形，因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处[4]。
4.2 热处理工艺要点
预热可以减小母材的淬硬倾向，减缓焊接接头的冷却速度，有利于焊接部位形成塑性组织，同时有利于焊缝氢的逸出，有效防止氢致冷裂纹。焊接前在堆焊处预热350℃-400℃，焊接时堆焊处应保持在250℃-350℃。为了焊缝中的扩散氢尽快地逸出及降低残余应力，防止冷裂纹和再热裂纹出现，焊接达到尺寸要求后，进行消氢处理使焊缝中的氢扩散出来，消氢处理温度≥250℃，时间为2h，石棉保温缓冷至室温。为了消除焊后的残余应力，改善焊缝及热影响区的组织，从而提高焊接接头的性能，特别是接头的韧性，所以需要进行整体热处理（工艺如图2）。
5 结束语
在42CrMo方轴上堆焊铝青铜，对焊接工艺及热处理工艺要求严格，通过选择合适的焊接工艺及热处理工艺可获得良好的堆焊层。焊后经检查堆焊层无剥落、气孔、裂纹和未融合等缺陷，经测量堆焊表层焊缝金属的硬度为175-223HB。
参考文献
[1]王厚勤，曹健，张丽霞，等.铜合金与钢连接技术研究进展[J].焊接技术，2009，38（3）：1-5.
[2]艾云龙.工程材料及成形技术[M].北京：科学出版社，2008：197-201.
[3]李亚江.焊接冶金学-材料焊接性[M].北京：机械工业出版社，2008：23-174.
[4]李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题[J].焊管，2000，23（3）：43-61
作者简介：贺运平，男，本科，焊接助理工程师，从事焊接技术、施工。
