鎢極氬弧焊在異種鋼焊接中的應用

李成龍 李峰 楊勝軍 龐國強

【摘要】針對銅和鋼焊接結構中某些應力集中的部位，焊縫開裂一直是行業中仍待解決的難題。本文詳細介紹了使用鎢極氬弧焊，並配合加入了一定比例Ni、Cr、Fe元素的特製銅焊絲，按照特定的焊接工藝施焊，獲得成形美觀、抗裂性能優異的焊縫，滿足了應力集中部位銅和鋼的焊接。

關鍵詞：銅和鋼的焊接；焊接；應力集中；銅和鋼

1.概述

我公司為某國外重點客戶生產的某產品中鎖套（材質42CrMo，調質硬度~300HBW）與軸（材質4 2 C r M o，硬度~300HBW）在運行過程中有相對滑動；因硬度相近，易造成軸的磨損，而軸與外部液壓缸為整體式外購件，更換成本過高，故將鎖套和軸接觸部位的材質定為錫青銅QSn6.5-0.4，以避免對軸的磨損。因該結構使用時沿180°方位切割為兩半環，故銅套無法採用脹接結構，且從加熱對材料性能的影響考慮亦無法採用成熟的氣焊工藝進行整體堆焊，故採取將銅套焊接在鋼座上的方法，選用的焊接結構形式如圖1所示，使用時結構形式如圖2所示。

從圖1分析該焊接結構存在應力高度集中（內側焊縫受焊縫本身的周向收縮應力、橫向收縮應力、外側焊縫收縮時的拉應力），且焊縫施焊時受空間限制不易觀察和操作，為保證焊接質量，決定選用氬弧焊進行此結構的焊接。

初期試驗過程中，我們幾乎使用了市場上所有適宜銅和鋼焊接的銅焊絲進行驗證，同時也制定了嚴格的預熱、焊接、緩冷等工藝，但始終無法解決焊接裂紋的問題，致使我公司一度對於該結構的焊接陷入瓶頸。

圖1 焊接結構形式

後通過組織多次技術會議，我們重新分析該部位產生裂紋的各項因素，除了應力集中、異種鋼難焊材質外，還有一種原因——即受焊接材料材質所限焊縫抗裂性、強度均無法滿足該部位性能要求，故我們考慮在純銅焊絲當中添加適量的Ni，可以增強焊縫的韌性及抗裂性，適量的Cr、Fe可以提高焊縫的強度，而ER309焊絲同時含有Ni、Cr、Fe元素。因銅與鋼的焊接中焊縫中Fe的含量需控制在43%以下，否則易產生裂紋。考慮合適的配比，我們決定在每根φ2.5mm的HSCu銅焊絲周圍使用細銅絲均勻捆紮4根φ0.8mm的ER309焊絲組成特製銅焊絲，焊絲徑向截面結構如圖3所示。

圖2 使用時結構形式

此特製焊絲的主要化學成分如表1所示。

以該特製銅焊絲作為焊接材料，使用型號為WSE－315的鎢極氬弧焊機施焊、直流正接，各項參數按表2執行，並以相同焊接參數施焊對接焊縫試板一副，焊後對工件整體進行緩冷。

焊接完畢及加工後對焊縫分兩次進行著色檢測，未檢出焊接裂紋；焊縫外觀成形及加工後表面質量如圖4、圖5所示，試板測定的各項力學性能如表3所示。

通過試驗及測定，焊縫的外觀成形及內部質量均能得到較好的保證，各項力學性能也能滿足產品及相關標準的要求。

圖3 焊絲徑向截面結構

表1 特製焊絲主要化學成分（質量分數）（%）

Cr Ni Fe Mn Cu 6.68~7.27 3.49~4.07 17.2~18.7 0.19~0.29餘量

表2 焊接參數

預熱溫度/℃焊接速度/mm?min-1 450 10~15 140~150 11~13 45~55氬氣流量/L?min-1焊接電流/ A電弧電壓/ V

圖4 焊縫表面成形

表3 試板測定的力學性能

測試項目 測試數據 測試說明拉伸試驗抗拉強度/Mpa 斷裂位置385 QSn6.5-0.4側母材彎曲試驗試驗結果彎曲角度（°）壓輥直徑/mm無裂紋 180 73硬度HBW 296 42CrMo母材85 QSn6.5-0.4母材95 焊縫區

在純銅焊絲中加入適量的Ni、Cr、Fe元素用於銅和鋼的異種鋼焊接，可顯著提高焊縫的強度及抗裂性能，獲得各項力學性能優良的焊縫，能夠滿足應力集中部位銅和鋼的焊接需求。

圖5 加工後焊縫色差

參考文獻：

[1]蘇在靜, 李福剛.純銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊[J].焊接,2002(1)：28-30.

[2]徐鴻賓, 吳彥農.用碳鋼焊條代替銅焊條焊接銅和鋼[J].焊接, 2005(4)：43-44.

機器人製造正式列為獨立行業

2017年6月30日，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批准《國民經濟行業分類》國家標準，編號GB/T4754-2017，替代原《國民經濟行業分類（GB/T4574-2011）》，新標準將於2017年10月1日正式實施。

機器人製造首次作為獨立的行業列入《國民經濟行業分類》之中。根據新的分類，工業機器人製造與特種作業機器人製造兩個行業小類，歸屬於其他通用設備製造業行業中類，歸屬於通用設備製造業行業大類。

由於原有國家標準沒有對機器人製造設置獨立的分類，因此難以開展產值、收入、利潤等方面的統計，導致反映產業全貌的數據缺失，給產業政策的制定、重大專項批複等方面帶來了許多問題。這一修訂將對促進機器人製造行業和企業的發展具有長遠的積極影響。

(中國機器人產業聯盟)

作者簡介：李成龍等，青島軟控機電工程有限公司。