挖掘機斗齒鑄件堆焊工藝研究

高二慶，宋慶雷，黃廷磊，王 倩

（徐州巴特工程機械股份有限公司，江蘇 徐州 221110）

0 引言

挖掘機斗鏟類產品的具體應用環(huán)境比較特殊，因此要求挖掘機的斗齒具備較高的耐磨性和機械強度，所以斗齒往往選用高強度鑄造成型的材料，但是普通碳化材料無法回避焊接性能不足的問題。因此，一般采用焊前預熱的方法，以降低焊接裂紋情況產生。對于刃板組件（斗齒與主刃板組成的組件），一般通過預熱爐工藝可以有效預熱控制，但對于邊齒與鏟斗兩側的夾板焊接因鏟斗結構較大，無法投入大型預熱爐而采用預熱槍的方式進行預熱。因此這種方式存在預熱不充分、預熱效率低、預熱過程不易控制等問題，而造成邊齒與夾板焊縫易開裂失效。同時，戶外作業(yè)的鏟斗因斗齒失效需要更換刃板組件時，若戶外不具備預熱條件，則無法完成焊接所致無法及時修復，最終導致作業(yè)中斷。因此，為解決這一問題，結合企業(yè)生產的實際情況，在斗齒表面開發(fā)了一層可焊性較好的過渡層，并對堆焊層的外觀質量及內部質量展開了研究，以期實現表面經堆焊的邊齒可直接與夾板焊接，無需預熱即可有效降低斗齒焊接裂紋的發(fā)生率，減少邊齒與夾板焊縫開裂的目的。

1 斗齒堆焊技術要求分析

挖掘機鏟斗需要堆焊的斗齒為兩側邊齒，堆焊位置是斗齒的上表面，堆焊面為異形面，且邊緣為圓弧過渡。見圖1所示。因邊齒需要與夾板拼點，考慮到拼點要求，堆焊高度不宜過高，控制在3~4.5 mm，表面堆焊覆蓋率100%，堆焊后平面度控制在1.5 mm.

圖1 邊齒堆焊過渡層

2 堆焊工藝

2.1 堆焊方法

選擇堆焊方法時，應滿足以下要求：（1）稀釋率低；（2）熔敷速度和效率高；（3）工件尺寸、形狀復雜程度和批量大??；（4）綜合成本低。

從國內堆焊技術的應用看，堆焊方法主要有：氣體保護電弧堆焊、帶極電弧堆焊、電子束堆焊、激光堆焊、聚焦光束堆焊。其中氣體保護電弧堆焊具有成本低、生產效率高、熱影響區(qū)小、操作方便等優(yōu)點，適用于合金鋼和特殊合金的堆焊。挖掘機鏟斗斗齒材料為低合金鋼、砂鑄成型，主要化學成分見表1，結合我司生產實際情況，選擇手工混合氣體保護堆焊進行斗齒堆焊應用。

表1 斗齒化學成分

2.2 堆焊材料

為了提高斗齒表面的耐磨性能，保證斗齒表面與基體有較好的過渡層，對堆焊材料合理選擇尤為必要。通常對對焊材料的選擇具體原則如下：（1）能滿足零件工作時的性能要求；（2）具有良好的焊接性，在現場條件下應易于施焊并獲得與基體結合良好而無缺陷的堆焊層；需注意堆焊金屬與基體的相溶性，充分估計到基體稀釋對堆焊層性能的影響；當基體碳當量較高時，為防止裂紋，可考慮預熱、保溫緩冷的工藝；若不可行時，考慮利用過渡層解決；（3）考慮堆焊的經濟性，所選堆焊合金應是使用性能相同的多種合金中價格最低廉的一種，同時還應是焊接工藝最簡單、加工費用最少的一種[1]。

從國內堆焊技術的應用看，常用的堆焊材料按照形態(tài)分，有焊條、焊絲、焊塊、合金粉及合金塊；按照成份分，有鐵基堆焊合金、鎳基堆焊合金、鈷基堆焊合金及碳化鎢堆焊合金[2]。這些材料一般用于耐磨堆焊。

綜合上述因素及公司生產實際情況，選擇ER70S實心焊絲作為堆焊材料。ER70S是抗拉強度為70公斤級的低碳合金填充材料，裂紋敏感指數和綜合力學性能較好，可以作為過渡層材料使用。

2.3 堆焊工藝參數

堆焊層的指標主要包括熔深大小、熔覆速度、變形大小、平面度、內部及外觀質量。本文介紹的斗齒堆焊，技術要求見表2所示。在堆焊研究中，焊接電流是一個非常重要的參數，它對上述指標都有著非常重要的影響，在堆焊應用上一般希望在獲得較低熔深的同時，獲得較高的熔覆速度，實際上這是一個矛盾[3]。當焊接電流過大時，單層焊道成型系數較差，焊趾直線性差，焊接流紋被打亂，過度的熱輸入造成熔深過大，影響區(qū)增加，因此焊接電流不宜太大。當焊接電流過小時，堆焊層與母材融合不充分，熔池流動性差，影響成型系數，且焊絲不能充分參與冶金反應，易形成夾渣等缺陷。參考本公司挖斗焊接工藝，選定電流260~320 A、電壓26~31 V在Q345鋼板樣塊上進行不同參數組合的堆焊試驗，經對比堆焊外觀質量、堆焊面的平面度、變形量及剖切后的內部質量，確定表3中焊接參數。

表2 堆焊技術要求

表3 焊接參數

斗齒在鑄造時表面產生的冶金反應相對復雜，以及后期的運輸和熱處理都會在表面形成“雜質”化合物，因此堆焊前需對斗齒表面進行打磨處理，一方面是去除表面雜質，另一方面活化堆焊層表面，有利于熔覆層融合，活化深度0.5 mm左右。所有參與焊接的斗齒需進行焊前磁粉探傷檢驗，避免本身斗齒缺陷對焊接結果造成干擾。

斗齒為鑄件，焊接性較差，焊前需要預熱處理，否則很容易出現焊接裂紋。所以，預熱是堆焊前必須進行的關鍵步驟，預熱溫度過高，或者保溫時間太長，斗齒的綜合力學性能相應下降，主要表現在耐磨性和硬度方面低于設計指標；若預熱溫度不夠，或者保溫時間太短，則預熱不充分，不能有效地去除組織中的游離氫原子，增加延遲裂紋產生的幾率，同時因未能建立起一個適當的溫度梯度，造成焊接時溫度過于集中，各部分組織轉變不同步，形成組織應力，兩者共同作用下，產生焊接裂紋[4]，本文介紹的斗齒堆焊，預熱溫度要求在150~220℃，焊接過程中層間溫度控制在150~220℃.一般情況下，無需對斗齒進行保溫緩冷[5]。本文介紹的斗齒堆焊焊后空冷即可。

2.4 堆焊順序

斗齒堆焊面為異形面，且邊緣為圓弧過渡，直接堆焊難以滿足100%覆蓋率和平面度要求，因此合理的焊接順序和搭接方法也是研究的重點內容。經過研究斗齒的結構特點，需避免在斗齒邊緣堆焊時發(fā)生焊接熔池流淌，另外經過多次焊接試驗，確定了圖2的焊接順序：斗齒兩側（調整位置為水平，寬度20 mm，見圖2中的序1和序2）→斗齒尾端（序3）→自一側連續(xù)搭接堆焊（序4，5，6……），需注意在每條焊縫焊完后須進行收尾回燒。

圖2 邊齒堆焊順序

3 堆焊質量檢測

為了驗證堆焊質量，進行了如下檢驗：（1）堆焊外觀檢驗：經目視和磁粉探傷檢驗，未發(fā)現焊接外觀缺陷；（2）內部質量檢驗：經剖切后進行宏觀腐蝕和微觀組織檢驗（見圖3），未發(fā)現焊縫內部缺陷；（3）硬度檢驗：經微觀硬度檢測（見圖4），熱影響區(qū)的硬度值小于標準值，滿足ISO15614標準要求。

圖3 宏觀腐蝕檢測

圖4 硬度檢測

經過質量驗證，表明選用混合氣體保護焊，在指定的焊接工藝下，可以在斗齒表面堆焊出符合圖紙和標準要求的過渡熔覆層；150℃~220℃是比較理想的預熱溫度，可以在保持斗齒力學性能的同時，避免焊接裂紋的產生；280±10 A焊接電流可以保證焊道較好的成型性，堆焊層與母材結合良好，內部質量滿足標準要求。

將鏟斗兩側的夾板與邊齒堆焊熔覆層進行焊接，無需預熱批量生產將鏟斗運用之后，未發(fā)現熔覆層與夾板焊接處開裂的現象。說明在斗齒焊接表面熔覆一層焊接性能較好的過渡層，避免斗齒與焊接電弧直接接觸，熱影響區(qū)（HAZ）的過熱區(qū)上移到可焊性較好的過渡層上，組織粗大脆化傾向減小，可有效降低焊接裂紋產生的幾率。

4 結束語

通過對挖掘機鏟斗斗齒堆焊要求進行分析，根據公司實際情況，選用了ER70S-3，1.32實芯焊絲作為堆焊材料和混合氣體保護焊作為堆焊方法進行了堆焊試驗，確定了堆焊工藝參數、預熱和層間溫度，焊接順序，搭接參數等。經驗證，堆焊工藝滿足堆焊質量要求和鏟斗實際使用要求，取消了邊齒與夾板焊前需預熱的工藝，大大提高邊齒的焊接質量，減少邊齒與斗體焊縫的開裂失效，提高了鏟斗的使用壽命，這無疑具有顯著的經濟效益。