更好地了解螺紋上的焊接失效

文/ Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland

大多數(shù)擠出螺桿的螺紋上都會有一層硬面堆焊材料，用于延長螺桿的磨損壽命。正常情況下，聚合物不會磨損螺桿，除非是添加了研磨性填料。如果在沒有研磨性填料的情況下，螺桿還是發(fā)生了磨損，可以通過螺紋上的毛刺來判斷問題的原因。如果不存在毛刺，就可能出現(xiàn)了焊接問題。

大多數(shù)擠出螺桿都會在螺紋上施加一層硬面堆焊材料，以延長螺桿的磨損壽命。當沒有使用研磨性填料卻發(fā)生了極度磨損時，可以通過觀察螺紋上的毛刺來找出問題所在。

尾側的毛刺表明有一個非常高的側向力正引起螺紋磨損，甚至使螺紋與機筒接觸在一起，這通常是由于“楔入”而導致的，發(fā)生此問題的原因是徑向位置處的固體聚合物暫時堵塞了螺桿。如果這種因堵塞而產(chǎn)生的壓力不能被另一側相似的力所平衡，那么在這個巨大的作用力下螺桿會被推向機筒。

這個力很難測量，因為它可能只持續(xù)幾分之一秒，但是，可以大體進行一下估算：通過計算需要多大的壓力才能使螺桿彎曲，從而以一個相對較短的長度與機筒相接觸，可以發(fā)現(xiàn)，這個力可以高達25 000 psi（1 psi=6.89 kPa）。請記住，壓縮段的螺桿是一個由擠出機驅動器的全部轉矩所驅動的雙螺旋楔塊，因此提供了巨大的壓縮力。而“楔入”問題通常是由于螺桿設計不合理，使得螺桿的熔融速率不足以匹配壓縮速率而導致的。

圖1 螺紋出現(xiàn)了一塊大面積的完全失效。螺紋表面上焊接材料缺失形成的圖案表明焊接熱量會使焊縫坡口適度形變。但是它非常光滑，說明焊接只是簡單地鋪在螺紋上，很少或沒有與下面的材料連接

機筒每次旋轉都會使螺桿適當彎曲以適應機筒，如果螺紋兩側出現(xiàn)毛刺通常表示出現(xiàn)了螺桿與機筒的對齊問題。另外，擠出機的驅動力也可能壓碎螺紋、形成磨損，導致螺紋兩側出現(xiàn)毛刺。

圖1、圖2和圖3中的螺紋都沒有毛刺，所以不太可能是由于楔入或機筒對齊問題而導致了焊接失效。更可能的原因是焊接不當，使得硬面堆焊材料和基體金屬之間連接不良。圖1顯示了螺紋大面積的完全失效。螺紋表面的焊接材料的缺失表明焊接熱量會使焊接坡口發(fā)生適度的形變。但是它非常光滑，說明焊接只是簡單地“鋪”在螺紋上，很

少甚至沒有與下面的材料連接。圖2、圖3中顯示的焊接失效比圖1中稍輕一些，但仍然十分嚴重。焊接脫落區(qū)域在任何一側都沒有磨損跡象，這也是焊接不良的明顯標志。如今，幾乎所有的螺桿制造商都使用一種等離子轉移弧（PTA）焊接技術來將硬面堆焊材料施加在螺桿螺紋上。這一技術之所以被越來越多地應用，是因為它能盡可能地減小對底層螺桿材料的影響，并產(chǎn)生非常高的溫度，從而實現(xiàn)很強的冶金結合。其他焊接工藝的加熱時間更長，且焊接點的熱影響區(qū)域更寬。這會使硬面堆焊材料被基體金屬稀釋，而且鐵會使硬面堆焊材料受到污染導致其抗擦傷性能降低。

大 多 數(shù) 的 鎳 /鉻（Ni/Cr）和鈷基硬面堆焊材料會在大約2 000 ℉（1 093 ℃）的溫度下與底層材料融合，而等離子體“火焰”可產(chǎn)生超過10 000 ℉（5 538 ℃）的溫度。這比大多數(shù)其他的焊接工藝要熱并且集中，減少了對硬面堆焊材料的稀釋。

圖2（左）和圖3（右）中焊接脫落區(qū)域的兩側沒有任何磨損跡象，這再次說明是焊接不良

PTA焊接是一個異常敏感的過程，需要操作人員的持續(xù)關注。它要求對焊槍本身的位置和焊縫在圓形表面上的位置進行大量的調整。此外，焊接電弧、保護氣體和安培數(shù)也需要調整。即使電弧上的一點點牽伸也會干擾保護氣體和等離子氣體，并導致連接減少以及界面區(qū)域的快速氧化。例如，在焊接一根小螺桿時，PTA焊槍只偏離了中心位置超過1/16 in.，就會顯著降低連接強度。

另外，焊接前后基體金屬的狀況也很關鍵。如果碳鋼保持在低于650℉（343 ℃）的溫度下，就會發(fā)生相變，變成一種脆性且密度較低的鋼。這會導致基體金屬開裂并將裂紋擴展至硬面堆焊材料層，從而形成焊接失效區(qū)域。為了防止這種相變，必須將螺桿預熱并通過焊接過程保持在高溫下，然后再非常緩慢地冷卻以防止相變發(fā)生。這一過程非常關鍵，即使預熱和后冷卻過程稍有偏差也會導致過度開裂。

硬面堆焊層出現(xiàn)一些徑向開裂是正常的，這是因為這一覆蓋層的膨脹系數(shù)通常比基體金屬大，一旦冷卻，它要比基體金屬收縮更多，而這些能通過徑向開裂得到緩解。新螺桿在加工出螺紋前，會將焊縫施加在淺的螺槽中，這有助于降低焊槍位置的敏感性并提高焊接速度，所以螺槽的尺寸也很重要。但是，如果是對螺桿進行修復，那么焊接是在一個狹窄且圓的表面上進行的，所以硬面堆焊層很難獲得與以前相同的硬度，特別是在小螺桿上。如果螺桿焊接時的預熱和后冷卻不當，由于先前的相變導致的裂紋和脆性會延伸到基體金屬中，使螺桿難以修復好。因此，一種好的做法是，在重修螺桿之前磨掉舊的焊縫并使用各種冶金測試方法來檢查開裂。

有時，可以在硬面堆焊層下面施加一層較軟的不銹鋼層來阻擋下面的開裂。但是，這會形成兩處焊接，如果處理不當，會使焊接失效的幾率增加一倍。

無論如何，要記住的重要一點是：聚合物不會磨損螺桿，除非填充了堅硬的研磨性填料。只有機筒與螺桿螺紋的接觸才會導致磨損。而一般通過簡單地觀察“毛刺”，就可以確定磨損的原因。如果沒有毛刺跡象的硬面堆焊失效，就可能是焊接問題。