基于巴氏合金CMT技術(shù)的工藝性研究

安建勇，黃玉琴

(1. 太原市掛車制造廠，太原 030024； 2. 哈爾濱 150040)

0 引言

目前軸承瓦巴氏合金層的生產(chǎn)工藝主要采用重力澆鑄和離心澆鑄兩種方式。重力澆鑄是將熔融狀態(tài)的巴氏合金澆鑄到已經(jīng)搪錫處理的低合金鋼基體表面，生產(chǎn)出的巴氏合金軸承瓦質(zhì)量不高，經(jīng)常出現(xiàn)巴氏合金組織疏松、氣孔、合金與瓦背脫離等缺陷。離心澆鑄通過離心力的作用將熔融狀態(tài)的巴氏合金澆鑄到基體瓦背上，其合金組織致密度以及與基體的結(jié)合強(qiáng)度均有所提高，但同樣具有較低合格率，同時受設(shè)備能力限制，大型軸瓦不能利用離心機(jī)進(jìn)行離心澆鑄[1]。兩種方法都存在材料損耗量較大、后續(xù)加工時間長、耗電量較大等問題。

冷金屬過渡焊接技術(shù)(Cold Metal Transfer，簡稱：CMT焊接技術(shù))，可以彌補(bǔ)目前重力澆鑄后滲透探傷達(dá)不到D級的缺點(diǎn)，采用這種技術(shù)焊接后的軸承合金的致密性不亞于采用離心澆鑄方式生產(chǎn)的軸瓦。

CMT焊接技術(shù)是基于熔點(diǎn)差異較大異種金屬的連接、無飛濺引弧技術(shù)及微型焊接技術(shù)發(fā)展起來的。其特點(diǎn)是將焊絲運(yùn)動與電弧變化相結(jié)合，通過特殊波形控制熔滴過渡形式。CMT短路過渡過程中減小短路電流接近于零，并通過焊絲的回抽運(yùn)動使熔滴過渡，避免在熔滴短路過渡時產(chǎn)生大的電磁力和電爆炸形成飛濺，實(shí)現(xiàn)冷金屬過渡。因此CMT焊接技術(shù)應(yīng)用于低熔點(diǎn)巴氏合金金屬堆焊，對于滑動軸承軸瓦的制備工藝來說是革命性的創(chuàng)新，提高了滑動軸承的使用壽命[2]。

1 研究方法

1．1 試驗(yàn)材料

針對大型軸承體的要求，制作堆焊試板。試板材質(zhì)：ZG230-450；試板尺寸：內(nèi)徑φ1 648×600(弧長)×400(寬)×60(厚)弧形試板；400(長)×400(寬)×60(厚)平板試板；試板要求：利用重力澆鑄工藝在部分試板上澆鑄不同厚度的SnSb8Cu4巴氏合金層，巴氏合金材質(zhì)為SnSb8Cu4，并對堆焊層加工，獲得8 mm、5 mm、2.5 mm和1.5 mm不同厚度的巴氏合金試板。

試驗(yàn)所用巴氏合金焊絲為φ1.6 mm的SnSb8Cu4焊絲，化學(xué)成分見表1，試驗(yàn)用保護(hù)氣體為99.999%Ar。

表1 巴氏合金焊絲SnSb8Cu4化學(xué)成分

1．2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的CMT TPS5000(FRONIUS TPS5000CMT)焊機(jī)，如圖1所示，主要包括VR7000-CMT送絲系統(tǒng)、CMT焊槍、CMT電源、CMT焊絲緩沖器和FK4000R水箱。

圖1 試驗(yàn)用CMT TPS5000焊機(jī)

1．3 試驗(yàn)方法

將試板平放在焊接平臺上進(jìn)行半自動堆焊，通過調(diào)節(jié)送絲速度改變數(shù)據(jù)庫中的焊接電流和焊接電壓等焊接參數(shù)，可獲得不同規(guī)范的堆焊試件，驗(yàn)證工藝規(guī)范對大型軸承體的可行性。

1．3．1 試板的表面處理

CMT焊接前，使用丙酮等清洗劑去除試板上的污垢、灰塵、油脂等影響堆焊質(zhì)量的材質(zhì)。

1．3．2 試板CMT堆焊

在不同厚度原澆鑄巴氏合金層試板上堆焊，驗(yàn)證堆焊工藝規(guī)范對原巴氏合金澆鑄層的影響，并確定選擇最優(yōu)工藝參數(shù)。巴氏合金熔點(diǎn)為270 ℃，鋼基體的熔點(diǎn)在1 500 ℃，兩種金屬熔點(diǎn)熱傳導(dǎo)系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)存在較大差異，堆焊冷卻后巴氏合金層與鋼本體產(chǎn)生不同程度的收縮變形，將在巴氏合金層與鋼基體之間產(chǎn)生焊后殘余應(yīng)力，影響堆焊后的結(jié)合強(qiáng)度。因此，堆焊前對鋼基體進(jìn)行預(yù)熱處理，縮減巴氏合金層與鋼基體兩者之間收縮變形量差。驗(yàn)證預(yù)熱溫度對巴氏合金層與鋼基體結(jié)合強(qiáng)度影響，并確定最佳預(yù)熱溫度。

1．3．3 對堆焊工藝參數(shù)與性能優(yōu)化匹配

利用現(xiàn)有的工裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)大型軸承體巴氏合金層的修復(fù)工作。

1．4 堆焊合金層測試

SnSb8Cu4巴氏合金層與鋼基體之間結(jié)合性測試。目視檢查，檢查巴氏合金層與鋼基體之間結(jié)合性；超聲波(UT)探傷，檢查巴氏合金層與鋼基體之間的結(jié)合性。

2 數(shù)據(jù)整理分析

巴氏合金SnSb8Cu4與鑄鋼ZG230-450物理性能相差很大，如表2，熱傳導(dǎo)系數(shù)和線膨脹系數(shù)相差，導(dǎo)致巴氏合金層與鋼基體之間的熱變形量相差很大，這樣在巴氏合金層與鋼基體之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于巴氏合金層與鋼基體之間的結(jié)合強(qiáng)度時，發(fā)生巴氏合金層的剝離現(xiàn)象。

表2 母材的物理性能

2．1 重力澆鑄巴氏合金層上CMT堆焊工藝技術(shù)研究

在不同厚度重力澆鑄巴氏合金層上堆焊，原重力澆鑄巴氏合金層厚度為8 mm、5 mm、2.5 mm和1.5 mm。

2．1．1 焊接工藝參數(shù)

CMT模式，焊接電流94 A，焊接電壓9.3 V，送絲速度5.5 m/min；CMT模式，焊接電流34 A，焊接電壓7.6 V，送絲速度2.3 m/min；脈沖模式(打底焊)，焊接電流106 A，焊接電壓19.9 V，送絲速度602 m/min。預(yù)熱溫度分別為20 ℃和60 ℃。

2．1．2 堆焊試驗(yàn)結(jié)果

(1) CMT焊接電流在大、小不同焊接規(guī)范下，堆焊層表面均成型良好，不同點(diǎn)是堆焊焊道的寬度和厚度，如圖2所示。區(qū)域a：焊接電流34 A，堆焊寬度130 mm區(qū)域需堆焊23道，堆焊厚度9 mm需堆焊3層，焊接時間每道用23 s，焊接速度約400 mm/min；區(qū)域b：焊接電流94 A，堆焊寬度40 mm區(qū)域需堆焊4道，堆焊厚度8 mm需堆焊4層，焊接時間每道用12 s，焊接速度約1 000 mm/min。電流的增加可以提高工作效率，造成的負(fù)面影響是焊接飛濺大，產(chǎn)生的煙塵多。

圖2 不同焊接規(guī)范下堆焊層成型外觀

(2) 原重力澆鑄巴氏合金層厚度8 mm，采用CMT焊接技術(shù)在原合金層上堆焊。CMT焊接電流94 A，預(yù)熱溫度分別為20 ℃和60 ℃時，試驗(yàn)結(jié)果：預(yù)熱溫度20 ℃堆焊時，堆焊過程中目視發(fā)現(xiàn)原巴氏合金層與鋼基體之間發(fā)生脫殼現(xiàn)象，試驗(yàn)失敗，如圖3所示；預(yù)熱溫度60 ℃時，堆焊厚度9 mm后，目視未發(fā)現(xiàn)原巴氏合金層與鋼基體之間發(fā)生脫殼現(xiàn)象，但是后序UT探傷檢查，原巴氏合金層與鋼基體中發(fā)生80%的脫殼，試驗(yàn)失敗。

圖3 原8 mm厚澆鑄巴氏合金層CMT堆焊脫殼試樣

(3) 原重力澆鑄巴氏合金層厚度5 mm和2.5 mm，CMT焊接電流94 A，預(yù)熱溫度60 ℃，堆焊厚度10 mm。試驗(yàn)結(jié)果：目視均未發(fā)現(xiàn)原巴氏合金層與鋼基體之間發(fā)生脫殼現(xiàn)象，UT探傷檢查，原巴氏合金層厚度5 mm，局部出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象；原巴氏合金層厚度2.5 mm，巴氏合金堆焊層與鋼基體之間100%結(jié)合良好，如圖4所示。

圖4 原5 mm厚澆鑄巴氏合金層CMT堆焊局部脫殼試樣

(4) 原重力澆鑄巴氏合金層厚度1.5 mm，CMT焊接電流94 A，預(yù)熱溫度60 ℃，堆焊厚度10 mm。試驗(yàn)結(jié)果：目視均未發(fā)現(xiàn)原巴氏合金層與鋼基體之間發(fā)生脫殼現(xiàn)象，UT探傷檢查，巴氏合金堆焊層與鋼基體之間100%結(jié)合良好，如圖5所示。

圖5 1.5 mm厚澆鑄巴氏合金層CMT堆焊試樣

2．1．3 試驗(yàn)結(jié)論

(1) 巴氏合金與其他焊材的堆焊過程存在很大差異，SnSb8Cu4巴氏合金熔點(diǎn)低270 ℃，焊縫金屬為液態(tài)狀態(tài)，并沿重力方向流動。隨著焊接電流的增大，焊道的寬度增大，高度減小。試驗(yàn)認(rèn)為電流加大，熔池液態(tài)金屬的溫度提高，液態(tài)巴氏合金的表面張力減小，對母材的潤濕性和鋪展性提高，導(dǎo)致焊道的寬度增大，高度減小。

(2) 巴氏合金(錫基材料)的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)均比鋼基材料大，相同加熱溫度下巴氏合金的熱變形量要比鐵基材料的大，在巴氏合金層與鋼基體之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時巴氏合金澆鑄層與鋼基體為最薄弱區(qū)域，因此在焊接熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了原澆鑄巴氏合金層與鋼基體產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象。通過預(yù)熱，可減緩巴氏合金原澆鑄層與基體的脫殼現(xiàn)象，考慮因素是降低巴氏合金層與鋼基體的溫度梯度，減小巴氏合金層與鋼基體的熱變形量差值，降低熱應(yīng)力，減緩原巴氏合金澆鑄層的脫殼現(xiàn)象。

(3) 較薄的原澆鑄巴氏合金層，在電弧吹力的作用下，堆焊金屬與原巴氏合金澆鑄層攪拌熔合，在巴氏合金與鋼基體之間形成新的結(jié)合層，結(jié)合強(qiáng)度得到提高。而在較厚的巴氏合金層上堆焊，電弧不能將原巴氏合金穿透，原結(jié)合層沒有破壞掉，在熱應(yīng)力的作用下，較薄弱的結(jié)合層出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象。

2．2 鋼基體上直接CMT堆焊

綜合考慮在不同厚度原重力澆鑄巴氏合金層CMT堆焊試驗(yàn)結(jié)果，表明原重力澆鑄的巴氏合金層與鋼基體結(jié)合強(qiáng)度薄弱，在焊接熱應(yīng)力的作用下易發(fā)生脫殼現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)合層采用CMT焊接技術(shù)重熔后，合金層與基體之間會發(fā)生脫殼現(xiàn)象，說明采用焊接技術(shù)重熔形成的焊接接頭，結(jié)合強(qiáng)度要高于重力澆鑄的結(jié)合強(qiáng)度。因此在鋼基體上直接進(jìn)行CMT堆焊工藝技術(shù)的研究。

2．2．1 焊接工藝參數(shù)

(1) 脈沖模式(打底焊)，焊接電流106 A，焊接電壓19.9 V，送絲速度6.2 m/min。

(2) CMT模式，焊接電流72A，焊接電壓7.6 V，送絲速度4.5 m/min。

(3) 預(yù)熱溫度為60 ℃。

2．2．2 堆焊試驗(yàn)結(jié)果

在預(yù)熱溫度60 ℃，堆焊厚度8 mm下，UT探傷檢查，巴氏合金堆焊層與鋼基體之間結(jié)合良好，UT探傷并未發(fā)現(xiàn)合金層與基體之間脫殼現(xiàn)象。堆焊試樣如圖6所示。

圖6 鋼基體上直接CMT堆焊試樣

2．3 金相組織分析

牌號為SnSb8Cu4的巴氏合金是軸承合金中應(yīng)用較多的一種，錫基巴氏合金含87%Sn、8%Sb和4%Cu。按照Sn-Sb合金相圖，合金的組織中主要有以Sb溶于Sn中的α固溶體為軟基體和以Sn-Sb為基的有序固溶體β相為硬質(zhì)點(diǎn)。同時，為了消除由于β相比重小而易上浮所造成的比重偏析，在合金中特地加入Cu形成Cu6Sn5。Cu6Sn5在液體冷卻時最先結(jié)晶成樹枝狀晶體，能阻礙β上浮，因而使合金獲得較均勻的組織。圖7所示為巴氏合金的顯微組織，暗黑色基體為軟的α相，白色方塊為硬的β相，而白色枝狀析出物則為Cu6Sn5，它也起硬質(zhì)點(diǎn)作用。這種軟基體硬質(zhì)點(diǎn)混合組織能保證軸承合金具有必要的機(jī)械性能。

圖7 SnSb8Cu4金相組織100×

依據(jù)滑動軸承的工況情況，巴氏合金材料的良好金相組織是確保軸瓦具有足夠的抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性、韌性、良好的磨合性、抗咬合性、減摩性，并能承受較高的壓力[3]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，影響巴氏合金組織的主要因素是在澆注巴氏合金液體后的冷卻速度。在結(jié)晶溫度范圍內(nèi)快速冷卻時晶粒就均勻和細(xì)致，反之則變粗大，它是一種很脆的組織，粗大會使材料變脆，降低巴氏合金軸瓦的使用壽命。在冷金屬過渡技術(shù)(CMT)堆焊過程中，焊接線能量低，從熔融狀態(tài)的熔池金屬到α固溶體形成冷卻速度要明顯高于澆鑄的冷卻速度，這種冷卻速度是巴氏合金澆鑄無法達(dá)到的。CMT焊接是在熔滴短路過渡過程中減小短路電流接近于零，并通過焊絲回抽運(yùn)動使熔滴過渡，實(shí)現(xiàn)冷金屬過渡，最大限度減少熱量的產(chǎn)生，從而減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，巴氏合金液體在快速冷卻中可以得到均勻細(xì)小的Cu6Sn5硬質(zhì)相，應(yīng)用CMT焊接技術(shù)制備的軸瓦組織致密性高、與基體結(jié)合強(qiáng)度提高，從而得到良好的合金組織，有利于提高合金的強(qiáng)度、韌性和使用壽命，如圖8所示。

圖8 SnSb8Cu4金相組織100×

3 結(jié)論

本課題對巴氏合金CMT焊接工藝進(jìn)行了探索性研究，了解錫基巴氏合金焊接的工藝特點(diǎn)，測試接頭的力學(xué)性能，分析合金層的金相組織，測試堆焊接頭的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)錫基巴氏合金CMT堆焊工藝的實(shí)際應(yīng)用，得出主要結(jié)論如下：

(1) 巴氏合金(錫基)熔點(diǎn)低，若焊接線能量過高，會引起熔池金屬的流淌，不利于焊縫成形。CMT焊接技術(shù)短路過渡時，焊接電流幾乎為零，具有很低焊接線能量，適合巴氏合金堆焊，焊接電流90～110 A，焊接速度800～1 000 mm/min時，巴氏合金堆焊焊縫成形美觀，焊接煙塵不大，同時具有較高焊接工作效率。

(2) 巴氏合金(錫基)物理性能與鋼基體差距較大，重力澆鑄的巴氏合金層與基體結(jié)合強(qiáng)度較弱。直接在原重力澆鑄巴氏合金層堆焊，產(chǎn)生的焊接熱應(yīng)力將原巴氏合金層從基體撕離，造成合金層的脫殼。通過預(yù)熱，可減緩原合金層與基體的脫殼現(xiàn)象，但不能完全避免。因此CMT焊接技術(shù)并不適合直接在結(jié)合強(qiáng)度較低的重力澆鑄巴氏合金層上堆焊返修。

(3) 在鋼基體上直接堆焊巴氏合金，脈沖焊接模式打底焊接，CMT焊接模式進(jìn)行鋪焊，可獲得良好的堆焊層。CMT堆焊形成的巴氏合金層金相組織中的硬質(zhì)相以細(xì)小針狀和星狀均勻的彌散在軟相錫基中，組織細(xì)化且均勻分布的合金，有利于提高合金的強(qiáng)度、韌性和使用壽命；與基體界面之間生成很薄的化合物反應(yīng)層，顯著提高合金層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。通過結(jié)合強(qiáng)度測試表明，合金層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度約為86 MPa，高于鑄造合金錠抗拉強(qiáng)度，并可推斷出，巴氏合金CMT堆焊獲得巴氏合金本體的抗拉強(qiáng)度高于鑄造合金錠的抗拉強(qiáng)度。

通過努力將巴氏合金CMT堆焊工藝技術(shù)成功的應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐上，為軸瓦制備提供了一種經(jīng)濟(jì)效益好、質(zhì)量好的工藝方法，為在軸瓦制備技術(shù)上提供更多的選擇方法。