曲軸修復(fù)中的堆焊工藝研究

雷錦宏，周秋忠，陳卓君，崔 良，顧小龍

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.浙江亞通焊材有限公司，杭州 310030)

曲軸是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件之一，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動，曲軸的質(zhì)量直接影響著工作系統(tǒng)的性能。曲軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸表面受到周期變化的壓力、慣性力和扭矩的復(fù)合作用。長期服役的曲軸容易出現(xiàn)軸頸磨損、燒傷、擦傷和疲勞斷裂，影響曲軸工作精度，造成曲軸失效，若不及時(shí)處理，會對機(jī)器和人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。曲軸需求數(shù)量多且價(jià)格昂貴，占整機(jī)成本的10%～20%，整根曲軸報(bào)廢極其浪費(fèi)，而進(jìn)口曲軸除了價(jià)格昂貴外，備用件很少，一旦損壞將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為延長曲軸的使用壽命，提高其服役性能，本文選擇堆焊技術(shù)對曲軸表面進(jìn)行修復(fù)，研究在不同電流和氬氣流量下堆焊層的各項(xiàng)性能的好壞，確定曲軸修復(fù)過程中較好的工藝參數(shù)，為進(jìn)一步優(yōu)化堆焊工藝參數(shù)提供理論基礎(chǔ)的參考與指導(dǎo)[1-2]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方案

1.1 焊絲材料

焊絲牌號為SHQ-605，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 SHQ-605焊絲化學(xué)成分 %

1.2 基體材料

選用軸用低碳鋼材料20CrMnTi作為堆焊的基體材料，20CrMnTi試件尺寸為30mm×10mm×8mm。對試件進(jìn)行表面熱處理，淬火的溫度為840℃，保溫時(shí)間為10min，回火的溫度為180℃。選用600#、800#、1200#等砂紙對熱處理后的試件表面進(jìn)行打磨和拋光，并用無水乙醇清洗后吹干密封保存。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 氬弧焊機(jī)

研究用上海長濤焊接設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WSE-350交直流脈沖氬弧焊機(jī)，其最小焊接電流為10A，最大焊接電流為350A，穩(wěn)弧性能較好，同時(shí)也可以焊接薄、中、厚多種材料，穩(wěn)定性好。脈沖峰值電流和脈沖基值電流均為5～350A，脈沖電流、脈沖基值時(shí)間、氣體滯后關(guān)斷時(shí)間為無級調(diào)節(jié)，具有脈沖氬弧焊、交直流點(diǎn)焊及手工焊的使用功能。焊接電流緩慢上升和衰減，有利于收弧時(shí)填滿弧坑，從而避免堆焊層產(chǎn)生裂紋。

1.3.2 MDW-02往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)主要用于材料及表面涂層的摩擦磨損性能測試。該機(jī)采用砝碼加載(50～2000g)；自動恒定加載；動態(tài)交變加載(正弦波加載、三角波、梯度加載)三種加載方式，可模擬點(diǎn)、線、面的接觸形式進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。本研究試驗(yàn)條件：室溫，試驗(yàn)力為25N，試驗(yàn)頻率為2Hz，試驗(yàn)時(shí)間為60min。通過摩擦系數(shù)和磨損率來表示堆焊試樣的耐磨性。

1.4 試驗(yàn)方案

在氬弧焊焊接過程中，影響堆焊層耐磨性能的參數(shù)有焊接電流I，電弧電壓U，焊接速度V，氬氣流量Q。焊接電流是氬弧焊中最重要的工藝參數(shù)，決定了堆焊過程中的熱量輸入。氬氣流量也是一個(gè)重要參數(shù)，如果氬氣流量過小，氣流挺度不夠，影響氬氣保護(hù)效果；如果氬氣流量過大，容易形成紊流，同樣影響氬氣保護(hù)效果。本試驗(yàn)中的固定參數(shù)焊接速度為12cm/min，電弧電壓為20V。變化參數(shù)為焊接電流I和氬氣流量Q。焊接電流I，堆焊前進(jìn)行試焊，發(fā)現(xiàn)焊接電流小于30A時(shí)，焊絲和基體的熔合不充分。焊接電流大于110A時(shí)，試樣熔化變形較大，故選擇起始電流為30A，終止電流為110A，間隔增量為20A，焊接電流取值為30A、50A、70A、90A、110A。氬氣流量Q，選用氬氣流量為8L/min、12L/min[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度測試

氬氣流量為8L/min和12L/min試驗(yàn)組的顯微硬度變化如圖1所示。

圖1 各試驗(yàn)組顯微硬度變化

由圖1可知，當(dāng)氬氣流量為8L/min時(shí)，隨著焊接電流從30A增大到110A，堆焊層的顯微硬度總體趨勢是下降的，但在50～70A，90～110A時(shí)有少許的增加；當(dāng)氬氣流量為12L/min時(shí)，隨著焊接電流的增加，顯微硬度是緩慢增加的。氬氣流量為8L/min，焊接電流為30A、50A、70A時(shí)，堆焊層顯微硬度依次為3549HV、2873HV、2942HV；氬氣流量為12L/min，焊接電流30A、50A、70A時(shí)堆焊層顯微硬度2291HV、2419HV、2544HV。此時(shí)氬氣流量8L/min試驗(yàn)組顯微硬度大于氬氣流量12L/min試驗(yàn)組顯微硬度，且兩者之間差值逐漸減少。氬氣流量為8L/min，焊接電流為90A、110A時(shí)，堆焊層顯微硬度分別為2335HV、2433HV；氬氣流量為12L/min，焊接電流為90A、110A時(shí)堆焊層顯微硬度2522HV、2646HV，此時(shí)氬氣流量8L/min試驗(yàn)組顯微硬度小于氬氣流量12L/min試驗(yàn)組顯微硬度，且兩者之間顯微硬度差值不大。氬氣流量為8L/min時(shí)，顯微硬度值的下降比較劇烈；氬氣流量為12L/min時(shí)，顯微硬度值的上升比較緩慢。由此可知，當(dāng)焊接電流為30A，氬氣流量為8L/min時(shí)，堆焊層的顯微硬度最大，顯微硬度值為3549HV。

2.2 耐磨性能分析

各試驗(yàn)組摩擦系數(shù)的變化趨勢基本一致，其中部分試驗(yàn)組試樣的摩擦力-時(shí)間-摩擦系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 部分20CrMnTi試件摩擦力-時(shí)間-摩擦系數(shù)曲線

由圖2可知，在磨損試驗(yàn)開始的一段時(shí)間之內(nèi)，摩擦系數(shù)緩慢增加，其值在0.2～0.8，原因可能是堆焊層的表面有一層氧化膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，在氧化膜破損后，摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，其值在0.2～0.8。對比氬氣流量8L/min和12L/min可知，8L/min時(shí)的摩擦系數(shù)上升期較12L/min時(shí)長，可能是因?yàn)?2L/min時(shí)保護(hù)效果更好，氧化膜較薄所致。

各試驗(yàn)組試件的摩擦系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 各試驗(yàn)組試件的摩擦系數(shù)變化

由圖3可知，摩擦系數(shù)的變化大約是0.25～0.61。氬氣流量8L/min時(shí)，隨著焊接電流從30A增加到110A，摩擦系數(shù)先變小到0.27然后增大到0.61，最后再變小到0.25；90A時(shí)，摩擦系數(shù)有最大值0.61；110A時(shí)，摩擦系數(shù)有最小值0.25。氬氣流量12L/min時(shí)，隨著焊接電流從30A增大到110A，摩擦系數(shù)先增大到0.58，然后減小到0.5，90A時(shí)達(dá)到最大值0.58；30A時(shí)，摩擦系數(shù)最小，其值為0.29。當(dāng)焊接電流為30A時(shí)，氬氣流量為8L/min時(shí)的摩擦系數(shù)幾乎為12L/min時(shí)的兩倍；50～90A時(shí)，氬氣流量8L/min和氬氣流量12L/min時(shí)的摩擦系數(shù)變化趨勢一樣，且摩擦系數(shù)的值也相差不大；110A時(shí)，氬氣流量12L/min時(shí)的摩擦系數(shù)是氬氣流量8L/min時(shí)摩擦系數(shù)的兩倍。由此可知，焊接電流為30A時(shí)，氬氣流量12L/min時(shí)的耐磨性好于氬氣流量8L/min時(shí)的耐磨性；焊接電流為110A時(shí)，氬氣流量8L/min時(shí)的耐磨性好于氬氣流量12L/min時(shí)的耐磨性，50～90A時(shí)，氬氣流量8L/min和12L/min的耐磨性相差不大。

磨損率計(jì)算公式：

(1)

式中：V為磨損量；t為磨損時(shí)間；F為加載載荷。

氬氣流量為8L/min和12L/min試驗(yàn)組的磨損率變化曲線如圖4所示。

圖4 各試驗(yàn)組試樣磨損率變化

氬氣流量8L/min時(shí)，隨著焊接電流從30A增加到110A，磨損率先變小然后增大，最后再變小，90A時(shí)，摩損率有最大值6×10-7g/N·min；110A時(shí)，磨損率有最小值2×10-7g/N·min。氬氣流量12L/min時(shí)，隨著焊接電流從30A增大到110A，磨損率先增大后減小，70A時(shí)達(dá)到最大值7.33×10-7g/N·min；30A時(shí)磨損率最小，為2.67×10-7g/N·min。當(dāng)焊接電流為30A時(shí)，氬氣流量8L/min時(shí)的磨損率和氬氣流量12L/min時(shí)的磨損率相差值為0.67×10-7g/N·min；50～90A時(shí)，氬氣流量8L/min時(shí)磨損率逐漸增大，12L/min時(shí)磨損率先增大后減??；110A時(shí)，氬氣流量12L/min時(shí)的磨損率比8L/min時(shí)的磨損率大0.67×10-7g/N·min。對比圖3的摩擦系數(shù)圖線，說明磨損率與摩擦系數(shù)是成正比的關(guān)系。由此可知，氬氣流量8L/min，50A時(shí)，涂層硬度較高，磨損率較小，其值為2×10-7g/N·min，此時(shí)堆焊層的耐磨性能較好。

氬氣流量8L/min，焊接電流50A時(shí)堆焊層SEM圖像如圖5所示。由圖5a可知，堆焊層與基體熔合良好，沒有氣孔等焊接缺陷。由圖5b可知，堆焊層金相組織中主要為板條狀馬氏體，具有較高的硬度和強(qiáng)度。氬氣流量12L/min，焊接電流50A時(shí)堆焊層堆焊層SEM圖像如圖6所示。由圖6a所示，堆焊層與基體熔合良好，分層明顯。由圖6b可知，堆焊層金相組織中主要也為板條狀馬氏體，但表面有較多氣孔，導(dǎo)致硬度下降，磨損量增大[6]。

圖5 氬氣流量8L/min、焊接電流50A時(shí)20CrMnTi堆焊層SEM圖像

圖6 氬氣流量12L/min、焊接電流50A時(shí)20CrMnTi堆焊層SEM圖像

3 結(jié)論

通過改變不同的焊接電流和氬氣流量，在20CrMnTi上堆焊SHQ-605耐磨焊絲，通過對堆焊層進(jìn)行顯微硬度測試、摩擦磨損性能測試、掃描電鏡組織分析，得出焊接電流為50A，氬氣流量為8L/min時(shí)，堆焊層顯微硬度2837HV，摩擦系數(shù)0.27，磨損率為2×10-7g/N·min，堆焊層的耐磨性能較好，是曲軸修復(fù)過程中較好的堆焊工藝參數(shù)。