铝青铜与合金钢焊接工艺研究

GXF360 2019-11-08

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自升式钻井平台CJ46悬臂梁X-Y滑移机构的耐磨板为铝青铜，它要与合金钢本体进行焊接。由于铝青铜与钢在物理性能和化学组织方面差别很大，这就对焊接带来很大困难，焊接时易产生未熔合和裂纹，易在焊缝中产生夹渣等焊接缺陷。我们利用公司现有的焊接资源，通过对S221焊丝氧乙炔火焰焊、Cu237焊条电弧焊、UTP A34N焊丝熔化极氩弧焊的试验分析对比，成功研究出方便有效焊接铝青铜与合金钢的SMAW+GMAW组合焊工艺。

1.试验材料

（1）铝青铜本试验采用铝青铜为ASTM B171 C6300，厚度15mm，其化学成分、力学性能和物理性能分别如表1～表3所示。

（2）合金钢本试验采用合金钢为ABS DH36，厚度15mm，其化学成分、力学性能和物理性能分别如表4～表6所示。

根据Pgff,n及Pgff,总，分别计算设备破坏和人员伤亡后果面积。最终的后果面积取设备破坏和人员伤亡后果面积中的最大值。根据计算结果，最终人员伤亡面积为31.243 7 m2，设备破坏面积为19.742 3m2，失效后果等级为B级。

表1 ASTM B171 C6300的化学成分（质量分数）（%）

表2 ASTM B171 C6300的力学性能

表3 ASTM B171 C6300的物理性能

表4 ABS DH36的化学成分（质量分数）（%）

表5 ABS DH36的力学性能

表6 ABS DH36的物理性能

（3）焊接性分析由于铝青铜热导率高、熔点低、线胀系数大，焊接时易产生未焊透和裂纹；另外，焊接时因铝被氧化而形成致密难熔的Al2O3薄膜覆盖在熔池表面，易在焊缝中产生夹渣和气孔。

由于钢熔点为1536℃，铝青铜为1060℃，二者相差很大，钢与铝青铜焊接时，钢侧难熔化极易形成未熔合；铝青铜与钢合金系不同，焊接时也易产生裂纹等焊接缺陷。因此，铝青铜与钢的焊接比较难，焊接工艺的重点是要解决未熔合及裂纹问题。

2.焊接试验

（1）焊接工艺铝青铜与钢的焊接方法很多，比如钎焊、氧乙炔火焰焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊及焊条电弧焊等。钎焊最适合异种金属的焊接，但因其接头强度低、施工效率低，不适合悬臂梁X-Y滑移机铝青铜耐磨板与钢的焊接。根据我们工厂的现有焊接工艺条件，本文依次用氧乙炔火焰焊、熔化极氩弧焊、焊条电弧焊方法对铝青铜与钢的焊接进行焊接试验。

对于焊接材料的选择，必须兼顾铝青铜和钢。查询焊接资料，氧乙炔火焰焊的S221焊丝、焊条电弧焊的Cu237焊条、UTP A34N焊丝熔化极氩弧焊的UTP A34N焊丝均能焊接铝青铜与钢，故我们选上述焊材进行焊接试验，优选其中比较经济可行的方案。

由于实际产品中铝青铜与钢的连接形式为角接，因此本试验利用T形接头角焊缝来研究其焊接工艺。

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（2）氧乙炔火焰气焊选用S221（φ3mm）焊丝和HJ301进行试验，S221化学成分如表7所示。

表7 化学成分（质量分数）（%）

表8 UTP A34N的化学成分（质量分数）（%）

表9 UTP A34N的力学性能

表10 GMAW焊接参数

焊接位置：2F；火焰性质：中性焰；预热温度：400℃。宏观金相显示：焊缝中有夹渣和气孔，与钢侧熔合线很直，钢侧未熔合，呈虚焊状（见图1）。

每到枣子成熟的季节，母亲就会想到老家的枣，她总要跟我啰嗦好几次，说该回老家摘枣了，再不回去老家的枣就落了，老家的房子也要清理了，房顶漏雨不漏雨？院子里的荒草有多深？……那些天，母亲无时无刻不在怀念老家的枣。

（3）熔化极氩弧焊焊材成分和性能：我们工厂已经积累了熔化极氩弧焊修补铝青铜螺旋桨的工艺经验，采用的焊丝为UTP A34N（φ1.2mm），故我们用该焊丝来进行试验。焊丝UTP A34N化学成分和力学性能如表8、表9所示。

焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，主要加热钢板，使其温度达到350～400℃，铜板温度可低些， 150℃左右即可；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷。具体焊接参数如表10所示。

图2是在总结已有研究的基础上提出的城市水系统水—能关系研究的概念框架。在概念框架中，城市水系统的能源强度研究是其他研究的基础，在该基础之上，分析水源类型和条件、水处理工艺、水质标准等各种影响因子对能源强度的影响程度和影响机制，以期掌握造成不同区域或各个水系统能源强度差异的原因，从而有助于节能型城市水系统的规划、设计和管理。然后，结合城市用水水平可以计算城市水系统的能源消耗总量，通过对比分析历史用水数据和不同时期的城市水资源管理实践所对应的能源消耗量，能够揭示城市水系统能耗随时间变化的趋势，以及不同水资源管理策略对水系统能耗的影响。最后，可以计算城市水系统的碳排放量，分析节能减排的途径。

图1 氧乙炔气焊宏观金相

图2 熔化极氩弧焊宏观金相

宏观金相显示：铝青铜侧咬边最大0.5mm，未发现裂纹、夹渣等，焊缝与DH36交界为直线且与板边基本平齐，敲断后发现熔合不良，为虚焊状态（见图2）。

在针铁矿配入量为15 g、液固比为0.4、固化时间为3 d条件下，飞灰浸出毒性浸出结果见表2。可以看出，飞灰经过针铁矿固化后，各重金属元素的浸出量显著减少，均能满足生活垃圾填埋场进场要求。

（6）研发基于BIM的 PC构件CAM（计算机辅助制造）技术。基于BIM信息，通过 CAM完成边模、钢筋、预埋件等工艺布局，通过摆模机器人在模台上自动安装定位，实现摆模机器人、MES（制造企业生产过程执行系统）和云制造平台的互联互通，基于MES或云制造平台实现从CAM工艺方案到布模实施完成的全自动化作业流程[7]。

合金钢DH36侧熔合不良的分析：由于钢的熔点比铝青铜熔点高约500℃，当铝青铜已熔化时而钢还未开始熔化，再加上铝青铜焊丝因熔点低熔覆率高，大量熔化的焊丝金属液体堆积在未熔化的DH36表面，就形成了合金钢钢侧焊缝的未熔合，也可以称作“满溢”。理论上焊接电流增加，熔深会增大，但是对熔化极气保焊焊接电流增加，送丝速度也会加快，焊丝的熔化和熔覆也同时就加快了。因此，通过增加电流并不能改变这种状态。也许，改变电焊机的电特性及电弧反馈系统可以将此改善。

（4）焊条电弧焊焊材分析：选用Cu237（φ3.2mm）焊条进行试验，其化学成分如表11所示。

焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，使其温度达到200～250℃；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷；焊条经过200～250℃×2h的烘干才能使用。具体焊接参数如表12所示。从焊接过程中可见：Cu237焊接时与钢熔合好，飞溅少；但与铝青铜工艺性差，飞溅大，熔合难。

（5）组合焊（SMAW+GMAW）从上述结果看，单独用氧乙炔气焊、熔化极氩弧焊、焊条电弧焊来焊接铝青铜与合金钢，其结果都不理想。氧乙炔气焊缺陷多且效率低；熔化极氩弧焊效率高、焊缝与铝青铜熔合好，而与钢熔合差；焊条电弧焊焊缝与铝青铜熔合差，而与钢熔合好。鉴于此，我们重新设计焊接工艺，用Cu237焊条在合金钢侧打底焊接过渡层，然后用UTP A34N焊丝焊接连接焊缝。

组合焊焊接参数：焊前用氧乙炔火焰把接头区域预热，主要加热钢板，使其温度达到250～300℃，然后用Cu237焊条在合金钢侧打底焊接过渡层（见图3），再用UTP A34N焊丝焊接主连接焊缝；连接焊缝焊接时层间温度要保持在150℃以上；焊后马上用丝绵覆盖，保温缓冷。具体焊接参数如表13所示。

试验结果：焊缝表面用PT检查未发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，宏观金相显示焊缝熔合良好，未发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷（见图4）。