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黄铜集成块的焊补工艺分析

潘蛟亮

摘 要：黄铜集成块的焊接性较差，焊补修复有一定的难度，但是具有良好的经济性。该文制定了黃铜集成块的修复方案，对焊补工艺做了详细分析和阐述，再现了黄铜集成块的整个焊补过程，文章同时也讲述了焊补时操作要点。该文对黄铜件焊补有一定的指导作用，为今后类似的焊补作业提供参考依据。
关键词：集成块 钨极氩弧焊 裂纹 焊补
：TQ051 ：A ：1674-098X（2017）02（c）-0107-02
黄铜板集成块是很多设备中的核心部件，某企业加工生产一批气路集成块后，发现在轴孔处出现多处裂纹，无法使用。油路集成块的特点是重量大、结构复杂、加工工艺难度大。一块集成块的成本极高，如果报废处理，损失很大。为了减少损失，我们决定采取钨极氩弧焊方法对裂纹进行焊补。
1 修复方案
此集成块的材料为铸造黄铜，除了铜、锌元素外，还有少量的锰、硅元素。集成块通过铸造成型后，机加工完成。但是，通过肉眼发现在轴孔表面处出现了细微的裂纹。采用渗透检测的方式，发现气路集成块的表面缺陷主要是裂纹和少量的气孔。
由于集成块的材料和加工成本原因，产品价格比较昂贵，为了减少损失，决定先将表面缺陷清除，再采用焊补方式，修补黄铜集成块，最后再通过机加工平整表面。
2 缺陷清除
首先，采用渗透检测中的着色探伤方法，找出所有的各种表面缺陷着色探伤方法操作简单，所受限制少，可以方便地检查出表面缺陷所在的位置，然后在缺陷处用记号标出。
采用角向磨光机打磨缺陷标记处，将缺陷去除掉，然后再用渗透探伤检验缺陷（特别是裂纹）是否完全清除。通过反复检验和打磨，直至彻底清除缺陷。如果缺陷清理不彻底，焊补时或焊补后残留的裂纹就会扩大，甚至产生贯穿性裂纹。图1为缺陷清除后的集成块图貌。缺陷清理后，我们发现凹坑深度在5～6 mm，需要焊补的区域面积较大。
3 焊补工艺分析
黄铜的焊接性比较差，焊接时本身容易出现裂纹、气孔、锌蒸发等问题或缺陷。黄铜的导热性和导热系数比钢铁要高很多，且此集成块尺寸大（100 cm×60 cm×25 cm），焊接时热量散发非常快，集成块焊补区域不易形成熔池，焊材也不容易与母材熔合，不但给焊接造成困难，而且会产生未熔合等问题。所以在采用热输入量大、热量集中的热源的基础上，还要采取预热措施。
在黄铜的焊补区域容易出现热裂纹。黄铜本身的晶粒比较粗，焊缝熔池结晶后，晶粒度不但没有改善反而更加粗大，导致力学性能变差；熔池凝结过程中，容易产生低熔点的Cu2O+Cu共晶物和杂质偏析。另外，铜及铜合金的线膨胀系数大，散热又快，加热冷却后收缩剧烈，导致应力大。这些因素会导致焊补后极易产生热裂纹。所以，焊补后必须保温或缓冷。
黄铜焊补时，氢、氧等空气元素容易在黄铜熔池中存储，高温下，熔池剧烈化学反应也会产生二氧化碳等气体。热源移走后，铜导热快，热量快速散发，熔池瞬时凝固，导致这些气体从熔池中来不及析出而存留在焊缝中，从而造成气孔。
4 焊补工艺
能够焊接黄铜的焊接方法中，钨极氩弧焊热源集中、焊接质量好，是焊补的首选方法。黄铜焊接电源种类可以选择交流或直流正接的方式，2种方法各有利弊：交流可以减少锌的蒸发，直流正接使得熔池热量输入多，容易形成焊接接头。我们在同种黄铜的母材上，运用2种不同的电源方式进行焊补试验。直流正接的方式焊接时，黄铜飞溅较大、焊丝熔滴偏离焊补区域较远，很难让焊丝形成的熔滴过渡到正确位置。而且，焊补后表面质量差、凹凸不平。分析原因，可能是直流正接法的极性不变所造成的。选用交流焊接，焊接时比较平稳，焊工操作难度小，质量容易得到保证，并且还可以减少锌的蒸发，减轻对人体的危害。
焊丝材料选择上，采用与集成块母材成分相近的铝青铜焊丝HSCuAl。其中，Al元素的加入，可以有脱氧的作用，还可以细化晶粒，提高塑性，从而避免应力作用产生裂纹。焊前，需要对焊丝表面打磨。焊接时，可以加气焊粉CJ301，作用是保护熔池，去除氧化膜。
焊前，将集成块需要焊补处及其周边都进行清理，去掉油污、水分。利用电热板对集成块整体进行预热，温度一般为200 ℃，预热温度过高，不利于焊工操作。预热时，用石棉布将整个黄铜集成块包裹住，防止热量散失。焊后也需用石棉布保温处理，一直冷却至室温。
焊接时具体的手工钨极氩弧焊焊接工艺参数见表1。
清理强度和氩气流量要适当，如果清理强度或者氩气流量较低，保护效果不好，太高则焊丝熔滴容易被吹开。具体的钨极氩弧焊焊补工艺参数，都是通过资料、经验的基础上，经过反复试验得到的。
5 焊补操作要点
黄铜集成块焊接难度大，焊补过程中要注意几个要点。在清除缺陷时，需要焊补的凹坑周边必须打磨出一定的斜坡，角度越大越好，特别是不能出现小于90°的凹角。这样便于焊接，也不容易出现未熔合；钨棒不需要打磨，可以直接使用，因为即使打磨后，也会产生一定的烧损，钨棒头“变圆”。焊接时，钨棒不要伸出太长，3 mm左右即可；焊补时，要沿着原先裂纹的方向进行焊补，让焊缝沿着晶粒方向，这样减少应力集中，避免热裂纹产生；焊补时，由于气流吹力达到20～25 L/min，清理强度有30，黄铜焊丝熔化后的熔滴会受到气流的影响不能过渡到目标位置，所以要让焊丝和钨极位于需要焊补处的略微前置的方位；每焊接一小部分后，要及时锤击焊补处和其周围区域，以便释放应力，防止焊后裂纹，锤击时间长些，应力释放也充分；焊补后在表面产生的气孔，立即用锤击敲打，可将气孔消除。
焊完后，采用机加工方式将集成块焊补处的表面切削平整，然后渗透检测检验是否还有焊接裂纹，如果还有则要重新修复焊补，没有则焊补成功。
6 结语
我们经过着色探伤检查后发现，通过钨极氩弧焊焊补方法，采用合适的焊接工艺，是可以获得质量合格的焊缝（焊补区域），黄铜集成块是可以被修补使用的。此次焊补操作，也为类似的黄铜结构件的焊补提供了借鉴和帮助。
参考文献
[1] 李荣雪.金属材料焊接工艺[M].机械工业出版社，2011.
[2] 张士相.焊工[M].中国劳动社会保障出版社，2002.

-全文完-