CN101244480A - 高阻尼铜合金与钢的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料焊接。提出的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺采用钨极氩弧焊，在高阻尼铜合金与钢的焊接面上采取K型坡口或X型坡口，即高阻尼铜合金连接面加工K型坡口或结构钢的连接面加工K型坡口或高阻尼铜合金和结构钢的连接面均加工K型坡口；首先在结构钢上堆焊镍焊丝，形成过渡层，而后采用白铜焊丝与高阻尼铜合金对焊，实现钢与高阻尼铜合金的连接。采用本发明的焊接工艺，可高效、低成本的解决高阻尼铜合金与钢的焊接问题，制备出的焊接件焊缝力学性能优良。应用于动力传动系统，无论在低扭矩、高转速，还是高扭矩、低转速，均可满足使用要求，与原来的钢制模拟件进行比较，降噪效果良好。

Description

高阻尼铜合金与钢的焊接工艺
技术领域
本发明属于金属材料焊接，主要涉及一种高阻尼铜合金与钢的焊接工艺。
背景技术
焊接是实现金属材料连接的一种常用工艺之一。在不需要特殊使用要求的部位，一般涉及到的大都是同种金属材料的焊接，如钢与钢的焊接、铜合金与铜合金的焊接等。但在有特殊要求的场合，如大型设备的动力传动系统，由于传动过程中齿轮的啮合引起齿弹性刚度的变化，以及齿的加工误差而产生激振力，使齿轮本体振动，声值高达100dB以上。在这种情况下，就需要借助使用具有特殊功能材料如阻尼合金材料，来达到减振降噪的目的。
高阻尼铜合金既是一种功能材料，具有良好的阻尼和机械性能，但其硬度、耐磨性能无法替代现有齿圈材料，可用做齿轮辐板。这就必须解决与齿圈及轮毂现有材料的焊接问题。
而高阻尼铜合金与钢异种金属的焊接存在着以下的难点：
由于高阻尼铜合金含有Mn、Al、Fe、Ni、Zn、Cr等合金元素，在熔化温度下，Mn、Al会剧烈氧化，生成不溶于液态金属的MnO和难熔的Al2O3，其它元素也会生成一些相应的氧化物。在焊接过程中，这些氧化物或浮于熔池表面，阻碍焊接操作的顺利进行，或沉悬于熔池金属内部，形成夹渣、裂纹等。因此如何防止和清除这些氧化物是焊接该类合金的一大关键。另外，液态的Mn极易蒸发，且其蒸气压很高，这将在金属凝固过程中容易造成焊缝金属的多孔性，Mn和Cu在熔化状态下均具有很大的吸气能力，特别对氧和氢的溶解度很大，但随着温度的降低，其溶解度又急剧下降，溶入熔池的气体若在熔池结晶过程中来不及逸出，便会形成大量气孔和很大的内应力，并可导致裂纹产生。
再者，齿圈及轮毂为高强度和硬度的结构钢，与高阻尼铜合金的导热系数、热膨胀系数、熔点等存在较大的差异，容易在焊接接头中产生应力集中，导致各种的焊接裂纹，这对获得优质接头非常不利，造成焊接困难。钢与铜合金采用熔化焊时，经常发生铜渗到钢晶粒之间，产生热应力，使焊缝发生断裂，使其接头的力学性能恶化；同时合金元素易烧损、易蒸发，且在焊缝中能够产生元素偏析。因此，焊接时需要采用特殊的工艺措施。
在涉及到高阻尼铜合金与钢焊接的国内外文献检索中，均未见与本发明所采用的高阻尼铜合金与钢异种金属焊接工艺相类似的相关专利文献。
发明内容
本发明的目的即是提出一种高阻尼铜合金与钢的焊接工艺。
本发明所提出的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺为：采用钨极氩弧焊，在高阻尼铜合金与钢的焊接面上采取K型坡口或X型坡口，即高阻尼铜合金连接面加工K型坡口或结构钢的连接面加工K型坡口或高阻尼铜合金和结构钢的连接面均加工K型坡口；首先在结构钢上堆焊镍焊丝，形成过渡层，而后采用白铜焊丝与高阻尼铜合金对焊，实现钢与高阻尼铜合金的连接。
焊接方式为钨极氩弧焊。其优点为：
a.氩气是惰性气体，既不会和金属起化学反应，也不溶于液态金属，合金元素不会烧损，也不容易形成气孔。再者，氩气的密度较空气重1.25倍，形成坚实的氩气隔离层，可获得十分优秀的焊接质量；
b.氩气在弧柱中所产生的正离子，其质量和动量都比较大，在电弧电场作用下，向阴极高速运动。当工件为负极时，受此正离子的撞击，能破坏母材表面的氧化膜，有清理作用；但钨极易烧损，一般采用钨极氩弧焊正接。
c.实焊部分可见度好，便于操作；
d.填充焊丝熔后流动性好，对母体金属的润湿性高，工艺性能良好，易获得金属强度高、气密性好的焊缝质量。
焊接基材：高阻尼铜合金成分(wt％)：Mn 25.0～65.0，Al 2.0～6.0，Fe 1.0～4.0，Ni 0.5～4.0，Zn：0～4.0，Cr：0～1.5，Cu余量。对焊材料：含有Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素，具有高强度、硬度结构钢。
焊丝材料：采用两种焊丝材料，分别为镍焊丝与白铜焊丝。
镍对铜合金和钢双方有良好的相容性，铜与镍无限固溶，无产生裂纹的隐患，而钢与镍的固溶度很大，且避免了铜与钢直接焊接时铜向钢侧金属大量侵入而出现液晶裂纹。因此在齿圈、轮毂上采用镍焊丝打底。若由镍向高阻尼铜合金直接过渡，两种材料存在热错配及模量错配，为此用白铜焊丝过渡，增加材料匹配性。
镍焊丝堆焊工艺：焊接电流50～150A，氩气流量15～25L/min，堆焊厚度2～5mm。
焊接工艺参数见表1，层间温度≤100℃，每道次进行清理，焊道每层进行冲击波消应力处理。
表1焊接工艺参数
Figure A20071005400100051
采用本发明的焊接工艺，可高效、低成本的解决高阻尼铜合金与钢的焊接问题，制备出的焊接件焊缝力学性能优良。应用于动力传动系统，无论在低扭矩、高转速，还是高扭矩、低转速，均可满足使用要求，与原来的钢制模拟件进行比较，降噪效果良好。
附图说明
图1-图3为本发明焊接坡口示意图。
图中，1、轮毂，2、过渡层，3、对焊层，4、辐板，5、齿圈。
具体实施方式
实施例1
以船用动力系统齿轮辐板CuMn50合金，齿圈、轮毂材质为40CrNiMoA为例：
辐板采用CuMn50合金，主要是利用其高阻尼特性，降低传统系统齿轮的噪音，辐板CuMn50合金与齿圈、轮毂的连接面采用图1K型坡口，即在辐板与齿圈、轮毂的连接面上加工K型坡口，坡口两侧30mm范围内表面的油脂、水份及其它杂质以及金属表面氧化膜都必须进行仔细的清理，直至露出金属光泽。
采用铈钨电极，直流手工钨极氩弧焊，保护氩气的纯度≥99.99％。
在齿轮(齿圈、轮毂)结构钢连接面上采用ERNi-1堆焊，φ2.5mm焊丝，堆焊厚度3mm，焊接层间温度≤50℃，焊接电流100A。
CuMn 50合金辐板与齿圈、轮毂焊接采用HSCuNi焊丝，辐板与齿圈装配平行度不大于0.3m，辐板与轮毂(轴)装配同心度不大于0.5mm，垂直度不大于1mm。焊接工艺参数如表2，层间温度≤100℃，每道次进行清理，焊道每层进行冲击波消应力处理。
表2焊接工艺参数
Figure A20071005400100061
焊缝外观均匀连续，平滑过渡，无应力集中和裂纹，X-射线探伤检查，等级符合使用要求。
采用上述焊接工艺，40mm厚的CuMn50和40CrNiMoA焊接接头性能：常温拉伸强度(Rm/MPa)430～465；冲击功(AKv/J)100～110；冷弯角(d＝4a)80～180°(侧弯)；焊缝疲劳寿命107的条件下，应力大于100MPa。焊缝的力学性能均可满足使用要求。
实施例2
以齿轮辐板用CuMn50合金，坡口型式如图2所示，齿圈、轮毂材质均为合金钢30CrMoA为例：
采用如实施例1所述的相同焊接工艺，25mm厚的CuMn50和30CrMoA焊接接头性能：常温拉伸强度(Rm/MPa)460～500；冲击功(AKv/J)100～110；冷弯角(d＝4a)65°～80°。焊缝疲劳寿命107的条件下，应力大于100MPa。均达到了指标要求。
实施例3
以齿轮辐板用CuMn50合金，坡口型式如图3所示，齿圈、轮毂材质均为合金钢20CrMnMo为例：
采用如实施例一所述的相同焊接工艺，25mm厚的CuMn50和20CrMnMo焊接接头性能：常温拉伸强度(Rm/MPa)460～500；冲击功(AKv/J)90～110；冷弯角(d＝4a)60°～80°。均达到了所要求的指标。

Claims (5)

1. 一种高阻尼铜合金与钢的焊接工艺，其特征是：采用钨极氩弧焊，在高阻尼铜合金与钢的焊接面上采取K型坡口或X型坡口，即高阻尼铜合金连接面加工K型坡口或结构钢的连接面加工K型坡口或高阻尼铜合金和结构钢的连接面均加工K型坡口；首先在结构钢上堆焊镍焊丝，形成过渡层，而后采用白铜焊丝与高阻尼铜合金对焊，实现钢与高阻尼铜合金的连接。
2. 根据权利要求1所述的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺，其特征是：镍焊丝堆焊工艺，焊接电流50～150A，氩气流量15～25L/min，堆焊厚度2～5mm。
3. 根据权利要求1所述的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺，其特征是：对焊的参数为层间温度≤100℃，焊接电流第1道次100～200A，氩气流量正面10～30L/min，氩气流量反面5～15L/min。
4. 根据权利要求1所述的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺，其特征是：堆焊的镍焊丝为ERNi-1焊丝。
5. 根据权利要求1所述的高阻尼铜合金与钢的焊接工艺，其特征是：堆焊的铜焊丝为HSCuNi焊丝。
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