CN103990889B - 一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，涉及装备制造业中往复压缩机中十字头部件结构改进。该工艺是以铸钢ZG270‑500十字头销孔为基体，以锡青铜焊丝为焊接材料，通过熔化极脉冲氩弧焊在所述基体上完成堆焊过程，从而在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层。本发明是用堆焊的方法替代镶入铜套，与基体结合强度高于镶入铜套与基体的结合强度，磨损后不需重新更换铜套，只需局部补焊、加工完成。十字头销孔堆焊3mm的锡青铜层可替代15mm的铜套，满足设计耐磨要求，降低生产制造成本，提高往复压缩机的制造质量和生产效率，是往复压缩机中十字头体设计、制造的一次重大改革，满足往复压缩机趋于大型化、高压力方向发展的市场要求。

Description

一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺
技术领域
本发明涉及装备制造业中的耐磨堆焊焊接技术领域，具体涉及一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，该焊接工艺是在往复压缩机中十字头销孔中堆焊锡青铜的技术，用堆焊耐磨铜层替代镶入铜套，是十字头衬套结构改变新的工艺技术。
背景技术
往复压缩机是用于石化、冶金建设中气体分离、裂解、气动等压缩机组。十字头部件是往复压缩机中实现往复运动的重要部件，十字头销孔是连接连杆往复运动的关键部位。多年来，往复压缩机中的十字头部件中的十字头体是铸钢ZG230-450的材料，在十字头销孔中镶入ZCuSn10P的锡青铜套，该销孔与经氮化处理的38CrMoAl（A）十字头销配合磨檫，靠十字头销定位连接十字头与连杆，连杆由曲轴带动，由曲轴、连杆、十字头组成的曲柄滑块机构带动活塞往复运动起着压缩空气的作用。
但上述技术不足之处在于：十字头销孔中镶入的铜套与基体的结合强度差，且耐磨性差，磨损后需要及时更换，成本高。因此，亟待对其进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，该焊接工艺是解决铸钢基体堆焊锡青铜的关键，达到用堆焊十字头衬套替代原始镶入铜套的新结构、新工艺。
本发明的技术方案是：
一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，该工艺是以铸钢ZG270-500十字头销孔为基体，以锡青铜焊丝为焊接材料，通过熔化极脉冲氩弧焊在所述基体上完成堆焊全过程，从而在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层。
所述熔化极脉冲氩弧焊工艺参数为：焊接电流190～210A，焊接电压26～29V；焊丝直径1.2mm，焊丝伸出长度15～20mm；喷嘴直径16mm；保护气体为氩气（体积百分含量99.99%），气体流量15～20L/min；电源极性：直流反接。
上述在十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，具体包括如下步骤：
（1）堆焊前将十字头体铸钢件预热至100～150℃；
（2）堆焊时提前3～5秒送氩气，使焊缝处于氩气的充分保护中；
（3）按照所述堆焊（熔化极脉冲氩弧焊）工艺参数进行焊接，每堆焊一层后表面进行宏观检查，发现缺陷及时清除，直至堆焊高度5～6mm，保证足够的加工余量，焊接后堆焊层为3mm；
（4）堆焊收尾时，滞后3～5秒停止送气，防止堆焊层氧化；
（5）堆焊后热处理580±10℃，保温1小时，炉冷至300℃出炉，从而消除十字头销孔中堆焊耐磨铜层的热应力，以提高焊缝金属的塑性和抗应力腐蚀的能力，从而在十字头销孔中形成3mm左右堆焊耐磨铜层。
上述步骤（1）之前用酒精清洗十字头销孔待堆焊处表面，去除油污；然后对对销孔进行着色检验，确认销孔堆焊面没有裂纹、夹杂、缩孔等缺陷。
本发明是十字头体销孔用堆焊锡青铜替代镶铜套的技术，是往复压缩机中大型化压缩机实行标准化、系列化、机型紧凑所要求。十字头销孔堆焊的铜套（堆焊耐磨铜层）厚度仅3mm可以替代原有镶入的15mm厚的铜套，堆焊质量保证十字头体与铜层充分熔合，结合度、耐磨程度高于原来镶入铜套的十字头体，不仅耐磨同时可以减轻十字头部件的重量。
本发明十字头部件将铸钢ZG230-450十字头体改为ZG270-500材料的十字头体，在十字头销孔中用堆焊锡青铜替代现有镶入锡青铜铜套的方法，堆焊的材料与铜套的材料相近，经过几种焊接材料的可焊性试验、金相分析、结合性能检验、硬度检验、纵向面弯90°检验，耐磨试验耐磨性能检验，确定一种可焊性较好，结合强度、耐磨程度较高的焊接材料进行设计产品应用。
本发明采用熔化极脉冲氩弧焊，选择焊丝：HS212或CuSn8P锡青铜焊丝；焊丝直径：Φ1.2mm；电源极性：直流反接；工艺参数为：焊接电流190～210A；焊接电压：26～29V；保护气体：99.99%（体积）Ar气体；喷嘴直径：16mm；气体流量：15～20L/min；焊丝伸出长度：15～20mm；本发明是用堆焊的方法替代镶入铜套，与基体结合强度高于镶入铜套与基体的结合强度，磨损后不需重新更换铜套，只需局部补焊、加工完成。十字头销孔堆焊3mm的锡青铜层可替代15mm的铜套，满足设计耐磨要求，降低生产制造成本，提高往复压缩机的制造质量和生产效率，是往复压缩机中十字头体设计、制造的一次重大改革，满足往复压缩机趋于大型化、高压力方向发展的市场要求。
本发明的有益效果为：
1、本发明锡青铜耐磨堆焊的焊接工艺要求进行十字头销孔堆焊，达到异种材料堆焊后充分熔合，其耐磨性能好于镶入的铜套。
2、本发明锡青铜耐磨堆焊，是采用熔化极脉冲钨极氩弧焊的焊接方法，气体保护焊的焊丝不用烘干处理，焊接过程中焊丝自动送给，由于熔化极脉冲氩弧焊的热量集中，具有热影响区窄、变形小、成形美观、质量好、成本低、焊接效率高等优点，而且，焊后不需清渣、打药皮；采用熔化极脉冲氩弧焊，不仅可以解决堆焊技术，同时可保证焊接质量，缩短生产周期，降低制造成本。
3、十字头销孔耐磨堆焊，不需要拼装胎，可以在焊接转胎上焊接，实现自动焊，保证堆焊质量，提高焊接效率。
4、本发明可以使十字头销孔耐磨满足设计要求，用3mm的锡青铜堆焊层替代15mm的锡青铜套，实属是新工艺、新方法、新结构。满足用户要求和市场的需求，不仅保证了焊接质量同时缩短了焊接周期和产品的制造周期，在拓宽了往复压缩机市场同时给社会带了巨大的效益。
附图说明
图1为现有技术中十字头部件的结构示意图。
图2为图1中十字头体的结构示意图。
图3为本发明中十字头体的结构示意图。
图4为本发明实施例1在铸件上堆焊锡青铜加工后的效果图。
图5为本发明实施例1金相检验熔合图。
图中：1-十字头体；2-铜套；3-盖板；4-十字头销；5-堆焊耐磨铜层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作出进一步的详细说明。
如图1-2所示，现有技术中的十字头部件是由十字头体1、衬套（铜套，ZCuSn10P）2、盖板3和十字头销4组成，十字头体1是十字头部件的主要零件，多年来一直采用铸钢ZG230-450的材料，衬套（铜套，ZCuSn10P）2为加工好后镶入销孔中。图3是本发明十字头体新的设计结构，主要改进是十字头体1选用铸钢ZG270-500，选用锡青铜焊丝，通过熔化极脉冲氩弧焊的焊接方法在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层5。
ZG270-500铸钢的化学成分和力学性能分别见表1、表2。锡青铜焊丝可以选择HS212或CuSn8P。
表1 ZG270-500铸钢的化学成分（wt.%）
表2 ZG270-500铸钢的力学性能
注：铸件由供方正火加回火处理。并应符合GB/T16923和GB/T16924标准。
ZG270-500铸钢和锡青铜的焊接特点：
铸钢ZG270-500的含碳量在0.35％，属于中碳铸钢。有一定的韧性及塑性，强度和硬度较高，切削性良好，焊接性尚可。如果焊接件的刚性大，在冬季焊接最好预热100～150℃。
锡青铜具有宽的凝固温度范围，因而偏析严重，易生成粗大而脆弱的树枝晶粒组织，使焊缝疏松不致密，甚至生成气孔；同时锡青铜在高温下的强度和塑性都低具有较大的热脆性，因此，锡青铜在焊接时容易产生热裂纹。
为防止焊接裂纹，对于刚性大的焊件，需要进行适当的预热。预热可以改善液体金属的流动性；但预热和层间温度不要超过200℃，以免产生裂纹。
堆焊后热处理580±10℃，保温1小时，炉冷至300℃出炉，从而消除十字头销孔中堆焊耐磨铜层的热应力，可提高焊缝金属的塑性和抗应力腐蚀的能力。
实施例1
本实施例以铸钢ZG270-500十字头销孔为基体，以HS212焊丝为堆焊材料，通过熔化极脉冲氩弧焊在铸钢ZG270-500基体上完成堆焊全过程，从而在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层。其中HS212焊丝的化学成分见表3。
表3 HS212焊丝的化学成分
注：HS212焊丝技术条件符合GB/I9460-2008标准。
本实施例熔化极脉冲氩弧焊工艺参数：
焊接电压：28V，焊接电流200A；焊丝直径：φ1.2mm，焊丝伸出长度：15mm；保护气体：体积百分含量99.9%的氩气；氩气流量：20L/min；电源极性：直流反接。
具体工艺过程如下：
（1）着色检验十字头销孔，确认无裂纹；
（2）将十字头体装卡到焊接转胎上，进行焊前调试；
（3）将十字头体预热100～150℃，均温。
（4）堆焊（熔化极脉冲氩弧焊）。
焊接工艺要点：
（1）焊接前，要用酒精清洗待焊部位，清理油污等污物；
（2）堆焊时提前3～5秒送氩气，使焊缝处于氩气的充分保护中；
（3）堆焊收尾时，滞后3～5秒停止送气，防止堆焊层氧化；
（4）堆焊收尾时，必须填满弧坑，避免出现弧坑裂纹；
（5）堆焊过程中控制层间温度，不要超过200℃。
（6）堆焊高度要保证足够的加工余量（堆焊高度5～6mm）。
（7）堆焊后进行消应力处理：堆焊后热处理580±10℃，保温1小时，炉冷至300℃出炉，以提高焊缝金属的塑性和抗应力腐蚀的能力。
焊接过程中的检验：
（1）每堆焊完一道后，必须用钢丝刷仔细的清刷焊道表面。
（2）宏观检验堆焊层表面，发现缺陷及时清理。
（3）堆焊后在宏观检查合格的基础上对焊层表面进行着色检查，表面着色检查合格后进行加工。
本实施例通过熔化极脉冲氩弧焊的焊接方法在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层，利用上述工艺，十字头体销孔可一次堆焊成功，堆焊后可以一次加工达到设计要求。在铸件上堆焊锡青铜加工后的效果如图4所示。硬度试验表明：现有ZCuSn10P1铜套的硬度（HBW）≤95；本实施例堆焊耐磨铜层HS212的硬度值（HBW）为96.5，硬度值高于ZCuSn10P1锡青铜的硬度。堆焊耐磨铜层与铸钢ZG270-500基体之间的结合力经纵向面弯检验，压头直径40mm；弯曲角90°；检验结果完好无裂纹；在显微镜放大200倍时观察堆焊HS212焊丝的金相试件，锡青铜层与ZG270-500铸钢基体熔合性很好（如图5）；堆焊层与38CrMoAl（A）氮化件加工成销与圆盘，在MMV-5G试验机上进行金属间磨损试验，试验在室温油膜状态下，试验施加压力：P=385N；试验转数：367r/min；磨损时间58小时，进行磨损试验，2组试件磨檫系数分别为0.06～0.09；0.04～0.08；磨损失重仅为0.0125；0.0135；磨檫系数和失重量远远小于ZCuSn10P1锡青铜铸铜。

Claims (4)

1.一种十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，其特征在于：该工艺是以铸钢ZG270-500十字头销孔为基体，以锡青铜焊丝为焊接材料，通过熔化极脉冲氩弧焊在所述基体上完成堆焊过程，从而在十字头销孔中形成堆焊耐磨铜层；所述熔化极脉冲氩弧焊工艺参数为：焊接电流190～210A，焊接电压26～29V；焊丝直径1.2mm，焊丝伸出长度15～20mm；喷嘴直径16mm；保护气体为氩气，气体流量15～20L/min；电源极性：直流反接。
2.根据权利要求1所述的十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，其特征在于：所述焊接工艺，具体包括如下步骤：
(1)堆焊前将十字头体铸钢件预热至100～150℃；
(2)堆焊时提前3～5秒送氩气；
(3)按照所述堆焊工艺参数进行焊接，直至堆焊高度5～6mm；
(4)堆焊结束后保护气体滞后3～5秒，停止送气；
(5)焊后热处理580±10℃，保温1小时然后炉冷至300℃出炉，从而消除十字头销孔中堆焊耐磨铜层的热应力。
3.根据权利要求2所述的十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，其特征在于：步骤(1)之前用酒精清洗十字头销孔待堆焊处表面，去除油污；然后对销孔进行着色检验，确认销孔堆焊面没有裂纹、夹杂和缩孔缺陷。
4.根据权利要求2所述的十字头销孔中堆焊耐磨铜层的焊接工艺，其特征在于：步骤(3)中，每堆焊一层后对其表面进行宏观检查，发现缺陷清除后再堆焊下一层。
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