[发明专利]碳钢上堆焊硅铜合金的工艺及堆焊支撑环的活塞-缸单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，特别涉及在碳钢表面堆焊硅铜合金的工艺，以及堆焊支撑环的活塞-缸单元。

背景技术

现代工业的发展对焊接构件的性能提出了更高和更严格的要求。如高温强度、耐磨、耐腐蚀、低温韧性等。在此前提下，任何单一材料都不可能完全满足整体焊接构件的使用要求。异种材料熔合焊接成为解决该问题的突破方向。堆焊技术具有成本低、易操作等优点，在异种材料焊接领域有广泛应用。

众所周知，异种材料性能具有较大差异，堆焊时易发生裂纹、气孔等缺陷，焊缝组织成分不均匀，力学性能不好，疲劳强度、抗拉强度等都不够优异。

铜合金具有较为优良的化学、物理和综合机械性能，但碳钢与铜合金两种材料的物理性质（如熔化温度、热导率、线膨胀系数、流动性等）有较大差异，在焊接过程中存在碳元素迁移过程，不仅焊接难度高，同时焊接时热源形成温度场易使得焊件产生不均匀的组织及残留应力，焊后焊层金属开裂倾向大。目前已有许多学者对此进行广泛研究，如姜军记、倪世丰等人发表的“10CrNi₃MoCu钢的堆铜焊工艺”一文，采用该工艺在10CrNi₃MoCu钢筒体上堆焊铜层，经检测表面无裂纹气孔等，着色探伤无5mm的条状缺陷；南京理工大学游焕强发表的硕士学位论文“环形钢基体TIG堆焊铜工艺研究”，该论文对采用TIG焊方法在环形钢基体上堆焊纯铜层的工艺进行研究，并要求铜-钢界面结合强度超过堆焊铜层自身强度，并控制铜层泛铅程度。

消除焊件过渡区的残余应力，提高过渡区的韧性、降低裂纹敏感性，提高基体与堆焊层金属间的结合性能是堆焊过程中着重需要考虑的问题，而相同的堆焊工艺应用于不同异种材料不能够达到理想的焊接效果。

目前未见有关于在碳钢表面堆焊硅铜合金的报道。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种在碳钢表面堆焊硅铜合金的工艺，能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，焊前和焊后均无需热处理，焊接效率高，焊接过渡区不会产生应力集中过强的现象，过渡区的韧性高、裂纹敏感性低，基体与堆焊层金属间的结合性能优异。

本发明所述工艺是在气体保护条件下进行多层堆焊，并以硅铜合金作为熔敷金属，所述硅铜合金中含有2.5-3.1%重量的硅元素和不低于96%重量的铜元素，余量为杂质元素，所述杂质元素包括锡元素、铝元素和铅元素中的至少一种；硅可以防止铁与氧化合，并可在熔池中还原FeO；铝元素不仅可少产生FeO，且易于使FeO还原，有效地抑制在熔池中产生的CO气体的化学反应，提高抗CO气孔的能力；另外，铝还能和氮化合而起固氮作用，故也能减少氮气孔，控制铝元素在熔敷金属中的质量分数为0.0015%-0.01%，焊缝组织的硬度、屈服点和抗拉强度等特性均有提高。

焊接电流为200-280A，焊接时层间温度保持在150-250℃；电流过大，焊接时层间温度相应升高，堆焊层粘度变差，流动性增强，导致在基体上成型差，泛铁程度高，堆焊层飞溅大；电流过小，焊接时层间温度相应降低，基体与堆焊层不易熔合，堆焊层易脱离基体。

优选的，所述铝元素在硅铜合金中的质量分数为0.005%-0.01%。

优选的，焊接过程中保护气的气体流量为22-26L/min。气体流量过大，增加焊接成本；气体流量过小，起不到保护作用，焊接后堆焊层气孔多；焊接时电弧电压为20-26V；电弧电压过大，堆焊层粘度差，流动性强，在基体上成型差，堆焊层飞溅大；电弧电压过小，基体与堆焊层不易熔合，堆焊层易脱离基体。

优选的，焊接速度为0.1-0.2m/min，焊接速度过快，晶粒小，容易产生焊接气泡；焊接速度过慢，晶粒粗大，生产率降低，同时焊接速度过快或过慢均易产生裂纹，本发明控制焊接速度，进一步保证焊缝组织均匀性，避免裂纹产生，提高熔敷金属的力学强度及基体与堆焊层金属间的结合性能；焊丝伸出长度不大于20mm，保证母材与熔敷金属充分熔合，焊缝组织均匀，力学性能优异，若焊丝伸出长度高于20mm，会导致焊接熔合性差，堆焊层易脱离基体，焊接后堆焊层气孔多。

本工艺能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，且焊缝成型美观、组织均匀，焊接过渡区应力集中小，韧性好、裂纹敏感性低，基体与堆焊层金属间的结合性能优异，经检测焊缝接头性能可达母材的60%。本工艺焊前无需预热，焊接过渡区应力集中小，焊后无需后续处理就能够满足使用要求。