30CrMnSiA与纯铜随冷感应加热焊接工艺研究

30CrMnSiA与纯铜随冷感应加热焊接工艺研究

黄长瑞 孙志刚 李胜鑫

（河南北方红阳机电有限公司，河南 南召 474678）

摘要：针对30CrMnSiA与纯铜进行感应加热焊接，通过随焊冷却方式，对焊接规范等方面进行试件焊接，确定了焊接工艺。结果表明，该工艺过程保证了铜钢焊接接头内外部焊接质量，从宏观和微观上，判定铜钢焊接界面强度满足产品设计和使用要求，增加了铜钢焊接接头的工艺焊接性和使用焊接性。

关键字：30CrMnSiA；纯铜；感应加热；随冷；焊接工艺

为满足公司产品结构设计的要求，需要在圆柱形钢基体外围沿四周焊接一个纯铜环带，而且还特别强调在钢体始终为固态条件下，将铜带焊牢，而且钢体一侧焊接部位不允许有较大的内应力，也不允许有晶粒粗大、强度降低、晶间渗透、冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷的存在。总之，要在保证铜钢之间能够实现良好的冶金结合，达到所要求的力学性能和良好的成型，又要保证钢基体的不熔，都要求焊接工艺参数之间有一个良好的匹配。然而，异种金属在物理、化学及力学性能方面都存在着巨大的差异，对连接方法要求比较苛刻。异种金属连接时容易出现如下问题：①冶金不相容性，在界面形成脆性化合物相；②热物理性能不匹配，产生残余应力；③力学性能差异巨大导致连接界面力学失配，产生严重的应力奇异行为。上述问题的存在，造成了异种金属连接困难，而且还影响到接头组织、性能和力学行为，对接头的断裂性能和可靠性造成不良影响，甚至严重影响整个结构和完整性[1]。

1、为了满足公司产品的特殊要求，便利用电磁感应加热具有短时加热到温，外界干扰小、能量扩散小，加热效率高，整体加热工件受热均匀等特点，以使预置在高强钢基体上的铜及铜合金环整体熔化并与钢基体实现了冶金结合，实现了无熔深熔焊

但实际焊接过程中，焊后自然冷却，不仅不能阻止铜钢界面两侧铜钢原子的互扩散范围，而且还增加了焊缝中泛铁，铜中铁含量大于2.5%焊接缺陷的倾向，本文采用随冷焊接方式，来进行铜钢焊缝定置定向冷却，达到提升焊缝质量可靠性，对铜钢感应加热焊接工艺做进一步阐述。

2    焊接工艺试验研究

2.1  试验材料

    铜钢感应加热焊接所用钢质管状工件材料为30CrMnSiA，壁厚为10.5mm，外圆直径为125mm，长度为250mm，热处理状态为退火状态；铜及铜合金圆环毛坯为纯铜T2（退火态）壁厚为6.5mm，内孔直径为125.5mm，长度为35mm。

2.2  试验设备

    铜钢感应加热焊接电源采用IGBT变频感应加热电源，感应加热机床，随焊冷却系统；采用纯铜方管制成两匝感应器，感应器内径为165mm，宽度为13mm，高度为28mm，缠有白色玻璃纤维带的圆环为感应器，感应器上方黄色呈阶梯状的为随冷组合工装

2.3  试验方法

    利用IGBT晶体管感应加热焊接生产设备进行试验毛坯焊接，首先利用工装夹具将所要焊接的位置定位好，再放入上绝缘套圈，在绝缘套圈中放入铜环，然后加入保护焊剂，最后将感应线圈套在绝缘圈的外面进行加热焊接，并焊接过程中伴随水冷却钢质工件内壁，最后焊接加工成焊接毛坯。

2.4  试验装配

    将钢质工件竖直放置在工作台的定位工装上，从下向上的顺序，依次先用定位夹具在工件上夹紧定位，再在其上放置隔热纯铜铜套，避免加热热量向下传递减少铜钢质工件的影响同时有助下端熔化纯铜有较好的冷却成形，再将成形模套套过工件放置在纯铜铜套上，随后将纯铜铜环套过工件放置在成形模套内。将装配好的铜钢组合工件移动至感应加热工位，再将感应加热机床上的感应器移动至铜环焊接加热位置，同时将随冷组合工装移动至工件内腔对应焊接加热区域。

2.5  试验工艺及措施

焊接前及焊接过程中注意以下事项：⑴  焊接前彻底清理钢质工件表面和铜环内外表面及周围锈迹、油、灰尘、铁屑、水分等污物；⑵  钢制工件必须始终竖直放置在装配平台上，定位夹具要装配到位上下平面与钢制工件轴线垂直，纯铜铜套平放放置在定位夹具上无翘起；⑶  成形模套放置在纯铜铜套上结合紧密，成形模套与钢质工件接触部位之间要用玻璃纤维带使二者紧密结合，未接触端与钢制工件之间的间隙要均匀；⑷  纯铜铜环放置于成形模套内，保持与模套和钢质工件之间间隙要均匀，与钢质工件间的间隙要尽量小，在0.1mm～0.25mm之间；⑸  感应器在圆周方向上与成形模套的外圆之间的间隙要均匀，感应器加热过程中要定期检测其平整度，误差不超过0.2mm；⑹  感应器距离铜环下端面距离2mm～2.5mm，距离铜环上端面距离为3.5mm～4mm；⑺  随冷组合工装下部喷水器上端面距离铜环下端面距离为10mm～15mm，上部喷水器下端面距离铜环下端面2mm～3mm，其上端面超过铜环上端面5mm～6mm，下部喷水器喷水随焊整个过程，喷水流量为160ml/min～180ml/min，上部喷水器喷水在焊接能量输入停止后2s～3s立即进行，时间为1min～2min，喷水流量为210ml/min～240ml/min，冷却液为PAG水基冷却液，浓度为10%～12%；⑻ 工件旋转速度为14r/min～18r/min

3    试验结果及分析

3.1  铜钢焊接外观检查

焊后纯铜试件经目测检测，见图4所示，若随冷组合工装冷却过程中，喷水冷却位置定位准确，既能减小影响钢质工件性能的热影响区范围，还能使纯铜熔敷层上下部与钢质工件熔合良好无未焊合，未发现气孔、夹渣、凹坑、剥离等表面缺陷。钢质工件内壁按NB/T 47013.5-2015《承压设备无损检测 第五部分 渗透检测》进行检测，检测结果符合NB/T 47013.5-2015 Ⅰ级质量要求，无裂纹。

3.2  铜钢焊接内部质量检测

按NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第二部分 超声检测》B级检测技术进行超声检测，符合Ⅰ级质量要求，无未焊合、气孔等缺陷。

3.3  焊缝金相检测

从宏观组织来看，纯铜与钢质工件界面及铜环内无未焊合、裂纹、夹渣等缺陷。从微观金相组织来看，铜钢结合界面结合良好，界面较平直，车刀痕明显，无未焊合、局部熔化等现象，界面靠近铜钢界面钢一侧有针状马氏体和残余奥氏体存在，其余为板条马氏体组织。

3.4  铜钢焊接接头机械性能试验

退火态纯铜T2的σb=211MPa～235MPa，τ=150MPa[2]。 试件直径约为125mm，铜环厚度为3mm，铜环宽度为20mm，由F=1.3πDWτ[4]计算得出1530kN，故选2000kN的油压机作为压力试验机，采用油压机能够满足剪切要求。从强度检测结果可以看出，表明铜钢界面结合强度完全达到了原子结合，力学性能良好；由于焊接温度的影响，原子运动能加大，界面上的结合面积增加，宏观表现为界面结合强度的升高，以使铜钢界面强度明显高于纯铜的强度。

试验表明，采用感应加热焊接方法，加以随焊冷却的作用，能够更好地实现铜钢之间有效结合；剪切后的铜钢界面力学性能和铜钢界面金相检测结果，能够从宏观和微观上判定铜钢界面结合效果达到焊接要求而且满足产品设计要求，证明了该焊接方法的工艺和使用的焊接可行性。

 参考文献：

[1]张启运，庄鸿寿等.钎焊手册[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]黄佰云. 中国材料工程大典[M].北京：化工工业出版社，2005.

 作者简介：姓名：黄长瑞  性别：女  出生年月：1974年01月16日  民族：汉族  籍贯：河南省南阳市南召县  职称：助理工程师 ，E-mail:g286948@163.com

 作者简介：姓名：孙志刚 性别：男  出生年月：1974年08月19日  民族：汉族  籍贯：河南省南阳市南召县  职称：工程师 ，E-mail:zhigang008@126.com

 作者简介：姓名：李胜鑫  性别：男  出生年月：1976年01月16日  民族：汉族  籍贯：河南省唐河县  职称：高级工程师  E-mail:newlina007@163.com