灰口鑄鐵件的補(bǔ)焊工藝

陳 龍，茍新剛，馬紅偉

(甘肅大唐國(guó)際連城發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730332)

1 概述

灰口鑄鐵是鑄鐵中的一種，碳以片狀石墨的形式分布于鑄鐵基體中，斷面呈暗灰色。由于片狀石墨割裂了鑄鐵的基體組織，因此灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，缺乏塑性?；铱阼T鐵具有良好的鑄造性、切割性能，還具有良好的耐磨性、抗震性和切削加工性，同時(shí)抗壓強(qiáng)度高，所以在工業(yè)上得到極為廣泛的運(yùn)用。

灰口鑄鐵常以鑄件的形式運(yùn)用于產(chǎn)品制造中，由于鑄造工藝的特點(diǎn)，鑄件往往存在各種不同程度的缺陷。鑄件補(bǔ)焊實(shí)際上就是對(duì)存有缺陷、損壞的鑄件進(jìn)行焊接修復(fù)補(bǔ)焊，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

2 焊接時(shí)易出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 焊后產(chǎn)生白口組織

在補(bǔ)焊灰口鑄鐵件時(shí)，經(jīng)常會(huì)在熔合區(qū)生成一層白口組織，產(chǎn)生白口組織的原因是：由于母材近縫區(qū)在焊接時(shí)被高溫加熱，當(dāng)受熱溫度高達(dá)860 ℃時(shí)，原來(lái)灰口鑄鐵中的游離態(tài)石墨開(kāi)始部分熔于鐵中，溫度越高，熔于鐵中的石墨也越多；當(dāng)冷卻時(shí)，一般認(rèn)為在30～100 ℃/s的急速冷卻條件下，熔于鐵中的碳來(lái)不及以石墨形式析出而呈滲碳體出現(xiàn)，即所謂白口。此外，在焊接熔池中的石墨化元素碳、硅等不足，也是產(chǎn)生白口的主要原因。

一般在窄小的高溫熔合區(qū)內(nèi)，灰口鑄鐵件在焊后很容易產(chǎn)生白口組織。白口組織硬而脆，使得焊縫在焊后難以機(jī)械加工，甚至?xí)?dǎo)致開(kāi)裂。防止白口產(chǎn)生的主要措施是：適當(dāng)調(diào)整填充金屬的化學(xué)成分和冷卻速度。改善焊接材料的化學(xué)成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定條件下防止焊縫金屬產(chǎn)生白口。氣焊用鑄鐵焊絲的碳、硅含量(C:3.0 %～3.8 %，Si:3.6 %～4.8 %)比 母 材高，特別是冷焊灰口鑄鐵時(shí)，焊絲中的含硅量高達(dá)4.5 %。焊后緩冷和延長(zhǎng)熔合區(qū)處于紅熱狀態(tài)的時(shí)間，使石墨充分析出，可避免熔合區(qū)產(chǎn)生白口。采取的具體措施是：焊前預(yù)熱和焊后保溫，由于氣焊時(shí)冷卻速度較慢，因此對(duì)于防止白口極為有利。

2.2 焊接接頭出現(xiàn)裂紋

裂紋是焊接灰口鑄鐵件時(shí)易出現(xiàn)的主要問(wèn)題?；铱阼T鐵件焊接接頭上的裂紋可能出現(xiàn)在焊縫金屬中，也可能在基本金屬即母材上。母材的裂紋一般出現(xiàn)在近縫區(qū)，可能呈縱向、橫向或斜向。由于灰口鑄鐵塑性極差，幾乎不能發(fā)生任何塑性變形，而且強(qiáng)度又低，所以在焊接應(yīng)力和本身應(yīng)力(組織應(yīng)力)的共同作用下，當(dāng)局部應(yīng)力大于母材的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使焊縫金屬和母材分離，即焊縫金屬會(huì)從基本金屬上脫離下來(lái)。若焊縫強(qiáng)度較高但母材強(qiáng)度較低，或結(jié)合處產(chǎn)生白口時(shí)，因白口鑄鐵收縮率(1.6 %～2.5 %)比灰口鑄鐵收縮率(0.9 %～1.8 %)大，且塑性差，也會(huì)產(chǎn)生剝離。

焊縫金屬內(nèi)的裂紋，一般為橫向裂縫，也會(huì)有縱向、斜向裂紋，在焊縫斷口處未經(jīng)高溫氧化時(shí)為藍(lán)色。裂紋生成時(shí)常發(fā)出清脆的金屬開(kāi)裂聲，通常發(fā)生時(shí)期為：在熱態(tài)焊縫金屬的暗紅色消失后(600 ℃以下)和焊縫與焊件整體溫度均勻化之前。焊縫金屬最容易發(fā)生裂紋的溫度是在400 ℃以下，這種在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的裂紋，通常稱之為熱應(yīng)力裂紋。

減少裂紋產(chǎn)生的措施有如下幾個(gè)。

(1) 焊前預(yù)熱和焊后緩冷。焊前將焊件整體或局部預(yù)熱，焊后緩冷，不但能減少焊縫的白口傾向，還能減小焊接應(yīng)力和防止焊件開(kāi)裂。

(2) 采用電弧冷焊減小焊接應(yīng)力，選用塑性較好的焊接材料，如用鎳、銅、高釩鋼等作為填充金屬，使焊縫金屬通過(guò)塑性變形松弛應(yīng)力，防止裂紋。采用細(xì)、直的焊條，小電流、斷續(xù)焊或分散焊的方法，可減小焊縫處和基本金屬的溫度差，進(jìn)一步減小焊接應(yīng)力。通過(guò)錘擊焊縫可以消除應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生，使焊縫冷卻時(shí)能不受阻礙地自由收縮，從而避免應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致裂紋。

(3) 采用熱焊法，并控制好溫度。當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，焊接材料會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，從而使部分內(nèi)應(yīng)力消除(一般在600 ℃以上時(shí)，焊接就不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋)。

3 補(bǔ)焊工藝

灰口鑄鐵件的補(bǔ)焊方法主要有焊條電弧焊、氣焊和釬焊。

按照焊件在焊前是否預(yù)熱，可以把焊條電弧焊分為冷焊、半熱焊(預(yù)熱溫度在400 ℃以下)和熱焊(預(yù)熱溫度為600～700℃)。

3.1 冷焊法

冷焊法就是焊件在焊前不預(yù)熱，在焊接過(guò)程中也不輔助加熱，這樣可加速焊補(bǔ)生產(chǎn)率，降低成本，改善勞動(dòng)條件，減少焊件因預(yù)熱受熱不均勻而產(chǎn)生的變形以及焊件加工面的氧化。目前，冷焊法正在推廣，并在迅速發(fā)展。但是用此種方法在焊接后，因焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度極大，易形成白口組織。此外，焊件受熱不均勻可形成極大的內(nèi)應(yīng)力造成裂紋，因此，在冷焊時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1) 焊前應(yīng)徹底清理油污，在擬補(bǔ)焊的裂紋兩端要打上防裂孔，加工的坡口形狀要保證便于焊補(bǔ)，并且減少焊件的熔化量。

(2) 采用鋼芯或鑄鐵芯以外的焊條，小直徑焊條應(yīng)盡量使用小的焊接電流，以減少內(nèi)應(yīng)力和熱影響區(qū)的寬度。

(3) 采用短焊道焊接法，待焊件充分冷卻后再焊一般為10～40 mm/次。

(4) 采用分段倒退焊，可降低拉應(yīng)力，對(duì)防裂有好處，以免裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。

(5) 焊完短焊道后，用圓頭錘沿焊逢向外錘擊。

冷焊焊條按焊后焊縫的可加工性分為兩大類：一類用于焊后不需要機(jī)械加工的鑄件，只適用小型薄壁鑄件剛度不大部位的缺陷焊補(bǔ)，如鋼芯鑄鐵焊條(EZCQ)；另一類用于焊后需要機(jī)械加工的鑄件，如純鎳焊條(EZNi-1）、鎳鐵鑄鐵焊條(EZNiFe-1）、鎳銅鑄鐵焊條(ENiCu-1)等。

3.2 熱焊法

熱焊法是在焊接前將焊件全部或局部加熱到600～700 ℃，并在焊接過(guò)程中保持一定的溫度，焊后在爐中緩慢冷卻的焊接方法。

使用熱焊法時(shí)，焊件冷卻緩慢，溫度分布均勻，有利于消除白口組織，減少應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。但熱焊法成本高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，焊接時(shí)勞動(dòng)條件差，因此應(yīng)盡量少用。

3.3 氣焊法

氣焊火焰溫度比電弧溫度低很多，因而焊件的加熱和冷卻比較緩慢，這對(duì)防止灰口鑄鐵在焊接時(shí)產(chǎn)生白口組織和裂紋是非常有利的，所以用氣焊焊補(bǔ)的鑄件質(zhì)量較好，易切削加工，許多工廠中的中小型灰口鑄件多采用氣焊焊補(bǔ)。其缺點(diǎn)是焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊件的變形較大，焊補(bǔ)大型鑄件時(shí)難以焊透，難以保證鑄件質(zhì)量達(dá)到預(yù)計(jì)要求。

3.3.1 焊前準(zhǔn)備

(1) 在焊件清理完畢后，檢查缺陷。焊件上的缺陷可直接觀察，也可用10～20倍的放大鏡查找。

(2) 在裂紋的兩端打Φ4～6 mm的防裂孔，以防裂紋擴(kuò)展。焊接灰口鑄鐵件時(shí)，可選用鑄鐵焊絲(絲401A或絲401B）。焊接時(shí)氣焊熔劑選用氣劑201，鑄鐵氣焊熔劑的熔點(diǎn)為650 ℃，呈堿性，能將鑄鐵氣焊時(shí)產(chǎn)生的二氧化硅(熔點(diǎn)為1 350 ℃)變?yōu)橐兹鄣柠}。用鑄鐵氣焊熔劑進(jìn)行灰口鑄鐵補(bǔ)焊時(shí)，應(yīng)選擇較大號(hào)的焊炬，以提高焊接頭的火焰功率，有利于消除氣孔、夾渣等缺陷。焊嘴孔徑可根據(jù)焊補(bǔ)處的壁厚大小確定。

3.3.2 焊接技術(shù)

在氣焊過(guò)程中，必須選用中性焰或弱碳化焰。在焊接結(jié)束時(shí)，用碳化焰使焊縫緩冷，可減少碳、硅的燒損，消除過(guò)厚的氧化膜，以防出現(xiàn)白口冷硬現(xiàn)象。當(dāng)消除缺陷的底部或開(kāi)坡口時(shí)可采用氧化焰。焊接時(shí)，在確定金屬熔化后再加入焊絲，以防熔合不良；發(fā)現(xiàn)熔池中有小氣孔或白亮點(diǎn)夾雜物時(shí)，可往熔池中加入少量氣焊熔劑，這樣有助于消除平渣，但氣焊熔劑不宜加入過(guò)多，否則易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。適當(dāng)加大火焰功率，提高熔池鐵水溫度，有利于氣體及雜質(zhì)浮起，因而能減少氣孔、夾渣，操作時(shí)應(yīng)注意火焰要始終蓋住熔池。加入焊絲時(shí)，應(yīng)用焊絲輕輕攪動(dòng)熔池，促使氣體、熔渣浮出。焊補(bǔ)完畢時(shí)應(yīng)使焊縫稍高于焊件表面，并用焊絲刮去雜質(zhì)較多的表層面，由于表層內(nèi)含雜質(zhì)較多，冷卻后硬度較高，因而刮去表面層可提高焊縫的切削性。

4 實(shí)例分析

連城電廠4號(hào)機(jī)D循環(huán)水泵導(dǎo)葉根部有2處開(kāi)裂，一處全部開(kāi)裂，一處開(kāi)裂長(zhǎng)度為400 mm（總長(zhǎng)700 mm）。

該循環(huán)水泵的鑄鐵導(dǎo)葉材料是HT200，為珠光體類灰鑄鐵。其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 HT200化學(xué)成分%

表2 HT200力學(xué)性能

根據(jù)上述對(duì)各類焊接方法的分析結(jié)論，認(rèn)為對(duì)該導(dǎo)葉進(jìn)行補(bǔ)焊宜選擇冷焊法。為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)采用Z308￠3.2、Z308￠4.0的純鎳焊條。

4.1 裂紋處焊前準(zhǔn)備

為減少焊縫中母材的熔合比，用角向磨光機(jī)對(duì)裂紋處開(kāi)雙V形坡口。修磨時(shí)要求徹底清除所有裂紋，坡口邊緣平緩過(guò)度，在坡口兩邊表面15 mm處應(yīng)打磨出金屬光澤。

4.2 焊接順序

采用分散焊，所有裂紋先焊完第1層，再焊所有裂紋的第2層，直至焊完。這樣，焊縫不至于局部過(guò)熱，且有利于溫度的均勻分布，可盡量減少焊接的變形。焊前將焊條烘焙到150 ℃，保溫1 h，烘干后放入保溫桶中，隨用隨取。焊接時(shí)采用短道、快速、不擺焊條、斷續(xù)焊法，每段長(zhǎng)度30～40 mm。第1層和第2層采用盡可能小的焊接電流，以減小焊接熱輸入，宜采用￠3.2 mm焊條。每焊完1段后，立即用鈍頭小錘由焊縫中間向兩側(cè)錘擊焊道，以釋放焊接應(yīng)力，錘擊頻率2～3 Hz，力量由重逐漸到輕，整個(gè)焊道都要錘遍。嚴(yán)格控制層間溫度，每層焊完后必須冷卻到60 ℃以下，清除熔渣，檢查有無(wú)裂紋，如無(wú)裂紋再繼續(xù)進(jìn)行下一道焊接。

4.3 焊后檢查

工件焊完后，用角向磨光機(jī)打磨焊縫表面至工件原基準(zhǔn)面。做滲透探傷檢查，焊件的焊縫處應(yīng)無(wú)裂紋等缺陷。對(duì)循環(huán)水泵導(dǎo)葉(HT200灰口鑄鐵)的補(bǔ)焊結(jié)果證明：選定的工藝方案正確可行。

采用小電流焊接，可減小熔合比；合理錘擊焊縫，調(diào)整焊接熱的輸入，可避免熱應(yīng)力誘發(fā)裂紋。正確合理地控制層間溫度，清除熔渣，可有效防止裂紋的產(chǎn)生，避免焊后再次出現(xiàn)裂紋。