抽油機(jī)減速器殼體鑄鐵冷焊工藝研究

【摘要】文中對抽油機(jī)減速器殼體鑄鐵冷焊工藝的可行性進(jìn)行了探討，列舉了鑄鐵冷焊的工藝要點(diǎn)，就鑄件內(nèi)部導(dǎo)熱、輻射換熱和對流熱進(jìn)行了傳熱理論分析。對不同大小鑄件的水冷和空冷焊接進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：對于小鑄件，水冷效果明顯，但產(chǎn)生的白口及淬硬組織多，對于較大鑄件，水冷效果不明顯，鑄件越大，水冷效果越不明顯。

【關(guān)鍵詞】鑄鐵冷焊；焊接工藝；傳熱

抽油機(jī)減速器殼體單重達(dá)1.6噸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單體價(jià)值量較高，在實(shí)際工作中，一旦出現(xiàn)鑄造缺陷，即行破壞回爐處理，對生產(chǎn)成本控制是極為不利的，因此，我們對抽油機(jī)減速器殼體局部缺陷的焊補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行了探討，以解決該難題?？紤]到抽油機(jī)減速器殼體體積太大的實(shí)際，整體預(yù)熱后進(jìn)行焊補(bǔ)是不具備實(shí)際操作條件的，因此，只能采用冷焊方式。鑄鐵冷焊工藝中最突出的缺陷，是易產(chǎn)生白口及淬硬組織，易產(chǎn)生裂紋和氣孔。

1、理論分析

鑄鐵冷焊的成功與否，關(guān)鍵在于對白口層及裂紋的控制，因此焊接材料的選擇，焊接工藝的制定主要是圍繞這兩個(gè)問題進(jìn)行的。

白口組織的多少與化學(xué)成分和冷卻速度有直接關(guān)系。石墨化元素不足，冷卻速度過快，都是促進(jìn)白口產(chǎn)生的因素。實(shí)踐證明，冷卻速度的影響比化學(xué)元素的影響更大。

裂紋（冷裂紋）的產(chǎn)生與焊接應(yīng)力的大小及淬硬組織的多少、分布狀況有關(guān)。應(yīng)力是根本原因，淬硬組織是必要條件，經(jīng)測試焊縫金屬中心區(qū)的溫度與應(yīng)力關(guān)系如圖1，從中可看出在850℃ 以下開始產(chǎn)生平均應(yīng)力。在600～700℃之間因發(fā)生相變出現(xiàn)某些應(yīng)力緩和，此后隨著溫度的降低拉應(yīng)力直線增加[1]。當(dāng)化學(xué)元素一定時(shí)，冷卻速度快有利于白口組織的產(chǎn)生。焊縫中熱的傳播主要靠表面放熱和殼體內(nèi)導(dǎo)熱，表面放熱包括對流換熱和輻射換熱。對于此類較大鑄件，使用特定焊接工藝方法，可以通過幾種熱交換的數(shù)值分析[2]來比較水冷焊效果。

1.1殼體內(nèi)部導(dǎo)熱

將鑄件放在水里焊補(bǔ)（焊縫露出水面8～12mm）時(shí)，導(dǎo)熱首先是沿著有焊縫的上平面向四周擴(kuò)散，然后傳到側(cè)面，經(jīng)8～12mm后，才與水接觸。根據(jù)大殼體瞬時(shí)冷卻速度計(jì)算公式：

則有：

λ：殼體導(dǎo)熱系數(shù)，T：某一瞬時(shí)溫度，T0：室溫，q/v：焊接線能量（J/cm））

根據(jù)條件T空=T水（同樣高溫下，比較空氣和水冷條件下時(shí)的冷卻速度）有：

T0空=T0水（同一室溫）； （q/v）水=（q/v）空（同樣線能量）

λ水：在水冷焊時(shí)鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)，λ空：在空氣中焊殼體時(shí)鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)。

同種材質(zhì)當(dāng)溫度不同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，但按水冷焊補(bǔ)方法，傳到側(cè)壁8～12mm后的溫差很?。ㄓ帽砻鏈囟扔?jì)測得），故λ水≈λ空。說明從殼體內(nèi)部導(dǎo)熱這方面，在水中和空氣中的冷卻速度變化不大，沒有明顯作用。

1.2輻射換熱

輻射換熱比熱流量：qr（卡/厘米·秒）

式中εC0為比例系數(shù)，其中C0為常量，且C0=1.373x10-4卡/厘米2·秒·K4，ε為黑度系數(shù)，T0為室溫，在水冷、空冷焊時(shí)εC0、T0都是一致的。T為焊件被加熱的溫度。由于采用上述焊接方法，對于較大鑄件，在接近水面部位溫度基本一致（表面溫度計(jì)所測），接近室溫，此時(shí)水的對流交換作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比熱流量近似相等。說明在輻射熱方面水冷起不到使大鑄件快速冷卻的效果。

1.3對流換熱

對流換熱比熱流量qk（卡/厘米2·秒）

式中：T為固體表面溫度，T0為初始溫度，αk為對流放熱系數(shù)（卡/厘米2·秒）。

鑄件在空冷焊時(shí)，全部與空氣對流換熱；在水冷時(shí)，低于焊縫8～12mm的部位是與水進(jìn)行對流換熱（即泡在水中部分），而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以兩種焊法空冷部分的qk值可以看成是一樣的。對于較大的鑄件，在8～12mm以下部分，溫度不會有明顯升高（由表面溫度計(jì)測得），即T≈T0≈室溫，此時(shí)即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在這種焊接方法情況下，在焊縫以下8～12mm的部位因溫度上升很少，無論是空冷、水冷對流換熱都不明顯。通過以上的理論分析，不難看出，對于大型鑄件，水冷實(shí)際上沒有效應(yīng)，企圖通過這種方法提高冷卻速度“控制母材的熔化量”是很難做到的。對于一些小型鑄件，水冷還是有效的，確實(shí)提高了冷卻速度，但這是有害的，是應(yīng)防止的。它不但增加了白口層厚度，增加了淬硬組織，而且還極易產(chǎn)生裂紋和氣孔。

2、金相組織

查有關(guān)資料[1]中金相組織（如表1）

3、鑄鐵冷焊工藝中的缺陷及防止措施

3.1裂紋

裂紋是鑄鐵焊接中最有代表性的缺陷，也是決定成敗的關(guān)鍵。裂紋可分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋是產(chǎn)生在焊縫上的一種細(xì)碎裂紋，冷裂紋可能產(chǎn)生在焊縫及焊縫以外的區(qū)域，半熔化區(qū)最易出現(xiàn)且形成剝離裂紋。

防止熱裂主要措施有：盡量選用細(xì)焊條、堿性焊條、適當(dāng)提高焊縫冷卻速度。防止冷裂的主要措施有：采用“加熱減應(yīng)法”、選擇合理的焊接順序、采用塑性好、屈服強(qiáng)度低的焊條、對于厚、大件，坡口要開的窄而深，以減少產(chǎn)生過大的收縮力。

3.2白口及淬硬組織

白口的產(chǎn)生主要是由于石墨元素不足和冷卻速度過快而造成。冷卻速度快，容易產(chǎn)生白口、淬硬組織，它的產(chǎn)生不但給加工帶來困難，而且還易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

主要防止措施有：在打底焊時(shí)，采用小線能量法、多層焊法、對于能自由收縮的焊縫或大鑄件表面的局部焊補(bǔ)，采用較大電流，連續(xù)焊，盡量降低冷卻速度、對于有加工性能要求的部位，可采用鎳基焊條打底。白口組織一旦產(chǎn)生，要想消除比較困難，在條件允許的情況下，可用退火進(jìn)行處理，小件可用氧-乙炔焰反復(fù)加熱，然后緩冷保溫，大些的鑄件可通過加熱爐退火。實(shí)在不好解決的要磨掉，換用鑄308焊條，小電流施焊。

針對以上分析，我們采用焊前局部預(yù)熱至約300℃，采用E4303（φ2.5～φ3.2）焊條，小電流（60～110A）、短焊、分散焊、多層焊焊法，每層焊道焊后及時(shí)錘擊等工藝措施，焊后空冷，成功修復(fù)了部分減速器殼體，有效降低了損失。

4、結(jié)論

通過以上理論分析及對金相組織的研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）對于減速器殼體等此類較大鑄件，采用水冷效果很不明顯，幾乎沒有作用。

（2）對于小鑄件，水冷效果明顯，但它較空冷焊接產(chǎn)生的白口及淬硬組織多，更易產(chǎn)生裂紋和氣孔。

（3）為防止變形，防止其他部位過熱，在不得已的情況下，可以采用水冷焊接，但要注意，此時(shí)產(chǎn)生白口、裂紋、氣孔的傾向會增加。

（4）對于減速器殼體等此類較大鑄件，應(yīng)從采用合理焊接工藝思路出發(fā)，如“短弧、斷續(xù)、薄層焊，焊焊停停、敲敲殘?jiān)钡确绞健?/p>