鑄鐵的修補(bǔ)焊接工藝研究

李 博

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 河南 鄭州 450045）

引言

我國(guó)作為一個(gè)機(jī)械制造業(yè)大國(guó)，在進(jìn)行相關(guān)的加工制造時(shí)，鑄鐵零件在機(jī)械加工中一直占據(jù)著重要的地位。但是由于其本身的特性，使得在使用時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，降低使用的有效性，而其中最有效的方法就是進(jìn)行鑄鐵的修補(bǔ)焊接。

1 鑄鐵的修補(bǔ)焊接

1.1 鑄鐵的概念

鑄鐵也被稱為生鐵，是由磷、硫、硅、鐵、錳等化學(xué)元素和一些雜質(zhì)組成的物質(zhì)，是含碳量超過(guò)1.7%的鐵碳合金，是冶金生產(chǎn)過(guò)程中的初級(jí)產(chǎn)品。鑄鐵憑借其良好的性能以及較低的成本，在機(jī)器制造業(yè)中被廣泛的使用，是最常用的結(jié)構(gòu)材料之一，應(yīng)用范圍包括機(jī)座、汽缸、絞車架、氣缸和活塞等[1]。

1.2 鑄鐵修補(bǔ)焊接工藝的重要性

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，每年的鑄鐵年產(chǎn)量約為800萬(wàn)t，但是存在缺陷的鑄鐵也占據(jù)了其中的10%～15%，如果不對(duì)這些有缺陷的零件進(jìn)行有效的處理，就會(huì)導(dǎo)致每年大約10億元的廢品損失。由于鑄鐵的自身特性，使得其在使用過(guò)程中受到損壞的可能性較大，這些鑄鐵零件往往是經(jīng)過(guò)層層機(jī)械加工的，如果直接對(duì)出現(xiàn)損壞或者出現(xiàn)裂紋的鑄件進(jìn)行更換，成本較大，并且其中還要涉及到很長(zhǎng)一段時(shí)間的成品鑄件的購(gòu)買、運(yùn)輸和調(diào)試過(guò)程，不利于企業(yè)正常業(yè)務(wù)的進(jìn)行。由于鑄件修補(bǔ)焊接的成本較低，且時(shí)效性較快，對(duì)于減少企業(yè)的成本以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義，使得鑄件修補(bǔ)工藝具有良好的發(fā)展前景。

2 鑄鐵焊接的冶金過(guò)程及工藝

2.1 鑄鐵焊接的冶金過(guò)程

鑄鐵焊接的過(guò)程中，由于其自身的可塑性較差，如果加之材料的選擇不當(dāng)?shù)龋紩?huì)出現(xiàn)白口化和裂紋，不利于焊接的開展。要注意防止出現(xiàn)白口和裂紋，要根據(jù)焊縫的冶金環(huán)境來(lái)進(jìn)行，根據(jù)工藝的不同來(lái)選擇合適的冷卻溫度。采用異質(zhì)材料要從兩個(gè)方面加以控制：第一，將具有提高石墨化能力和擴(kuò)大奧氏體的元素Ni加入其中，以便于切實(shí)提高相關(guān)的組織性能。例如，選用純Ni焊條（鑄308）等或者使用銅鋼焊條。在這個(gè)過(guò)程中，必須要注意到相關(guān)的電流的大小，要做到電流大小、淺熔深和白口組織的厚度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。第二，要使用直流正極性的工藝，用小電流配合多層焊，如采用同質(zhì)的鑄鐵芯焊條和鋼芯焊條，采取焊前預(yù)熱、焊后保溫等措施，將體積較小的鑄體的缺陷先進(jìn)行擴(kuò)大后再進(jìn)行補(bǔ)焊，使得裂縫的問(wèn)題可以得到有效解決[2]。

2.2 鑄鐵的合金組成及焊接難點(diǎn)

鑄鐵根據(jù)其組成的合金成分的不同又能夠呈現(xiàn)出不一樣的特性。在進(jìn)行相關(guān)的補(bǔ)焊操作時(shí)，首先就需要對(duì)鑄鐵的合金組成進(jìn)行了解，便于制定具有針對(duì)性的操作。在鑄鐵中碳的占比大于2%，并且還包括Si、Mn、S、Mg和Ce等其他的化學(xué)元素和雜質(zhì)。除了了解鑄鐵的合金組成外，還需要了解鑄鐵的焊接難點(diǎn)，鑄鐵具有較高的含碳量，使得在焊接過(guò)程中焊縫中容易出現(xiàn)多孔性；由于鑄鐵的可塑性較差，使得進(jìn)行快速冷卻時(shí)在焊接應(yīng)力的作用下很容易發(fā)生脆裂；鑄鐵在加熱時(shí)，由于半流體狀態(tài)的缺失，加大了仰焊的難度，一般選擇的是平焊。

2.3 選擇合適的焊接工藝

在現(xiàn)階段的鑄鐵焊接方法中，根據(jù)焊接前的預(yù)熱情況，可以將其分為三類：第一，鑄鐵熱焊，即在鑄件全部或者局部加熱至650～700℃之后進(jìn)行焊接；第二，半焊接，即在鑄件全部或局部加熱至400℃之后進(jìn)行焊接；第三，鑄件冷焊，即不經(jīng)過(guò)預(yù)熱的焊接。

在具體的焊接工藝中，熱焊和半熱焊的工藝一致且使用較為普遍，所以本文主要就鑄鐵的熱焊與半熱焊補(bǔ)焊工藝進(jìn)行介紹。

首先要做的就是清理鑄件缺陷處的氣孔和夾渣，在清理到出現(xiàn)純凈金屬之后再按照原有的標(biāo)準(zhǔn)在缺陷處按照焊接的需求打造“V”型坡口或者“U”型坡口。在做好相應(yīng)的坡口準(zhǔn)備后，就需要做好造型工作。在進(jìn)行熱焊時(shí)，考慮到由于烤化狀態(tài)的鐵水?dāng)?shù)量較大且冷卻速度較慢，在進(jìn)行焊補(bǔ)時(shí)需要做好相關(guān)的造型工作來(lái)保證融化金屬冷卻后也可以保持一定的形狀。在完成造型工作后，就可以進(jìn)行預(yù)熱處理，這是鑄鐵熱焊的重要步驟之一，要根據(jù)鑄件的材質(zhì)、重量以及修補(bǔ)特征、焊接的電流大小等來(lái)決定預(yù)熱溫度。鑄件的全局預(yù)熱一般采用特殊的加熱爐裝置，溫度控制在400～750℃左右。在做好加熱準(zhǔn)備后，就需要進(jìn)行相關(guān)的補(bǔ)焊的準(zhǔn)備，首先需要準(zhǔn)備好相關(guān)的焊接電流機(jī)，便于操作。在焊接時(shí)，焊接的速度、焊接應(yīng)力以及焊后的變形程度都與電流的大小有關(guān)，因此要根據(jù)電流的大小適當(dāng)采取針對(duì)性的操作。最后的步驟就是進(jìn)行冷卻，一般是根據(jù)鑄件的外形來(lái)確定冷卻的時(shí)間，一般為5～8個(gè)晝夜。

3 鑄鐵修補(bǔ)焊接工藝實(shí)例研究

本文將對(duì)火電廠汽輪機(jī)機(jī)座的修補(bǔ)焊接進(jìn)行研究。

3.1 研究意義

火電廠的汽輪機(jī)機(jī)座在使用過(guò)程中承受著較大的離心力、沖擊力以及震動(dòng)力等，很容易受到損傷，機(jī)座表面經(jīng)常會(huì)有缺口，對(duì)有缺口的機(jī)座進(jìn)行修補(bǔ)焊接，可以有效降低受損機(jī)座的更換率，提高相關(guān)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益的提升。

3.2 過(guò)程分析

要選擇合適的材料，E410--15(G217)的焊條中的化學(xué)成分與焊接的鑄鐵性質(zhì)接近，可以以直流反接的方式進(jìn)行全位置焊接，可以有效改變焊接性能，減少裂紋的產(chǎn)生，提高焊縫金屬中的塑性。保證接頭焊接的穩(wěn)定性。要采取熱焊的方式，進(jìn)行合理的預(yù)熱處理，對(duì)焊接熱量和冷卻速度進(jìn)行控制。

3.3 焊接過(guò)程

根據(jù)機(jī)座的受損情況，將受損的機(jī)座部位進(jìn)行打磨和切除處理，并在材質(zhì)相同的新機(jī)座上選取同樣的形狀尺寸；根據(jù)機(jī)座的情況，選取V型坡口，并且破口的角度隨著機(jī)座厚度的增加逐漸減小，一般在30°～35°之間，在焊接前要將坡口的周圍打磨干凈。在進(jìn)行焊接前，為了防止出現(xiàn)裂紋和氣孔，要采取預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度控制在200～250℃之間，采用氧-乙塊火焰進(jìn)行緩慢預(yù)熱。預(yù)熱完成后，就采用E410-15（G217）焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，將機(jī)座水平放置，焊接電流為50～70A，烘干時(shí)間為1h，烘干溫度為350℃。要注意采用多層焊接方式，控制層間溫度，保持在250℃以內(nèi)，要對(duì)單面坡口的根部背面進(jìn)行焊透，及時(shí)進(jìn)行打磨補(bǔ)焊處理。焊接完成后，要及時(shí)進(jìn)行機(jī)座的冷卻，在焊縫中心溫度降至100°左右時(shí)采用電阻加熱的方式進(jìn)行熱處理，在經(jīng)過(guò)大約10 min之后便可拆除相關(guān)保溫裝置，使得焊接物體自然冷卻。在冷卻后邊可以采用手動(dòng)打磨的方式將焊接的部分打磨光滑，使其保持原有的形狀，并對(duì)焊縫有無(wú)夾渣、氣孔以及裂紋等進(jìn)行檢查，要注意如果經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后經(jīng)檢查仍舊不合格的則不能再次進(jìn)行返修[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

鑄鐵件被廣泛運(yùn)用在各行各業(yè)中，由于鑄鐵本身的特性，在進(jìn)行相關(guān)的焊接時(shí)很容易受損，要對(duì)這些易損部位、特殊用途部位以及應(yīng)力集中的部位重點(diǎn)關(guān)注，采用適合的鑄鐵件修補(bǔ)焊接方式，有效提高產(chǎn)品的使用壽命，降低相關(guān)的成本，提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益。