HT-200灰鑄鐵工件焊接修復(fù)工藝實(shí)踐

寧亮亮

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

鑄鐵件具有成本低，鑄造性能和減震性能好，耐磨性與加工性能優(yōu)良，所以在機(jī)械設(shè)備制造中廣泛應(yīng)用。但由于鑄造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)中難免會(huì)產(chǎn)生縮孔等缺陷，從而造成不良品。一般在10%～20%之間，每年報(bào)廢鑄件120萬t，損失非常大［1］?；铱阼T鐵含碳和有害硫元素偏高，焊補(bǔ)過程中焊補(bǔ)區(qū)冷卻速度很快，石墨化元素不足，所以焊補(bǔ)區(qū)極易產(chǎn)生白口組織。當(dāng)鑄造中殘余應(yīng)力與焊接應(yīng)力相結(jié)合超過鑄鐵強(qiáng)度時(shí)，沿焊補(bǔ)區(qū)的薄弱處就產(chǎn)生斷裂和焊道剝離現(xiàn)象，所以鑄鐵工件的補(bǔ)焊工藝一直是焊接專業(yè)領(lǐng)域的難題。我國目前灰鑄鐵的焊補(bǔ)方法主要采用氣焊進(jìn)行焊接。氣焊是成熟可靠的焊接方法，采用氧乙炔碳化焰、鑄鐵焊絲和氣劑201。氣焊火焰的溫度低于焊條電弧焊的溫度，熱量不集中，焊件的加熱和冷卻比較緩慢，可防止鑄鐵焊接時(shí)產(chǎn)生白口組織和裂紋。氣焊補(bǔ)焊效果的好壞，很大程度上取決于焊材的質(zhì)量和焊工的操作水平，目前我國氣焊補(bǔ)焊的焊材標(biāo)準(zhǔn)比較粗放，有害元素雜質(zhì)含量較多，同時(shí)由于氣焊加熱時(shí)間較長，焊縫的中元素?zé)龘p較大，組織性能和母材差距較大，目前Sun DQ等人系統(tǒng)的研究了新型鎳焊絲（QT400-17），焊接接頭具有良好的機(jī)械性能和抗裂性能；美國R&D公司開發(fā)的WEWELDING777鑄鐵焊條，采用冷焊工藝焊接缸體等鑄鐵件具有很好的抗裂性能［2］。本文采用純鎳鑄鐵焊條Z308實(shí)現(xiàn)HT－200灰鑄鐵件的焊接修復(fù)，制定合理的冷焊工藝。

1 HT－200灰鑄鐵的焊條電弧焊方法選擇

HT－200屬于珠光體灰鑄鐵，可用于制造床身、缸體、齒輪、軸承座、聯(lián)軸器等承受較大負(fù)荷和較重要的零件?；诣T鐵件的焊條電弧焊按預(yù)熱溫度的不同可分為電弧熱焊法和電弧冷焊法。

1.1 電弧熱焊法

HT－200灰鑄鐵的電弧熱焊是將焊件整體放在坩堝爐或電阻爐預(yù)熱，若現(xiàn)場工況條件不允許時(shí)可采用局部加熱。利用氧乙炔氣焊氧化焰加熱到600～650℃，目測鑄件呈現(xiàn)暗紅色，在此溫度下焊接且焊接過程中焊接溫度要保持在450℃以上。只有在此溫度下焊接，焊件受熱均勻，冷卻速度也緩慢，可以有效避免產(chǎn)生白口組織，焊接應(yīng)力小，可有效防止產(chǎn)生裂紋。但是電弧熱焊法存在一些缺點(diǎn)：一是現(xiàn)場勞動(dòng)條件差，加熱費(fèi)用高，臺(tái)虎鉗和剪床存在的問題是局部斷裂修復(fù)，工件尺寸較大難以放于鍋爐和電阻爐進(jìn)行整體加熱，只能采用氧乙炔火焰進(jìn)行局部加熱。二是局部加熱必然會(huì)引起工件產(chǎn)生較大的變形，這對(duì)于要求精度很高的剪床軸承座等即使修復(fù)了也不能滿足正常使用。三是電弧熱焊對(duì)產(chǎn)品斷裂部位進(jìn)行預(yù)熱時(shí)還需要準(zhǔn)備造型材料將斷掉的部件固定在產(chǎn)品上，造型材料一般為石英砂、石棉、耐火泥和水玻璃等，在實(shí)際焊接過程中產(chǎn)生大量的氧化物，焊縫中容易造成夾渣缺陷。四是熱焊過程中清渣非常困難，熱焊一般采用Z248或Z208焊條施焊，焊接性較差。因此電弧熱焊法對(duì)剪床這種大型的鑄件進(jìn)行高溫加熱既不經(jīng)濟(jì)且難實(shí)現(xiàn)。

1.2 電弧冷焊法

HT－200灰鑄鐵的電弧冷焊法是將工件不進(jìn)行預(yù)熱進(jìn)行焊接，電弧冷焊與熱焊法和氣焊相比既經(jīng)濟(jì)又簡便。電弧冷焊法應(yīng)盡量使用細(xì)直徑焊條，電流選擇應(yīng)盡量小，每次焊接長度要小，減小熱影響區(qū)的寬度，防止變形或焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。冷焊法采用Z308純鎳焊芯、強(qiáng)還原性石墨型藥皮的鑄鐵焊條，施焊時(shí)，焊件可不預(yù)熱，具有良好的抗裂性能和加工性能，可交直流兩用。

因此，采用電弧冷焊法比電弧熱焊法工藝簡單、成本低，焊縫抗拉強(qiáng)度高，同時(shí)焊縫硬度低，便于后續(xù)的數(shù)控車削加工等。

2 焊接設(shè)備及材料

2.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用ZX7－400手工直流弧焊機(jī)。

2.2 待焊工件

臺(tái)虎鉗鉗身材質(zhì)為HT－200灰鑄鐵，斷口為灰色，待焊處1處，長度為12 cm，如圖1所示。剪床軸承座材質(zhì)為HT－200灰鑄鐵，斷口為灰色，待焊處為軸承座端部，如圖2所示。HT－200是灰鑄鐵的牌號(hào)，HT代表灰口鑄鐵，200表示最低抗拉強(qiáng)度200 MPa，其硬度為163～255 HB。

圖1 臺(tái)虎鉗鉗身待焊處

圖2 剪床軸承座待焊處

2.3 焊條的選用

采用純鎳鑄鐵焊條Z308，藥皮的類型為強(qiáng)還原性石墨化型，焊芯為純鎳。采用直流反接。適用于鑄鐵件的補(bǔ)焊，如氣缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)座、齒輪箱以及車床導(dǎo)軌等灰鑄鐵件的補(bǔ)焊。焊縫具有良好的抗裂性能和機(jī)械加工性能，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 Z308熔敷金屬化學(xué)成分 （%）

3 焊接工藝

3.1 焊前準(zhǔn)備

先利用清洗劑對(duì)工件表面進(jìn)行清洗去除油污，再用工業(yè)酒精進(jìn)行清理去除焊接周圍的雜質(zhì)，露出金屬表面光澤。焊接前要把焊條經(jīng)烘干后使用，焊條烘干溫度為150℃左右烘干1 h，放入保溫桶內(nèi)隨取隨用。

加工坡口，坡口形狀要從應(yīng)力、變形和操作難度等情況來決定。焊接接頭最好修磨成小角度的U形坡口或者小角度V型坡口，以減少熔合比。臺(tái)虎鉗鉗身和剪床軸承座利用機(jī)械加工成40°V型坡口，坡口底部加工成圓角，可以避免熔深不良或產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷。

加工預(yù)留鈍邊、間隙以單邊能焊透為準(zhǔn)。預(yù)留反變形為3°，防止工件發(fā)生橫向收縮引起的翹曲變形，保障使用性能。

3.2 焊接過程

1）定位焊：將待焊部位對(duì)齊對(duì)嚴(yán)，將焊縫兩側(cè)定位焊，焊點(diǎn)尺寸為15 mm。焊條直徑選擇3.2 mm，電流選擇95 A。冷焊時(shí)應(yīng)盡量使用小電流進(jìn)行焊接，目的是為減小母材中雜質(zhì)元素滲入焊縫中，縮小白口區(qū)寬度，提高抗裂性和加工性能。但電流過小，電弧穩(wěn)定性差，對(duì)熔池保護(hù)不好，易出現(xiàn)氣孔缺陷，同時(shí)電弧吹力過小，鐵水和熔渣不易分離，易產(chǎn)生夾渣缺陷。定位焊時(shí)應(yīng)用石棉等物品將機(jī)加工后的鑄件待焊表面覆蓋良好防止焊渣飛濺。

2）打底焊：可選用直徑 2.5 mm的焊條，需用的電流小，熔深小，鑄鐵中的碳、硫、磷等有害物質(zhì)可以避免進(jìn)入焊縫，有利于提高焊縫的質(zhì)量。冷焊時(shí)，隨電流減少，在焊接速度不變的情況下減少了焊接線能量，不僅減少了焊接應(yīng)力，使焊接接頭出現(xiàn)裂紋的傾向減少，并且也減少了整個(gè)熱影響區(qū)寬度，減少了最易形成白口的半熔化區(qū)寬度。

3）填充焊：采用多層多道焊接，層間溫度為450℃以上。焊條與兩側(cè)母材成90°角，與焊接方向傾角為70°～80°。第一層焊接操作方式為斷弧焊，滅弧頻率為50～60次／min，每個(gè)焊點(diǎn)壓上一焊點(diǎn)的1／2，焊條不做橫向擺動(dòng)。為了減小焊接應(yīng)力，每層焊縫焊接完畢之后，在焊后將渣殼剛一脫落焊縫尚在高溫時(shí)立即錘擊焊縫。利用圓頭錘子在焊縫上連續(xù)錘擊，錘擊要適度均勻，速度要快，力量由重漸輕，錘擊后的焊道表面布滿密密麻麻的小坑，錘擊可以減輕焊道的收縮應(yīng)力，并可能使鎳基金屬結(jié)晶細(xì)化，增強(qiáng)韌性。第一層焊接完成之后每層焊縫采用連弧焊接，每次焊接5 cm左右應(yīng)停止焊接立即錘擊焊縫，然后再進(jìn)行施焊。

4）蓋面焊：填充焊距母材坡口棱邊1 mm進(jìn)行蓋面焊，填充焊熔渣清理要徹底，焊接操作方式與填充焊相同。注意防止咬邊缺陷的產(chǎn)生，焊后應(yīng)立即進(jìn)行錘擊試件成型。

5）電弧冷焊后熱處理：對(duì)于小型的HT－200灰鑄鐵產(chǎn)品焊后應(yīng)立即將鑄件放在退火爐中將其加熱至600～700℃，然后隨爐緩慢冷卻，以更好促進(jìn)石墨化，消除焊接殘余應(yīng)力，防止白口組織和裂紋的出現(xiàn)。但由于工況條件限制，臺(tái)虎鉗和剪床尺寸較大無法放在爐中進(jìn)行消應(yīng)力退火，只能將工件焊后緩慢冷卻，用石棉進(jìn)行保溫或者放在沙坑中緩慢冷卻。

6）焊后外觀檢驗(yàn)：采用磁粉探傷方法進(jìn)行無損檢驗(yàn)。首先將焊縫表面施加反差增強(qiáng)劑，成分為白色碳酸鈣，待其干燥以后即利用磁力探傷儀對(duì)焊縫進(jìn)行磁化；然后施加磁粉，磁粉選擇黑油磁懸液，邊磁化邊觀察焊縫表面是否有焊接裂紋的出現(xiàn)。經(jīng)檢查焊縫表面質(zhì)量符合GB／T47013—2015國家無損檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。焊后臺(tái)虎鉗鉗身如圖3所示。

圖3 臺(tái)虎鉗鉗身

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

用車床去除焊縫表面的余高，然后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，Z308焊條焊接HT－200接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，滿足強(qiáng)度要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

通過Z308純鎳鑄鐵焊條對(duì)HT－200灰鑄鐵件如臺(tái)虎鉗鉗身和剪床軸承座進(jìn)行冷焊接修復(fù)，焊縫經(jīng)過檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等焊接缺陷。經(jīng)拉伸試驗(yàn)得出Z308焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于HT－200母材的抗拉強(qiáng)度，斷裂位置為母材。同時(shí)接頭的硬度值低于母材，且高于焊接熱影響區(qū)。該設(shè)備已經(jīng)安裝使用6個(gè)月，狀態(tài)良好。該操作方法與鑄鐵熱焊法相比效率高，費(fèi)用低，質(zhì)量好，可供工業(yè)企業(yè)和高校參考借鑒。