球墨鑄鐵QT400-18A焊接工藝研究

馮雪， 王灝元

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

0 引 言

汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸、低壓外缸等承壓部套，由于工作溫度及工作壓力低，且出于減震的考慮，常選用球墨鑄鐵QT400-18A材料。球墨鑄鐵塑韌性差、強(qiáng)度低，從而脆且易碎，因此在轉(zhuǎn)運(yùn)和翻身等過(guò)程中稍有疏忽就很容易造成缺陷。鑄造過(guò)程中，亦不可避免會(huì)出現(xiàn)鑄造缺陷。以往由于鑄鐵焊接工藝復(fù)雜，難以控制，長(zhǎng)期通過(guò)強(qiáng)度核算來(lái)選擇現(xiàn)狀使用或報(bào)廢的方式處理。既影響了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，又造成拖期，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究球墨鑄鐵的焊接性，制定成熟的焊接工藝具有重要的意義[1-2]。

1 QT400-18A鋼材料性能

QT400-18A為鐵素體型球墨鑄鐵。有較高的強(qiáng)度、韌性和塑性，具有較高承受常溫一次大能量沖擊載荷的能力。在低溫下的脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，低溫沖擊韌性良好，還具有抗溫度轉(zhuǎn)變和一定耐腐蝕性。由于該材料鑄造性好，減震和高溫抗變形能力強(qiáng)，因此，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸、低壓外缸等承壓部套，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1及表2。該材料含碳量高，焊接性非常差，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生白口、淬硬組織及焊接裂紋等問(wèn)題，焊接及補(bǔ)焊難度很大，需要采取必要的措施。

表1 QT400-18A的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 QT400-18A的力學(xué)性能

2 工藝方法的選擇

球墨鑄鐵的焊接分為“球墨鑄鐵熱焊法”和“球墨鑄鐵冷焊法”。兩者有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，“球墨鑄鐵熱焊法”通常需要將工件整體或局部區(qū)域預(yù)熱到600～700 ℃的高溫條件下再進(jìn)行焊接，焊后需要進(jìn)行保溫緩冷。這種方法預(yù)熱溫度很高，勞動(dòng)條件非常差。同時(shí)因焊件需加熱到600～700 ℃，會(huì)消耗很多的燃料，并造成能量的浪費(fèi)，焊接的成本高，工藝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)率低?！扒蚰T鐵冷焊法”通常焊前不對(duì)被焊接的工件進(jìn)行預(yù)熱或者預(yù)熱溫度較低，焊接勞動(dòng)條件較好，焊接的成本相對(duì)較低，焊接工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且施焊過(guò)程短，同時(shí)焊接的效率非常高。適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件等不便于預(yù)熱或不能預(yù)熱的工件。本文研究異質(zhì)焊縫冷焊法的焊接工藝。

3 焊接方法的選擇

球墨鑄鐵異質(zhì)焊縫冷焊法可采用氧-乙炔氣焊、鎢極氬弧焊、手工電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等多種方法，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究常用的手工電弧焊異質(zhì)焊縫冷焊法焊接工藝。

4 焊接材料的選擇

常用的異質(zhì)焊縫，按其焊縫金屬的性質(zhì)分為鋼基、銅基及鎳基三種。針對(duì)球墨鑄鐵QT400-18A常選用鎳基鑄鐵焊條。

鎳是奧氏體的形成元素，能夠擴(kuò)大奧氏體區(qū)范圍，且具備能和鐵以任意比例進(jìn)行相互固溶的特性。文獻(xiàn)[3]中表明，當(dāng)Fe-Ni合金中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，合金凝固過(guò)程不發(fā)生相變，從開(kāi)始凝固直到室溫都將保持奧氏體組織，即從高溫階段到室溫階段一直保持為奧氏體區(qū)組織，沒(méi)有相變應(yīng)力，且?jiàn)W氏體組織硬度較低，塑韌性較好。另一方面，在高溫條件下，鎳及鎳基合金能夠溶解一定數(shù)量的碳元素，且鎳與碳之間不會(huì)形成碳化物，隨著合金溫度下降，其中一部分過(guò)飽和的碳元素將以石墨形態(tài)析出，碳元素的析出過(guò)程將會(huì)伴隨著合金的體積膨脹，這都將有利于減小焊接過(guò)程中的拉應(yīng)力。上述原因能夠很好地減輕由焊接應(yīng)力及母材淬硬性較高而產(chǎn)生的冷裂紋傾向。Ni元素還是較強(qiáng)的石墨化元素，其在高溫階段擴(kuò)散系數(shù)為硅的20倍，具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，這對(duì)鎳基鑄鐵焊材焊縫中的鎳元素向鑄鐵母材中的擴(kuò)散、減小白口組織區(qū)的寬度，以及改善鎳基鑄鐵焊材焊接接頭的加工性能方面，將起到特別有利的作用[2-3]。因此本文選用鎳基鑄鐵焊材ENiFe-CI(Z408)為研究對(duì)象。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3、表4所示。

表3 Z408焊條熔敷金屬的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4] %

表4 Z408焊條熔敷金屬的力學(xué)性能[4]

5 焊接工藝研究及焊接要點(diǎn)

5.1 焊前清理

為防止產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，焊前清理是不可避免的。焊前應(yīng)采用砂輪和鋼絲刷清理工件表面去除表面鐵銹等污物，然后采用丙酮或酒精認(rèn)真清理焊接區(qū)及周?chē)?0 mm的范圍，去除表面油污、水等雜質(zhì)，可以有效地防止上述缺陷。

5.2 采用小焊條直徑、小電流短弧快速焊接

當(dāng)采用鎳基鑄鐵焊條Z408進(jìn)行球墨鑄鐵冷焊時(shí)，應(yīng)在不影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量的情況下，采用小直徑焊條，小電流、短弧、快速施焊，減小焊接熱輸入。主要原因如下：

1）焊接電流及焊接速度與熔深、熔寬及熱輸入有關(guān)，電流越小，焊接速度快，熔深越小，熔寬越窄，熱輸入減小，焊接熱影響區(qū)也越小。控制上述工藝細(xì)節(jié)，則球墨鑄鐵母材中的P、S等有害元素則更少地進(jìn)入焊縫，從而減小熱裂紋的傾向，熱輸入小則焊接熱影響區(qū)的熔化混合區(qū)更小，球墨鑄鐵母材熔入焊縫的量也越少，稀釋率越低，更有利于提高焊接接頭的質(zhì)量。

2）焊接電流越小，焊接速度加快，焊接的熱輸入相對(duì)越小，從而焊接的熱應(yīng)力也越小，焊接接頭承受的拉伸應(yīng)力相對(duì)減小，焊接過(guò)程中發(fā)生裂紋的敏感性降低。

3）焊接的熱輸入越小，母材上處于半熔化區(qū)溫度范圍（1150～1250 ℃）的寬度減小，在焊接接頭快速冷卻條件下，半熔化區(qū)的白口組織區(qū)域變窄。另外，焊接熱輸入減小，會(huì)減少碳元素向奧氏體中擴(kuò)散，避免大量馬氏體在熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，提高焊接接頭的質(zhì)量。

4）手工電弧焊，焊接電壓與熔寬有關(guān)，焊接弧長(zhǎng)越短，電弧電壓也越小，在其他因素不變的條件下，球墨鑄鐵母材的熔寬變窄，同時(shí)熱輸入量變小，球墨鑄鐵母材的熔化量也減少，母材對(duì)焊縫金屬的稀釋率降低，因此Z408焊條的焊接采用短弧焊接。

5.3 采用短段對(duì)稱(chēng)焊及焊后及時(shí)錘擊工藝

當(dāng)采用鎳基鑄鐵焊條Z408進(jìn)行球墨鑄鐵冷焊時(shí)，為減小焊接過(guò)程中的拉應(yīng)力，避免焊接過(guò)程中焊縫發(fā)生裂紋，應(yīng)采用短段對(duì)稱(chēng)施焊，并在焊后紅熱狀態(tài)錘擊的工藝進(jìn)行施焊，具體操作及原因如下。

施焊過(guò)程中單道焊道的縮短，會(huì)減少縱向的拉伸應(yīng)力，隨之降低了焊縫發(fā)生裂紋的傾向，因此，QT400-18A的冷焊需采用短段焊，每段焊縫長(zhǎng)度小于40 mm，且對(duì)稱(chēng)施焊，焊后應(yīng)立即用小錘快速錘擊處于紅熱狀態(tài)的焊縫，利用高溫下焊縫金屬具有較高塑性的特點(diǎn)，達(dá)到松弛焊接區(qū)的殘余應(yīng)力的目的，從而防止焊接過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋。由于選用的球墨鑄鐵鎳基焊材其焊縫組織為奧氏體，導(dǎo)熱系數(shù)低，線膨脹系數(shù)較大，熱裂紋敏感性強(qiáng)，因此，焊后應(yīng)控制層間溫度不高于40 ℃，以避免焊接過(guò)程中熱裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，為了避免工件局部焊接過(guò)熱而導(dǎo)致焊接熱應(yīng)力增大，可采用對(duì)稱(chēng)焊法，達(dá)到提高焊縫抗裂性的目的[2]。

5.4 合理選擇焊接順序

每層先從坡口兩側(cè)焊起，后焊中間，每條焊道不得橫跨到坡口的兩側(cè)，且沿著坡口面逐層焊接敷焊層。且減小焊接過(guò)程中的拘束度，保證其他未焊接部分能夠自由收縮，避免焊接過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。施焊過(guò)程中，注意焊縫應(yīng)與母材圓滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中。

5.5 結(jié) 果

通過(guò)上述焊接工藝方法，成功完成了球墨鑄鐵QT400-18A的鎳基冷焊焊接工藝試驗(yàn)，獲得了理想的焊縫。200倍金相結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 球墨鑄鐵QT400-18A鎳基冷焊焊接接頭三區(qū)金相照片

6 結(jié) 論

通過(guò)研究總結(jié)上述球墨鑄鐵的鎳基冷焊工藝要點(diǎn)如下：1）充分做好焊前清理工作，避免污物影響焊接質(zhì)量；2）在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡可能采用小直徑焊條和小熱輸入進(jìn)行焊接；3）采用短弧快速焊焊接技術(shù)及焊后及時(shí)錘擊工藝減小焊接應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生；4）合理地選擇焊接順序，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。