鑄鐵焊補特殊工藝研究與應(yīng)用實踐

邱葭菲

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

鑄鐵焊補特殊工藝研究與應(yīng)用實踐

邱葭菲

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

在生產(chǎn)實際中常常會遇到鑄鐵件的焊接修復(fù)。冷焊工藝由于焊前不預(yù)熱、勞動條件好、成本低、周期短等優(yōu)點，已成為鑄件焊補的首選工藝。在實踐中發(fā)現(xiàn)，僅采用普通的冷焊工藝，其產(chǎn)生白口、淬硬組織和應(yīng)力的傾向比熱焊大，很難獲得滿意的焊補質(zhì)量，若在焊補中采取一些特殊的工藝措施，能收到較好的效果。詳細分析了自制銅鋼焊條焊補法、水浸焊補法、栽絲焊補法、鑲塊焊補法以及鑲邊鋪底過渡焊補法等特殊焊補工藝的原理、特點和適用范圍，并列舉了典型應(yīng)用實例，對鑄鐵件的焊補修復(fù)具有參考價值。

特殊焊補工藝；鑄鐵件；焊接修復(fù)

0 前言

鑄鐵的焊接性比較差，焊接時容易產(chǎn)生白口和裂紋等缺陷，常用的焊補工藝有熱焊工藝和冷焊工藝。

熱焊是將工件整體或焊補部位預(yù)熱至600℃～700℃，焊后緩冷的焊補工藝。熱焊由于預(yù)熱溫度高，減少了焊接接頭的溫差，改善了接頭應(yīng)力狀態(tài)，有利于防止裂紋。同時冷速較慢，有利于石墨化過程的進行，防止白口和淬硬組織的產(chǎn)生。但熱焊施工復(fù)雜，能耗大，勞動條件差，勞動強度大，生產(chǎn)率低，并且對于大而厚的工件，補焊區(qū)的加熱溫度往往難以控制均勻，操作難度大。

冷焊就是焊前不預(yù)熱的焊補工藝，由于焊前不預(yù)熱，勞動條件好，焊補成本低、周期短，所以往往成為鑄件焊補的首選，是鑄件焊補的主要方向，特別適合于不能預(yù)熱或預(yù)熱困難的大型鑄件和已加工面焊補等情況。在實踐中發(fā)現(xiàn)，由于其產(chǎn)生白口、淬硬組織和應(yīng)力的傾向比熱焊大，僅采用普通的冷焊工藝很難獲得滿意的焊補質(zhì)量。研究和實踐表明，焊補中若采取一些特殊的工藝措施，如自制銅鋼焊條焊補法、水浸焊補法、栽絲焊補法、鑲塊焊補法及鑲邊鋪底過渡焊補法等，再配以冷焊工藝往往能收到較好的效果。

1 自制銅鋼焊條焊補法

自制銅鋼焊條焊補法是在碳鋼焊條藥皮外纏繞銅絲或外套銅管，自制成所謂的銅鋼焊條來進行焊補的方法。由于鑄鐵焊條較少使用，也很少備有現(xiàn)貨，加之價格昂貴，采用自制低碳鋼銅鋼焊條焊補鑄鐵是一種既方便又經(jīng)濟的方法。

1.1 焊補原理

鑄鐵組織強度低、塑性差，若采用普通的低碳鋼焊條焊接，即使焊接電流較小，焊縫金屬的熔合比也達25%～33%，焊縫金屬含碳量達0.7%～1.0%，焊縫會產(chǎn)生高硬度的脆性組織馬氏體，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。如果設(shè)法在焊縫中增加一定的銅元素，使焊縫成為銅鋼焊縫，就可以降低高硬度組織的產(chǎn)生，提高焊縫金屬的塑性。因為銅與碳不形成碳化物，也不溶解碳，彼此不形成高硬度組織，能增加焊縫中石墨的含量，同時銅的屈服極限較低，塑性好，強度不低于灰鑄鐵，也大大提高了焊縫塑性，使銅鋼焊縫具有較好的抗裂紋能力。鑄鐵中硫的含量較高，硫是強烈阻礙石墨化元素，銅能與硫生成硫化銅，削弱了硫的有害作用，有利于石墨化過程進行，可減少白口形成。

1.2 焊補工藝

焊補工藝的關(guān)鍵是銅鋼焊條的制造。常見的銅鋼焊條制造方法有兩種：一種是焊條藥皮外套銅管，銅管選用壁厚1 mm的紫銅管，有時也可用銅皮包裹代替；另一種是焊條藥皮外纏繞紫銅絲，該方法制作簡單，操作方便，且焊縫成分便于調(diào)整，生產(chǎn)中應(yīng)用較多。焊條藥皮外纏繞紫銅絲，焊條一般選用低碳鋼堿性低氫焊條，如E4315(E5015)、E4316(E5016)等，若用奧氏體焊條效果更佳，焊條直徑不宜過大，選用φ 3.2 mm為宜。紫銅絲可利用廢棄的漆包線，但應(yīng)去除外包的絕緣層，直徑在φ 0.5～φ 2mm均可。制作時將除銹去油的銅絲呈螺旋狀纏繞在焊條藥皮上，紫銅絲直徑、纏繞匝數(shù)及匝距與焊條直徑、鑄鐵材質(zhì)有關(guān)。銅絲直徑越粗，匝距越大，一般匝距為2～6 mm。

2 水浸焊補法

焊接時，將焊件浸入水中并使焊補區(qū)露出水面，然后采用低碳鋼焊條進行焊補，稱為水浸焊補法，也叫水冷焊補法。

2.1 焊補原理

水浸焊補法焊接時，由于焊件浸入水中，在水的大導(dǎo)熱性作用下，焊接區(qū)的熱量迅速擴散到非焊接區(qū)和水中，縮小了焊件的受熱面積，防止了焊補區(qū)的過熱，減少了焊件的溫差，從而降低了焊接應(yīng)力。

水浸焊補法焊接時，由于水的冷卻速度快，加上配合電弧冷焊(短段、斷續(xù)等)工藝，使焊補區(qū)高溫停留時間縮短，降低了熔合比，控制了母材的熔入量，減少了碳及雜質(zhì)硫、磷溶于基體的幾率，有利于減少白口層和裂紋的產(chǎn)生，同時降低焊縫金屬的硬度，有利于機械加工。

焊件浸入水中，熱量以水為介質(zhì)向四周均勻傳遞，使接頭應(yīng)力分布較為均勻，降低了應(yīng)力集中和接頭裂紋敏感性。

2.2 焊補工藝

(1)盛水容器選用體積比焊件大兩倍的水箱或水槽，水箱或水槽可用鋼板或水泥制成，同時做到水進出調(diào)節(jié)方便。焊件浸入后要注意保持水位，一般距坡口底部4～10 mm為宜。水位過高，水易滲入焊縫，增加白口層硬度；水位過低，冷卻效果差，達不到工藝要求。

(2)坡口制成類似U形的凹坑狀，即兩邊坡口面角度為45°，中間底部為圓弧形過渡。不僅焊接時便于排除渣氣，而且也易于觀察，操作方便。

(3)采用短段、斷續(xù)、分散多層多道焊。每道長30～40 mm，厚1.5～2 mm。對于第一層，為減少熔合比，保證焊縫與母材良好熔合，每道宜采用短弧點焊，即每次只焊一個焊點，稍停后再焊第二個焊點，兩焊點重合1／2～2／3，循環(huán)往復(fù)直至焊完一道。每道焊完后立即錘擊焊縫，減少應(yīng)力。

(4)水浸焊只適合中小鑄件的焊補，大型鑄件焊補效果較差。因為大型鑄件，其焊后冷卻效果主要決定于鑄件本身而非水，另外大型鑄件剛性也大，所以難于保證焊補質(zhì)量。

3 栽絲焊補法

在鑄鐵件坡口兩側(cè)鉆孔、攻絲并擰入鋼質(zhì)螺釘，焊補時先繞螺釘焊接，再焊螺釘之間，這種焊補工藝稱為栽絲焊補法。

3.1 栽絲焊的原理

栽絲焊的原理就是通過栽在鑄件上的碳鋼螺釘，將焊縫與未受焊接熱影響的鑄件母材固定在一起，塑性好、強度高的碳鋼螺釘不僅承擔(dān)了大部分焊接應(yīng)力，有利于防止裂紋的產(chǎn)生，而且還提高了焊縫強度，提高其承受沖擊負荷的能力，其作用類似于混凝土中的鋼筋。這種焊補方法主要應(yīng)用于承受沖擊負荷的厚大鑄鐵件(厚度大于20 mm)裂紋的焊補。

3.2 栽絲焊工藝

栽絲焊工藝的關(guān)鍵是所栽絲的位置和數(shù)量。焊前在坡口內(nèi)鉆孔攻絲，兩邊各兩排，相鄰兩排相互錯開，并均勻分布。絲(螺釘)的直徑為8～16 mm，鑄件越厚，選用的螺釘直徑越大，使擰入螺釘?shù)目偨孛娣e達到坡口表面積的25%～35%為佳。螺釘擰入深度應(yīng)大于等于螺釘直徑，螺釘凸出坡口表面高度為5～8 mm。焊補時先繞螺釘焊接，再焊螺釘之間，直至焊補完整個坡口焊縫。

4 鑲塊焊補法

對于焊補面積較大的部位，可以準(zhǔn)備一塊或者幾塊低碳鋼板作為填充材料鑲?cè)氲胶秆a坡口中，然后將低碳鋼板與鑄件焊接，這種工藝方法稱為鑲塊焊補法。

4.1 鑲塊焊補法原理

鑲塊焊補法的原理就是利用低碳鋼鑲塊良好的塑性和較高的強度來增加焊縫金屬的塑性，以松弛焊接應(yīng)力，同時提高焊縫金屬的強度，防止裂紋的產(chǎn)生。鑲塊焊補法適用于裂紋多道交叉或比較集中的焊件，因為若采取逐個裂紋焊補，則由于焊補處反復(fù)受熱，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生裂紋。這時若將裂紋整個挖除，制備一個較大的坡口，并在坡口中鑲?cè)腓倝K進行焊接，既避免了焊補處反復(fù)受熱，又增加了焊縫金屬的塑性和強度，能大大提高焊補質(zhì)量。

4.2 鑲塊焊補法工藝

鑲塊焊補法的工藝特點就是制備鑲塊。為降低局部剛度，減少焊接應(yīng)力，鑲塊應(yīng)做成凹形。若鑲塊采用平板，則預(yù)先在平板中部預(yù)開一條縫，待其他部分焊完后，最后才焊中間焊縫，這樣可通過中間焊縫來松弛焊接應(yīng)力。若坡口較深，可采用多塊鑲塊，其尺寸應(yīng)隨坡口寬度的增加而增大。需注意的是，上下鑲塊應(yīng)緊密貼合，并用塞焊或槽焊相連，塞焊或槽焊應(yīng)最后焊接。鑲塊焊補法減少了填充金屬量，縮短了焊補時間，提高了焊接生產(chǎn)率。

5 鑲邊鋪底過渡焊補法

鑲邊鋪底過渡焊補法是先用鑄鐵焊條在坡口面鑲邊及坡口底部鋪底焊一層或幾層過渡層，然后用碳鋼焊條焊完坡口。

5.1 鑲邊鋪底過渡焊補法原理

坡口面鑲邊及坡口底部鋪底過渡用焊條常用的是鎳基焊條。鎳是奧氏體化形成元素，鎳和鐵能無限互溶。當(dāng)焊縫中鎳含量大于30%時，其組織可從高溫到室溫一直保持奧氏體不變，硬度較低、塑性好，能防止裂紋產(chǎn)生；鎳不是碳化物形成元素，但在高溫時，鎳及鎳基合金可以溶解一定量的碳，焊接中隨溫度降低，一部分過飽和的碳將以石墨析出，石墨的析出過程伴隨著體積膨脹，有利于降低焊接應(yīng)力。鎳又是較強的石墨化元素，而且高溫時擴散系數(shù)大，有利于焊縫中的鎳向鑄鐵母材半熔化區(qū)擴散，可減小白口區(qū)寬度。所以用鎳基焊條在坡口面鑲邊及坡口底部鋪底能較好的保證過渡層焊接質(zhì)量?？紤]鎳基焊條價格昂貴，其他層(道)將用碳鋼焊條焊完，其實質(zhì)已是在奧氏體鋼上堆焊低碳鋼焊縫。鑲邊鋪底過渡層數(shù)與鑄件的材質(zhì)、厚度、坡口尺寸以及結(jié)構(gòu)剛性有關(guān)，對于材質(zhì)差(如變質(zhì)的鑄鐵)、厚度、坡口尺寸和剛性大的鑄件，可多焊1～2層。

5.2 鑲邊鋪底過渡焊補工藝

鑲邊鋪底過渡常用的焊條是鎳基焊條中的純鎳焊條(Z308)和鎳鐵焊條(Z408)。鎳銅焊條由于收縮率較大，焊縫易引起較大應(yīng)力，抗裂性能較差，特別是焊補剛性大的鑄件易引起裂紋，所以較少使用。碳鋼焊條宜選用抗裂性能較好的低氫堿性焊條，如E4315(E5015)、E4316(E5016)等。

焊接時應(yīng)注意焊接順序。過渡層先焊坡口底部的鋪底層，然后由內(nèi)向外依次為坡口面鑲邊。碳鋼填充層采用多層多道，每道由坡口底部向坡口面逐次向上焊接。焊滿坡口后可加焊一道回火焊道，起附加熱處理作用。鑲邊鋪底過渡焊補法主要應(yīng)用于剛性大、焊補體積大、焊縫與母材不易熔合、易出現(xiàn)剝離開裂情況的鑄件的焊補。

需要注意的是，實際焊補中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇相關(guān)焊補方法，可使用一種焊補方法，也可是兩種方法的結(jié)合，如很多大型鑄件就采用鑲邊鋪底過渡焊補法結(jié)合栽絲焊補法等。同樣焊接中還應(yīng)遵循通用的焊補工藝，如冷焊的短段、斷續(xù)、分散焊等工藝措施。

6 典型應(yīng)用實例

某廠一煤氣發(fā)生爐因長期超負荷工作，導(dǎo)致爐底出現(xiàn)開裂，裂紋長約1.5 m，深約40 mm。爐體材料為灰口鑄鐵HT200，厚度45 mm。

6.1 焊補工藝設(shè)計

(1)焊接方法：焊條電弧冷焊加栽絲、鑲邊鋪底過渡工藝。

(2)焊接材料：φ 3.2mm EZNiFe(鑄408)、φ 3.2 mm E5015(結(jié)507)。

(3)栽絲工藝：選用M10螺釘，坡口兩側(cè)各15個，孔距100 mm，成人字形交錯排列，如圖1、圖2所示。螺孔深10 mm，螺釘露在坡口外約7 mm。

(4)鑲邊鋪底過渡層工藝：EZNiFe(鑄408)焊條鋪底和鑲邊過渡；E5015(結(jié)507)填充蓋面。

圖1 坡口栽絲示意

圖2 螺釘孔排列示意

6.2 焊補工藝過程

(1)焊前準(zhǔn)備。

a.在裂紋兩端外延鉆止裂孔，防止裂紋擴展；b.用角向砂輪機沿裂紋方向打磨出60°～70°坡口；c.用氧乙炔火焰清除坡口及附近油、銹、雜質(zhì)；d.在坡口兩側(cè)各鉆螺孔15個，并擰入低碳鋼M10螺釘(去頭)；e.EZNiFe(鑄408)烘干溫度200℃，1～2 h；E5015(結(jié)507)烘干溫度約400℃，1～2 h，烘干后放入保溫筒，隨用隨取。

(2)焊接操作。

a.用EZNiFe(鑄408)焊條先焊接三層鋪底和鑲邊。每層焊接時，先焊接螺釘周圍，再沿裂紋長度方向焊接螺釘之間，然后焊接螺釘以下的坡口底部部分，最后焊接螺釘以上的坡口邊緣部分。每層焊接時采用多道焊，坡口底部由坡口中心向坡口邊緣依次進行，坡口邊緣部分由內(nèi)向外分別依次進行，同時采用短段、斷續(xù)、退焊,焊后錘擊焊縫等電弧冷焊工藝。焊條直徑φ 3.2 mm，電流90～110 A，直流反接。

b.鋪底鑲邊過渡焊完后，再用直徑φ 3.2 mm的E5015(結(jié)507)焊條進行填充焊接，同時采用多層多道焊。焊接電流90～110 A，直流反接。焊接順序如圖3所示。

圖3 多層焊接順序示意

c.采用短段、分段退焊等方法，每段長30 mm。每焊完一道后，立即錘擊焊縫，直至焊縫表面出現(xiàn)密布的麻點，以減少焊接應(yīng)力。待冷卻至用手觸摸不燙時(約50℃～60℃)再焊下一道。

d.采用直線形運條法，不擺動，短弧焊接，每焊完一段后應(yīng)填滿弧坑，并將電弧引到起弧點附近熄滅，起附加熱處理作用。

e.坡口焊滿后應(yīng)多焊一道回火焊道，起附加熱處理作用，焊后修磨至與母材圓滑過渡為宜。

6.3 焊補效果

用該焊補工藝焊接修復(fù)鑄鐵件，修復(fù)時間短，經(jīng)濟效益好，該煤氣發(fā)生爐修復(fù)后已安全運行5年。

[1]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊(第2卷，材料的焊接)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]沈世瑤.鑄鐵補焊[M].蘭州：甘肅人民出版社，1981.

Study and application on special repair welding technique of iron-castings

QIU Jia-fei
(Zhejiang Institue of Mechanical and Electronical Engineer，Hangzhou 310053，China)

In actual production，the cast-iron stocks often are repaired.Cold welding technology has become the preferred process for use in repair welding of iron-castings，due to non-preheat，low cost,short cycle and good labor coditions.It is founded that it is diffcult for repair welding of iron-castings to obtain satisfied weld quality，only to use ordinary cold welding technology which is more sensitive to quench tissue，crack and welding stress than hot welding.If some special repair welding technique be used，high quality weld can be obtained.Based on many years of research and application experience，The paper analyses in detail the principle，process features and applicable scope of special repair welding techniques，such as the self-made iron-castings electrode by ordinary carbon steel electrode，water-cooling welding，planting bolt welding，filling groove with steel plate and surfacing groove face etc,some typical application examples are given.These special repair welding techniques have guiding funtion on repair welding of cast-iron stocks.

special repair welding technique；iron-castings；repairing welding

TG457.12

B

1001-2303(2011)09-0046-04

2011-01-06

邱葭菲(1963—)，男，浙江杭州人，教授，主要從事焊接材料、焊接工藝、焊接培訓(xùn)等方面的工作。