球墨鑄件多種焊補工藝組織及性能分析

賈國棟

（山西海洛斯鑄鍛件有限公司，太原 030009）

球墨鑄鐵是一種具有優(yōu)良機械性能和耐磨性的材料，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。由于工作環(huán)境的原因，球墨鑄鐵鑄件可能會出現(xiàn)損壞或磨損的情況，需要進行焊補修復(fù)[1]。文章選取5 種常用的焊補工藝，通過對焊補樣塊進行尺寸和取樣分析，為球墨鑄鐵鑄件的焊補提供參考。

1 球墨鑄鐵鑄件焊補性分析

球墨鑄鐵鑄件焊補性能分析主要涉及焊縫性質(zhì)、焊接強度、熱影響區(qū)以及母材影響等方面。球墨鑄鐵的焊縫性質(zhì)受到球狀石墨的影響，因此在焊補過程中需要評估焊接材料與母材的結(jié)合情況、焊接缺陷、氣孔和裂紋等因素對焊縫性質(zhì)的影響。焊接強度對于球墨鑄鐵鑄件的性能至關(guān)重要，不同焊補工藝的焊接強度有所不同，需要通過專業(yè)測試手段進行評估。熱影響區(qū)是焊補過程中被加熱的區(qū)域，其存在可能影響母材的性能，因此需要盡可能縮小熱影響區(qū)的范圍，以確保焊補后的鑄件性能[2]。此外，焊補過程中需要盡量減少對母材的影響，保證焊補后的鑄件仍具有良好的性能。

2 焊補工藝

2.1 手工電弧焊

電弧冷焊時鑄件無須預(yù)熱，焊接過程中也不輔助加熱。采用手工電弧焊工藝進行焊補時，經(jīng)過試樣解剖后發(fā)現(xiàn)焊接過程中具有咬邊傾向，這意味著焊縫邊緣不平整。出現(xiàn)此問題的原因可能是焊工操作不當，焊接時沒有保持良好的穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊接電弧在焊縫邊緣處跳動不穩(wěn)[3]。焊接時，如果焊接電流過小或焊接速度過快，焊接材料沒有充分熔化和滲透到焊縫根部，會導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)焊接缺陷。

2.2 電火花堆焊

冷焊機使用細絲作為修補材料，焊后只需打磨拋光。在采用電火花堆焊工藝進行焊補時，具有3 個特點。首先，電火花堆焊的熱輸入相對較小，焊接過程中對基材的熱影響較小。這有助于保持基材的原始性能和形狀，而且能夠較好地控制焊接區(qū)域的變形。其次，電火花堆焊的成型效果良好，能夠精確修復(fù)焊補區(qū)域[4]。最后，電火花堆焊的操作速度相對較慢。由于焊接過程中需要通過電火花在焊接材料和基材之間形成精細的熱熔區(qū)域，在實際應(yīng)用中需要考慮焊接速度與修補效果之間的平衡。

2.3 熱焊（氧-乙炔焊）

熱焊工藝的優(yōu)點在于操作簡單，能夠在較短的時間內(nèi)完成焊補操作。在實際應(yīng)用中，需要注意控制焊補時間和溫度，以確保焊補的質(zhì)量和效果。首先，需要提前準備熱焊操作必需的工具和材料，如氧氣、乙炔氣瓶以及焊炬（H01-20）。其次，將待焊補的鑄件整體裝入熱處理窯。在進行熱處理之前，需要設(shè)定好熱處理窯的加熱參數(shù)，包括升溫速度和保溫時間。一般來說，升溫速度設(shè)定為100 ℃·h-1，將溫度升至550 ℃后保溫2 h。這樣可以使鑄件達到合適的溫度，為熱焊操作做好準備。最后，在鑄件達到適當溫度后，打開爐門將鑄件拖出，開始進行熱焊操作[5]。

焊補的時間應(yīng)控制在7 min 以內(nèi)，盡量縮短鑄件在高溫環(huán)境下的暴露時間。完成焊補操作后，將鑄件吊到爐床上，并將爐床推回爐內(nèi)，再次關(guān)閉爐門。開啟爐門、焊補操作和關(guān)閉爐門的時間總和不得超過10 min。爐門關(guān)閉后，確保熱處理窯溫度為550 ℃，并保持4 h。這樣可以使焊接區(qū)域充分固化和冷卻，確保焊補的質(zhì)量和強度。隨著爐內(nèi)溫度的降低，鑄件會逐漸冷卻。當溫度降至200 ℃以下時，將爐床從爐內(nèi)拖出，熱焊工藝結(jié)束。熱焊焊接接頭各區(qū)域金相組織，如圖1 所示。

圖1 熱焊焊接接頭各區(qū)域金相組織

2.4 貼片電阻焊

貼片電阻焊操作過程中，焊接熱影響區(qū)相對較小，焊接過程對基材的熱影響較小。這樣能夠有效保持基材的原始性能和形狀，并且能夠控制焊接區(qū)域的變形。貼片電阻焊是逐層進行試壓焊補工作，每一層焊補材料都能夠形成熔合線，與基材形成良好的接觸和結(jié)合。貼片電阻焊適用于鑄件表面外觀的焊補，如凹坑、磨損等。

2.5 精密焊補

精密焊補操作過程中，使用精密冷焊機對待修復(fù)的鑄件進行焊接。由于精密冷焊機的高精度和精密控制，精密焊補得以實現(xiàn)。焊接過程中，存儲在電容器中的電能通過脈沖電弧的形式瞬間釋放于鎢極和工件之間，溫度極高的電弧使金屬材料和焊絲迅速熔接，形成冶金結(jié)合。這種高頻放電、瞬間高溫使得焊后的溫度小于工件散發(fā)的溫度。精密焊補的焊縫為鎳基合金，不存在熱影響區(qū)，這意味著精密焊補不會影響母材的性能，并且能夠保持母材的原始組織和形狀。精密焊接接頭宏觀形貌及各區(qū)域金相組織，如圖2 所示。從圖2 可以看出，精密焊補得到的焊縫形貌良好，與母材存在一定程度的冶金結(jié)合。通過觀察熔合線附近可以看到，鎳基合金已熔入球墨鑄鐵，部分球狀石墨游離在鎳基合金中，說明精密焊補能夠使焊接材料與母材形成一體化結(jié)構(gòu)，并且保持了母材的原始組織和形狀。由于精密焊補不需要高溫焊接，操作過程相對比較簡單，對人員操作無特殊要求，現(xiàn)場操作方便，適用于對鑄件表面缺陷進行修復(fù)，如磨損、凹坑等。

圖2 精密焊接接頭宏觀形貌及各區(qū)域金相組織

3 焊補性能試驗

為了評估不同焊補工藝的性能，進行了焊補性能試驗。焊補設(shè)備及焊接材料如表1 所示。試驗采用電火花堆焊、熱焊（氧-乙炔焊）以及精密焊進行焊接試驗，并制備了焊接接頭拉伸試驗板狀試樣，如圖3 所示。每種焊接工藝的試樣各取2 塊進行拉伸性能檢測。

表1 焊補設(shè)備及焊接材料

圖3 焊補性能測試試樣（單位：mm）

根據(jù)拉伸試驗結(jié)果可知，電火花堆焊、熱焊（氧-乙炔焊）以及精密焊的焊縫平均抗拉強度分別為55.5 MPa、262.5 MPa、128.0 MPa，可見熱焊（氧-乙炔焊）的抗拉強度高于精密焊，而精密焊的抗拉強度又高于電火花堆焊。

4 結(jié)語

通過對球墨鑄鐵鑄件進行多種焊補工藝的組織和性能分析，證實了焊補工藝對焊縫性質(zhì)具有顯著影響。熱影響區(qū)的存在可能會影響母材的性能，因此在焊補過程中需要盡可能縮小熱影響區(qū)的范圍。另外，焊補過程中應(yīng)盡量減少對母材的影響，確保焊補后的鑄件仍然具有良好的性能。