铸铁零件的常用焊接方法

铸铁零件的常用焊接方法(2008-02-25 15:24:11)

标签：杂谈分类：资料

由于铸铁的一些优点，在汽车制造材料中占有很大的比重。铸铁零件大多是加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器壳体等。铸铁零件在制造及使用过程中，经常会出现裂纹、气孔、损坏等情况。据统计，汽车在正常使用情况下，这类零件达到磨损极限时，其尺寸变化只有0.08％～0.40％，质量损失只有0.1％～1.8％，此时将零件报废，无疑是非常浪费的。因此，研究和利用先进的修理经验，合理地修复铸铁零件是十分必要地。焊接就是一种非常有效地修复铸铁零件的方法。

铸铁含炭量高、杂质多，并具有塑性低、焊接性差、对冷却速度敏感等特性，焊补后容易出现白口组织和产生裂纹。为改善铸铁零件的焊补质量，可采取以下方法。

1．热焊法

焊前将工件整体或局部预热到600～700℃，补焊过程中不低于400℃，焊后缓慢冷却至室温。采用热焊法可有效减小焊接接头的温差，从而减小应力，同时还可以改善铸件的塑性，防止出现白口组织和裂纹。

常用的焊接方法是气焊和焊条电弧焊。气焊常用铸铁气焊丝，如HS401或HS402，配用焊剂CJ201，以去除氧化物。气焊预热方法适于补焊中小型薄壁零件。焊条电弧焊选用铸铁芯铸铁焊条Z248或钢芯铸铁焊条Z208，此法主要用于补焊厚度较大(大于10mm ) 的铸铁零件。

热焊法的焊接设备主要有加热炉、焊炬、电炉(油炉或地炉)等，焊接工艺如下：

1)焊前准备和预热：清除缺陷周围的油污和氧化皮，露出基体的金属光泽：开坡口，一般坡口深度为焊件壁厚的2／3，角度为70°～120°；将焊件放入炉中缓慢加热至600～700℃(不可超过700℃)。

2)施焊：采用中性焰或弱碳化焰(施焊过程中不要使铁水流向一侧)，待基体金属熔透后，再熔入焊条金属；发现熔池中出现白亮点时，停止填入焊条金属，加入适量焊剂，用焊条将杂物剔除后再继续施焊；为得到平整的焊缝，焊接后的焊缝应稍高出铸铁件表面，并将溢在焊缝外的熔渣重新熔化，待降温到半熔化状态时，用焊丝沿铸件表面将高出部分刮平。

3)焊后冷却：一般应随炉缓慢冷却至室温(一般需48h以上)，也可用石棉布(板)或炭灰覆盖，使焊缝形成均匀的组织，同时防止产生裂纹。

2．冷焊法

此方法是焊前不对工件进行预热，或预热温度不超过300℃。常用焊条电弧焊进行铸铁冷焊。根据铸铁工件的要求，可选用不同的铸铁焊条，如补焊一般灰铸铁零件非加工面选用Z100焊条，补焊高强度灰铸铁及球墨铸铁零件选用Zll6或Z117焊条。

冷焊法的焊接设备为普通的电弧焊设备，焊接工艺如下：

1)焊前准备：清除焊修表面的油污及杂质，使其露出基体的金属光泽：如果存在裂纹，应在裂纹两端各钻一个止裂孔，以免施焊时裂纹延伸；沿裂纹开出坡口，其型式和大小由焊修部位的厚度和工艺要求而定。如果是大型铸件，还可以在焊缝处拧上一定数量的螺钉，使接头得到加强。螺钉直径一般不超过16mm(如果壁厚小于15mm，则螺钉直径应小于或等于6mm )，螺钉的数量可按断面面积计算，即螺钉的总断面面积不大于铸件裂纹断面面积的25％，且这些螺钉应均匀分布在裂纹两边。

2)焊修规范的选择：焊条直径由焊修部位的厚度确定，一般应尽量选用小直径的焊条，以减少输入焊件的热量：在保证焊条金属与基体熔合的情况下，焊修电流也应尽量选用小的，以免焊件温度过高产生应力；电弧长度一般是焊条直径的0．5～1．1倍，以保证燃烧稳定：如果采用直流电源，则一般选焊件为负极，以免焊件受热，温度过高。

3)操作工艺要求：一般应遵循“先内后外(先孔内，后机体外侧，再后机体上平面)、短段、断续、分散焊、多层多道(第一层焊完后，用砂轮在整个焊缝上磨去一些焊肉，检查确实不存在气孔、裂纹后再焊第二层；每层先从坡口两侧焊起，后焊中间)、小电流、锤击焊缝”的原则。

①将整条焊缝分成若干小段，不可连续施焊，每段长度视焊件厚度而定，一般在10～50mm：每段焊完后，应冷却至室温再焊下一段：每个小焊波不要横跨到坡口两侧，这样有利于未焊部分自由收缩，并避免电弧在坡口两侧停留太久。

②焊后金属温度在800℃左右时，应锤击焊缝，使其表面呈麻点状，以松弛焊接应力，清除裂纹和气孔：温度低于300℃时不能再锤击，以免产生冷脆裂纹。

③施焊中以直线划小圈式运条手法为佳，焊缝应与母材呈圆滑过渡，以利于焊缝应力走向。

3．加热减应焊法

此方法是不事先加热焊件，而在施焊前和施焊中加热焊件的“加热减应区”，使其不阻碍焊缝的收缩，从而减少内应力，避免产生裂纹。加热减应区可选取一处或多处，其选取原则为：

1)应是阻碍焊缝膨胀的部位。当该部位加热冷却时，使焊缝有获得自由热膨胀和冷收缩的可能。

2)应是与其它部位联系不多且强度较大的部位。

3)自身的变形对其它部位应无很大影响，不至于因它的变形而损坏其它部位。

在选择焊接方法时应注意以下原则：

①针对不同的切削加工性、颜色、强度等选择不同的焊接方法。焊条电弧焊热焊法对于要求质量高、切削加工性好的铸件最适合，焊条电弧焊冷焊法则适宜于机加工的表面及不便于预热的大型铸件。

②针对不同的焊件体积、形状、厚度及使用条件等选择不同的焊接方法。对于中小型薄壁零件(如气缸)采用气焊、冷焊、热焊均可，对于较大的零件应采用气焊热焊法

中强度HT20-40灰口铸铁的补焊工艺

谷平仙

摘要:采用灰口铸件HT20-40的补焊工艺方法，可有效地防止裂纹的产生，使焊缝有一定的塑性和强度，并有较好的机加工性和抗裂性。

关键词:灰口铸铁；补焊；熔合比；焊接工艺；热影响区

分类号:TG457.12文献标识码：A

BEAD WELDING TECHNIQUE OF GREY TRON HT20-40

GU Ping-xian

(Bureau of Technology,Lanzhou Universal Machinary Works,Lanzhou 730050,China)

ABSTRACT:The bead welding technique of grey iron HT20-40 is introduced.By using this processing method,the occurrence of cracks can be avoided effectively and make the weld plastic and strengthened to a certain extent and in addition improve its machinability and anti-cracking ability.

KEY WORDS:grey iron;bead welding;melting-mixing ratio;welding technique;thermal effect zone

铸铁的焊接，主要应用于铸件的补焊。灰口铸铁补焊时，容易产生白口〔1，2〕，以及出现裂纹等问题。当焊缝强度较高而母材强度较低时，容易产生剥离。尤其对于大面积的裂纹补焊是不容易获得成功的。因此在制定补焊工艺时，对铸件的缺陷要进行具体分析，尽量减小熔合比，调整热影响区，松驰焊接应力〔3〕，才能使大面积的裂纹补焊获得成功。下面主要介绍HT20-40灰口铸铁的补焊工艺，并作理论探讨。

1材料及焊前准备

某一产品的缸体，材料为HT20-40灰口铸铁，厚度为18 mm。裂纹程度：且横、纵向交错，有穿透和未穿透的。

(1) 钻止裂孔：在距离裂纹末端2～3 mm处钻一个直径为6～8 mm的止裂孔。对穿透性裂纹，止裂孔要打透；对非穿透性裂纹，止裂孔要比裂纹深2～3 mm。

(2) 开坡口：采用机械方法，在裂纹开裂部位刨出坡口。对穿透性裂纹，开坡口时要排除裂纹，坡口底部呈园弧状，坡口尺寸见图1所示。

图1焊缝坡口形式

(3) 焊前清理：将坡口周围的油污，铁锈等脏物清除干净，直到露出光泽为止。

2补焊工艺

(1) 将工件倾斜放置，使焊缝处于上坡焊或半立焊，以减小熔合比。

(2) 焊前将坡口周围预热，温度为200～250 ℃，以缩小焊缝与工件的温差。

(3) 焊条选用铸308，直径D3.2 mm和4 mm。焊前应将焊条经150 ℃左右烘焙2 h。

(4) 第1、2、3层焊道施焊时选用D3.2 mm焊条，电流为90～100 A。后两层焊道，选用D4 mm焊条，电流130～160A。采用直流正接。

(5) 每层焊后清熔渣。

(6) 焊后，在焊接区周围200 mm范围内，加热到300～350 ℃，保温30 min，用石棉粉复盖使之缓冷。

(7) 焊接注意事项为：①在坡口两侧为减小熔深，可采取快速不摆动焊。而焊缝中间可稍作摆动，但摆动幅度要小。②补焊工件较厚时，坡口截面较大，采用多层多道焊。焊缝截面较大，产生的收缩应力很强，容易形成焊缝剥离。故采用合理的焊接顺序(1、2、3……)如图2所示。③采用短段焊、断续焊、分散焊、逐步退焊法。短段焊，即每段长约10～40 mm。断续焊，即焊一段后停留片刻，待工件冷到50～60 ℃时再焊下一道焊缝，以防止热量集中。分散焊，在一个部位焊一段后再到另一部位焊接，以减少温差，降低应力。逐步退焊法，它与连续焊相比，可使焊缝的拉应力峰值有很大减低，故有利于防止焊缝裂纹的产生。

④锤击焊缝。锤击焊缝时温度应在400 ℃以上进行，用小圆头锤击焊缝，使焊缝金属延展，松驰焊补区的应力。焊接第一层和最后一层不要锤击。

图2焊接顺序

采用以上工艺补焊后，经焊缝质量检查，成形良好，没有发现裂纹及渗漏现象，达到了质量要求。

3讨论

(1) 选用纯镍的铸308焊条。有较好的抗裂性和切削加工性。镍是扩大奥氏体区的元素，当铁镍合金中镍量大于30%时，合金凝固后一直到室温都保持硬度较低、塑性较好的奥氏体组织，不发生相变。它也是非碳化物形成元素，不会与碳形成高硬度的碳化物。而且以镍为主要成分的奥氏体，能溶解较多的碳。纯镍在1300 ℃时可溶解2%的碳。温度下降后，少量碳由于过饱和而析出细小的石墨，故焊缝有一定的塑性和强度，且硬度较低。

镍又促使石墨化形成元素。液态时镍的扩散能力较强，可扩散到半熔化区，对减弱半熔化区的白口宽度起到作用。所以采用纯镍焊条焊接，白口区宽度最小(根据有关资料介绍可减少至0.05 mm)呈断续分布，机加工性能和抗裂性能均较好。

(2) 控制熔合比。将工件倾斜成上坡焊和坡口底部开成圆弧形都是为了减小熔合比。

减小熔合比，可减小母材中的碳、硫等有害元素进入焊缝。硫是促进形成热裂纹的有害元素。如果碳含量多，可使马氏体量也相对增多，冷裂敏感性增大。所以减小熔合比，有利于提高焊缝质量。

(3) 选用小直径焊条，小电流、快速焊。小规范焊接，其优越性有3条。

第一，可使熔池小，熔深浅，减少母材中碳和硫等有害元素进入焊缝。第二，焊接规范小，其线能量也小，降低了焊接应力，使焊接区出现裂纹的倾向减小。第三，可缩小热影响区宽度；其中包括最易形成白口的半熔化区宽度，使白口层变薄，提高接头性能。

(4) 合理锤击焊缝，是减少焊接应力的有效措施。锤击焊缝使焊缝金属延展，松驰焊接应力。但需注意：第一层因焊肉较薄不宜锤击。最后一层也不要锤击，以防止冷作硬化。其他各层均要锤击，锤击时温度在400 ℃以上进行，效果较好。

(5) 调整焊接热输入。采用短段焊、分散焊、断续焊、多层多道焊，其目的是为防止局部金属过热，避免因热应力而诱发裂纹的产生。

多层多道焊时，采用合理的焊接顺序。其原因之一，也是为了分散热量。关键是在坡口两侧与母材交界的那一层焊道上。要严格控制电流，运条要快，必须使焊缝与母材熔合良好。中间的焊道，因为使用纯镍焊条，其焊缝金属的塑性会较好。采取了合理的焊接顺序，并配合锤击焊缝，这样就能有效地防止半熔化区

的“焊缝剥离”。

(6) 焊前预热，焊后热处理及缓冷措施，能使工件与焊缝的温差缩小，减慢冷却速度，防止热影响区产生淬硬组织，并可有效地防止裂纹的产生。

通过对HT20-40灰口铸铁的补焊，结果证明：选定的工艺方案是正确可行的。只有采用小规范焊接，减小熔合比，合理锤击焊缝，调整焊接热的输入，可避免因热应力诱发裂纹的产生。正确的焊前预热，焊后热处理，可避免接头产生淬硬组织，并有效防止裂纹的产生。

作者简介：谷平仙，女，河北省望都县人，1952年生,1977年毕业于甘肃工业大学焊接专业。现任兰州通用机器厂工艺处工程师。

作者单位：兰州通用机器厂工艺处,兰州730050

手工电弧焊对铸铁轴承座的修复工艺

徐新春李红珍

摘要:介绍了小齿轮座底板的断裂情况,通过对其材料的技术性能、铁的可焊性等性能的分析,确定了手工电弧冷焊的施工方案,并提出了具体的焊接工艺,顺利完成了该工件的修复。

关键词:手工电弧焊,修复,焊接

中铝山西分公司氧化铝一分厂GM223 型管磨机小齿轮座,材质为HT15233 ,在使用过程中其底板四个地脚螺丝孔处两个断裂,一个发生裂纹。由于重新订货至少需时三个月,且生产形势较为紧张,要求管磨机早日投用,因此决定对该小齿轮座进行焊接修复。1缺陷情况及失效分析

1.1 小齿轮座的断裂情况

小齿轮座底板四个地脚螺丝孔有两个断裂(在小齿轮座同1) 底板断裂有两处,位置及裂口开头见图1、图2 ,断块尺寸270 mm×250 mm×70 mm,断口尺寸270 mm×(100 mm～130 mm) 。

2) 底板断裂一处,见图1 ,已裂透。

1.2 失效分析

小齿轮座在使用中本身受到的拘束度较大。在管磨机运行过程中承受交变载荷作用。工件本身存在制造缺陷,在加强筋边缘与底板连接之处存在应力集中。运行中,由于大拘束度及交变载荷作用,预应力集中处发生破坏,形成裂纹,逐步扩展至筋板处,发生断裂。 2 修复方案选择

根据技术手段的现状,选用手工电弧焊方法进行修复。

2.1 材料的技术性能参数

1) HT15233 的化学成分见表1 。

1 化学成分%

2) HT15233r 的性能参数见表2 。

2 性能参数

2.2 铁的可焊性分析

由于铸铁的固有性质及冶金特性,给电弧焊带来了极大的困难,具体如下:

1) 熔化后铸铁冷却速度快,在热影响区易出现白口组织,焊接时开裂倾向较大。

2) 铸铁组成成分中,碳的含量高,在焊接过程中碳易被气化,容易产生气孔。

3) 铸铁强度高,塑性差,焊接时残余应力大,易产生焊接热裂纹。

4) 铸铁中C、S、P 等元素含量高,并在焊接过程中熔化到焊缝中,会增加金属的硬度,降低塑性和韧性,易产生裂纹,并降低可加工性。

5) 铸铁在冶炼过程中,易出现石墨粗大化,石墨与基体产生间隙,使铸件在使用过程中油、水渗入形成氧化物,严重阻碍焊接时的熔合,同时,增加产生焊接裂纹和气孔的可能性。

6) 铸铁在焊接熔化时,液态金属流动性很差,严重妨碍焊接时的熔合,熔池中熔渣和有害气体难以逸出,会在焊缝中产生严重缺陷。

针对以上不利因素,必须从焊接工艺、操作方法、焊接程序、焊接材料几方面加以解决。

2.3 焊接方法的选择

铸铁手工焊可采用热焊和冷焊两种方法。手工电弧热焊是将工件整体加热到600℃～650 ℃以上开始施焊,焊接过程中工作温度不得低于400 ℃,焊后马上加热到65 0 ℃,以消除应力退火。

小齿轮座的重量为1. 74 t ,且氧化铝一分厂没有合适的加热装备,故采用手工电弧冷焊法修复。冷焊法是指用不预热、严格控制层间温度、小线能量的焊接方法进行焊接。

2.4 焊接材料的选择

HT15233 的可焊性较差且底座的下表面为加工表面,为保证焊接质量及下表面的可加工性宜采用纯镍基焊条Z308 进行焊接。但Z308 焊条价格昂贵,为节约费用,可采用以Z308 焊条焊隔离层、J507 焊条与Z308 焊条相互填充、Z308 焊条盖面的方法进行修复,这样既可降低成本又可保证焊接质量及下表面的可加工性能。

Z308 焊条的机械性能见表3 。

2. 5 焊接次序

1) 裂纹处按非加工面再加工面的次序施焊。

2) 断块处先焊筋板侧,保证焊透,再从另一侧清根、施焊。后焊筋板。 3 焊接

焊接前要对所有焊接部位进行彻底清理,清除所有结疤、油污等缺陷因素,然后再开始焊接准备。

3.1 裂纹处焊接准备

表面清理干净后,用角向抛光机修磨裂纹处至磨出所要求的双U 型坡口。修磨时要求消除所有裂纹倾向,坡口边缘平滑过渡,钝边、间隙以单边能焊透为准。

3.2 断块处焊接准备

两断块断裂口处形状基本规则,表面清理后用角向抛光机将断口按坡口所要求形状、尺寸修磨成双U 型坡口,钝边、间隙以单边能焊透、另一侧以清根为准,然后按尺寸在划线平台上将断块与小齿轮座本体组对、点固。

3. 3 焊接

小齿轮座焊接熔敷量较大,为减小焊接应力及焊接变形,保证焊接质量,采用两班工作制,固定高水平焊工施焊。焊接时环境温度保证在20 ℃以上,夜班如果温度过低则停止焊接。为防止穿堂风,在施焊时搭设围篷以防风保温。焊接时先焊裂纹,然后再焊断裂块。焊裂纹时先焊两螺丝孔中间的裂纹,焊完后再焊外侧裂纹。

1) 焊接前,Z308 焊条要150 ℃烘干1 h ,J507 要250 ℃烘干2 h ,烘干后放入保温桶中保温,随用随取。

2) 每次焊接时都将焊道放置在水平位置,以利于操作。

3) 焊接时采用短道、快速、不摆条、断续、分散焊法,每段长度不超过30 mm ,收弧时要填满弧坑。

4) 焊完一道马上用钝头小锤锤击整个焊道以释放焊接应力,锤击速度要快,力量由重渐轻。

5) 严格控制层间温度,每焊完一道必须冷却到50 ℃以下方可继续施焊。

6) 打底时采用小熔合比进行焊接,填充焊和盖面焊时可适当放大熔合比。

7) 清除熔渣后,用五倍放大镜观察,无裂纹,再继续下一步焊接。