焊接工藝在設備維修中的應用探討

李 偉，鮑萬臣，李 剛，李亞娥

（河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司，河北 唐山 063700）

焊接是通過物理或化學的手段，使兩個相分離的物體（同種材料或異種材料）產(chǎn)生原子（分子）間的結(jié)合，而連接成一體的連接方法，是不可拆卸的永久性連接。焊接技術作為傳統(tǒng)工藝在機械制造、設備維修及安裝中的作用更為突出，具有以下優(yōu)點：①連接性能好：可以方便地將板材、型材或鑄鍛件根據(jù)需要進行組合焊接從而達到降低重量、節(jié)約材料、資源優(yōu)化的目的。②成形方便：在焊接過程中，熔池金屬溫度高，熔化和結(jié)晶速度快，易于成形，提高了效率。③焊接結(jié)構剛度大，整體性好，同時又易于保證氣密性及水密性。④焊接方法種類多，焊接工藝適應性廣。⑤生產(chǎn)成本低。⑥電源便攜，參數(shù)易于調(diào)整，尤其現(xiàn)場安裝及維修時，更為突出。焊接技術的這些優(yōu)勢是其他維修工藝無法比擬的，體現(xiàn)出了它的重要地位。掌握好焊接技術，焊接工藝是前提，不同的材質(zhì)，有不同的焊接工藝，正確制定焊接工藝，才能夠保證焊接的質(zhì)量，提高工作效率，延長使用壽命。

1 鑄鐵冷焊工藝

（1）焊接性能分析。水泵殼體材質(zhì)為灰鑄鐵，這里我們針對灰鑄鐵的焊接性進行探討，灰鑄鐵的化學成分特點是碳、硅質(zhì)量分數(shù)高，硫、磷雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)高，這就增大了焊接接頭對冷卻速度及冷熱裂紋的敏感性，灰鑄鐵的力學性能特點是強度低，基本無塑性。高的含碳量使焊接接頭冷裂紋敏感性較高，同時高的硫磷雜質(zhì)質(zhì)量使焊縫生成大量低熔點共晶體，焊接時發(fā)生熱裂紋的可能性也大大增加。這兩方面因素決定了灰鑄鐵焊縫易形成白口鑄鐵，與高碳馬氏體組織焊接性很差，焊縫極易產(chǎn)生裂紋。制定焊接工藝的核心問題是避免裂紋的產(chǎn)生。

（2）焊接方法。鑄鐵冷焊的焊接方法有：①冷焊，工件不預熱，在常溫下進行焊接，可以節(jié)約能源消耗降低成本，改善勞動條件。②半熱焊，要將工件加熱到300℃～400℃。③熱焊，要將工件加熱到600℃～700℃（暗紅色）。由于現(xiàn)場施工，加熱條件不具備，我們采取了電弧冷焊工藝進行縫補。

（3）焊接材料的選擇。由于修補對焊材的消耗量大，所以選擇價格較貴，但焊接性能較好的焊條。

（4）焊接電流的選擇。選用較低的焊接電流，降低熔和比，以降低裂紋的敏感性，我們選擇90A到100A的焊接電流。

（5）焊接速度與電弧長度的選擇。為避免產(chǎn)生裂紋，應采用較低的焊接熱量的輸入，所以我們應該在保證焊縫成形與母材熔合良好的前提下，最好采用速度比較快的焊接速度和較小的電弧長度[1]。

（6）焊前準備。①首先要清油、除銹。②用著色方法或用局部加熱方法都能夠判斷裂紋的走向及裂紋的長度。③在距離裂紋端大約3mm處鉆直徑為5mm～8mm的止裂孔，這樣就能夠有效防止在施焊的過程中裂紋的延展。④用角向磨光機延裂紋的方向開出坡口，坡口角度要盡量小，以不超過65°為宜，坡口底部為圓弧形。⑤如果是大型鑄件，還可以在焊縫處置上螺釘，使焊縫得以加強。⑥為保證焊縫質(zhì)量，同時降低熱輸入，采用90A～100A的焊接電流，焊接時要適當提高焊速，同時不做橫向擺動，以避免熱輸入量大時增加半熔化區(qū)的寬度。⑦每次在焊接30mm左右立即用小錘錘擊焊縫以釋放焊補區(qū)的應力，錘擊過程要均勻、適度，焊件溫度小于300℃時，不再錘擊，以避免產(chǎn)生冷脆裂紋，在補焊區(qū)冷卻至40℃～60℃時，再焊下一道焊縫。⑧最后焊補止裂孔，焊補止裂孔時要注意控制層間溫度，待上層充分冷卻后，再進行下一步的焊接，條件容許時要用石棉充分保溫，以保證焊接質(zhì)量。

2 鑄鋼焊接工藝

（1）焊接要求。①焊接之前應仔細清除焊縫兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的油污、水分、割渣、銹蝕等。②裝配點位焊接時，有效焊縫長度要求30mm～50mm。③每道焊層必須用鋼絲刷清理干凈。④焊接宜采用小電流多層次焊，每道焊層不能太大，且各焊道接頭應錯開50mm。⑤對于每道焊縫的焊接應連續(xù)，不得間斷，以確保其有合適的層間溫度。⑥若坡口用碳弧氣刨開設，破口處的碳跡必須打磨干凈。⑦電焊條必須經(jīng)烘干處理，未經(jīng)烘干的焊條不得使用。⑧手工焊時焊條的擺動幅度應小于所用焊條直徑的3倍。

（2）預熱。①焊縫預熱溫度為120℃～200℃（預熱范圍距焊縫中心為75mm），用電加熱器或火焰進行加熱并覆蓋以防火巖棉，預熱時必須緩慢且均勻，以避免出現(xiàn)裂紋和變形（約60～100℃/h）。②焊縫清根后必須打磨干凈去除掉所有的碳化物。

（3）焊后熱處理。將焊縫區(qū)域用電加熱設備或火焰加熱到200℃～250℃，保溫1.5小時并覆蓋以防火巖棉，然后使其緩慢冷卻。

（4）焊接注意事項。①焊接過程中應避免“弧傷”（由于引弧不當?shù)仍蛞痣娀魝覆幕蚝缚p表面的現(xiàn)象），因其使鑄鋼件局部區(qū)域淬硬，且應力集中，極易產(chǎn)生微裂紋。②CO2焊焊接過程中若發(fā)現(xiàn)焊絲表面有銹跡，應更換焊絲后方可進行焊接。③為防止變形需采用合理的焊接順序和焊接方法，對長焊縫采用分段退焊法，一般的原則：先焊對接縫，再焊角焊縫，做到從中央向兩端，由里向外逐步施焊。④嚴格控制線能量的輸入，嚴禁采用過大焊接電流和過慢的焊速，防止焊后影響高強度鋼的材質(zhì)和性能。⑤在高強度鋼上施焊時，避免電弧碰傷和機械碰傷高強度鋼的表面。

3 電動機機殼的補焊

3.1 維修處理方案的確定

根據(jù)電動機機殼受損情況，經(jīng)過綜合分析，決定將電動機機殼拆除，并對其進行補焊修復。

3.2 補焊修復工藝方法的制訂

由于電動機機殼為灰口鑄鐵，在焊接時焊縫容易產(chǎn)生白口、裂紋等缺陷，根據(jù)實際情況，決定采用焊條電弧焊半熱焊的修復工藝進行補焊，以達到良好的補焊質(zhì)量。

3.3 補焊修復工藝要點

（1）焊前準備：補焊前將電動機機殼受損部位的鐵渣、油脂及殘留的雜質(zhì)等清除至露出金屬光澤。根據(jù)受損情況，決定采用鉆孔止裂，在裂紋終端前方鉆直徑為4mm的止裂孔，并在裂縫處用角磨機開70°～80°V形坡口。將電動機機殼放入加熱爐上，預熱至400℃左右，出爐。

（2）焊接工藝參數(shù)確定：由于電動機機殼的厚度不大（大約15mm左右），且焊后不再加工，故選用鋼芯石墨化型鑄鐵焊條Z208進行補焊。Z208熔敷金屬組織、性能與灰口鑄鐵母材相近，不產(chǎn)生熱裂紋，價格相對低廉。由于短弧焊接時，焊條藥皮中大量石墨熔點極高，藥皮不能充分熔化，反應也不充分，起不到石墨化的作用，故采取中弧焊接，但電弧不宜太長，以免石墨化元素大量燒損。對準4mm焊條來說，電弧長度控制在4mm左右較好。對準4mm焊條及半熱焊工藝來說，為了使藥皮得到充分熔化和焊縫得到較多的熱量，以減慢冷卻速度，故焊接電流選為170A～200A較好。

（3）焊接操作技術要點：①焊接時，應將電動機機殼擺放穩(wěn)當，并讓焊縫處于平焊位置。②在焊接中，為減少熱量損失，并使操作者不受高溫輻射，除焊接部位留在外面，其余部分均應用石棉板或其他隔熱材料蓋上，并注意不要在通風的場所進行焊接。③焊接時，為保持預熱溫度，應盡快完成補焊，保證焊接連續(xù)進行。為保證焊縫接頭處充分熔透，焊條運行到接頭處要延長停留時間。④由于焊縫是鑄鐵成分，塑性很差，錘擊對消除應力效果不大，所以一般不錘擊。⑤補焊后，應將電動機機殼用石棉粉覆蓋，使其緩慢冷卻，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。

（4）焊后處理：待電動機機殼完全冷卻后取出，將焊縫的焊渣、毛刺等清理掉，并把內(nèi)腔及外部清理干凈，重新組裝。

3.4 維修后的使用情況

自對該電動機機殼進行補焊修復以后，使用至今一切正常，未出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象的發(fā)生。

4 球磨機大齒圈的修復

本廠的5585球磨機回轉(zhuǎn)齒圈停機檢查時發(fā)現(xiàn)齒輪根部有2處裂紋，裂紋長度分別約為：600mm，300mm，齒圈材質(zhì)42CrMo，根據(jù)回轉(zhuǎn)齒圈的材質(zhì)、損壞情況及工況結(jié)合我們公司多年齒輪修復經(jīng)驗，我們推薦采用現(xiàn)場焊接修復的方式對損壞的齒圈進行修復。

（1）工藝特點。①齒形檢測：齒形模具的制作，采用RUTILE201（聚合陶瓷材料），以未損壞的齒為模板，把RUTILE201（聚合陶瓷材料）調(diào)和好填充在齒上，固化后就制作出齒的檢測模具。優(yōu)點：與傳統(tǒng)手段制作的齒檢測模具相比，檢測精度更高，齒修復效果更好。②工藝方面：PAW（脈沖微弧冷焊）工藝是將電源存儲的高能量電能，在焊材與金屬母材間瞬時高頻釋放，形成空氣電離通道，使焊材與母材表面產(chǎn)生瞬間微區(qū)高溫的冶金過程。PAW焊機（脈沖微弧冷焊）具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點：加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良，焊后應力和變形小。③消除應力方面：采用氣動消應力槍，通過對焊縫的敲擊振動使其塑性變形達到消除應力的目的，從而保證齒圈焊接后的強度。

（2）施工主要步驟。①準備380V，220V電源，設備接線檢查等工作，做好施工前的準備。②用清洗劑對齒輪表面的油污進行清洗，完成后，采用滲透探傷劑檢測齒輪裂紋處及周邊是否有裂紋。③對不需要修復的齒采用鋁箔膠帶包裹好，防止電弧劃傷，根據(jù)齒圈的厚度及損壞齒的范圍，設定現(xiàn)場熱處理溫控設備加熱參數(shù)對齒圈進行焊前預熱處理，設定好溫度曲線，采用保溫棉包裹，加熱到指定焊接溫度。④齒圈加熱到指定焊接溫度后，露出需要修復的部位，采用PAW焊機進行焊接，焊接時，采用短弧，直線，跳躍對稱焊接方法，每焊接一層材料，采用消應力槍對焊縫進行消應力處理。焊接時工件溫度要控制在制定溫度范圍內(nèi)，裂紋焊接完成后，對齒圈裂紋處采用Q345鋼板進行加強處理。⑤焊接完成后，采用刀口尺檢查焊接尺寸是否達到修復尺寸要求，如余量足夠，對修復齒輪進行現(xiàn)場保溫緩冷處理。⑥待齒圈冷卻至室溫后，采用滲透探傷劑檢查看是否有焊接缺陷。⑦采用修磨工具對焊接的齒輪進行修磨，修磨后的齒用RUTILE 201（聚合陶瓷材料）制作的模具進行研磨和檢測，直至到達齒輪施工技術要求修復工作結(jié)束。

（3）檢查驗收標準：按照《GB50205-2001焊縫質(zhì)量等級及缺陷分級》標準，采用滲透探傷檢測修復齒輪及周邊無裂紋等危害性缺陷為合格。

（4）維修后的使用情況自對該齒輪的補焊修復以后，使用至今一切正常，補焊修復處未出現(xiàn)嚴重磨損和焊縫開裂等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過補焊修復設備受損零件的實例，筆者切實體會到合理的補焊修復工藝能大大地降低維修成本，并且提高了維修效率，取得了顯著的成效，間接給單位創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。