鑄鐵類殼體焊接修復(fù)工藝方法的探討

顧秀花，米海雁，曹 霞

（國(guó)能神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，陜西榆林 719315）

電機(jī)、水泵等外殼多為鑄鐵材質(zhì)，隨著設(shè)備的使用，在安裝不正確、受到振動(dòng)后材料疲勞、以及搬運(yùn)撞擊等情況下，會(huì)導(dǎo)致殼體地腳的邊角部位開裂掉落，螺栓孔（通孔）損壞。出現(xiàn)損壞后，如果還需要繼續(xù)使用，則要對(duì)地腳和孔進(jìn)行修復(fù)。目前常用的方法是使用匹配的鑄鐵焊材，對(duì)損壞母材兩側(cè)打坡口對(duì)接后進(jìn)行焊接，然后再對(duì)通孔進(jìn)行加工處理。但這種較為簡(jiǎn)單的工藝和方法實(shí)際并不能確保地腳修復(fù)后的強(qiáng)度和壽命，經(jīng)常會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)二次損壞，反復(fù)修復(fù)多次后造成設(shè)備殼體報(bào)廢，資產(chǎn)白白浪費(fèi)。針對(duì)這種情況，采取在現(xiàn)有修復(fù)工藝下進(jìn)行改進(jìn)的方法，就是在不顯著增加成本的前提下，提高修復(fù)后的強(qiáng)度和剛度，恢復(fù)設(shè)備使用性能。

1 鑄鐵材料的焊接性分析

1.1 鑄鐵材料的焊接性

鑄鐵俗稱生鐵，如做飯用的鍋，鉗工用的臺(tái)虎鉗，壓力機(jī)機(jī)身，電機(jī)及水泵殼體都是鑄鐵材料，因含碳量高，焊接性能差。鑄鐵的含碳量大于2.11%，并且鑄鐵中的碳是以石墨形式存在。鑄鐵的耐磨性、減震性、鑄造性都與碳的石墨狀態(tài)有關(guān)。按照碳存在的狀態(tài)和形式不同鑄鐵可分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和白口鑄鐵。其中白口鑄鐵和可鍛鑄鐵應(yīng)用較少，并且很少進(jìn)行焊接，常使用的是灰口鑄鐵和球墨鑄鐵。

1.2 球墨鑄鐵的焊接性

球墨鑄鐵的焊接性較差，因?yàn)榍蚰T鐵是將灰口鑄鐵原材料溶化后加入鎂、鈰、釔等球化劑，這些球化劑都是阻礙石墨化的元素，所以白口現(xiàn)象比較嚴(yán)重。并且在冷卻過(guò)程中熱影響區(qū)也會(huì)形成淬硬組織，硬度可高達(dá)620～720 HBW，使焊后機(jī)械加工比較困難。由于球墨鑄鐵的強(qiáng)度、韌性和塑性較好，所以焊接時(shí)不易產(chǎn)生裂紋。廣泛應(yīng)用于制造受磨損、高應(yīng)力和受沖擊作用的重要零件。

1.3 水泵殼體材料的確定及焊接性

本文中的水泵殼體材料通過(guò)從技術(shù)材料中查找，及與相關(guān)廠家溝通得知材料為灰口鑄鐵材料，焊接性較好，但在進(jìn)行焊接修復(fù)時(shí)需采用灰口鑄鐵與碳鋼的異種鋼焊接工藝，才能保證斷裂的部位完好的修復(fù)。

2 焊接方法的選擇

針對(duì)本文中的水泵底座開裂處的材料焊接修復(fù)所選用的焊接方法有如下幾種。

2.1 焊條電弧焊熱焊法

熱焊法，就是焊前將焊件的母材焊接部位采用割槍或者專用的加熱設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱到600～700 ℃（暗紅色），然后進(jìn)行焊接，焊后再進(jìn)行保溫緩冷的焊接方法。焊接前清除掉鑄鐵焊接部位的氧化皮、油脂、銹蝕。焊條可選用Z208、Z408或結(jié)構(gòu)鋼焊條J422、J507。

焊條電弧焊熱焊的焊接要點(diǎn)如下：

（1）由于預(yù)熱溫度較高，使焊縫與母材的溫差變小，大大降低了接頭的熱應(yīng)力，通過(guò)控制層間溫度，使焊接接頭的冷卻速度緩慢，可避免產(chǎn)生白口和淬硬組織，保證接頭的焊接質(zhì)量及有良好的切削加工性。

（2）采用鑄鐵芯焊條進(jìn)行焊接時(shí)，是通過(guò)焊芯和藥皮向焊縫過(guò)渡碳、硅等石墨化元素。也可選用非鑄鐵芯焊條，使用石墨化藥皮焊條（Z208），是通過(guò)藥皮向焊縫過(guò)渡石墨化元素。

（3）熱焊適用于冷速慢的薄壁鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性較大易產(chǎn)生裂紋的部件，以及承受動(dòng)載荷等要求較高的零、部件。

（4）焊接電流的選擇可參考單獨(dú)焊接灰口鑄鐵的工藝參數(shù)。焊接電流過(guò)大，兩種母材金屬熔化量過(guò)深，對(duì)焊縫石墨化不利。

（5）電弧燃燒到坡口根部和邊緣時(shí)，要做停留，不可用電弧直接加熱，通過(guò)熔池金屬將熱量傳至坡口使之熔化，這樣既可保證焊縫的熔合比，又能避免咬邊或熔合不均勻等缺陷。

（6）焊后冷卻：一般應(yīng)隨爐緩慢冷卻至室溫（一般需48 h 以上），或者將冷卻至100～200 ℃的部件焊縫周圍處加熱到600～620 ℃，然后緩冷至室溫，以防止產(chǎn)生裂紋，降低硬度。

2.2 焊條電弧焊的冷焊法

灰口鑄鐵與Q355材料焊接電弧冷焊法是一種很有發(fā)展前途的焊接工藝方法。此種方法是焊前對(duì)鑄鐵被焊部位不預(yù)熱，或?qū)ぜM(jìn)行預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不超過(guò)300 ℃，再進(jìn)行焊接的方法。電弧冷焊與電弧熱焊相比，焊前母材金屬不預(yù)熱，減少了焊接變形，節(jié)省焊接時(shí)間，具有一定的推廣價(jià)值。焊接生產(chǎn)中應(yīng)用較多，焊件形狀和大小不受限制，易于大批量生產(chǎn)。冷焊的焊接要點(diǎn)如下。

（1）清除焊修表面的油污及雜質(zhì)，使其露出基體的金屬光澤：如果存在裂紋，應(yīng)在裂紋兩端各鉆一個(gè)止裂孔，以免施焊時(shí)裂紋延伸；沿裂紋開出坡口，其型式和大小由焊修部位的厚度和工藝要求而定。

（2）灰口鑄鐵與碳鋼焊接時(shí)，為了提高焊接接頭的強(qiáng)度，采用合理的焊接方向和順序，以減少應(yīng)力。如果是大型鑄件，還可以在焊縫處擰上一定數(shù)量的螺釘，使接頭得到加強(qiáng)。螺釘直徑一般不超過(guò)16 mm（如果壁厚小于15 mm，則螺釘直徑應(yīng)小于或等于6 mm），螺釘?shù)臄?shù)量可按斷面面積計(jì)算，即螺釘?shù)目倲嗝婷娣e不大于鑄件裂紋斷面面積的25%，且這些螺釘應(yīng)均勻分布在裂紋兩邊。

（3）電弧冷焊法對(duì)灰口鑄鐵與碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，宜選用高鎳、鎳鐵等焊條并且焊條使用前必須進(jìn)行150～200 ℃烘干，保溫時(shí)間為1～2 h。

（4）灰鑄鐵與Q355材料電弧冷焊時(shí)，通常先采用Z308焊條進(jìn)行打底焊，然后用CO2氣體保護(hù)焊及焊絲進(jìn)行蓋面。

（5）焊接過(guò)程中應(yīng)采用小電流、短弧、斷續(xù)、小線能、窄道焊、錘擊焊道釋放應(yīng)力等工藝措施。

（6）電弧冷焊后的焊縫及部件必須緩慢冷卻，如出現(xiàn)裂紋等缺陷時(shí)，必須重新焊接修復(fù)，采用氣割缺陷，打磨，適當(dāng)預(yù)熱，焊接，錘擊焊縫，緩冷等一系列工序，重新焊接。

2.3 CO2氣體保護(hù)焊焊接灰面鑄鐵的特點(diǎn)

由于灰面鑄鐵的強(qiáng)度、硬度適中，焊接性較好，加上CO2氣體保護(hù)焊的氧化性對(duì)鑄鐵的焊接不構(gòu)成危害，特點(diǎn)之一是CO2氣體保護(hù)焊與電弧焊相比，不僅熔覆速度高，焊接速度快，還在于CO2氣體保護(hù)焊比焊條電弧焊的熱輸入小，熔合比小，保證焊縫質(zhì)量。CO2氣體保護(hù)焊焊接灰面鑄鐵的焊接特點(diǎn)如下。

（1）焊接清理焊件焊接部位100 mm 處油、銹、水及雜質(zhì)。

（2）采用小電流、低電壓正接法的短路過(guò)渡形式。由于氣流的作用，熱影響區(qū)窄，效果好。

（3）CO2氣體有一定的氧化性，可燒損焊縫中的碳。

（4）CO2氣體保護(hù)焊有利于減少裂紋和半熔化區(qū)白口組織，多層焊時(shí)效果較好。

2.4 選擇焊接方法時(shí)應(yīng)注意的原則

（1）針對(duì)不同的切削加工性、顏色、強(qiáng)度等選擇不同的焊接方法。焊條電弧焊熱焊法對(duì)于要求質(zhì)量高、切削加工性好的鑄件最適合，焊條電弧焊冷焊法則適宜機(jī)加工的表面及不便于預(yù)熱的大型鑄件。

（2）針對(duì)不同的焊件體積、形狀、厚度及使用條件等選擇不同的焊接方法。對(duì)于中小型薄壁零件（如氣缸）采用氣焊、冷焊、熱焊均可，對(duì)于較大的零件應(yīng)采用氣焊熱焊法。

除此之外，還有氣焊、釬焊、氬弧焊等焊接方法。通過(guò)上述分析，本文選擇鑄鐵冷焊法及CO2氣體保護(hù)焊相結(jié)合的方法。

3 焊接材料的選擇

灰面鑄鐵與Q355材料的焊接焊接材料選擇的原則是：通過(guò)調(diào)整焊縫化學(xué)成分的方法來(lái)改善接頭的組織和性能。電弧冷焊時(shí)采用Z308焊條，在進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊時(shí)選用THQ-50C 焊絲。

3.1 CO2氣體保護(hù)焊焊絲THQ-50C

CO2氣體保護(hù)焊焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2所示。

表1 THQ-50C焊絲焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

表2 THQ-50C焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

用途：用于相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別碳鋼、低合金鋼結(jié)構(gòu)的焊接，可應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶、車輛制造、石油化工等行業(yè)。

特性：THQ-50C 焊絲為500 MPa 級(jí)碳鋼焊絲，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲焊接飛濺小，成形美觀，熔敷效率高，焊縫金屬氣孔敏感性小，全位置施工工藝性好。

注意事項(xiàng)：①焊前必須清除焊件上的鐵銹、油污、水份等雜質(zhì)。②焊接線能量的大小將直接影響到焊縫的力學(xué)性能。③焊接參數(shù)的選擇，盡量采用小的焊接參數(shù)。

3.2 電弧冷焊焊條

純鎳焊縫的加工性能最好。我國(guó)目前所使用的三種鎳基焊條，因合金含量不同，性能也有一定的差異。

（1）純鎳鑄鐵焊條EZNi（Z308）的特點(diǎn)。有利于進(jìn)行機(jī)械加工。純鎳焊縫的強(qiáng)度與灰面鑄鐵接近，而且塑性很好，因此具有良好的抗冷裂性能。但鎳屬于貴金屬，故在焊接中不宜大量使用。

（2）鎳鐵焊條EZNiFe（Z408）的特點(diǎn)。適合于焊接強(qiáng)度要求高的鑄鐵。鎳鐵焊縫的線脹系數(shù)小，接頭抗裂性能較好。鎳鐵焊條的性能優(yōu)于純鎳焊條，且價(jià)格在鎳基焊條中最便宜，故在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。

（3）鎳銅焊條EZNiCu（Z508）的特點(diǎn)。Z508是鎳銅合金焊芯（Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，Cu30%）、強(qiáng)石墨化藥皮的鑄鐵焊條。由于收縮率較大，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度較低，不宜用于剛度大的鑄件補(bǔ)焊?？捎迷诔鼗虻蜏仡A(yù)熱（預(yù)熱至300°左右）焊接，用于強(qiáng)度要求不高，塑性要求好的灰面鑄鐵的焊接。

三種鎳基焊條的力學(xué)性能如表3所示。

表3 三種鎳基焊條的力學(xué)性能

本文中灰面鑄鐵與Q355材料焊接焊接材料選擇Z308鎳基焊條打底焊接，蓋面采用THQ-50C 焊絲進(jìn)行焊接即可。

4 焊接修復(fù)工藝

（1）將斷裂的地腳和水泵部分殼體上的斷裂面進(jìn)行簡(jiǎn)單的打磨處理，使用高度規(guī)進(jìn)行劃線，確定定位銷孔的位置，兩件銷孔位置必須能完全對(duì)正，螺栓孔能恢復(fù)原始尺寸狀態(tài)；

（2）使用臥式鉆床、鏜床等機(jī)加工設(shè)備，或者手電鉆（適用于母材較薄、修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備缺乏的情況）對(duì)殼體和斷裂板的斷面進(jìn)行銷孔鉆孔加工，然后用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉸刀進(jìn)行鉸孔，推薦25 mm 厚度的母材使用直徑10 mm/H7公差等級(jí)的定位彈性開口銷和銷孔，孔深根據(jù)斷腳尺寸選用不同長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)件。

（3）兩件工件斷口部位兩側(cè)加工出坡口（根據(jù)板厚確定坡口尺寸），通孔位置的坡口不需要加工，以免焊接時(shí)損壞內(nèi)孔表面，造成二次機(jī)械加工，利用開口定位銷將工件組對(duì)至一起，使用匹配的鑄鐵焊條進(jìn)行定位點(diǎn)焊。

（4）對(duì)坡口位置進(jìn)行多層多道焊接（如果坡口較大則需要多層多道焊接），打磨焊縫，清理螺栓孔，時(shí)效處理（如果工期允許），著色探傷檢查焊縫質(zhì)量；

（5）使用割好塞焊孔的較高強(qiáng)度鋼板（優(yōu)選Q345鋼）鋪設(shè)至地腳位置，外形尺寸、螺栓孔尺寸和位置、板材厚度等均根據(jù)需要修復(fù)的實(shí)物尺寸和部位確定和加工好，使用對(duì)應(yīng)的焊材進(jìn)行塞焊加強(qiáng)（注意使用異種母材焊材，盡量?jī)?yōu)選現(xiàn)有或常用焊材），處理焊縫表面和螺栓孔，時(shí)效處理（如果工期允許），著色探傷檢查焊縫質(zhì)量。焊接時(shí)底層采用Z308鑄鐵焊條進(jìn)行焊接，采用半熱焊法，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行預(yù)熱，加強(qiáng)部位的焊接采用CO2氣體保護(hù)焊方法，焊接時(shí)采用多層多道的焊接工藝。

（6）焊后進(jìn)行加熱，然后蓋好保溫毯自然冷卻即可。經(jīng)過(guò)探傷檢測(cè)完好，則修復(fù)完成，效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述工藝方法，恢復(fù)地腳的固定性能，還能適當(dāng)提高部件的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)如果發(fā)生二次斷裂，中間層的定位銷還能起到延緩斷裂的作用，有一定安全保護(hù)作用?？傮w修復(fù)用材料、定位銷等均為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件，綜合成本增加不明顯，但設(shè)備修復(fù)后壽命能顯著提高，有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可對(duì)類似的材料和結(jié)構(gòu)修復(fù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。