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HT200灰铸铁板补焊焊接工艺说明书 指导老师：王燕学生：江冯（三峡大学 机械与材料学院）摘要：本文主要通过分析HT200灰铸铁的化学成分及其相关性能，对所给材料的焊接性能进行了重点分析。对于HT200灰铸铁的补焊，所选用的焊接方法为气焊。根据有关的数据依据，制定了合理的焊接工艺，并分析了工艺的合理性同时还阐述了焊前的准备工作、焊接中的注意事项以及焊后的检验处理工作以保证获得质量好的焊缝。关键字：HT200灰铸铁；焊接性能；热处理工艺；预热；层间温度；焊后热处理。引言：灰口铸铁具有良好的铸造性、减震性、减磨性、切屑加工性能和低的缺口敏感性，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。而机床的床身要求耐磨性,消震性，工艺性能好，才能够满足机床的精度要求和价格要求，所以选择床身的材料就很重要。从目前的现状来看铸铁是最佳的选择材料，铸铁中石墨有利于润滑与贮油，所以耐磨性好，同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消除震动性优于钢；同时，灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。铸铁的使用使机床缩短了生产周期，提高了生产率，具有尺寸精度高，加工余量小，表面质量好等优势。但是，铸铁很容易出现缩孔，缩松，冷隔，裂纹等缺陷。由于以上各种原因，铸铁成品件在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使其报废。我国各种铸铁的年产量现在约为800万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的10%到15%,即通常所说的废品率。若这些铸件报废，以1997年铸铁平均价计算，其损失每年高达十亿元以上。若要更换新的，用铸铁成品件都要经过各种机加工，价格往往较贵。特别是一些重型铸铁成品件，如锻造设备的铸铁机座一旦使用不当而出现裂纹，就得停止生产，若要更换新的锻造设备，不仅仅价格昂贵，且从订货，运货到安装调试往往要很长时间，而在这段时间里只能停产，其损失很大。仅以本文为例介绍阐述的铸铁补焊来说明铸铁缺陷修复所带来的巨大经济效益和资源浪费的避免。1 HT200灰铸铁母材成分和焊接性分析1.1 材料：HT200灰铸铁板一块，规格：8100300，裂纹150mm沿长向分布至板边 补焊1.2 基本性能及化学成分表1 HT200灰铸铁的化学成分分析牌号基体组织化学成分/%CSiMnPSHT200珠光体多于90%中片状，铁素体少于5%，二元磷共晶少于4%3.0-3.51.4-2.00.7-1.00.30.12HT200 灰铸铁抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好；铸造性能较好，需要进行人工时效处理。HT200在常温下的屈服强度、抗拉强度、伸长率、以及弯曲试验性能等力学性能如下表2所示：表2 室温力学性能牌号金相组织抗拉强度b/MPa弯曲强度b/MPa硬度/HBSHT200珠光体200400170-2201.3 母材焊接性分析1.3.1 碳当量分析按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得16Mn钢碳当量为：CeqCMn6(CrMoV)5+(NiCu)15 0.350.176(000)5(00)15 0.52由此可见HT200的焊接性较好。 1.3.2 HT200灰铸铁补焊时存在的问题灰铸铁在化学成分上的特点是碳高及S,P杂质高，这就增大了焊接处对冷却速度变化的敏感性及冷热裂纹的敏感性。在力学性能上的特点是强度低，基本无塑性。焊接过程具有冷速快及焊件受热不均匀而形成的焊接应力较大的特殊性。这些因素导致焊接性不良。在焊接过程中易产生白口组织和裂纹。（一） 焊接处易出现白口及淬硬组织1、 焊缝区当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，则在一般电弧焊情况下，由于焊缝冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体、二次渗碳铁和珠光体，即焊缝基本为白口铸铁组织。2、 半熔化区特点：该区域被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围1150-1250摄氏度。该区域处于液固状态，一部分铸铁已熔化为液体，其他未熔部分在高温作用下以转变为奥氏体。3、 奥氏体区该区被加热到共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间。该区温度范围约为820-1150摄氏度，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，加热温度较高的部分，由于石墨片中的碳较多的向周围奥氏体扩散，奥氏体中碳含量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少的向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时如果冷却速度较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。该区的硬度比母材有一定的提高。熔焊时采用适当工艺使该区缓冷可使奥氏体直接析出石墨而避免二次渗碳体析出同时防止马氏体形成。4、 重结晶区很窄，加热温度范围780-820摄氏度。由于电弧焊时该区加热速度很快，只有母材中的部分原始组织可转变为奥氏体。在随后的冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类组织，冷却很快时也可能出现一些马氏体。（二） 裂纹是易出现的缺陷1、 冷裂纹 可发生在焊缝或热影响区上2、 产生部位：铸铁型焊缝，当采用异质焊接材料焊接，使焊缝成为奥氏体、铁素体，铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。3、 启裂温度：一般在400摄氏度以下。原因：一方面是铸铁在400摄氏度以上时有一定塑性；另一方面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。在400摄氏度以上时焊缝所承受的拉应力较小。4、 产生原因：焊接过程中由于工件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中会产生很大的拉应力，这种拉应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时，石墨成片状存在。当片装石墨方向与外加应力方向基本垂直，且两个片装石墨的尖端又靠的很近，在外加应力增加时，石墨尖端形成较大的应力集中。铸铁强度低，400摄氏度以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生焊缝裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁大，加以其中渗碳体性能更脆，故焊缝更易出现裂纹。5、 影响因素：（1） 与焊缝基体组织有关，焊缝中渗碳体越多，焊缝中出现的裂纹数量越多。当焊缝基体全为珠光体与铁素体组成，而石墨化过程又进行的较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀过程，可以松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝的抗裂性。（2） 与焊缝石墨形状有关，粗而长的片状石墨容易引起应力集中，会减小抗裂性；石墨以片状存在时可以改善抗裂性；石墨以团絮状存在时，焊缝具有较好的抗裂性能。（3） 与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关。焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长都将增大应力状态，促使裂纹产生。2 焊接方法的选择T200灰铸铁裂纹补焊的方法主要有电弧热焊、半热焊、电弧冷焊、气焊、钎焊和手工电渣焊。本次焊接方法采用气焊。 2.1 气焊的主要优缺点气焊主要优点：（1)设备简单、使用灵活；(2)对铸铁及某些有色金属的焊接有较好的适应性；（3）在电力供应不足的地方需要焊接时，气焊可以发挥更大的作用。主要缺点：(1)生产效率较低；(2）焊接后工件变形和热影响区较大；（3）较难实现自动化。3焊接设备的选择气焊接设备包括焊炬、减压器、乙炔发生器、回火防止器、气体钢瓶和各种辅助设备。焊炬选用H01-20，氧气减压器选用YQY-12，乙炔减压器选用YQE-213，乙炔发生器采用YJP-1.0-1.0型排水式中压乙炔发生器，回火防止器选用干式回火防止器型产品，氧气瓶和乙炔瓶采用最小的型号。 4 工艺参数、焊接材料、设备选择 4.1 工艺参数的选择4.1.1主要焊接工艺参数 查焊接手册焊接方法及设备表25-2得：采用射吸式焊炬，主要焊接工艺参数如表3：表3 主要焊接工艺参数焊炬型号H01-20乙炔:氧气1焊嘴孔径/mm2.6乙炔使用压力/Mpa0.001-0.10氧气工作压力/Mpa0.6-0.8焊接层数2 4.1.2焊接线能量焊接线能量的选取可以参考焊材制造厂提供的资料。线能量的大小直接影响焊接的冷却速度。线能量较大时, 焊接冷却速度降低, 造成组织过热, 形成魏氏组织、网状晶界,会使焊缝与热影响区的晶粒变得粗大,降低焊缝的强度及冲击韧度, 还可能加大焊缝和热影响区的软化程度, 影响接头的高温性能。而采用低的线能量, 可提高焊接冷却速度, 有利于细化焊缝及热影响区的晶粒、提高焊缝金属的冲击韧性。线能量也不能过小， 否则， 由于冷却快，过热区易产生粗大的马氏体组织，导致塑、韧性下降，增大焊接时的淬硬程度，在扩散氢及焊接应力的作用下出现冷裂纹。焊接线能量=焊接电流*焊接电压/焊接速度，一般线能量控制在26kJ/cm 以下。 4.1.3 焊丝的选择查焊接手册焊接方法及设备表25-5知，灰铸铁气焊可选择RZC-1、RZC-2以及RZC-3，对于普通气焊在本次焊接中选择RZC-2.表4 铸铁气焊丝牌号名称化学成分（%）CSiMnSPNiRZC-2灰铸铁气焊丝3.5-4.53.0-3.80.3-0.80.010.5_焊丝直径为4mm。4.2 焊接材料的选择 气焊焊剂是气焊时的助熔剂，其作用是除去氧化物，改善母材润湿性等。在这里我选用焊剂为CJ201（气剂201）5 焊接实施方法及步骤 5.1焊前准备 （1）坡口的选择与加工 适当开一个小U型坡口。如图一所示.（2）焊件的清理焊接前，应把焊丝及焊接处表面的氧化物、铁锈、油污等赃物清除干净， 图一以避免焊缝产生夹渣、气孔等缺陷，可用砂纸、钢丝等进行处理。(3)焊丝的清理和焊剂的烘干 焊接前，必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须严格烘干，而且要求 图一烘干后立即使用。将其置于250-300环境中干燥2h。（4）裂纹处理离裂纹两端3-5mm处钻止裂孔，孔径4-6mm，以防止裂纹扩展。（5）检查气阀是否畅通，焊机设备及附件应状态是否良好。 5.2 焊前预热预热温度控制是防止焊接冷裂纹、再热裂纹和提高焊缝的韧性的有效措施。可以减缓焊后的冷却速度, 降低中灰铸铁的淬硬程度和焊接接头的应力峰值,并可提高焊接接头的韧性。预热温度与层间恩度是依据灰铸铁的其他成分、焊接结构的拘束度以及焊缝中的含氢量综合确定。焊补灰铸铁时，往往在焊缝和母材交界的熔合线处生成一层碳化铁，这种现象叫做“白口”,严重时会使整个焊缝断面产生白口化。生成白口化的结果是白口区硬度升高，焊后机械加工极其困难。氧乙炔火焰温度比电弧温度低得多，且热量不集中，需要较长的时间才能将焊接区加热到补焊温度，其加热面积大，相当于先局部预热再焊接到加热过程。对于结构复杂，拘束度较大的壁厚铸件，为防止焊接裂纹，最好采用焊件整体预热的焊接工艺。采取的具体措施是焊前将焊件整体或局部加热到600以上进行焊接，并在焊接过程中保持这个温度。5.2.1预热温度的选择为了避免焊补过程中出现白口现象，预热温度选在600即可。5.3 操作方法及实施5.3.1氧一乙炔焰的点燃、调节和熄灭 (一) 焊炬的握法应右手拿焊炬，将拇指和食指位于氧气调节阀处，同时拇指还可以开关、调节乙炔调节阀，随时调节气体的流量。（二）点燃火焰先稍许开启氧气调节阀，然后再开乙炔调节阀，两种气体在焊炬内混合后，从焊嘴喷出，此时将焊嘴靠近火源即可点燃。点火时，拿火源的手不要正对焊嘴，也不要将焊嘴指向他人或可燃物，以防发生事故。刚开始点火时，可能出现连续“放炮”声，原因是乙炔不纯，需放出不纯的乙炔重新点火。有时出现不易点火的现象，多数情况是氧气开得过大所致，这时应将氧气调节阀关小。（三）火焰的调节刚点燃的火焰一般为碳化焰。这时应根据所焊材料的种类和厚度，分别调节氧气调节阀和乙炔调节阀，直至获得所需要的火焰性质和火焰能率。如将氧气调节阀逐渐开大，直至火焰的内外焰、焰芯轮廓明显时，可认为是中性焰；如再增加氧气或减少乙炔，可得到氧化焰；如增加乙炔或减少氧气则得到碳化焰。如果同时增大乙炔和氧气则可增大火焰能率，如火焰能率仍不够大时，应更换大直径的焊嘴。 调整后的火焰形状不得歪斜或发出“吱吱”的声音。若发现火焰不正常时，要用通针把焊嘴内的杂质清除干净，使火焰正常后才可焊接。有时，由于供给焊炬的乙炔量不均匀，会引起火焰性质不稳定，这时中性焰会自动变成氧化焰或碳化焰。因此，在气焊操作中还应随时注意观察火焰性质的变化，并及时调节氧气调节阀。（四）火焰的熄灭需要熄灭火焰时，应先关闭乙炔调节阀，再关闭氧气调节阀。否则，就会出现大量的炭灰(冒黑烟)。 5.3.2起焊起焊时由于刚开始焊，焊件温度较低或接近环境温度。为便于形成熔池，并利于对焊件进行预热，焊嘴倾角应大些，同时在起焊处应使火焰往复移动，保证在焊接处加热均匀。如果两焊件的厚度不相等，火焰应稍微偏向厚件，以使焊缝两侧温度基本相同，熔化一致，熔池刚好在焊缝处。当起点处形成白亮而清晰的熔池时，即可填入焊丝，并向前移动焊炬进行正常焊接。在施焊时应正确掌握火焰的喷射方向，使得焊缝两侧的温度始终保持一致，以免熔池不在焊缝正中而偏向温度较高的一侧，凝固后使焊缝成形歪斜。焊接火焰内层焰芯的尖端要距离熔池表面35mm，自始至终保持熔池的大小、形状不变。 起焊点的选择，一般在平焊对接接头的焊缝时，从对缝一端30mm处施焊，目的是使焊缝处于板内，传热面积大，当母材金属熔化时，周围温度已升高，从而在冷凝时不易出现裂纹。管子焊接时起焊点应在两定位焊点中间。5.3.3焊嘴和焊丝的运动a、沿焊缝的纵向移动，不断地熔化工件和焊丝，形成焊缝。b、焊嘴沿焊缝作横向摆动，充分加热焊件，使液体金属搅拌均匀，得到致密性好的焊缝。在一般情况下，板厚增加、横向摆动幅度应增大。c、焊丝在垂直焊缝的方向送进，并作上下移动，调节熔池的热量和焊丝的填充量。6焊接缺陷及热处理气焊中由于某些原因，焊接有时会产生一些缺陷，如过热、过烧、气孔、裂纹、咬边、夹渣及发渣等。6.1 焊接缺陷及其预防措施（1）过热和过烧过热和过烧，一般是指钢在气焊时金属受热到一定程度，金属组织所起的变化。主要原因：a、火焰能率太大；b、焊接速度太慢；c、焊炬在一处停留时间太长防止方法：a、根据工件厚度要求选择合适的焊炬和焊嘴；b、采用中性焰或乙炔稍多的中性焰；c、正确的掌握焊接速度；（2)气孔 气孔是遗留在焊缝中的气泡。气孔减少了焊缝的有效截面积，降低了街头的机械性能，并破坏了焊缝的致密性。当气孔的尺寸、数量超过允许值时，应该铲去重焊。产生主要原因：a、工件与焊丝表面不干净；b、焊丝与母材成分不匹配；c、焊接速度太快；d、采用了碳化焰等。防止防治方法：a、采用合乎要求的焊丝；b、焊前将工件和焊丝便面的油污、铁锈及氧化物等清除干净；c、焊接速度和焊丝焊嘴的摆动不宜过大等。（4） 裂纹裂纹是最危险的缺陷。产生原因：a、焊件和焊丝的成分、组织不合格； b、焊接时应力过大，焊缝加强高度不够，或焊缝熔合不良，以及焊长焊缝时焊接顺序不当等。防止方法：a、合理的选择焊丝；b、防止应力过大；c、收尾时火口要填满等。除了以上几种缺陷外还有咬边、焊瘤和夹渣等缺陷，这里就不一一列举。6.2焊后热处理 热时效处理工艺为：热时效加热温度一般选择500580。保温时间根据零件有效厚度及装炉量确定，一般为36h。保温后炉冷，冷却速度最好控制在3060h，当炉冷至150220时，即可出炉空冷。7 焊后检验7.1 焊缝外观检查焊缝外观检查包括焊缝余高、焊缝余高差、焊缝宽度、焊口表面缺陷及焊缝美观程度等。焊口表面缺陷包括表面气孔、夹渣、裂纹、咬边、过热和过烧等。焊缝边缘应圆滑过渡至母材, 在每道或者每层焊缝焊完后, 都要求焊工进行100 %的自检,对发现的缺陷要及时清除,绝不允许不合格的焊缝进入下道工序中。并且对于外观检查不合格的焊口, 不允许进行其他项目的检验。7.2 硬度测试在焊口低温热处理结束后, 需对焊接接头包括焊缝、母材及其热影响区部位进行100%的硬度测试。热处理后焊缝的硬度不得超过母材硬度加100 HB且350 HB