大型铸铁件的焊接修复技术与工程应用.doc

大型铸铁件的焊接修复技术与工程应用铸铁是应用较早的结构材料，许多机械设备的零件都采用铸铁制造，同时铸铁件的补焊修复仍是经常遇见的问题。1铸铁的分类及其典型材料铸铁是含碳量大于2的铁碳合金，一般含有硅、锰元素及硫、磷杂质，有时还加入不同的合金元素，以便获得具有不同性能的铸铁。按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、白口铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。使用较多的铸铁有灰铸铁和球墨铸铁，如灰铸铁中的HT150 (HT1533) 符合GB/T 94391988，球墨铸铁中的QT5007 (QT505) 和QT602) 符合GB/T 13481988，以上三种典型铸铁都是比较常见的材料，三种铸铁化学成分、力学性能分别见表1、表2。 表1 三种铸铁的化学成分（质量分数） 材 料CMnSiSPMgReHT1503.03.40.50.81.82.10.120.20QT50073.63.80.62.52.90.0250.0800.0300.0500.0300.050QT60033.63.80.50.72.02.40.0250.0800.0350.0500.0250.450表2 三种铸铁的力学性能材 料Rm(MPa)ReL(MPa)A(%)HBS主要金相组织HT150145150200珠光体+铁素体QT50075003207170230铁素体+珠光体QT600360037031902702铸铁的焊接工艺特点及焊接材料的选用（1）铸铁焊接时的主要问题1) 焊接接头易出现白口和淬硬组织。由于焊缝金属冷却速度快，不同于铸铁在型砂中的冷却速度，并有部分铸铁母材熔入焊缝，使焊缝的含碳量增高，热影响区的半熔化区和焊缝易产生马氏体淬硬组织，而母材易产生白口组织等性能较差的组织。当焊缝化学成分为铸铁是地，为了保证铸铁中的碳以石墨形式析出，避免产生白口铸铁，应采取适当的焊前预热工艺措施，减慢焊缝的冷却速度，调整焊缝化学成分，增强焊缝石墨化能力，防止母材中的碳过渡到焊缝中而产生马氏体组织。在冷却过程中铸铁能否析出石墨，主要取决于焊缝化学成分和冷却条件。2) 铸铁焊接是地，焊接接头易出现冷裂纹和热裂纹。冷裂纹通常在400以下出现，产生原因是由于铸铁塑性差和焊接拘束应力的共同作用。热裂纹是因低熔点共晶和结晶过程中焊接应力的作用产生的，与硫元素含量有关，多发生在采用镍基和低碳钢焊接材料的异质焊缝金属中。（2）铸铁焊接的工艺特点铸铁的焊接工艺一般分为热焊、半热焊、冷焊三种工艺，不同的焊接工艺选用的焊接材料各不相同。1) 铸铁热焊工艺是将铸铁件整体或局部预热至600700，并在焊接过程中保持温度，焊后趁红热状态覆盖石棉粉或其他保温材料，缓慢冷却，有利于石墨析出。热焊方法的优点是降低焊缝与母材的温差，从而降低焊接接头应力水平，有利于防止裂纹产生，避免产生白口及淬硬组织。2) 铸铁半热焊工艺是将铸铁件整体或局部预热到300400，并在焊接过程中保持温度。半热焊方法改善了施工条件，降低了焊接成本，但焊缝抗裂性能下降。3) 铸铁冷焊工艺一般焊前不进行预热，当环境温度较低或焊接拘束较大时，焊前可以预热100150，铸铁冷焊时往往要采用特殊的焊接材料和必要的工艺措施。（3）铸铁焊接时的焊接材料选择1) 铸铁热焊和铸铁半热焊可以选用铸铁芯的同质焊缝焊接材料，如EZC(Z248)、EZCQ(Z258)焊条；或选用低碳钢芯的异质焊缝焊接材料，如EZFe2(Z100)、EZC(Z208)、EZCQ(Z238)焊条。2) 铸铁冷焊一般采用异质焊缝焊接材料，即焊缝化学成分与母材成分不相同，包括钢基、镍基和铜基三类焊接材料。如钢基焊条EZV(Z116、Z117)、EZFeFe)，镍基焊条EZNi1(Z308)、EZNiFe1(Z408)，铜基焊条EZNiCu1(Z508)。镍基焊条的焊缝硬度低，半熔化区白口组织薄，且呈断续分布，镍基焊缝的颜色与铸铁母材接近，使用比较广泛，但采用镍基焊条生产成本高。EZNi1(Z308)焊条是纯镍焊芯，石墨型药皮，焊缝金属具有一定的强度和塑性，半熔化区白口宽度仅为0.05mm，焊后可进行切削加工，主要用于切削加工表面的焊接。EZNiFe1(Z408)焊条是镍铁合金焊芯，石墨型药皮，焊缝金属抗裂性能优于纯镍和镍铜焊条，半熔化区宽度为0.1mm，焊缝金属抗拉强度高。EZNi-1(Z308)和EZNiFe1(Z408)镍基焊条的焊缝金属化学成分力学性能见表3。表3 EZNi1、EZNiFe1焊条的焊缝金属化学成分、力学性能焊接材料化学成分（质量分数）（）力学性能CMnSiSNiFeRm(MPa)HBSEZNi1(Z308)2.01.02.50.030908.0240390120170EZNiFe1(Z408)2.01.82.50.0304560余量3905401502103 铸铁冷焊修复工艺与工程应用实例（1）铸铁冷焊常用的工艺措施1) 采用焊条电弧焊焊接方法。2) 焊接材料选用镍基焊条EZNi1(Z308)或镍铁合金焊条EZNiFe1(Z408)。3) 焊前可以预热100150或不预热。4) 采用小线能量、窄焊道焊接操作，减少稀释率，降低半熔化区白口层宽度。5) 采取短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝等措施，降低焊接应力。6) 选择合理的焊接方向和顺序。应掌握由刚度大的部位向刚度小的部位施焊原则，修复裂纹时焊接方向为从闭合的裂纹末端向裂纹的开口端进行分段焊接。7) 可使用镶块补焊法，即在裂纹密集处或焊接填充量较大位置，可以将该部位清除，并镶入低碳钢板或其他焊接性能较好的材料，改变焊缝分布位置。8) 可在焊接坡口面使用栽丝法，就是在母材坡口面上钻孔、攻丝，将低碳钢螺钉拧入，以螺钉为中心进行焊接，可以防止焊缝从母材上剥离，并提高承受冲击载荷的能力，多用于厚大铸铁件的补焊。（2）灰口铸铁镗床拖板的焊接修复实例某型移动镗床在使用中，因意外撞击事故将灰口铸铁镗床拖板严重损坏，拖板出现大面积放射状裂纹，裂纹分布范围达550mm2200mm，裂纹最长达2100mm，深度达30mm，移动轨面严重变形，裂缝两侧错位达5mm。拖板材料为灰口铸铁HT150(HT1533)，从恢复机床精度考虑，采用了镍基焊条电弧冷焊工艺。灰口铸铁镗床拖板的焊接修复工艺要点：1) 为防止裂纹的进一步扩展，在每条裂纹尖端钻止裂孔，直径为12mm。2) 采用千斤顶和自制矫正胎具，以移动轨面为基准，恢复轨面平面，并将拖板裂缝两侧顶压平齐、合口，检查拖板外形尺寸、形位公差。3) 用丙酮清洗裂缝两侧及其周围50mm范围内的油污、杂物。4) 采用碳弧气刨和角向磨光机清除裂纹，并制备焊接坡口，露出金属光泽，对坡口表面进行检查。5) 采用焊条电弧焊焊接方法。6) 焊前不预热，控制层间温度小于60。7) 拖板裂纹焊接修复选用EZNiFe1(Z408)4mm焊条，轨面裂纹焊接修复选用EZNi1(Z308)3.2mm焊条。8) 采用多层多道焊，焊接操作时不摆动，每次焊接1030mm，焊后用小锤锤击焊缝。9）在拖板处于机械固定状态下，先进行侧面坡口的焊接，焊后磨平焊缝，并采用补强板螺钉连接后焊接固定。然后再进行拖板正面放射状裂纹的逐条焊接修复，焊接到坡口深度的1/2。此时距离裂纹中心部位300mm范围内的裂纹不用焊接。10）去除千斤顶和自制矫正胎具等辅助器材，并检查轨面精度。11) 采用切削加工去中心部位330mm的铸铁金属，形成通孔。另外加工材质为Q235的镶块法兰，板厚为30mm。12) 拖板正面装配镶块法兰，将工件翻身，并完成反面焊缝的焊接。13) 然后再将工件翻身，并完成拖板正面坡口的焊接，将焊缝表面打磨平整。14) 焊后进行表面裂纹检查。采用以上焊接工艺完成了灰口铸铁镗床拖板的焊接修复，实际使用效果良好，保证了镗床的顺利运行。（3）球墨铸铁水泥生料磨磨盘的焊接修复实例某型立式水泥生料磨是从国外进口的水泥生产设备，在长期使用中生料磨磨盘边缘开裂，造成停产。磨盘材质为球墨铸铁，磨盘直径3200mm，重量达31吨，裂纹长度长达3600mm，深度180mm，边缘已裂通，裂缝最宽处达40mm，并有大量的杂物。修复时采用了镍基焊条电弧冷焊工艺，球墨铸铁水泥生料磨磨盘的焊接修复工艺要点：1) 在裂纹的扩展方向钻制直径为12mm的止裂孔。2) 用压缩空气和高压水枪反复清理裂缝区的矿石、杂物。3) 采用氧乙炔火焰加热，利用自制门型夹具和齿轮泵，尽可能使裂缝区复位、定位，恢复零件外观尺寸。4) 采用碳弧气刨沿裂缝制备外侧焊接坡口，坡口角度为70，平均深度为65mm；制备内侧焊接坡口，坡口角度为40，平均深度为35mm。并用角向磨光机清除碳弧气刨层3mm，清除坡口周围30mm范围内的锈蚀层，露出金属光泽。5) 外侧焊接坡口内每边栽丝两排，呈交错排列，间距为20mm，螺丝直径10mm，深度15mm，高出坡口平面3mm。6) 准备材质为Q235、尺寸为150mm10mm（宽度厚度）的钢板镶条若干件。7) 采用焊条电弧焊接方法。8) 焊接修复选用EZNiFe1(Z408)3.2mm焊条，经2001小时烘干；选用E5015(J507)3.2mm焊条，经3502小时烘干。9) 焊前预热，预热温度T50，并控制层间温度。10) 栽丝完成后，用EZNiFr1(Z408)焊条，在外侧焊接坡口内焊接三层过渡层，每道焊缝长度不超过100mm，焊接操作时不摆动。11) 采用多层多道焊，焊