灰口鑄鐵件的補焊工藝

陳 龍，茍新剛，馬紅偉

(甘肅大唐國際連城發電有限責任公司，甘肅 蘭州 730332)

1 概述

灰口鑄鐵是鑄鐵中的一種，碳以片狀石墨的形式分布于鑄鐵基體中，斷面呈暗灰色。由于片狀石墨割裂了鑄鐵的基體組織，因此灰口鑄鐵的抗拉強度低，缺乏塑性。灰口鑄鐵具有良好的鑄造性、切割性能，還具有良好的耐磨性、抗震性和切削加工性，同時抗壓強度高，所以在工業上得到極為廣泛的運用。

灰口鑄鐵常以鑄件的形式運用于產品制造中，由于鑄造工藝的特點，鑄件往往存在各種不同程度的缺陷。鑄件補焊實際上就是對存有缺陷、損壞的鑄件進行焊接修復補焊，具有較大的經濟意義。

2 焊接時易出現的問題

2.1 焊后產生白口組織

在補焊灰口鑄鐵件時，經常會在熔合區生成一層白口組織，產生白口組織的原因是：由于母材近縫區在焊接時被高溫加熱，當受熱溫度高達860 ℃時，原來灰口鑄鐵中的游離態石墨開始部分熔于鐵中，溫度越高，熔于鐵中的石墨也越多；當冷卻時，一般認為在30～100 ℃/s的急速冷卻條件下，熔于鐵中的碳來不及以石墨形式析出而呈滲碳體出現，即所謂白口。此外，在焊接熔池中的石墨化元素碳、硅等不足，也是產生白口的主要原因。

一般在窄小的高溫熔合區內，灰口鑄鐵件在焊后很容易產生白口組織。白口組織硬而脆，使得焊縫在焊后難以機械加工，甚至會導致開裂。防止白口產生的主要措施是：適當調整填充金屬的化學成分和冷卻速度。改善焊接材料的化學成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定條件下防止焊縫金屬產生白口。氣焊用鑄鐵焊絲的碳、硅含量(C:3.0 %～3.8 %，Si:3.6 %～4.8 %)比 母 材高，特別是冷焊灰口鑄鐵時，焊絲中的含硅量高達4.5 %。焊后緩冷和延長熔合區處于紅熱狀態的時間，使石墨充分析出，可避免熔合區產生白口。采取的具體措施是：焊前預熱和焊后保溫，由于氣焊時冷卻速度較慢，因此對于防止白口極為有利。

2.2 焊接接頭出現裂紋

裂紋是焊接灰口鑄鐵件時易出現的主要問題。灰口鑄鐵件焊接接頭上的裂紋可能出現在焊縫金屬中，也可能在基本金屬即母材上。母材的裂紋一般出現在近縫區，可能呈縱向、橫向或斜向。由于灰口鑄鐵塑性極差，幾乎不能發生任何塑性變形，而且強度又低，所以在焊接應力和本身應力(組織應力)的共同作用下，當局部應力大于母材的強度極限時就會產生裂紋，嚴重時會使焊縫金屬和母材分離，即焊縫金屬會從基本金屬上脫離下來。若焊縫強度較高但母材強度較低，或結合處產生白口時，因白口鑄鐵收縮率(1.6 %～2.5 %)比灰口鑄鐵收縮率(0.9 %～1.8 %)大，且塑性差，也會產生剝離。

焊縫金屬內的裂紋，一般為橫向裂縫，也會有縱向、斜向裂紋，在焊縫斷口處未經高溫氧化時為藍色。裂紋生成時常發出清脆的金屬開裂聲，通常發生時期為：在熱態焊縫金屬的暗紅色消失后(600 ℃以下)和焊縫與焊件整體溫度均勻化之前。焊縫金屬最容易發生裂紋的溫度是在400 ℃以下，這種在熱應力和組織應力的共同作用下產生的裂紋，通常稱之為熱應力裂紋。

減少裂紋產生的措施有如下幾個。

(1) 焊前預熱和焊后緩冷。焊前將焊件整體或局部預熱，焊后緩冷，不但能減少焊縫的白口傾向，還能減小焊接應力和防止焊件開裂。

(2) 采用電弧冷焊減小焊接應力，選用塑性較好的焊接材料，如用鎳、銅、高釩鋼等作為填充金屬，使焊縫金屬通過塑性變形松弛應力，防止裂紋。采用細、直的焊條，小電流、斷續焊或分散焊的方法，可減小焊縫處和基本金屬的溫度差，進一步減小焊接應力。通過錘擊焊縫可以消除應力，防止裂紋產生，使焊縫冷卻時能不受阻礙地自由收縮，從而避免應力過大而導致裂紋。

(3) 采用熱焊法，并控制好溫度。當溫度高于600 ℃時，焊接材料會產生一定的塑性變形，從而使部分內應力消除(一般在600 ℃以上時，焊接就不會產生熱應力裂紋)。

3 補焊工藝

灰口鑄鐵件的補焊方法主要有焊條電弧焊、氣焊和釬焊。

按照焊件在焊前是否預熱，可以把焊條電弧焊分為冷焊、半熱焊(預熱溫度在400 ℃以下)和熱焊(預熱溫度為600～700℃)。

3.1 冷焊法

冷焊法就是焊件在焊前不預熱，在焊接過程中也不輔助加熱，這樣可加速焊補生產率，降低成本，改善勞動條件，減少焊件因預熱受熱不均勻而產生的變形以及焊件加工面的氧化。目前，冷焊法正在推廣，并在迅速發展。但是用此種方法在焊接后，因焊縫和熱影響區的冷卻速度極大，易形成白口組織。此外，焊件受熱不均勻可形成極大的內應力造成裂紋，因此，在冷焊時應注意以下幾點。

(1) 焊前應徹底清理油污，在擬補焊的裂紋兩端要打上防裂孔，加工的坡口形狀要保證便于焊補，并且減少焊件的熔化量。

(2) 采用鋼芯或鑄鐵芯以外的焊條，小直徑焊條應盡量使用小的焊接電流，以減少內應力和熱影響區的寬度。

(3) 采用短焊道焊接法，待焊件充分冷卻后再焊一般為10～40 mm/次。

(4) 采用分段倒退焊，可降低拉應力，對防裂有好處，以免裂紋進一步擴大。

(5) 焊完短焊道后，用圓頭錘沿焊逢向外錘擊。

冷焊焊條按焊后焊縫的可加工性分為兩大類：一類用于焊后不需要機械加工的鑄件，只適用小型薄壁鑄件剛度不大部位的缺陷焊補，如鋼芯鑄鐵焊條(EZCQ)；另一類用于焊后需要機械加工的鑄件，如純鎳焊條(EZNi-1）、鎳鐵鑄鐵焊條(EZNiFe-1）、鎳銅鑄鐵焊條(ENiCu-1)等。

3.2 熱焊法

熱焊法是在焊接前將焊件全部或局部加熱到600～700 ℃，并在焊接過程中保持一定的溫度，焊后在爐中緩慢冷卻的焊接方法。

使用熱焊法時，焊件冷卻緩慢，溫度分布均勻，有利于消除白口組織，減少應力，防止產生裂紋。但熱焊法成本高，工藝復雜，生產周期長，焊接時勞動條件差，因此應盡量少用。

3.3 氣焊法

氣焊火焰溫度比電弧溫度低很多，因而焊件的加熱和冷卻比較緩慢，這對防止灰口鑄鐵在焊接時產生白口組織和裂紋是非常有利的，所以用氣焊焊補的鑄件質量較好，易切削加工，許多工廠中的中小型灰口鑄件多采用氣焊焊補。其缺點是焊工的勞動強度高，焊件的變形較大，焊補大型鑄件時難以焊透，難以保證鑄件質量達到預計要求。

3.3.1 焊前準備

(1) 在焊件清理完畢后，檢查缺陷。焊件上的缺陷可直接觀察，也可用10～20倍的放大鏡查找。

(2) 在裂紋的兩端打Φ4～6 mm的防裂孔，以防裂紋擴展。焊接灰口鑄鐵件時，可選用鑄鐵焊絲(絲401A或絲401B）。焊接時氣焊熔劑選用氣劑201，鑄鐵氣焊熔劑的熔點為650 ℃，呈堿性，能將鑄鐵氣焊時產生的二氧化硅(熔點為1 350 ℃)變為易熔的鹽。用鑄鐵氣焊熔劑進行灰口鑄鐵補焊時，應選擇較大號的焊炬，以提高焊接頭的火焰功率，有利于消除氣孔、夾渣等缺陷。焊嘴孔徑可根據焊補處的壁厚大小確定。

3.3.2 焊接技術

在氣焊過程中，必須選用中性焰或弱碳化焰。在焊接結束時，用碳化焰使焊縫緩冷，可減少碳、硅的燒損，消除過厚的氧化膜，以防出現白口冷硬現象。當消除缺陷的底部或開坡口時可采用氧化焰。焊接時，在確定金屬熔化后再加入焊絲，以防熔合不良；發現熔池中有小氣孔或白亮點夾雜物時，可往熔池中加入少量氣焊熔劑，這樣有助于消除平渣，但氣焊熔劑不宜加入過多，否則易產生夾渣、氣孔等缺陷。適當加大火焰功率，提高熔池鐵水溫度，有利于氣體及雜質浮起，因而能減少氣孔、夾渣，操作時應注意火焰要始終蓋住熔池。加入焊絲時，應用焊絲輕輕攪動熔池，促使氣體、熔渣浮出。焊補完畢時應使焊縫稍高于焊件表面，并用焊絲刮去雜質較多的表層面，由于表層內含雜質較多，冷卻后硬度較高，因而刮去表面層可提高焊縫的切削性。

4 實例分析

連城電廠4號機D循環水泵導葉根部有2處開裂，一處全部開裂，一處開裂長度為400 mm（總長700 mm）。

該循環水泵的鑄鐵導葉材料是HT200，為珠光體類灰鑄鐵。其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 HT200化學成分%

表2 HT200力學性能

根據上述對各類焊接方法的分析結論，認為對該導葉進行補焊宜選擇冷焊法。為保證焊接質量，應采用Z308￠3.2、Z308￠4.0的純鎳焊條。

4.1 裂紋處焊前準備

為減少焊縫中母材的熔合比，用角向磨光機對裂紋處開雙V形坡口。修磨時要求徹底清除所有裂紋，坡口邊緣平緩過度，在坡口兩邊表面15 mm處應打磨出金屬光澤。

4.2 焊接順序

采用分散焊，所有裂紋先焊完第1層，再焊所有裂紋的第2層，直至焊完。這樣，焊縫不至于局部過熱，且有利于溫度的均勻分布，可盡量減少焊接的變形。焊前將焊條烘焙到150 ℃，保溫1 h，烘干后放入保溫桶中，隨用隨取。焊接時采用短道、快速、不擺焊條、斷續焊法，每段長度30～40 mm。第1層和第2層采用盡可能小的焊接電流，以減小焊接熱輸入，宜采用￠3.2 mm焊條。每焊完1段后，立即用鈍頭小錘由焊縫中間向兩側錘擊焊道，以釋放焊接應力，錘擊頻率2～3 Hz，力量由重逐漸到輕，整個焊道都要錘遍。嚴格控制層間溫度，每層焊完后必須冷卻到60 ℃以下，清除熔渣，檢查有無裂紋，如無裂紋再繼續進行下一道焊接。

4.3 焊后檢查

工件焊完后，用角向磨光機打磨焊縫表面至工件原基準面。做滲透探傷檢查，焊件的焊縫處應無裂紋等缺陷。對循環水泵導葉(HT200灰口鑄鐵)的補焊結果證明：選定的工藝方案正確可行。

采用小電流焊接，可減小熔合比；合理錘擊焊縫，調整焊接熱的輸入，可避免熱應力誘發裂紋。正確合理地控制層間溫度，清除熔渣，可有效防止裂紋的產生，避免焊后再次出現裂紋。