鑄鐵的修補焊接工藝研究

李 博

（華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045）

引言

我國作為一個機械制造業大國，在進行相關的加工制造時，鑄鐵零件在機械加工中一直占據著重要的地位。但是由于其本身的特性，使得在使用時難免會出現各種缺陷，降低使用的有效性，而其中最有效的方法就是進行鑄鐵的修補焊接。

1 鑄鐵的修補焊接

1.1 鑄鐵的概念

鑄鐵也被稱為生鐵，是由磷、硫、硅、鐵、錳等化學元素和一些雜質組成的物質，是含碳量超過1.7%的鐵碳合金，是冶金生產過程中的初級產品。鑄鐵憑借其良好的性能以及較低的成本，在機器制造業中被廣泛的使用，是最常用的結構材料之一，應用范圍包括機座、汽缸、絞車架、氣缸和活塞等[1]。

1.2 鑄鐵修補焊接工藝的重要性

我國是制造業大國，每年的鑄鐵年產量約為800萬t，但是存在缺陷的鑄鐵也占據了其中的10%～15%，如果不對這些有缺陷的零件進行有效的處理，就會導致每年大約10億元的廢品損失。由于鑄鐵的自身特性，使得其在使用過程中受到損壞的可能性較大，這些鑄鐵零件往往是經過層層機械加工的，如果直接對出現損壞或者出現裂紋的鑄件進行更換，成本較大，并且其中還要涉及到很長一段時間的成品鑄件的購買、運輸和調試過程，不利于企業正常業務的進行。由于鑄件修補焊接的成本較低，且時效性較快，對于減少企業的成本以及提高企業的經濟效益具有重要的意義，使得鑄件修補工藝具有良好的發展前景。

2 鑄鐵焊接的冶金過程及工藝

2.1 鑄鐵焊接的冶金過程

鑄鐵焊接的過程中，由于其自身的可塑性較差，如果加之材料的選擇不當等，都會出現白口化和裂紋，不利于焊接的開展。要注意防止出現白口和裂紋，要根據焊縫的冶金環境來進行，根據工藝的不同來選擇合適的冷卻溫度。采用異質材料要從兩個方面加以控制：第一，將具有提高石墨化能力和擴大奧氏體的元素Ni加入其中，以便于切實提高相關的組織性能。例如，選用純Ni焊條（鑄308）等或者使用銅鋼焊條。在這個過程中，必須要注意到相關的電流的大小，要做到電流大小、淺熔深和白口組織的厚度的協調統一。第二，要使用直流正極性的工藝，用小電流配合多層焊，如采用同質的鑄鐵芯焊條和鋼芯焊條，采取焊前預熱、焊后保溫等措施，將體積較小的鑄體的缺陷先進行擴大后再進行補焊，使得裂縫的問題可以得到有效解決[2]。

2.2 鑄鐵的合金組成及焊接難點

鑄鐵根據其組成的合金成分的不同又能夠呈現出不一樣的特性。在進行相關的補焊操作時，首先就需要對鑄鐵的合金組成進行了解，便于制定具有針對性的操作。在鑄鐵中碳的占比大于2%，并且還包括Si、Mn、S、Mg和Ce等其他的化學元素和雜質。除了了解鑄鐵的合金組成外，還需要了解鑄鐵的焊接難點，鑄鐵具有較高的含碳量，使得在焊接過程中焊縫中容易出現多孔性；由于鑄鐵的可塑性較差，使得進行快速冷卻時在焊接應力的作用下很容易發生脆裂；鑄鐵在加熱時，由于半流體狀態的缺失，加大了仰焊的難度，一般選擇的是平焊。

2.3 選擇合適的焊接工藝

在現階段的鑄鐵焊接方法中，根據焊接前的預熱情況，可以將其分為三類：第一，鑄鐵熱焊，即在鑄件全部或者局部加熱至650～700℃之后進行焊接；第二，半焊接，即在鑄件全部或局部加熱至400℃之后進行焊接；第三，鑄件冷焊，即不經過預熱的焊接。

在具體的焊接工藝中，熱焊和半熱焊的工藝一致且使用較為普遍，所以本文主要就鑄鐵的熱焊與半熱焊補焊工藝進行介紹。

首先要做的就是清理鑄件缺陷處的氣孔和夾渣，在清理到出現純凈金屬之后再按照原有的標準在缺陷處按照焊接的需求打造“V”型坡口或者“U”型坡口。在做好相應的坡口準備后，就需要做好造型工作。在進行熱焊時，考慮到由于烤化狀態的鐵水數量較大且冷卻速度較慢，在進行焊補時需要做好相關的造型工作來保證融化金屬冷卻后也可以保持一定的形狀。在完成造型工作后，就可以進行預熱處理，這是鑄鐵熱焊的重要步驟之一，要根據鑄件的材質、重量以及修補特征、焊接的電流大小等來決定預熱溫度。鑄件的全局預熱一般采用特殊的加熱爐裝置，溫度控制在400～750℃左右。在做好加熱準備后，就需要進行相關的補焊的準備，首先需要準備好相關的焊接電流機，便于操作。在焊接時，焊接的速度、焊接應力以及焊后的變形程度都與電流的大小有關，因此要根據電流的大小適當采取針對性的操作。最后的步驟就是進行冷卻，一般是根據鑄件的外形來確定冷卻的時間，一般為5～8個晝夜。

3 鑄鐵修補焊接工藝實例研究

本文將對火電廠汽輪機機座的修補焊接進行研究。

3.1 研究意義

火電廠的汽輪機機座在使用過程中承受著較大的離心力、沖擊力以及震動力等，很容易受到損傷，機座表面經常會有缺口，對有缺口的機座進行修補焊接，可以有效降低受損機座的更換率，提高相關的生產效率，促進企業經營效益的提升。

3.2 過程分析

要選擇合適的材料，E410--15(G217)的焊條中的化學成分與焊接的鑄鐵性質接近，可以以直流反接的方式進行全位置焊接，可以有效改變焊接性能，減少裂紋的產生，提高焊縫金屬中的塑性。保證接頭焊接的穩定性。要采取熱焊的方式，進行合理的預熱處理，對焊接熱量和冷卻速度進行控制。

3.3 焊接過程

根據機座的受損情況，將受損的機座部位進行打磨和切除處理，并在材質相同的新機座上選取同樣的形狀尺寸；根據機座的情況，選取V型坡口，并且破口的角度隨著機座厚度的增加逐漸減小，一般在30°～35°之間，在焊接前要將坡口的周圍打磨干凈。在進行焊接前，為了防止出現裂紋和氣孔，要采取預熱處理，預熱溫度控制在200～250℃之間，采用氧-乙塊火焰進行緩慢預熱。預熱完成后，就采用E410-15（G217）焊條進行補焊，將機座水平放置，焊接電流為50～70A，烘干時間為1h，烘干溫度為350℃。要注意采用多層焊接方式，控制層間溫度，保持在250℃以內，要對單面坡口的根部背面進行焊透，及時進行打磨補焊處理。焊接完成后，要及時進行機座的冷卻，在焊縫中心溫度降至100°左右時采用電阻加熱的方式進行熱處理，在經過大約10 min之后便可拆除相關保溫裝置，使得焊接物體自然冷卻。在冷卻后邊可以采用手動打磨的方式將焊接的部分打磨光滑，使其保持原有的形狀，并對焊縫有無夾渣、氣孔以及裂紋等進行檢查，要注意如果經過補焊后經檢查仍舊不合格的則不能再次進行返修[3]。

4 結語

鑄鐵件被廣泛運用在各行各業中，由于鑄鐵本身的特性，在進行相關的焊接時很容易受損，要對這些易損部位、特殊用途部位以及應力集中的部位重點關注，采用適合的鑄鐵件修補焊接方式，有效提高產品的使用壽命，降低相關的成本，提高企業的經營效益。