灰口铸铁件的补焊工艺

陈 龙，苟新刚，马红伟

(甘肃大唐国际连城发电有限责任公司，甘肃 兰州 730332)

1 概述

灰口铸铁是铸铁中的一种，碳以片状石墨的形式分布于铸铁基体中，断面呈暗灰色。由于片状石墨割裂了铸铁的基体组织，因此灰口铸铁的抗拉强度低，缺乏塑性。灰口铸铁具有良好的铸造性、切割性能，还具有良好的耐磨性、抗震性和切削加工性，同时抗压强度高，所以在工业上得到极为广泛的运用。

灰口铸铁常以铸件的形式运用于产品制造中，由于铸造工艺的特点，铸件往往存在各种不同程度的缺陷。铸件补焊实际上就是对存有缺陷、损坏的铸件进行焊接修复补焊，具有较大的经济意义。

2 焊接时易出现的问题

2.1 焊后产生白口组织

在补焊灰口铸铁件时，经常会在熔合区生成一层白口组织，产生白口组织的原因是：由于母材近缝区在焊接时被高温加热，当受热温度高达860 ℃时，原来灰口铸铁中的游离态石墨开始部分熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多；当冷却时，一般认为在30～100 ℃/s的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出而呈渗碳体出现，即所谓白口。此外，在焊接熔池中的石墨化元素碳、硅等不足，也是产生白口的主要原因。

一般在窄小的高温熔合区内，灰口铸铁件在焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。防止白口产生的主要措施是：适当调整填充金属的化学成分和冷却速度。改善焊接材料的化学成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定条件下防止焊缝金属产生白口。气焊用铸铁焊丝的碳、硅含量(C:3.0 %～3.8 %，Si:3.6 %～4.8 %)比 母 材高，特别是冷焊灰口铸铁时，焊丝中的含硅量高达4.5 %。焊后缓冷和延长熔合区处于红热状态的时间，使石墨充分析出，可避免熔合区产生白口。采取的具体措施是：焊前预热和焊后保温，由于气焊时冷却速度较慢，因此对于防止白口极为有利。

2.2 焊接接头出现裂纹

裂纹是焊接灰口铸铁件时易出现的主要问题。灰口铸铁件焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能在基本金属即母材上。母材的裂纹一般出现在近缝区，可能呈纵向、横向或斜向。由于灰口铸铁塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度又低，所以在焊接应力和本身应力(组织应力)的共同作用下，当局部应力大于母材的强度极限时就会产生裂纹，严重时会使焊缝金属和母材分离，即焊缝金属会从基本金属上脱离下来。若焊缝强度较高但母材强度较低，或结合处产生白口时，因白口铸铁收缩率(1.6 %～2.5 %)比灰口铸铁收缩率(0.9 %～1.8 %)大，且塑性差，也会产生剥离。

焊缝金属内的裂纹，一般为横向裂缝，也会有纵向、斜向裂纹，在焊缝断口处未经高温氧化时为蓝色。裂纹生成时常发出清脆的金属开裂声，通常发生时期为：在热态焊缝金属的暗红色消失后(600 ℃以下)和焊缝与焊件整体温度均匀化之前。焊缝金属最容易发生裂纹的温度是在400 ℃以下，这种在热应力和组织应力的共同作用下产生的裂纹，通常称之为热应力裂纹。

减少裂纹产生的措施有如下几个。

(1) 焊前预热和焊后缓冷。焊前将焊件整体或局部预热，焊后缓冷，不但能减少焊缝的白口倾向，还能减小焊接应力和防止焊件开裂。

(2) 采用电弧冷焊减小焊接应力，选用塑性较好的焊接材料，如用镍、铜、高钒钢等作为填充金属，使焊缝金属通过塑性变形松弛应力，防止裂纹。采用细、直的焊条，小电流、断续焊或分散焊的方法，可减小焊缝处和基本金属的温度差，进一步减小焊接应力。通过锤击焊缝可以消除应力，防止裂纹产生，使焊缝冷却时能不受阻碍地自由收缩，从而避免应力过大而导致裂纹。

(3) 采用热焊法，并控制好温度。当温度高于600 ℃时，焊接材料会产生一定的塑性变形，从而使部分内应力消除(一般在600 ℃以上时，焊接就不会产生热应力裂纹)。

3 补焊工艺

灰口铸铁件的补焊方法主要有焊条电弧焊、气焊和钎焊。

按照焊件在焊前是否预热，可以把焊条电弧焊分为冷焊、半热焊(预热温度在400 ℃以下)和热焊(预热温度为600～700℃)。

3.1 冷焊法

冷焊法就是焊件在焊前不预热，在焊接过程中也不辅助加热，这样可加速焊补生产率，降低成本，改善劳动条件，减少焊件因预热受热不均匀而产生的变形以及焊件加工面的氧化。目前，冷焊法正在推广，并在迅速发展。但是用此种方法在焊接后，因焊缝和热影响区的冷却速度极大，易形成白口组织。此外，焊件受热不均匀可形成极大的内应力造成裂纹，因此，在冷焊时应注意以下几点。

(1) 焊前应彻底清理油污，在拟补焊的裂纹两端要打上防裂孔，加工的坡口形状要保证便于焊补，并且减少焊件的熔化量。

(2) 采用钢芯或铸铁芯以外的焊条，小直径焊条应尽量使用小的焊接电流，以减少内应力和热影响区的宽度。

(3) 采用短焊道焊接法，待焊件充分冷却后再焊一般为10～40 mm/次。

(4) 采用分段倒退焊，可降低拉应力，对防裂有好处，以免裂纹进一步扩大。

(5) 焊完短焊道后，用圆头锤沿焊逢向外锤击。

冷焊焊条按焊后焊缝的可加工性分为两大类：一类用于焊后不需要机械加工的铸件，只适用小型薄壁铸件刚度不大部位的缺陷焊补，如钢芯铸铁焊条(EZCQ)；另一类用于焊后需要机械加工的铸件，如纯镍焊条(EZNi-1）、镍铁铸铁焊条(EZNiFe-1）、镍铜铸铁焊条(ENiCu-1)等。

3.2 热焊法

热焊法是在焊接前将焊件全部或局部加热到600～700 ℃，并在焊接过程中保持一定的温度，焊后在炉中缓慢冷却的焊接方法。

使用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高，工艺复杂，生产周期长，焊接时劳动条件差，因此应尽量少用。

3.3 气焊法

气焊火焰温度比电弧温度低很多，因而焊件的加热和冷却比较缓慢，这对防止灰口铸铁在焊接时产生白口组织和裂纹是非常有利的，所以用气焊焊补的铸件质量较好，易切削加工，许多工厂中的中小型灰口铸件多采用气焊焊补。其缺点是焊工的劳动强度高，焊件的变形较大，焊补大型铸件时难以焊透，难以保证铸件质量达到预计要求。

3.3.1 焊前准备

(1) 在焊件清理完毕后，检查缺陷。焊件上的缺陷可直接观察，也可用10～20倍的放大镜查找。

(2) 在裂纹的两端打Φ4～6 mm的防裂孔，以防裂纹扩展。焊接灰口铸铁件时，可选用铸铁焊丝(丝401A或丝401B）。焊接时气焊熔剂选用气剂201，铸铁气焊熔剂的熔点为650 ℃，呈碱性，能将铸铁气焊时产生的二氧化硅(熔点为1 350 ℃)变为易熔的盐。用铸铁气焊熔剂进行灰口铸铁补焊时，应选择较大号的焊炬，以提高焊接头的火焰功率，有利于消除气孔、夹渣等缺陷。焊嘴孔径可根据焊补处的壁厚大小确定。

3.3.2 焊接技术

在气焊过程中，必须选用中性焰或弱碳化焰。在焊接结束时，用碳化焰使焊缝缓冷，可减少碳、硅的烧损，消除过厚的氧化膜，以防出现白口冷硬现象。当消除缺陷的底部或开坡口时可采用氧化焰。焊接时，在确定金属熔化后再加入焊丝，以防熔合不良；发现熔池中有小气孔或白亮点夹杂物时，可往熔池中加入少量气焊熔剂，这样有助于消除平渣，但气焊熔剂不宜加入过多，否则易产生夹渣、气孔等缺陷。适当加大火焰功率，提高熔池铁水温度，有利于气体及杂质浮起，因而能减少气孔、夹渣，操作时应注意火焰要始终盖住熔池。加入焊丝时，应用焊丝轻轻搅动熔池，促使气体、熔渣浮出。焊补完毕时应使焊缝稍高于焊件表面，并用焊丝刮去杂质较多的表层面，由于表层内含杂质较多，冷却后硬度较高，因而刮去表面层可提高焊缝的切削性。

4 实例分析

连城电厂4号机D循环水泵导叶根部有2处开裂，一处全部开裂，一处开裂长度为400 mm（总长700 mm）。

该循环水泵的铸铁导叶材料是HT200，为珠光体类灰铸铁。其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 HT200化学成分%

表2 HT200力学性能

根据上述对各类焊接方法的分析结论，认为对该导叶进行补焊宜选择冷焊法。为保证焊接质量，应采用Z308￠3.2、Z308￠4.0的纯镍焊条。

4.1 裂纹处焊前准备

为减少焊缝中母材的熔合比，用角向磨光机对裂纹处开双V形坡口。修磨时要求彻底清除所有裂纹，坡口边缘平缓过度，在坡口两边表面15 mm处应打磨出金属光泽。

4.2 焊接顺序

采用分散焊，所有裂纹先焊完第1层，再焊所有裂纹的第2层，直至焊完。这样，焊缝不至于局部过热，且有利于温度的均匀分布，可尽量减少焊接的变形。焊前将焊条烘焙到150 ℃，保温1 h，烘干后放入保温桶中，随用随取。焊接时采用短道、快速、不摆焊条、断续焊法，每段长度30～40 mm。第1层和第2层采用尽可能小的焊接电流，以减小焊接热输入，宜采用￠3.2 mm焊条。每焊完1段后，立即用钝头小锤由焊缝中间向两侧锤击焊道，以释放焊接应力，锤击频率2～3 Hz，力量由重逐渐到轻，整个焊道都要锤遍。严格控制层间温度，每层焊完后必须冷却到60 ℃以下，清除熔渣，检查有无裂纹，如无裂纹再继续进行下一道焊接。

4.3 焊后检查

工件焊完后，用角向磨光机打磨焊缝表面至工件原基准面。做渗透探伤检查，焊件的焊缝处应无裂纹等缺陷。对循环水泵导叶(HT200灰口铸铁)的补焊结果证明：选定的工艺方案正确可行。

采用小电流焊接，可减小熔合比；合理锤击焊缝，调整焊接热的输入，可避免热应力诱发裂纹。正确合理地控制层间温度，清除熔渣，可有效防止裂纹的产生，避免焊后再次出现裂纹。