1.5ZDK20型自吸清水泵壳体的焊接

李晓华

摘 要：文章介绍了济南市技师学院化工原理实验设备中泵壳的故障情况，详细阐述对该铸铁工件进行焊补的工艺过程，以及该零件在焊补后的使用情况。并对生产厂家提出建议，改进产品生产，以适应不同地区的生产环境。

关键词：灰铸铁；裂纹；焊补

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.007

1.5ZDK20型自吸清水泵，是我校化工原理实验设备，利用该泵吸取清水或有色溶液完成柏努利方程的演示实验。该泵技术参数如下：扬程1～20米 ，泵压力P≦300Kpa，流量1.5～18m3/h（规定流量8 m3/h）。由于设备生产地为广东，生产厂地冬季不结冰，使设备在设计上存在缺陷，在北方冬季由于无法将泵体中的积水完全排出，造成2003年冬季设备积水结冰膨胀，使设备壳体产生两处裂纹，使设备无法使用，由于设备系合资企业生产，且为特殊用途泵，故价格较贵，为不影响学生实验，我们决定进行焊补。

1 焊前准备

（1）设备缺陷：该泵材质为HT200，壁厚约6mm。该泵壳上有两处裂纹，其中一处为“一”字型其长度约60mm，另一处为90度旋转的“U”字型，其长度为110mm，宽度为45mm，其形状见图1两处裂纹分别位于泵壳前和泵壳后，靠近水泵出水孔和进水孔附近，如果裂纹继续扩展，则可能破坏出水孔和进水孔。

（2）焊前准备：首先将水泵的出水孔和进水孔连接的不锈钢管件拆除，因为该不锈钢管件连接处图有树脂密封，受热容易破坏，拆除后在管螺纹孔中塞入耐热填料，以防焊接时金属熔融物溅入，造成螺纹破坏旋合困难。先用砂纸将壳体表面的油漆清除干净，借助放大镜检查裂纹的走向、分枝和端点，然后在裂纹的端部打上止裂孔，直径为φ6mm，由于壳体裂纹已经通透，故止裂孔也为通孔。

沿裂纹走向用角向磨光机开U形坡口，坡口留一定的钝边，为便于施焊，开出的坡口上口应稍大些，以预防应力集中并便于焊接操作。

（3）焊接性分析：该泵壳材料为HT200，材料的力学性能如下：当壁厚2.5～10mm时。其抗拉强度δb不小于220Mpa，适用于承受较大载荷的的重要零件，如汽车，拖拉机的汽缸、汽缸盖、刹车片等。

灰铸铁化学成分含量如下（质量分数）：（%）

其碳当量CE=C+Mn/6+ =2.78～4.13% 。根据经验：当CE≤0.4%时，焊材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热；当CE≤0.4～0.6%时，焊材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热，控制线能量等工艺措施；当CE≥0.6%时，淬硬倾向明显，属于较难焊的材料，需要采取严格的工艺措施。灰铸铁的碳当量数值远大于0.6%，所以其焊接性较差，应采取严格的工艺措施。

（4）焊接方法和焊接材料的选择：综合该泵壳材料、焊接性、裂纹分布及结构特征，认为虽然该处焊接后，对颜色和后续加工无具体要求，但是考虑到我校无对铸铁加热的设备，且该处如果再次出现焊接裂纹，该设备将法修复，所以决定选用Z308镍基焊条、电弧冷焊。该焊条属于纯镍焊芯、石墨型药皮的铸铁焊条，最大特点是其电弧冷焊焊接接头的加工性优越，焊接工艺正确时其铸铁母材上半熔化区的白口宽度一般为0.05mm左右，比所有其他铸铁焊条都窄，并呈断续分布，热影响区的硬度≤250HBS，焊缝硬度一般位130～150HV。焊缝金属的抗拉强度≥240Mpa，并具有一定的塑性，其灰铸铁焊接接头的抗拉强度可达到147～196 Mpa，于铸铁HT150及HT200相当。焊缝颜色基本于母材相近。配合适当焊接工艺，焊条抗裂性好，主要用于对焊后加工型要求较高的加工面的焊补。焊条直径为ф3.2mm，这样焊接前不需要預热，焊后不需要热处理，工艺性好，采用交流焊机，手工焊条电弧焊。

2 焊接

焊接工艺过程：电弧冷焊的工艺主要是：“短段、断续，分散焊，较小电流熔深浅，每段锤击缓应力，退火焊道前道软”。

（1）选择合适的最小焊接电流。灰铸铁含Fe、Si、C、及有害的S、P、杂质高，焊接电流越大，与母材接触的第一、第二层异质焊缝中熔入母材量越多，带入焊缝中的量也随之上升，对镍基焊条来说，其中Si及S、P杂质提高，会明显增大发生热裂纹的敏感性。焊接电流越大，则焊接热输入越大，其结果焊接接头应力越大，发生裂纹的敏感性增大。因此，在焊接过程中选择90～120A焊接电流。其中第一层焊接电流选择稍小些。

在焊补加工面的线状缺陷时，如果只焊一层，焊道底部熔合区比较硬。将第一层上部铲除一层，能使先焊的一层低部受到退火作用而变软一些，改善加工性，在焊补导轨等摩擦面时，除将缺陷稍微加工深一些，使焊缝底部躲开工作面外，还可以利用这个办法使焊缝和母材交界处变软些，提高焊补质量。

（2）采用较快的焊接速度及短弧焊接。在保证焊缝正常成型及母材融合良好的情况下，应采用较快的焊接速度，因为随焊接速度加快，铸铁母材熔深、熔宽下降，母材熔入量下降，焊接热输入下降。焊接电压（弧长）增高，使母材熔化宽度增加，母材熔化面积增加，故应采用短弧焊接。

（3）采用短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝的工艺，以降低焊接应力，防止裂纹发生。随着焊缝长度的增加，纵向应力增大，焊缝发生裂纹的倾向增大，故宜采用短段焊，焊接过程中，由于考虑到泵壳为薄璧件，散热慢，每次焊缝长度均为10～20㎜ 。当焊缝处于较高温度时，塑性性能异常优良，立即用带圆角的小锤快速敲击焊缝，直到焊道上出现密布的麻点并已冷却为止，这样使焊缝金属承受塑性变形，细化晶粒，改善组织，以降低焊缝应力。焊道底部锤击不便，可用圆刃扁铲轻捻。锤击必须适当用力，否则焊缝不能产生塑性变形消除应力。为了避免补焊局部温度过高，应力增大，应采用断续焊，即待焊缝附近的热影响后区冷却至不烫手时（约50～60℃），再焊下一道焊缝。

近年来的电弧冷焊实验研究及生产实践证明，尽量减小焊段长度并缩短每段的焊接时间，从而使熔合区存在时间变短，熔合区石墨来不及完全溶解而保存下来，白口得以减小甚至消失。具体做法使：用小直径焊条，不移动电弧，熔合良好（熔池湿润母材）时立即断弧，形成一个圆形焊点。下一个焊点与这个焊点部分重叠，逐渐焊好过渡层，再焊退火焊道。

（4）选择合理的焊接方向及顺序，焊接方向及顺序是否合理，对焊接应力及裂纹倾向会产生较大影响，在该泵壳中，由于整个泵体较薄，且裂纹数量较多，因此在焊接过程中选择合理焊接顺序显得更为重要，在焊接过程中，先焊“一”型裂纹，然后再焊接“U”裂纹。在“U”型裂纹的焊接过程中，亦不能一次焊完，而是采用短焊，断续先焊接横向一道焊缝，即图中①焊缝，然后焊②焊缝，冷却至适温状态下，再焊③焊缝，以防止①、③焊缝同时产生应力，造成壳体上产生横向脆断。

焊接收弧时，填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。

3 焊后处理

（1）焊后处理及检验：1）焊后焊件放置24小时后，先检查焊缝表面质量，未发现咬边、裂纹等缺陷，然后进行密封性检验，选定压力р检=（1.2～1.5）рI条件下，未发现泵壳漏水。2）用砂轮将壳体表面焊缝打磨平整和母村衔接处打磨光洁，过渡圆滑，然后再涂上壳体原来颜色油漆，整个焊补过程完成。

（2）效果：焊后该泵使用至今良好，未发现任何问题，既为学校节约一笔费用，又通过对该设备焊接，提高自己技能，拓宽焊接知识面。

针对该设备出现的问题，本人对该设备生产厂家提出建议：应改变该泵安装位置，将叶轮壳体方向改变，增加管件，使整个泵体中的水在冬季不使用时能排出，以避免该现象的再度发生。

参考文献：

[1]电焊工工艺学[M].北京：中国劳动出版社.

[2]焊工技师培训教材[M].北京：机械工业出版社.

[3]焊工手册[M].第3版.北京：机械工业出版社.

[4]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海：上海科学技术出版社.

[5]周峥.工程材料于热处理[M].山东：山东大学出版社.