铸铁的修补焊接工艺研究

李 博

（华北水利水电大学机械学院， 河南 郑州 450045）

引言

我国作为一个机械制造业大国，在进行相关的加工制造时，铸铁零件在机械加工中一直占据着重要的地位。但是由于其本身的特性，使得在使用时难免会出现各种缺陷，降低使用的有效性，而其中最有效的方法就是进行铸铁的修补焊接。

1 铸铁的修补焊接

1.1 铸铁的概念

铸铁也被称为生铁，是由磷、硫、硅、铁、锰等化学元素和一些杂质组成的物质，是含碳量超过1.7%的铁碳合金，是冶金生产过程中的初级产品。铸铁凭借其良好的性能以及较低的成本，在机器制造业中被广泛的使用，是最常用的结构材料之一，应用范围包括机座、汽缸、绞车架、气缸和活塞等[1]。

1.2 铸铁修补焊接工艺的重要性

我国是制造业大国，每年的铸铁年产量约为800万t，但是存在缺陷的铸铁也占据了其中的10%～15%，如果不对这些有缺陷的零件进行有效的处理，就会导致每年大约10亿元的废品损失。由于铸铁的自身特性，使得其在使用过程中受到损坏的可能性较大，这些铸铁零件往往是经过层层机械加工的，如果直接对出现损坏或者出现裂纹的铸件进行更换，成本较大，并且其中还要涉及到很长一段时间的成品铸件的购买、运输和调试过程，不利于企业正常业务的进行。由于铸件修补焊接的成本较低，且时效性较快，对于减少企业的成本以及提高企业的经济效益具有重要的意义，使得铸件修补工艺具有良好的发展前景。

2 铸铁焊接的冶金过程及工艺

2.1 铸铁焊接的冶金过程

铸铁焊接的过程中，由于其自身的可塑性较差，如果加之材料的选择不当等，都会出现白口化和裂纹，不利于焊接的开展。要注意防止出现白口和裂纹，要根据焊缝的冶金环境来进行，根据工艺的不同来选择合适的冷却温度。采用异质材料要从两个方面加以控制：第一，将具有提高石墨化能力和扩大奥氏体的元素Ni加入其中，以便于切实提高相关的组织性能。例如，选用纯Ni焊条（铸308）等或者使用铜钢焊条。在这个过程中，必须要注意到相关的电流的大小，要做到电流大小、浅熔深和白口组织的厚度的协调统一。第二，要使用直流正极性的工艺，用小电流配合多层焊，如采用同质的铸铁芯焊条和钢芯焊条，采取焊前预热、焊后保温等措施，将体积较小的铸体的缺陷先进行扩大后再进行补焊，使得裂缝的问题可以得到有效解决[2]。

2.2 铸铁的合金组成及焊接难点

铸铁根据其组成的合金成分的不同又能够呈现出不一样的特性。在进行相关的补焊操作时，首先就需要对铸铁的合金组成进行了解，便于制定具有针对性的操作。在铸铁中碳的占比大于2%，并且还包括Si、Mn、S、Mg和Ce等其他的化学元素和杂质。除了了解铸铁的合金组成外，还需要了解铸铁的焊接难点，铸铁具有较高的含碳量，使得在焊接过程中焊缝中容易出现多孔性；由于铸铁的可塑性较差，使得进行快速冷却时在焊接应力的作用下很容易发生脆裂；铸铁在加热时，由于半流体状态的缺失，加大了仰焊的难度，一般选择的是平焊。

2.3 选择合适的焊接工艺

在现阶段的铸铁焊接方法中，根据焊接前的预热情况，可以将其分为三类：第一，铸铁热焊，即在铸件全部或者局部加热至650～700℃之后进行焊接；第二，半焊接，即在铸件全部或局部加热至400℃之后进行焊接；第三，铸件冷焊，即不经过预热的焊接。

在具体的焊接工艺中，热焊和半热焊的工艺一致且使用较为普遍，所以本文主要就铸铁的热焊与半热焊补焊工艺进行介绍。

首先要做的就是清理铸件缺陷处的气孔和夹渣，在清理到出现纯净金属之后再按照原有的标准在缺陷处按照焊接的需求打造“V”型坡口或者“U”型坡口。在做好相应的坡口准备后，就需要做好造型工作。在进行热焊时，考虑到由于烤化状态的铁水数量较大且冷却速度较慢，在进行焊补时需要做好相关的造型工作来保证融化金属冷却后也可以保持一定的形状。在完成造型工作后，就可以进行预热处理，这是铸铁热焊的重要步骤之一，要根据铸件的材质、重量以及修补特征、焊接的电流大小等来决定预热温度。铸件的全局预热一般采用特殊的加热炉装置，温度控制在400～750℃左右。在做好加热准备后，就需要进行相关的补焊的准备，首先需要准备好相关的焊接电流机，便于操作。在焊接时，焊接的速度、焊接应力以及焊后的变形程度都与电流的大小有关，因此要根据电流的大小适当采取针对性的操作。最后的步骤就是进行冷却，一般是根据铸件的外形来确定冷却的时间，一般为5～8个昼夜。

3 铸铁修补焊接工艺实例研究

本文将对火电厂汽轮机机座的修补焊接进行研究。

3.1 研究意义

火电厂的汽轮机机座在使用过程中承受着较大的离心力、冲击力以及震动力等，很容易受到损伤，机座表面经常会有缺口，对有缺口的机座进行修补焊接，可以有效降低受损机座的更换率，提高相关的生产效率，促进企业经营效益的提升。

3.2 过程分析

要选择合适的材料，E410--15(G217)的焊条中的化学成分与焊接的铸铁性质接近，可以以直流反接的方式进行全位置焊接，可以有效改变焊接性能，减少裂纹的产生，提高焊缝金属中的塑性。保证接头焊接的稳定性。要采取热焊的方式，进行合理的预热处理，对焊接热量和冷却速度进行控制。

3.3 焊接过程

根据机座的受损情况，将受损的机座部位进行打磨和切除处理，并在材质相同的新机座上选取同样的形状尺寸；根据机座的情况，选取V型坡口，并且破口的角度随着机座厚度的增加逐渐减小，一般在30°～35°之间，在焊接前要将坡口的周围打磨干净。在进行焊接前，为了防止出现裂纹和气孔，要采取预热处理，预热温度控制在200～250℃之间，采用氧-乙块火焰进行缓慢预热。预热完成后，就采用E410-15（G217）焊条进行补焊，将机座水平放置，焊接电流为50～70A，烘干时间为1h，烘干温度为350℃。要注意采用多层焊接方式，控制层间温度，保持在250℃以内，要对单面坡口的根部背面进行焊透，及时进行打磨补焊处理。焊接完成后，要及时进行机座的冷却，在焊缝中心温度降至100°左右时采用电阻加热的方式进行热处理，在经过大约10 min之后便可拆除相关保温装置，使得焊接物体自然冷却。在冷却后边可以采用手动打磨的方式将焊接的部分打磨光滑，使其保持原有的形状，并对焊缝有无夹渣、气孔以及裂纹等进行检查，要注意如果经过补焊后经检查仍旧不合格的则不能再次进行返修[3]。

4 结语

铸铁件被广泛运用在各行各业中，由于铸铁本身的特性，在进行相关的焊接时很容易受损，要对这些易损部位、特殊用途部位以及应力集中的部位重点关注，采用适合的铸铁件修补焊接方式，有效提高产品的使用寿命，降低相关的成本，提高企业的经营效益。