HT-200灰铸铁工件焊接修复工艺实践

宁亮亮

（哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

0 引言

铸铁件具有成本低，铸造性能和减震性能好，耐磨性与加工性能优良，所以在机械设备制造中广泛应用。但由于铸造工艺复杂，生产中难免会产生缩孔等缺陷，从而造成不良品。一般在10%～20%之间，每年报废铸件120万t，损失非常大［1］。灰口铸铁含碳和有害硫元素偏高，焊补过程中焊补区冷却速度很快，石墨化元素不足，所以焊补区极易产生白口组织。当铸造中残余应力与焊接应力相结合超过铸铁强度时，沿焊补区的薄弱处就产生断裂和焊道剥离现象，所以铸铁工件的补焊工艺一直是焊接专业领域的难题。我国目前灰铸铁的焊补方法主要采用气焊进行焊接。气焊是成熟可靠的焊接方法，采用氧乙炔碳化焰、铸铁焊丝和气剂201。气焊火焰的温度低于焊条电弧焊的温度，热量不集中，焊件的加热和冷却比较缓慢，可防止铸铁焊接时产生白口组织和裂纹。气焊补焊效果的好坏，很大程度上取决于焊材的质量和焊工的操作水平，目前我国气焊补焊的焊材标准比较粗放，有害元素杂质含量较多，同时由于气焊加热时间较长，焊缝的中元素烧损较大，组织性能和母材差距较大，目前Sun DQ等人系统的研究了新型镍焊丝（QT400-17），焊接接头具有良好的机械性能和抗裂性能；美国R&D公司开发的WEWELDING777铸铁焊条，采用冷焊工艺焊接缸体等铸铁件具有很好的抗裂性能［2］。本文采用纯镍铸铁焊条Z308实现HT－200灰铸铁件的焊接修复，制定合理的冷焊工艺。

1 HT－200灰铸铁的焊条电弧焊方法选择

HT－200属于珠光体灰铸铁，可用于制造床身、缸体、齿轮、轴承座、联轴器等承受较大负荷和较重要的零件。灰铸铁件的焊条电弧焊按预热温度的不同可分为电弧热焊法和电弧冷焊法。

1.1 电弧热焊法

HT－200灰铸铁的电弧热焊是将焊件整体放在坩埚炉或电阻炉预热，若现场工况条件不允许时可采用局部加热。利用氧乙炔气焊氧化焰加热到600～650℃，目测铸件呈现暗红色，在此温度下焊接且焊接过程中焊接温度要保持在450℃以上。只有在此温度下焊接，焊件受热均匀，冷却速度也缓慢，可以有效避免产生白口组织，焊接应力小，可有效防止产生裂纹。但是电弧热焊法存在一些缺点：一是现场劳动条件差，加热费用高，台虎钳和剪床存在的问题是局部断裂修复，工件尺寸较大难以放于锅炉和电阻炉进行整体加热，只能采用氧乙炔火焰进行局部加热。二是局部加热必然会引起工件产生较大的变形，这对于要求精度很高的剪床轴承座等即使修复了也不能满足正常使用。三是电弧热焊对产品断裂部位进行预热时还需要准备造型材料将断掉的部件固定在产品上，造型材料一般为石英砂、石棉、耐火泥和水玻璃等，在实际焊接过程中产生大量的氧化物，焊缝中容易造成夹渣缺陷。四是热焊过程中清渣非常困难，热焊一般采用Z248或Z208焊条施焊，焊接性较差。因此电弧热焊法对剪床这种大型的铸件进行高温加热既不经济且难实现。

1.2 电弧冷焊法

HT－200灰铸铁的电弧冷焊法是将工件不进行预热进行焊接，电弧冷焊与热焊法和气焊相比既经济又简便。电弧冷焊法应尽量使用细直径焊条，电流选择应尽量小，每次焊接长度要小，减小热影响区的宽度，防止变形或焊接应力的产生。冷焊法采用Z308纯镍焊芯、强还原性石墨型药皮的铸铁焊条，施焊时，焊件可不预热，具有良好的抗裂性能和加工性能，可交直流两用。

因此，采用电弧冷焊法比电弧热焊法工艺简单、成本低，焊缝抗拉强度高，同时焊缝硬度低，便于后续的数控车削加工等。

2 焊接设备及材料

2.1 焊接设备

焊接设备采用ZX7－400手工直流弧焊机。

2.2 待焊工件

台虎钳钳身材质为HT－200灰铸铁，断口为灰色，待焊处1处，长度为12 cm，如图1所示。剪床轴承座材质为HT－200灰铸铁，断口为灰色，待焊处为轴承座端部，如图2所示。HT－200是灰铸铁的牌号，HT代表灰口铸铁，200表示最低抗拉强度200 MPa，其硬度为163～255 HB。

图1 台虎钳钳身待焊处

图2 剪床轴承座待焊处

2.3 焊条的选用

采用纯镍铸铁焊条Z308，药皮的类型为强还原性石墨化型，焊芯为纯镍。采用直流反接。适用于铸铁件的补焊，如气缸盖、发动机座、齿轮箱以及车床导轨等灰铸铁件的补焊。焊缝具有良好的抗裂性能和机械加工性能，其化学成分如表1所示。

表1 Z308熔敷金属化学成分 （%）

3 焊接工艺

3.1 焊前准备

先利用清洗剂对工件表面进行清洗去除油污，再用工业酒精进行清理去除焊接周围的杂质，露出金属表面光泽。焊接前要把焊条经烘干后使用，焊条烘干温度为150℃左右烘干1 h，放入保温桶内随取随用。

加工坡口，坡口形状要从应力、变形和操作难度等情况来决定。焊接接头最好修磨成小角度的U形坡口或者小角度V型坡口，以减少熔合比。台虎钳钳身和剪床轴承座利用机械加工成40°V型坡口，坡口底部加工成圆角，可以避免熔深不良或产生夹渣等焊接缺陷。

加工预留钝边、间隙以单边能焊透为准。预留反变形为3°，防止工件发生横向收缩引起的翘曲变形，保障使用性能。

3.2 焊接过程

1）定位焊：将待焊部位对齐对严，将焊缝两侧定位焊，焊点尺寸为15 mm。焊条直径选择3.2 mm，电流选择95 A。冷焊时应尽量使用小电流进行焊接，目的是为减小母材中杂质元素渗入焊缝中，缩小白口区宽度，提高抗裂性和加工性能。但电流过小，电弧稳定性差，对熔池保护不好，易出现气孔缺陷，同时电弧吹力过小，铁水和熔渣不易分离，易产生夹渣缺陷。定位焊时应用石棉等物品将机加工后的铸件待焊表面覆盖良好防止焊渣飞溅。

2）打底焊：可选用直径 2.5 mm的焊条，需用的电流小，熔深小，铸铁中的碳、硫、磷等有害物质可以避免进入焊缝，有利于提高焊缝的质量。冷焊时，随电流减少，在焊接速度不变的情况下减少了焊接线能量，不仅减少了焊接应力，使焊接接头出现裂纹的倾向减少，并且也减少了整个热影响区宽度，减少了最易形成白口的半熔化区宽度。

3）填充焊：采用多层多道焊接，层间温度为450℃以上。焊条与两侧母材成90°角，与焊接方向倾角为70°～80°。第一层焊接操作方式为断弧焊，灭弧频率为50～60次／min，每个焊点压上一焊点的1／2，焊条不做横向摆动。为了减小焊接应力，每层焊缝焊接完毕之后，在焊后将渣壳刚一脱落焊缝尚在高温时立即锤击焊缝。利用圆头锤子在焊缝上连续锤击，锤击要适度均匀，速度要快，力量由重渐轻，锤击后的焊道表面布满密密麻麻的小坑，锤击可以减轻焊道的收缩应力，并可能使镍基金属结晶细化，增强韧性。第一层焊接完成之后每层焊缝采用连弧焊接，每次焊接5 cm左右应停止焊接立即锤击焊缝，然后再进行施焊。

4）盖面焊：填充焊距母材坡口棱边1 mm进行盖面焊，填充焊熔渣清理要彻底，焊接操作方式与填充焊相同。注意防止咬边缺陷的产生，焊后应立即进行锤击试件成型。

5）电弧冷焊后热处理：对于小型的HT－200灰铸铁产品焊后应立即将铸件放在退火炉中将其加热至600～700℃，然后随炉缓慢冷却，以更好促进石墨化，消除焊接残余应力，防止白口组织和裂纹的出现。但由于工况条件限制，台虎钳和剪床尺寸较大无法放在炉中进行消应力退火，只能将工件焊后缓慢冷却，用石棉进行保温或者放在沙坑中缓慢冷却。

6）焊后外观检验：采用磁粉探伤方法进行无损检验。首先将焊缝表面施加反差增强剂，成分为白色碳酸钙，待其干燥以后即利用磁力探伤仪对焊缝进行磁化；然后施加磁粉，磁粉选择黑油磁悬液，边磁化边观察焊缝表面是否有焊接裂纹的出现。经检查焊缝表面质量符合GB／T47013—2015国家无损检测标准要求。焊后台虎钳钳身如图3所示。

图3 台虎钳钳身

4 力学性能试验

用车床去除焊缝表面的余高，然后在万能试验机上进行拉伸试验，Z308焊条焊接HT－200接头拉伸试验结果如表2所示，满足强度要求。

表2 拉伸试验结果

5 结语

通过Z308纯镍铸铁焊条对HT－200灰铸铁件如台虎钳钳身和剪床轴承座进行冷焊接修复，焊缝经过检验均未发现裂纹、气孔、夹渣、咬边等焊接缺陷。经拉伸试验得出Z308焊接接头的抗拉强度高于HT－200母材的抗拉强度，断裂位置为母材。同时接头的硬度值低于母材，且高于焊接热影响区。该设备已经安装使用6个月，状态良好。该操作方法与铸铁热焊法相比效率高，费用低，质量好，可供工业企业和高校参考借鉴。