CN102554458A - 一种快速焊接修复大型zg20铸钢件缺陷的方法及焊接材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的焊接材料，由以下组分按重量百分比组成：三氧化二铁35％-38％、铝20％-25％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂5％-7％、萤石8％-10％、氧化钙10％-12％、二氧化硅6.5％-7.5％、氧化锰3.5％-5％，总重量为100％。本发明还公开了一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法，通过将前述的焊接材料装填入坡口及堤坝中，使焊接材料发生放热反应，快速冷却后去除焊接区金属高出铸件表面的部分。本发明方法修复后的焊缝成份、组织细小致密、性能和色泽与铸件本体一致。

Description

一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法及焊接材料

原案申请号：201010204149.3

原案申请日：2010年6月21日

原案发明名称：《快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料及修复方法》

技术领域

本发明属于铸件焊接修复技术领域，涉及一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法，本发明还涉及一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的焊接材料。

背景技术

铸造是材料成形的第一道工序，由于铸造生产过程的复杂性，不可避免的造成各种铸造缺陷。缺陷导致的铸件报废除了给生产企业带来直接的经济损失之外，废品件的后续处理也给社会带来压力，对环境造成伤害。尤其是大型废品件的肢解和破碎过程需要花费大量的能源；铸件的再生产又一次需要熔炼，这在消耗能源的同时，排放的废气和熔渣也对环境造成了二次污染。当然，这还不包括劳动力和时间成本的浪费。因此，对大型缺陷铸件进行挽救修复是企业增资节能、提高经济效益的举措，有利于环境资源的可持续发展及人类社会的健康。

大型铸钢件缺陷焊接修复的难度在于：因铸件导热过快引起的焊接区熔合不良，或因熔敷金属量多导致热应力过大而开裂。采用电渣焊修补缺陷则易造成焊接区金属晶粒粗大，引起焊区性能降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法，实现在室温下直接焊接修补缺陷铸件，并能有效地抑制焊区晶粒粗化，降低裂纹倾向，焊接区色泽与铸件本体一致。

本发明的另一目的在于提供一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的焊接材料。

本发明所采用的技术方案是，一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：三氧化二铁33％-38％、铝24％-28％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂4％-7％、萤石8％-12％、氧化钙6％-8％、中碳锰铁4％-5％、二氧化硅6％-8％、三氧化二铬3％-5％、钼铁1％-2％，总重量为100％；

用于大型ZG20铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：三氧化二铁35％-38％、铝20％-25％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂5％-7％、萤石8％-10％、氧化钙10％-12％、二氧化硅6.5％-7.5％、氧化锰3.5％-5％，总重量为100％。

本发明所采用的另一技术方案是，一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，该方法按照以下步骤实施：

步骤1、在缺陷铸件的缺陷部位加工出坡口；

步骤2、沿坡口开口上缘周边造型：沿缺陷坡口上部周边修筑堤坝，堤坝的上缘设置点火引信的引入槽；

步骤3、装填焊接材料：针对具体牌号的铸钢件，将相应配制的焊接材料装填入坡口及堤坝形成的空间中，埋入点火引信后夯实、填满焊接材料，最后在堤坝上沿压上压铁；

步骤4、点燃点火引信，使得焊接材料中的发热剂发生放热反应，将焊接材料中的所有组分全部熔化变为熔敷金属，熔敷金属中的铁液密度高于熔渣沉入坡口中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、放热反应后0.5-1分钟，立即用水喷注使熔敷金属快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属；

步骤6、待焊接区金属冷却到400℃以下，去掉压铁和堤坝，去除焊接区金属高出铸件表面的部分，即成。

本发明的有益效果是，应用铸造放热冒口技术和铝热剂发热原理，焊接区机械保护作用良好；焊接速度可控性好，环保性好；焊接温度低，对铸件本体的熔化程度小，熔合区窄小；焊接区组织致密，通过调整焊粉材料成分，获得与不同牌号铸钢件相对应的焊缝金属，非常适合各类大型铸钢件各种缺陷的焊接修复。

附图说明

图1是采用本发明方法对铸件缺陷打磨后的待焊部位形状图；

图2是采用本发明方法对缺陷上部修筑堤坝造型图；

图3是采用本发明方法的焊接之前的焊粉装填示意图；

图4是采用本发明方法的焊后焊接区结构图；

图5是采用本发明方法加工后的铸件焊接区。

其中，1.缺陷铸件，2.堤坝，3.压铁，4.焊接材料，5.点火引信，6.熔敷金属，7.焊接区金属，8.坡口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，按照其功能包括三部分的粉末：

第一部分为发热剂，包括Fe₂O₃和Al，两者发生放热化学反应后，既提供了焊接冶金所需要的能量，反应产物Fe又可作为主要的熔敷金属形成焊缝，Al₂O₃进入熔渣，亦可参与熔池中的造渣反应。

第二部分为造渣剂，包括Na₂CO₃、Na₂B₄O₇、CaF₂和CaO，其中的Na₂B₄O₇和CaF₂还兼有稀释剂的作用，可用来调节熔渣粘度。

第三部分为合金剂，针对不同种类的铸钢件需要应用不同的焊接填充粉料，以获得与所修复铸钢件组织和性能相匹配的焊接区金属，相应进行针对性补充，熔化后既可形成焊缝金属，又具有合金化作用。

上述焊接材料组分中，发热剂和造渣剂具有通用性；而针对不同牌号铸钢件的焊接修复需要，合金剂在种类及含量方面具有一定的差别。

针对大型铸钢件，具体包括以下两种方案：

第一种技术方案是：用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁33％-38％、铝24％-28％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂4％-7％、萤石8％-12％、氧化钙6％-8％、中碳锰铁4％-5％、二氧化硅6％-8％、三氧化二铬3％-5％、钼铁1％-2％，总重量为100％。

在本方案的焊接材料中，各组分及含量限定如下：

为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe₂O₃和Al粉作为发热剂。反应产生的能量不仅能够维持放热反应的继续进行，而且还能足以熔化各种金属粉料，并使母材局部熔化，共同形成焊缝，达到焊接的目的。

为了使焊渣聚集、上浮且与熔敷金属分离，预防焊缝金属夹渣，加入了CaF₂、CaO、Na₂CO₃、Na₂B₄O₇等作为造渣剂和稀释剂。为减小焊接区金属的高温氧化所导致的焊缝气孔，Fe₂O₃加入量不宜过多。另外，在焊粉当中还添加了一定量的SiO₂和Cr₂O₃，用来补充放热反应、过渡合金元素Cr、并用于造渣。

为了使焊缝金属获得与铸钢件相匹配的组织和性能，净化焊缝金属，减小S、P等有害杂质元素的影响，焊接粉末中含锰量较高，且添加了CaO。

本发明所采用的第二种技术方案是：用于大型ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁35％-38％、铝20％-25％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂5％-7％、萤石8％-10％、氧化钙10％-12％、二氧化硅6.5％-7.5％、氧化锰3.5％-5％，总重量为100％。

在本方案的焊接材料中，各组成及含量限定理由分别叙述如下：

为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe₂O₃和Al粉作为发热剂。反应产生的能量不仅能够维持放热反应的继续进行，而且还能足以熔化各种金属粉料，并使母材局部熔化，共同形成焊缝，达到焊接的目的。

为了使焊渣聚集、上浮且与熔敷金属分离，预防焊缝金属夹渣，加入了Na₂CO₃、Na₂B₄O₇、CaF₂和CaO等作为造渣剂。另外，在焊粉当中还添加了一定量的SiO₂，用来补充放热反应、过渡合金元素Si、并用于造渣。

为了使焊缝金属获得与铸件相匹配的组织和性能，净化焊缝金属，减小S元素的有害影响，焊接粉末中含3.5％-5％MnO。

本发明的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，针对不同牌号的大型铸钢件，使用上述的焊接材料，按照以下步骤具体实施：

步骤1、对缺陷铸件1的缺陷部位实施打磨，加工出坡口8，如图1；

步骤2、沿坡口8开口上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口8上部周边修筑造型堤坝2(缺陷上部造型体)，用以除渣和预防金属液溢流，堤坝2的上缘需留有点火引信5的引入槽，如图2；

步骤3、装填焊接材料：针对具体牌号的铸钢件，将相应配制的焊接材料4装填入坡口8及堤坝2形成的空间中，埋入点火引信5后夯实、填满焊接材料，最后在堤坝2上沿压上压铁3，如图3；

步骤4、点燃点火引信5，将焊接材料4中的所有组分全部熔化变为熔敷金属6，熔敷金属6中的铁液密度高于熔渣沉入坡口8中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、开始反应后0.5-1分钟，立即用水喷注到堤坝及其周围的铸件上表面使熔敷金属6快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属7；

步骤6、待焊接区金属7冷却到400℃以下，去掉压铁3，取掉造型堤坝2，如图4，通过机加工方法去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，再将焊接区表面打磨光滑，形成如图5所示的焊补区域，即成。

本发明的特点是，沿缺陷上缘修筑堤坝造型，须预留高约3mm，宽约5mm的引信槽，注意槽的宽和高位向，以防焊接过程中熔渣与金属液的过度外流；应用高速水流对焊接区激冷是实现快速焊接修复的关键所在。

该焊接方法既简化了焊材生产工艺，又节约了能源，对环境无污染，而且还能够获得与铸件本体成分、组织、性能及色泽相匹配的焊接区，实现大型铸钢件大缺陷的高性能快速焊接修复。

实施例1

首先，配制用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁36％、铝26％、纯碱1.5％、硼砂6％、萤石8％、氧化钙6％、中碳锰铁5％、二氧化硅6.5％、三氧化二铬3.5％、钼铁1.5％，总重量为100％。

然后，利用上述配制好的焊接材料，按照下述步骤具体实施：

步骤1、对缺陷铸件1的缺陷部位实施打磨，加工出坡口8；

步骤2、沿坡口8上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口8上部周边修筑堤坝2，堤坝2的上缘留有点火引信5的引入槽；

步骤3、装填焊接材料：将配制的焊接材料4装填入坡口8及堤坝2中，埋入点火引信5后夯实、填满，最后在上面压上压铁3；

步骤4、点燃点火引信5，使得焊接材料4中的发热剂发生放热反应，将焊接材料4中的所有组分全部熔化变为熔敷金属6，熔敷金属6中的铁液密度高于熔渣沉入坡口8中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、开始反应后0.5-1分钟，立即用水喷注到堤坝及其周围的铸件上表面使熔敷金属6快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属7；

步骤6、待焊接区金属冷却到400℃以下，去掉压铁3，打去堤坝2，再去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，即成。

本实施例1中，焊接粉末熔敷金属的化学成分如表1示，与所修复铸钢件材料的组成基本相同，即金相组织相同，达到了铸件的焊接修复要求。

表1本发明实施例1中焊接粉末熔敷金属化学成份(重量％)

序号	C	Si	Mn	S	P	Ni	Cu	Cr	Fe
										1	0.32	0.50	0.61	0.02	0.03	0.21	0.17	1.1	余量

实施例2

首先，配制用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁33％、铝28％、纯碱1.6％、硼砂4％、萤石9％、氧化钙8％、中碳锰铁4％、二氧化硅6％、三氧化二铬5％、钼铁1.4％，总重量为100％。

然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。

实施例3

首先，配制用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁37％、铝24％、纯碱1.4％、硼砂7％、萤石8％、氧化钙7％、中碳锰铁4％、二氧化硅7％、三氧化二铬3％、钼铁1.6％，总重量为100％。

然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。

实施例4

首先，配制用于大型ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁35％、铝25％、纯碱1.5％、硼砂6％、萤石10％、氧化钙11％、二氧化硅7.5％、氧化锰4％，总重量为100％。

然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。

本实施例4中，焊接粉末熔敷金属的化学成分如表2示，与所修复铸钢件材料的组成基本相同，即金相组织相同，基本达到了铸件的焊接修复要求。

表2本发明实施例4中焊接粉末熔敷金属化学成份(重量％)

序号	C	Si	Mn	S	P	Ni	Cu	Cr	Fe
										1	0.22	0.31	0.56	0.02	0.03	0.11	0.15	0.12	余量

实施例5

首先，配制用于大型ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁38％、铝21％、纯碱1.6％、硼砂7％、萤石9％、氧化钙12％、二氧化硅7％、氧化锰4.4％，总重量为100％。

然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。

实施例6

首先，配制用于大型ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁37％、铝24％、纯碱1.4％、硼砂7％、萤石8％、氧化钙11％、二氧化硅6.6％、氧化锰5％，总重量为100％。

然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。

上述其他实施例中，焊接粉末熔敷金属的化学成分与所修复铸钢件材料的组成基本相同，即金相组织相同，基本达到了铸件的焊接修复要求。

本发明的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的材料及方法，应用铸造放热冒口技术和铝热剂发热原理，不需要电、气和其他设施实现焊接；焊接区机械保护作用良好；安全、可靠焊接速度可控性好；无污染，环保性好；重力下补充熔池金属的凝固收缩，焊接区组织致密，缺陷少；焊接温度低，对铸件本体的熔化程度小，熔合区窄小；焊接持续时间短；通过调整焊粉材料成分，获得与不同牌号铸钢件相对应的焊缝金属，非常适合各类大型铸件各种缺陷的焊接修复。

Claims (3)

1.一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施：

步骤1、在缺陷铸件(1)的缺陷部位加工出坡口(8)；

步骤2、沿坡口(8)开口上缘周边造型：沿缺陷坡口(8)上部周边修筑堤坝(2)，堤坝(2)的上缘设置点火引信(5)的引入槽；

步骤3、装填焊接材料：针对具体牌号的铸钢件，将相应配制的焊接材料(4)装填入坡口(8)及堤坝(2)形成的空间中，埋入点火引信(5)后夯实、填满焊接材料，最后在堤坝(2)上沿压上压铁(3)；

步骤4、点燃点火引信(5)，使得焊接材料(4)中的发热剂发生放热反应，将焊接材料(4)中的所有组分全部熔化变为熔敷金属(6)，熔敷金属(6)中的铁液密度高于熔渣沉入坡口(8)中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、放热反应后0.5-1分钟，立即用水喷注使熔敷金属(6)快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属(7)；

步骤6、待焊接区金属(7)冷却到400℃以下，去掉压铁(3)和堤坝(2)，去除焊接区金属(7)高出铸件表面的部分，即成。

2.根据权利要求1所述的快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的方法，其特征在于，用于大型ZG20铸钢件焊接修复时，所述的焊接材料(4)由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：三氧化二铁35％-38％、铝20％-25％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂5％-7％、萤石8％-10％、氧化钙10％-12％、二氧化硅6.5％-7.5％、氧化锰3.5％-5％，总重量为100％。

3.一种快速焊接修复大型ZG20铸钢件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型ZG20铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成：

三氧化二铁35％-38％、铝20％-25％、纯碱1.4％-1.6％、硼砂5％-7％、萤石8％-10％、氧化钙10％-12％、二氧化硅6.5％-7.5％、氧化锰3.5％-5％，总重量为100％。

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