CN1058362A

CN1058362A - 铸铁大线能量电弧冷焊技术

Info

Publication number: CN1058362A
Application number: CN 90104987
Authority: CN
Inventors: 靳思坚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-07-26
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1992-02-05

Abstract

本发明属于电弧冷焊铸铁缺陷的一种方法，主要解决加工面上的大缺陷、大裂纹的焊补，并能加工和刮削，防止裂纹的产生。主要特征是用铸铁芯焊条。采用大线能量焊接，长弧分段连续施焊，连续锤击凝固中的焊缝。其主要优点是，母材、熔合区、焊缝组织皆为灰口组织，并均匀分布，可加工、可刮削，无裂纹产生，适用于各铸造厂及各机械厂的铸件焊补。

Description

本发明属于电弧冷焊铸铁缺陷的一种方法，尤其适用于灰铸铁加工面大缺陷的焊补。

中国发明专利公报中，于1987年8月12日公开了一种“铸铁冷焊”的方法，其目的是焊补铸铁的裂纹和缺陷;其方法是用普通低碳钢焊条焊接铸铁，具体方法有两种，一是直接冷焊，焊机电流为70～200安培，电弧长度3～5毫米，焊后，马上用水冷却;二是水保护冷焊，把工件放入水中，仅露出焊接部位，然后进行焊接;其不足之处是，采用这两种方法仅陷于铸铁非加工面的焊补，使用范围有限。

本发明的目的在于：避免上述现有技术中的不足，解决铸件加工面裂纹和缺陷的焊补，尤其是大灰铸铁件加工面大缺陷、大裂纹的焊补，达到焊缝区、熔合区不存在白口组织，其硬度和母材硬度一致，能进行机械加工，其至刮削加工的目的，并可有效地防止裂纹的产生和发展，也适用铸铁非加工面上的缺陷焊补。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一、焊前准备：

1、用电弧、砂轮或气刨枪对铸件缺陷处开坡口，清除砂粒、水分、油类等杂物，并在坡口凌空处及其周围用耐火泥或耐火砖等耐火材料造型。

2、采用铸铁芯焊条，焊条直接φ5～φ10。

3、焊接电流Ⅰ与焊条直径φ的关系是I＝45～55φ。

4、焊接规范选择：

铸件厚度（mm）焊条直径φ（mm）焊接电流I（A）

≤25 5 180～220

25～40 6 250～330

≥40 8～10 360～460

二、施焊方法：

1、采用长弧、分段、连续施焊在第一段补焊时，焊缝填满后可用器具把铁水拨出，根据实际情况可无或可有若干次。再焊补第一段直到填满后，熔池高出母材2～6毫米，焊后温度达1000℃～400℃时，用钳子榔头锤击焊缝，锤击力量由轻到重，然后以同样方式补焊第二段、第三段、……，其不同之处在于除第一段要刮出熔池内的铁水外，其余各段不需刮出铁水工序，最后用硅酸铝耐火纤维材料覆盖在焊补处，使其缓慢冷却直至室温，清除耐火、保温材料及浮渣等杂物，整个焊接过程就此结束。

本发明建立的理论基础是：根据亚共晶过冷液态铸铁等温转变图和连续冷却转变图，见图1和图2所示，可知焊补铸铁熔合区在1100℃时，冷却速度小于10℃/秒或者等温停留20～30秒是获得灰口组织的充分条件，下面对这两个条件作进一步的计算：

1、以φ6焊条为例，计算线能量E值：E＝60.U.I.η/ν

式中：U-电弧电压，取30V（伏）

I-焊接电流，取300A（安培）

ν-焊接速度，为1.8厘米/分

η-实际热效率，为0.75

将上述数据代入公式：

则 E＝60×30×300×0.75/1.8＝53550（卡/厘米）

这个数值比一般电弧焊接线能量大得多。

2、以室温20℃作为冷焊时温度，焊补熔池在1100℃时的停留时间t_N值计算：t_H＝ME/2πλ（T_H-T₀）

式中：M-常数，取M＝1

λ-材料导热系数，取λ＝0.06卡/厘米·秒·℃

π-圆周率

T_H-熔池温度，取1100℃

T₀-工件温度，取20℃

则 t_H＝1×53550/2π×0.06（1100-20）＝131（秒）

3、计算冷却速度ν值：

ν＝2πλ（T_H-T₀）²2/E

＝2π×0.06（1100-20）²/53550

＝8.32（℃/秒）

从以上计算可知，铸铁大线能量电弧冷焊方法能够达到焊接接头所获得灰口组织的两个充分条件，除此而外，本发明也可防止裂纹的产生。一般金属的断裂是由裂源、扩展和破断三部分组成，而铸铁是一种强度低而脆性高的材料，并存在着大量裂源，如母材中的石墨片、杂质、气孔、砂眼等，焊补时可能出现的咬肉、未焊透、夹渣、气孔等缺陷，熔合区出现的白口层组织，热影响区出现的许火马氏体组织，都是潜在的裂源，当补焊后，熔池凝固收缩时，产生拉应力，这些裂源处极易产生应力集中，一旦超过铸铁本身强度极限时，就会形成宏观裂纹，本发明通过下述方法来解决这个问题的。

1、参看图3和图4所示，在共晶温度以上，铸铁收缩率远远大于共晶温度以下的收缩率，本发明正是利用这一特点，使熔池温度在1100℃时产生自由收缩，减小拉应力，达到防止裂源扩展的目的。

2、采用分段连续一次施焊的方法，第二段的补焊使第一段焊补后的熔池不仅起到补缩作用，而且也起到退火作用，减少了热应力的形成，将三向应力改变为两向应力，降低了裂纹扩展的能力。

3、分段施焊中进行热锤击，使焊缝中，柱状粗晶变为等轴细晶，石墨片G长度减小，珠光体P变细，增加了铸铁塑性变形的能力，使应力得到松弛，并把拉应力转变为压应力，参看图5，铸铁在400℃以上均有塑变能力，经过550～700℃的锤击，使其具备了超塑或塑变的条件，使焊缝金属变形均匀，应力分散，达到防裂的目的。

附图说明如下：

图1是普通亚共晶过冷液态铸铁等温结晶转变图。

图中：L-熔体，A-奥氏体，G-石墨，C-渗碳体，BD线为A开始析出线，OSF线为G开始析出线，HSE线为C开始析出线，PHFK线为凝固终了线，FZ为共晶C分解开始线，HX为共晶C分解终了线。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条线近似地代表三种不同的冷却速度，BJ线为等温转变示意曲线。

图2是普通亚共晶铸铁连续冷却结晶转变图。

图中：P-珠光体，F-铁素体，

B′D′-初生A的开始析出线，

O′E′-共晶转变开始线，

P′K′-共晶转变终了线，

X′W′-白口铸铁共析转变开始线，

Y′Z′-白口铸铁共析转变终了线，

Q′R′-灰铸铁共析转变中G和F开始析出线，

T′R′S′-灰铸铁共析转变中P开始析出线，

U′ν′-灰铸铁共析转变终了线。

曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表20℃/秒、14℃/秒、10℃/秒、7℃/秒、3℃/秒冷却速度。

图3是铁Fe、碳C相图。

图4是亚共晶铸铁的收缩曲线图。

图中：ε固-表示铸铁固态时的收缩曲线;

ε凝-表示铸铁半液态时的收缩曲线;

ε液-表示铸铁液态时的收缩曲线。

图5是不同温度下灰口铸铁应力σ-应变δ曲线图。

图6是M6020A万能工具磨床底座缺陷部位示意图。

1-掉砂缺陷。

图7是2M9120A多用工具磨床滑座示意图。

2-裂温缺陷。

图8是潜水泵端盖剖视图。

图9是图8的俯视图。

图中：3-掉砂缺陷。

图10是采用纯镍铸308焊条，对含碳量3.4%灰铸铁补焊后焊接接头的金相组织，焊条直径为φ3.2毫米，焊接电流为90～100A。

图中：a-焊缝区金相组织，

b-熔合区金相组织，

c-热影响区和母材组织。

图11是采用铸248焊条，小线能量焊补后的金相组织，焊条直径φ4毫米，焊接电流为160A。

图12是本发明采用铸248焊条大线能量电弧冷焊技术后的金相组织，焊条直径φ6毫米，焊接电流300A。

本发明将结合实施例作进一步的说明：

例1：参看图6所示，缺陷掉砂1正处于加工面一侧、刚性又很大的位置，该缺陷长约100毫米，宽约20～30毫米，施焊工艺是这样：采用福建建阳焊条厂生产的铸248焊条，直径φ6毫米，焊缝处经开坡口，清砂处理，用耐火砖在纵方向上造型，在横方向上分三段依次焊补，当第一段焊缝填满后，用木棒或铁棒将熔池铁水刮出后，再继续引长弧施焊，待熔池高于表面3～5毫米，停止焊补，熔池凝固后，用钳工榔头轻锤击，当焊缝冷却到700～550℃时加重加速锤击，温度低于400℃时停止锤击，依照此法继续施焊其余各段，不同的是除第一段要刮出熔池铁水以提高焊补区域的温度外，其余各段可不进行刮出工序;停止锤击后，用硅酸铝耐火纤维覆盖保温缓冷，冷至室温后，清除各类杂质，即可进行机械加工。

例2：参看图7，缺陷裂纹2长约70毫米，正处于框架的角部，是铸件最后凝固处，含硫、磷量较高，成分偏析较重，并含有缩孔、气孔、夹渣等缺陷，裂纹2处也正是加工面处;焊补的方法是：先用錾子或砂轮在焊补处开成V型坡口，用耐火泥造型、分三段由里向外施焊，采用铸248焊条，直径φ6毫米，焊接电流280～300A，引弧连续补焊填满第一段熔池后，立即用木棒刮出铁水，如此反复两次后，继续对第一段进行引长弧施焊，当第一段焊缝填满并凝固后，用榔头进行热锤击，到400℃左右，停止锤击，再继续依次补焊其它各段，只是不必刮出铁水，补焊最后一段时将焊缝略加高，在外缘处熄弧，进行热锤击，最后在焊缝处覆盖硅酸铝耐火纤维材料缓冷，直至室温，经清理各种杂质后，可进行机械加工。

例3：参看图8和图9所示，缺陷掉砂3长150毫米，宽约60毫米，深约30毫米，处于端盖内边缘处，补焊方法是这样：用φ6毫米的铸248焊条开坡口，电流采用330A，经清渣后，用耐火泥造型;补焊用280～300A焊接电流，先将最深处缺陷熔合好，再分段焊补，第一段连续施焊填满略高于铸件1～2毫米，等凝固后进行热锤击，覆盖保温材料保温，依次方法焊完第二段，第一段和第二段补焊时，先对向熔合区运条，最后在焊缝的外沿处熄弧，并高出铸件4～6毫米，凝固后，热锤击，覆盖保温材料。

上述三个例子的结果，既能加工，又无裂纹缺陷，其组织是什么，参看图10、11、12，金相组织，用含碳量3.4%的灰铸铁作为母体，用三种不同的焊补方法施焊，焊缝和熔合区得到三种不同的组织，图10是采用纯镍铸308焊条施焊的组织;图11是采用铸248焊条，小线能量焊补方法的组织;图12是采用本发明施焊的金相组织。都是放大500倍后的像片，从图中我们可以看到图10中的组织为：焊缝区a是奥氏体A，熔合区b是渗碳体C₊莱氏体Ld+石墨G+珠光体P，母体C是珠光体P+铁素体F+石墨G。图11中的组织为：焊缝区a是铸光体P+铁素体F+石墨G，熔合区b是莱氏体Ld+珠光体P+铁素体F+石墨G，母体C靠近熔合区处的热影响区有隐针状马氏体，母体C还有珠光体P+铁素体F+石墨G。图12中的组织为：焊缝区a是由较细的珠光体P+铁素体F+石墨G组成，熔合区b和母体c均和焊缝组织一样。

本发明的优点是：

1、降低冷却速度，提高了石墨化的能力，使应力松弛。

2、延长了高温停留时间，提高了原子扩散速度及共晶渗碳体的分解速度，为增加石墨核心及扩散作用创造了有利条件。

3、因采用同质焊条，故有利于联生结晶的形成，使熔合性良好，也为产生灰口组织创造有利条件。也使焊缝颜色与母材一致。

4、具有电弧搅拌作用，有利于原子扩散及焊缝等轴晶粒的形成。

5、由于采用分段热锤击法焊补，使熔池自由收缩，使焊缝金属产生超塑性现象，应力大为降低，使裂源难以扩展，从而达到防裂的目的。

6、成本低廉，生产率高，适用于各铸造厂及各机械厂的铸件焊补和机件修复。

Claims

1、一种铸铁大线能量电弧冷焊技术，其特征在于：

①用电弧、砂轮或气刨枪对铸件缺陷处开坡口，清除砂粒，水分、油类等杂物，并在坡口凌空处及其周围用耐火材料造型；

②采用铸铁芯焊条；

③焊接规范选择为：

铸件厚度(mm) 焊条直径φ(mm) 焊接电流I(A)

≤25 5 180～220

25～40 6 250～330

≥40 8～10 360～460

④采用长弧、分段、连续施焊，使熔池高出母材2～6毫米，当熔池凝固、温度在1000～400℃时，用榔头锤击焊缝，最后用耐火材料覆盖，冷至室温、清除各杂质。

2、根据权利要求1所述的铸铁大线能量电弧冷焊技术，其特征在于：耐火材料指的是耐火泥、耐火砖，保温材料指的是硅酸铝耐火纤维、木炭、烟炭末等。

3、根据权利要求1所述的铸铁大线能量电弧冷焊技术，其特征在于：当熔池凝固到800～1000℃时，轻锤击，当其温度在550～700℃时;加重锤击。

4、根据权利要求1所述的铸铁大线能量电弧冷焊技术，其特征在于：铸铁芯焊条为铸248焊条、铸258焊条。