CN109079420A - 一种铸件缺陷消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸件缺陷消除方法，属于铸件处理领域。本发明的一种铸件缺陷消除方法包括五个步骤，缺陷清理：普通表面缺陷打磨消除，普通裂纹缺陷与重大缺陷进行下一步操作；坡口制备：在缺陷部位开U型坡口，坡口面为平滑曲面；焊前预热：普通缺陷进行局部预热，重大缺陷整体预热；焊补：先沿坡口侧面堆焊1～2层，然后将堆焊部位中凹陷部分焊满；重复此步骤直到将坡口全部焊满；焊后处理：普通缺陷焊补后进行消氢处理，重大缺陷焊补后进行退火处理。通过对焊补方法的改进，对不同缺陷修补工艺参数的优化，大大降低了修复缺陷过程中出现不良影响因素的概率，节约了修补缺陷的时间，保证铸件修复合格率的同时还达到了节约成本的效果。

Description

一种铸件缺陷消除方法

技术领域

本发明涉及铸件处理领域，更具体地说是涉及一种铸件缺陷消除方法

背景技术

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛时期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是将液体金属浇注到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。铸造的产物称为铸件，铸件的用途非常广泛，已运用到五金及整个机械电子行业等，具体用到建筑、工程机械、冶金设备等大型机械的铸件零件数量也在不断增大。

目前冶金工业当中，大型铸钢件(≥10～200吨)在铸造生产时，由于铸型工艺、铸件原料的性质、造型材料的性能等一系列因素的影响，产品中不可避免的会产生铸造缺陷，这些缺陷在加工成品过程中或现场安装时会对铸件造成致命的破坏而报废，因此需要及时对铸钢件缺陷进行消除处理。焊补方法是一种常用的铸钢件缺陷消除方法，通过焊接来修补铸件上的缺陷，铸钢件上的铸造缺陷几乎都可以用焊补法修复。但是大型铸钢件由于工件尺寸超大，获得的结晶组织较粗大且偏析严重，裂纹倾向较大，导致常规焊接方法对缺陷焊接修复的难度大，在焊接时易在母材的近缝区产生低塑性的淬硬组织，使得焊缝金属易产生热裂纹和冷裂纹，最终影响大型铸钢件的成品率以及返修后的整体性能。

经检索，中国专利公开号CN105382432A，公开日2016年3月9日，公开了一种重型金属铸件缺陷修补的工艺。该发明工艺包括以下步骤：a、准备待修补的金属铸件，对金属铸件的缺陷部位进行清理，除杂质，使缺陷的边角平缓过渡；b、对步骤a中清理缺陷处的金属铸件局部加热，如果缺陷过大需要整体加热，温度200～300℃；c、对步骤b中的缺陷处选择同铸件材质相同或相近的焊材进行焊补，在堆焊过程中继续加热，使修复材料处于200～300℃状态，保持到焊补结束，24小时不停；d、如果已堆焊满，则及时去应力退火，完成金属铸件缺陷处的修补工艺。该发明虽然可以修补金属铸件表面和内部的缺陷，一定程度上提高金属铸件的强度，但是使用该方法后焊补缺陷处仍存在着易开裂的问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中大型铸钢件缺陷修补时易出现开裂现象的问题，本发明提供了一种铸件缺陷消除方法。本方法针对不同类型的缺陷采用对应的修补方法，避免了修补铸钢件缺陷时开裂现象的发生，提高了大型铸钢件的成品率，保证了大型铸钢件返修后的整体性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种铸件缺陷消除方法，包括以下步骤：

一、缺陷清理：普通表面缺陷打磨消除；普通裂纹缺陷与重大缺陷进行下一步操作；

二、坡口制备：在缺陷部位开U型坡口，坡口面为平滑曲面；

三、焊前预热：普通缺陷进行局部预热，重大缺陷整体预热；

四、焊补：先沿坡口侧面堆焊1～2层，然后将堆焊部位中间凹陷部分焊满；重复此步骤直到将坡口全部焊满；

五、焊后处理：普通缺陷焊补后进行消氢处理，重大缺陷焊补后进行退火处理。

当铸件缺陷满足条件：(1)、深度≥50mm；(2)、长度≥300mm；(3)、体积≥1000cm³中任意一条或一条以上时称为重大缺陷，否则称为普通缺陷。本发明对铸钢件的特点及裂纹出现机理进行了分析后提供的上述方案，避免了在修复过程中出现致命的不良影响因素，使最终修复铸件的成品率大大提高。

进一步地，所述步骤三中局部预热采用氧乙炔焰进行。局部预热温度≥100℃，预热区域为距坡口边缘≤100mm范围；整体预热温度≥250℃。氧乙炔焰进行局部预热，成本低，设备移动方便且加热温度与加热范围好控制，本方案所述预热温度下限为起到焊前预热应有效果的最低温度。

进一步地，所述步骤四采用熔化极二氧化碳气体保护焊接法。二氧化碳气体纯度≥99.7％，气体含水量小于0.005％；采用焊丝为

进一步地，焊补时焊丝不作横向摆动，起弧点及接头点避开拐角处，避免产生咬边和未熔合缺陷。

进一步地，焊补第一层时，采用小电流，慢速焊接，采用200A的电流焊接，同时焊接速度也相应的降低。

进一步地，每一层面焊完后，均进行锤击，先锤击中部，再锤击两侧。第一层面和最后一层面焊完后不进行锤击。锤击采用圆头风铲，锤痕应紧密且避免重复，锤击过程缓慢进行以防止焊接的硬化。

进一步地，普通缺陷的焊补层间温度≥100℃；重大缺陷的焊补层间温度≥300℃。层间温度的上限是不使焊补处出现热应力裂纹的温度。

进一步地，所述步骤五中的退火处理方法为将焊补后的铸件在300℃的炉膛内保温2小时后以40℃/小时的速度升温至600～640℃，保温T＝4.57×10^-3D小时，D为焊补处铸件的厚度，单位为毫米，然后以≤40℃/小时的速度降温至150℃后，出炉空冷。根据本方案的方法进行修复后的铸件，在退火处理时，通过实验分析得到了最适合的退火处理工艺参数，可以在最短的时间内去除应力同时保证退火处理结束后不会有新的应力产生，达到最佳的退火效果，进一步避免了缺陷处修补后出现裂纹的可能性。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种铸件缺陷消除方法，先对缺陷进行清理，同时对不同类型的缺陷进行区别，然后决定采用相应的后续处理方法，有效的节省了时间；

(2)本发明的一种铸件缺陷消除方法，对缺陷处开有特定形状参数的U型坡口，保证后续焊补步骤方便进行的同时减少了焊补处出现裂纹的可能性，对提高焊补质量起积极作用；

(3)本发明的一种铸件缺陷消除方法，在焊补前，针对不同类型的缺陷，预热至指定温度，降低焊补接头的冷却速度，同时降低焊补应力与焊补结构的拘束度；

(4)本发明的一种铸件缺陷消除方法，采用改进后的焊补方法，在继承多层多道焊优点的同时，在焊补时熔化金属不易下垂，且焊补时产生的熔渣很容易清除干净，夹渣出现率很低，使焊补过程中不良影响因素的出现率更低，从而降低了最终修复后部位出现裂纹的概率；

(5)本发明的一种铸件缺陷消除方法，针对焊补后缺陷处的特点，设计了对应的退火工艺参数，可以在最短的时间内达到最好的去应力退火效果，大大节约了生产成本；

(6)本发明的一种铸件缺陷消除方法，采用氧乙炔焰进行局部预热，成本较低，且预热设备简单方便移动，加热区域与加热温度方便控制；

(7)本发明的一种铸件缺陷消除方法，采用熔化极二氧化碳气体保护焊接法，在焊补过程中熔渣产生量小，焊补效率快，且焊缝的含氢量低，进一步保证了缺陷修复后的质量；

(8)本发明的一种铸件缺陷消除方法，对焊补层面进行锤击操作，使焊缝金属产生塑性延伸变形，抵消了焊缝冷却后承受的局部拉应力，从而减少补焊部分裂纹产生的概率；

(9)本发明的一种铸件缺陷消除方法，针对不同的缺陷进行对应的层间温度控制，使每一层每一道的焊缝都具备起码的预热条件，达到相应的预热效果。

附图说明

图1为本发明焊补顺序示意图；

图2为铸件坡口局部剖视图侧视图；

图3为铸件坡口局部剖视图主视图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

对于大型铸钢件的缺陷，采用常规的修复方法修复难度大，且修复后区域易出现裂纹，针对此问题，对铸钢件的特点及裂纹出现机理进行了分析，拿轧机机架铸钢件来说，其结构为厚实大断面结构，生产时，浇注后液态金属凝固时间较长，所以最终获得的结晶组织较粗大且偏析严重，易造成碳当量的波动，使得铸件本身存在着较大的裂纹倾向，又由于铸件尺寸较大，在焊补修复时母材的近缝区容易产生淬硬组织，且母材熔化到第一层焊缝金属中的比例达30％，导致焊缝的含碳量较高，最终导致了焊缝金属易产生热裂纹和冷裂纹，最终影响了铸件修复的成功率与修复后铸件的性能。本实施例针对分析结果，设计了一种铸件缺陷的修复方法，避免了在修复过程中出现上述不良影响因素，使最终修复铸件的成品率大大提高。

本实施例的铸件缺陷消除方法，包括以下步骤：

一、缺陷清理：普通表面缺陷打磨消除；普通裂纹缺陷与重大缺陷进行下一步操作；

当铸件缺陷满足条件：(1)、深度≥50mm；(2)、长度≥300mm；(3)、体积≥1000cm³中任意一条或一条以上时称为重大缺陷，否则称为普通缺陷。对于普通缺陷中的表面缺陷，是指表面夹渣、气孔、表面浅裂纹缺陷，这类缺陷经过角向砂轮机打磨后即可去除，将缺陷处的表面磨光至金属光泽，并用着色探伤方法观察缺陷是否还有残留，若有残留，继续打磨除去。对于普通缺陷中较深较大的裂纹性缺陷与重大缺陷，应先彻底清除缺陷区域周围150mm以内的粘砂、油、水、锈等杂质，然后进行下一步的消除方法。

二、坡口制备：在缺陷部位开U型坡口，坡口面为平滑曲面；

为了保证后续焊补步骤的焊补质量，需要在缺陷处开有坡口，针对大型铸钢件，在铸件缺陷处开U型坡口焊补效果更好，坡口的上口处截面积大于坡口底面处截面积，便于焊补操作进行，坡口示意图如图2和图3所示，坡口上口的宽度B要大于缺陷宽度b，坡口上口的长度L要大于缺陷长度l，坡口的深度要大于缺陷深度，α的角度范围为10°～25°，β的角度范围为35°～55°，经实验验证，α和β的值选取小于上述范围时，后续的焊补过程中操作会不方便，α和β的值选取大于上述范围时，焊补后的部位易出现开裂等一系列质量问题，本实施例中α＝15°，β＝45°，后续焊补时操作方便且焊补区域质量问题出现的概率较小。在坡口的侧面与坡口底面的交界处要采取开倒圆角等措施将尖角部分去除，使坡口的表面呈平滑的曲面，可以减少母材熔入焊缝金属中的比例，防止焊补处裂纹产生。

针对普通缺陷中较为严重的裂纹性缺陷，在开坡口前要先在裂纹两端偏外10mm处钻φ8～10mm的止裂孔，止裂孔的深度要超过裂纹深度2mm以上，目的是防止焊补过程中该裂纹性缺陷裂纹继续扩展；钻完止裂孔后，先对缺陷周围100～150mm范围内进行预热，预热温度为200℃，然后采用碳弧气刨方法开坡口，气刨后的坡口进行砂轮打磨，以出去增碳层。对于重大缺陷，直接采用机械加工法加工坡口。

三、焊前预热：普通缺陷进行局部预热，重大缺陷整体预热；

进行焊前预热的步骤主要目的是降低焊补接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免氢含量过大引起氢脆、白点、冷裂纹影响焊补效果；同时降低焊补应力与焊补结构的拘束度。普通缺陷由于焊补部分较小可以采用局部加热，重大缺陷必须采用整体加热。

四、焊补：先沿坡口侧面堆焊1～2层，然后将堆焊部位中间凹陷部分焊满；重复此步骤直到将坡口全部焊满；

现有的焊补过程中采用的是多层多道焊的焊接手法，本实施例结合大型铸钢件的特点裂纹出现机理分析对焊接手法进行了改进，焊补顺序如图1所示，先沿坡口侧面堆焊1～2层，然后将堆焊部位中凹陷部分焊满，再沿坡口侧面堆焊1～2层，形成中部凹陷，然后将形成的凹陷部分焊满，重复此操作直到将坡口焊满，图1中数字从小到大依次为焊补的先后顺序。本实施例的焊接手法在焊补时熔化金属不易下垂，且焊补时产生的熔渣很容易清除干净，夹渣出现率很低，在继承多层多道焊优点的同时，使焊补过程中不良影响因素的出现率更低，从而降低了最终修复后部位出现裂纹的概率。

五、焊后处理：普通缺陷焊补后进行消氢处理，重大缺陷焊补后进行退火处理。

在焊补过程中，来自焊条、焊剂和空气中的氢气在高温下被分解为原子状态，溶于液态金属中。焊缝冷却时，氢气在钢中的溶解度急剧下降，由于焊缝冷却较快，氢来不及逸出而留在焊缝金属中。经一段时间后会在焊缝和熔接线处聚集，当聚集到一定程度后在焊接应力下导致焊缝热影响区产生裂纹，因此需要进行消氢处理出去氢；重大缺陷进行退火处理是为了消除氢的同时，消除焊补处的残余应力，防止使用过程中产生新的变形。

实施例2

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例1的基础上作进一步改进，所述步骤三中局部预热采用氧乙炔焰进行。局部预热温度≥100℃，预热区域为距坡口边缘≤100mm范围；整体预热温度≥250℃。采用氧乙炔焰进行预热成本较低，且预热设备简单方便移动，加热区域与加热温度方便控制；在采用氧乙炔焰进行局部预热时，预热范围内的热量控制由小到大，并使受热区域热量均匀分布，避免局部温度过高。整体预热采用常规方法进行。预热温度不应低于本实施例所述范围，否则无法达到焊前预热应有的效果。

实施例3

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例2的基础上作进一步改进，所述步骤四采用熔化极二氧化碳气体保护焊接法。二氧化碳气体纯度≥99.7％，气体含水量小于0.005％；采用焊丝为针对大型铸钢件的特点，为了加强焊补后抗冷裂纹热裂纹的能力，同时保证与母材等强度匹配，经过多次实验研究，选用焊丝最为合适，焊丝的熔敷金属的力学性能如下：

抗拉强度(σ<sub>b</sub>)MPa	屈服强度(σ<sub>0.2</sub>)MPa	伸长率(δ<sub>5</sub>)
			≥500	≥420	≥22

焊补时，焊补现场的风速应小于2m/s；焊补坡口侧面时采用的工艺参数与填充中部凹陷时采用的工艺参数不同，分别如下表所示：

采用二氧化碳气体保护焊接法在焊补过程中熔渣产生量小，焊补效率快，且焊缝的含氢量低，进一步保证了缺陷修复后的质量。

实施例4

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例3的基础上作进一步改进，焊补时焊丝不作横向摆动，起弧点及接头点避开拐角处。焊补时，为了获得良好的气体保护，焊枪的角度要适当，焊丝不作横向摆动目的是减少焊补热量输入；起弧点及接头点避开拐角处可避免产生咬边和未熔合缺陷。

实施例5

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例4的基础上作进一步改进，焊补第一层时，采用小电流，慢速焊接，电流小时，送丝速度自然变慢，焊接速度也相应的变慢。如图1所示，在焊补序号为1的层位时，应采用如实施例3中侧面部分焊接电流下限值200A的电流焊接，可以保证在熔合良好的情况下避免产生夹渣及未熔合缺陷。

实施例6

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例5的基础上作进一步改进，每一层面焊完后，均进行锤击，先锤击中部，再锤击两侧。第一层面和最后一层面焊完后不进行锤击。如图1所示的序号为2、4、6、7的层面，每一层焊完后均立即对其进行锤击，去除焊接残渣，锤击过程应缓慢进行以防止焊接的硬化，锤击采用圆头风铲，锤痕应紧密且避免重复。通过本实施例的锤击方式，使焊缝金属产生塑性延伸变形，抵消了焊缝冷却后承受的局部拉应力，从而减少补焊部分裂纹产生的概率。对如图1中序号1所示的第一层面不进行锤击是因为此时的焊缝较薄，承受不了太大冲击力，此时锤击容易将焊缝击穿，不对最后一层面锤击的原因是最后一层面在铸件表面，锤击影响美观，且会影响到铸件的无损检测。

实施例7

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例6的基础上作进一步改进，普通缺陷的焊补层间温度≥100℃；重大缺陷的焊补层间温度≥300℃。控制层间温度的下限不低于本实施例所述下限值目的是要保证在焊补时，每一层每一道的焊缝都具备起码的预热条件，在每一层每一道进行焊补时均可达到降低焊补接头的冷却速度、有利于焊缝金属中扩散氢的逸出、降低焊补应力与焊补结构的拘束度的效果。可以在焊补过程中通过补充加热或缓慢焊接来控制层间温度。层间温度的上限是不使焊补处出现热应力裂纹的温度。

实施例8

本实施例的铸件缺陷消除方法，在实施例7的基础上作进一步改进，所述步骤五中的退火处理方法为将焊补后的铸件在300℃的炉膛内保温2小时后以40℃/小时的速度升温至600～640℃，保温T＝4.57×10^-3D小时，D为焊补处铸件的厚度，单位为毫米，然后以≤40℃/小时的速度降温至150℃后，出炉空冷。

重大缺陷焊补部位的坡口深度一般超过所在部位壁厚的20％，会存在较多的焊接应力，在应力或高温的长期作用下，焊接部位的铸件中的珠光体中的渗碳体会自行分解出石墨，使铸件发生脆化，强度和塑性降低，从而使铸件容易变形和开裂，因此需要进行退火操作来去除应力。在铸件焊补完成后，焊缝温度高于100℃时，将铸件放入初始温度为300℃的加热炉内，保温2小时，这一步的目的是对焊补处进行消氢处理；然后以以40℃/小时的速度升温至600～640℃，保温T＝4.57×10^-3D小时，升温速度40℃/小时是适用于本实施例焊补方法的最大的升温速度，高于此速度，焊补部分的应力释放的量少但是屈服点下降了很多，这就会造成铸件的变形量增大，是不利于铸件成品的使用的，升温速度小虽然对铸件无太大影响，但是会使铸件修复过程延长，影响生产效率，因此本实施例采用40℃/小时的最大升温速度；600～640℃为保温的适宜温度，对于本实施例的铸件来说低于600℃应力释放不完全，高于640℃铸件内的珠光体会在高温作用下石墨化，使铸件易变形和开裂；保温T＝4.57×10^-3D小时是最短保温时间，去应力退火中的保温过程就是应力释放的过程，保温时间长对铸件性能并无坏作用，但是保温时间过短会导致应力释放不完全，达不到去应力退火应有的效果，在对采用本申请的铸件缺陷消除方法处理的铸件进行多次实验分析其金相组织后，得出了最短保温时间的公式，可根据焊补处铸件的厚度计算出最短的保温时间，本实施例采用厚度为1750mm的轧机机架铸钢件，焊补完缺陷后，根据公式计算得退火操作最短保温时间为7.99小时，取8小时进行保温，测得此铸钢件焊补处应力释放完全，虽然保温时间较长对铸件性能无不良影响，但是在实际生产中，保温过长时间不进影响生产进度，还会增加成本，因此有必要对最短有效保温时间进行测算。保温完成后在冷却时，降温速度不能过大，否则会有新的应力产生，适应于本申请的缺陷消除方法处理的铸件退火时最大冷却速度为40℃/小时，在此冷却速度一下冷却时，均不会产生新的应力，当温度降至150℃后可直接出炉进行空冷，此时的降温速度大小不会对铸件性能产生影响。

本申请的铸件缺陷消除方法，在焊补过程中，若因环境因素或者人员因素导致焊补过程必须中止时，立即将焊补区域加热到300～350℃，并用石棉布或其它保温材料将焊缝覆盖保温，在下次开始焊补时，将焊缝预热到对应的层间温度即可继续按操作步骤进行焊补，经此方法处理后的间断焊补最终完成修复后的效果，与不间断焊补完成修复后铸件的效果相比无差别。

经统计，采用本申请的铸件缺陷消除方法处理后的大型铸钢件满足了德国SMS的检验标准，修复后铸件合格率达91.5％。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铸件缺陷消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、缺陷清理：普通表面缺陷打磨消除；普通裂纹缺陷与重大缺陷进行下一步操作；

二、坡口制备：在缺陷部位开U型坡口，坡口面为平滑曲面；

三、焊前预热：普通缺陷进行局部预热，重大缺陷整体预热；

四、焊补：先沿坡口侧面堆焊1～2层，然后将堆焊部位中间凹陷部分焊满；重复此步骤直到将坡口全部焊满；

五、焊后处理：普通缺陷焊补后进行消氢处理，重大缺陷焊补后进行退火处理。

2.根据权利要求1所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：所述步骤三中局部预热采用氧乙炔焰进行。

3.根据权利要求2所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：局部预热温度≥100℃，预热区域为距坡口边缘≤100mm范围；整体预热温度≥250℃。

4.根据权利要求1所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：所述步骤四采用熔化极二氧化碳气体保护焊接法。

5.根据权利要求4所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：焊补时焊丝不作横向摆动，起弧点及接头点避开拐角处。

6.根据权利要求4所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：焊补第一层时，采用小电流，慢速焊接。

7.根据权利要求1～6任一条所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：每一层面焊完后，均进行锤击，先锤击中部，再锤击两侧。

8.根据权利要求7所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：第一层面和最后一层面焊完后不进行锤击。

9.根据权利要求1所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：普通缺陷的焊补层间温度≥100℃；重大缺陷的焊补层间温度≥300℃。

10.根据权利要求1所述的一种铸件缺陷消除方法，其特征在于：所述步骤五中的退火处理方法为将焊补后的铸件在300℃的炉膛内保温2小时后以40℃/小时的速度升温至600～640℃，保温T＝4.57×10^-3D小时，D为焊补处铸件的厚度，单位为毫米，然后以≤40℃/小时的速度降温至150℃后，出炉空冷。