CN113134680A - 一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料与焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料及其焊接工艺，焊接材料成分为：Ni 0.100‑1.203％，Cr12.214‑14.338％，Si 0.651‑0.864％，Al 0.875‑1.323％，C<0.02％，Fe为余量。采用合理的冷焊修复工艺，对高强度球墨铸铁铸造缺陷(皮下气孔、砂眼)进行修复。该焊补工艺保证焊缝硬度大于母材硬度，且硬度适当，有利于降低高强度球墨铸铁件后续淬火处理时的淬裂倾向。同时，该冷焊焊补工艺有效减少焊缝热裂纹、气孔数量，使得焊缝耐磨性与母材相当，白口层宽度限制在10μm以内，达到了高强度球墨铸铁件焊接修复要求。对于表面的多处铸造缺陷，可在钻孔后连续进行焊补，无需焊前预热，有效提高针对球墨铸铁件铸造缺陷冷焊焊补的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料与焊接工艺。
背景技术
高强度球墨铸铁材料(如GGG70L、QT600-2等)常用于制作汽车覆盖件冲压模具、曲轴等零件，在铸造过程中难免会产生如图1所示的皮下气孔、砂眼等铸造缺陷。对于可以修复的铸件，需要对铸造缺陷先进行修复后才能进行后续的表面处理等工序。然而企业常用的传统的球墨铸铁件修复方法如电弧焊、氩弧焊，热输入较大，操作精度低，容易在焊缝处产生咬边、气孔、裂纹、白口组织等缺陷。目前一些热输入较小，修复精度高的焊接方法，如激光焊、电子束焊，由于成本较高，不便于在企业中推广应用；精密脉冲冷焊由于成本较低，热输入小，对母材损伤小，可基本满足焊接修复工作，日益受到国内企业的重视。
公开号为CN109628923A的专利说明书中公开了一种专门用于球墨铸铁件激光熔覆再制造的铁基合金粉末，其发明人李永健对目前球墨铸铁焊接修复方法进行研究，发现目前球墨铸铁件电弧焊接修复方法主要采用铁基、镍基、铜基焊接材料，其中，Fe基焊材相比于其他两种焊材，具有显微硬度较高、成本低、色差小、物性与铸铁基体较为匹配等优点。但目前的铁基焊材对焊接工艺要求较高，容易出现白口等脆性相，一般需要预热，焊接工况较差。因此，需要开发一种新型的铁基焊接材料以及与之配套的焊接工艺，以提高球墨铸铁焊接修复质量，降低修复成本。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料及其焊接工艺。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.100-1.203％、Cr：12.214-14.338％、 Si：0.651-0.864％、Al：0.875-1.323％，C<0.02％，Fe为余量。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.604％、Cr： 13.286％、Si：0.728％、Al：1.000％，C<0.02％，Fe为余量。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，由如下质量百分比的组分组成：Ni：1.003％、Cr： 12.890％、Si：0.705％、Al：1.212％，C<0.02％，Fe为余量。
一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，包括如下步骤：
1)制备焊接材料；
2)修复前表面清理，采用钻床在铸造缺陷中心部位钻出深度为 2-4mm，直径φ4-5mm的孔；对孔底采用打磨头进行打磨，要求打磨面平整过渡，清理干净表面杂质；
3)使用超激光冷焊机对钻孔处进行多层堆焊，焊接电流为50-65A，脉冲时间为60-75ms，气体流量为5-7L/min；
4)对焊缝表面进行打磨加工，直至与母材表面齐平；
5)采用磁粉探伤的方法，对补焊区域进行检查。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤1)中，制备焊接材料包括如下步骤：
S1、按照焊接材料中各物质的组分重量百分比将各高纯金属粉末原材料投入到球磨机中进行球磨混合；
S2、将粉末装填到空心管中，将空心管两头封堵，在开有不同直径半圆槽的轧辊上进行轧制；
S3、去掉空心管外皮及飞边，剩余的部分即为上述焊接材料。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤2)中，采用钻床在铸造缺陷中心部位钻出深度为 3mm，直径φ4.5mm的孔。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤3)中，要求孔底部采用快速焊，电弧长度尽量要短，焊满孔底部后清渣；先焊两边，再焊中间，实施多层多道焊，并逐层清渣；焊满后对焊趾部位施加一层回火焊道，并使焊缝余高控制在2mm 以内。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤3)中，对于表面的多处铸造缺陷，在钻孔后连续进行焊补。
进一步地，如上用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤4)中，打磨加工采用角磨机或铣床进行。
进一步地，如上所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，步骤5)中，无损检测的方法采用磁粉探伤方法，检查要求近表面无裂纹、发纹、气孔等缺陷，达到磁粉探伤I级要求。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用脉冲冷焊焊接工艺，焊接过程热输入小，克服了常规的表面再制造技术如气焊、氩弧焊、电弧焊等极易导致球墨铸铁件产生气孔、白口、表面开裂等缺陷的缺点。
2、本发明焊材配方设计科学合理，相比于现有的球墨铸铁焊材，焊材选用成分较为低廉，焊材制备成本较低，适合于实际的焊补工作。
3、本发明保证焊缝硬度大于母材硬度(235HV)，且硬度适当 (焊缝平均硬度为425-460HV)，有利于降低高强度球墨铸铁件后续淬火处理时的淬裂倾向。同时，焊补工艺有效减少焊缝热裂纹、气孔数量，使得焊缝耐磨性与母材相当，白口层宽度限制在10μm以内，达到了高强度球墨铸铁件焊接修复要求。
4、本发明对于表面的多处铸造缺陷，可在钻孔后连续进行焊补，同时无需焊前预热，有效提高针对球墨铸铁件铸造缺陷冷焊焊补的生产效率。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为覆盖件GGG70L球墨铸铁冲模铸件表面皮下气孔缺陷；
图2为本发明某一试样焊补前连续钻孔模拟铸造缺陷；
图3为本发明实施例的试样焊补后的结果；
图4为本发明实施例的打磨后磁粉探伤结果；
图5为本发明实施例焊缝熔合区周围的500倍金相照片；
图6为本发明实施例的球墨铸铁母材500倍微观组织(基体组织为珠光体)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
分析球墨铸铁件待修复部位的受力情况以及表面的皮下气孔、砂眼等铸造缺陷尺寸，实施以下具体步骤：
(1)采用“配粉→球磨混粉→填粉轧制→去除外皮”的焊材制备工艺，小批量制备冷焊修复铁基焊材。焊材成分：Ni 0.100-1.203％，Cr 12.214-14.338％，Si 0.651-0.864％，Al 0.875-1.323％，C<0.02％，Fe为余量。具体制备方法为：按照焊接材料中各物质的组分重量百分比将各高纯金属粉末原材料投入到球磨机中进行球磨混合，球料比10:1，转速350r/min，球磨时间4h；将粉末装填到φ4.5mm的304不锈钢管中；将空心管两头封堵，在开有不同直径半圆槽的轧辊上进行轧制，挤压比为5:1；去掉304不锈钢管外皮及飞边，剩余的部分即为上述焊接材料
(2)修复前表面清理，采用钻床在皮下气孔中心部位钻出深度为 2-4mm，直径φ4-5mm的孔，以完全去除表面皮下气孔、砂眼缺陷。同时，对孔底采用打磨头进行打磨，防止钻孔后孔底尖端产生应力集中，之后目视检查表面铁屑及其他杂质清理干净，要求打磨面平整过渡。
(3)使用冷焊机对钻孔处进行多层堆焊，焊接电流50-65A，脉冲时间60-75ms，气体流量为5-7L/min。要求孔底部采用快速焊，电弧长度尽量要短，焊满孔底部后清渣。之后，先焊两边，再焊中间，实施多层多道焊，并逐层清渣。焊满后对焊趾部位施加一层回火焊道，并使焊缝余高控制在2mm以内，确保焊缝表面无气孔、裂纹缺陷。对于表面的多处铸造缺陷，可在钻孔后连续进行焊补。
(4)打磨加工，采用角磨机或铣床对焊缝表面进行加工，直至与母材表面齐平。
(5)无损检测，采用磁粉探伤的方法，对补焊区域进行检查，要求近表面无裂纹、气孔等缺陷，达到磁粉探伤I级要求。
本发明的具体实施情况如下：
实施例
GGG70L球墨铸铁铸造缺陷试样的制备
试验共使用6个GGG70L试样，其中3个试样用于磁粉探伤、观察焊缝内部缺陷、测试显微硬度，分别编号为试样1，试样2，试样3。另外3个试样用于测试焊缝的耐磨性。6个GGG70L试样尺寸为 63～66mm(长)×12～18mm(宽)×20～22mm(高)，分别在每个试样上沿长度方向每隔10mm，钻出多个深度为3mm，直径φ4.5mm的孔。之后，对孔底采用打磨头进行打磨，防止钻孔后孔底尖端产生应力集中；目视检查表面铁屑及其他杂质清理干净，要求打磨面平整过渡。
焊接材料由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.604％、Cr：13.286％、 Si：0.728％、Al：1.000％，C<0.02％，Fe为余量。采用发明内容里的焊补工艺，对试样1相邻3个孔进行连续焊补；补焊完成后，采用角磨机打磨焊缝至与周围母材平齐，使用CJE-12/220型磁轭进行磁粉探伤，近表面无裂纹、发纹、气孔缺陷；达到磁粉探伤I级要求。
沿所焊补的三个孔的中心所在的直线切取金相试样。对试样1上的3个焊缝的裂纹数量、裂纹长度、气孔数量、气孔总面积，有无未熔合情况进行统计，3个焊缝几乎无裂纹，气孔数量较少，且气孔面积总量小于焊缝截面积的5％，详情见表1；从焊缝中部的熔合线处开始打点，向上每隔200微米打一个点，共6个点。对试样上的3个焊缝 (对应焊缝1#，2#，3#)的显微硬度、平均硬度(取距离熔合线距离 200-1000μm的测试点硬度的平均值)、白口宽度进行统计，焊缝平均硬度在425HV-465HV之间，3个焊缝均无明显白口层或其他淬硬相层，详情见表2。
使用相同的焊材，采用同样的焊补工艺，对另一个试样上含有的尺寸相同的相邻3个孔进行连续焊补。采用电火花线切割机切取Φ 5mm×9mm GGG70L母材以及包含焊缝的Φ5mm×6mm圆柱。使用 CZSMCJ小型多功能摩擦磨损试验机，载荷500g，往复速度70次/min，往复次数50000次，对焊缝的耐磨性能进行测试，发现焊缝耐磨性与母材相当，详情见表3。
对比例1
将焊材成分中的铝质量分数调整为0.5％，其余成分不变，焊接材料由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.604％、Cr：13.286％、Si：0.728％、 Al：0.500％，C<0.02％，Fe为余量。采用发明内容里的焊补工艺，对试样2相邻3个孔进行连续焊补；补焊完成后，沿所焊补的三个孔的中心所在的直线切取金相试样。对试样2上的3个焊缝的裂纹数量、裂纹长度、气孔数量、气孔总面积，有无未熔合情况进行统计，3个焊缝裂纹数量较少，几乎无气孔，详情见表1；从焊缝中部的熔合线处开始打点，向上每隔200微米打一个点，共6个点。对试样上的3个焊缝的显微硬度、平均硬度、白口宽度进行统计，焊缝平均硬度在 420HV-460HV之间，3个焊缝均无明显白口层、淬硬相层，详情见表 2。
使用相同的焊材，采用同样的焊补工艺，对另一个试样上含有的尺寸相同的相邻3个孔进行连续焊补。采用DK7735电火花线切割机切取Φ5mm×9mm GGG70L母材以及包含焊缝的Φ5mm×6mm圆柱。使用CZSMCJ小型多功能摩擦磨损试验机，载荷500g，往复速度70 次/min，往复次数50000次，对焊缝的耐磨性能进行测试，发现耐磨性与母材相当，详情见表3。
对比例2
将焊材成分中的铝质量分数调整为1.5％，其余成分不变，焊接材料由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.604％、Cr：13.286％、Si：0.728％、 Al：1.500％，C<0.02％，Fe为余量。采用发明内容里的焊补工艺，对试样3相邻3个孔进行连续焊补；补焊完成后，沿所焊补的三个孔的中心所在的直线切取金相试样。对试样3上的3个焊缝的裂纹数量、裂纹长度、气孔数量、气孔总面积，有无未熔合情况进行统计，3个焊缝裂纹、气孔数量较多，详情见表1；从焊缝中部的熔合线处开始打点，向上每隔200微米打一个点，共6个点。对试样上的3个焊缝的显微硬度、平均硬度、白口宽度进行统计，焊缝平均硬度在500HV-600HV 之间，3个焊缝均有明显白口层或其他淬硬相层，详情见表2。
使用相同的焊材，采用同样的焊补工艺，对另一个试样上含有的尺寸相同的相邻3个孔进行连续焊补。采用DK7735电火花线切割机切取Φ5mm×9mm GGG70L母材以及包含焊缝的Φ5mm×6mm圆柱。使用CZSMCJ小型多功能摩擦磨损试验机，载荷500g，往复速度70 次/min，往复次数50000次，对焊缝的耐磨性能进行测试，发现耐磨性与母材相当，详情见表3。
本发明中，表1至表3如下：
表1
表2
表3
与现有技术相比，采用本发明技术方案有效减少热裂纹数量，气孔面积限制在5％以内，焊缝平均硬度在425HV-460HV之间，重复性好，操作方便，焊补效率高，可进行广泛推广。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.100-1.203％、Cr：12.214-14.338％、Si：0.651-0.864％、Al：0.875-1.323％，C<0.02％，Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：Ni：0.604％、Cr：13.286％、Si：0.728％、Al：1.000％，C<0.02％，Fe为余量。
3.根据权利要求1所述的用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接材料，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：Ni：1.003％、Cr：12.890％、Si：0.705％、Al：1.212％，C<0.02％，Fe为余量。
4.一种用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备如权利要求1-3任一项所述的焊接材料；
2)修复前表面清理，采用钻床在铸造缺陷中心部位钻出深度为2-4mm，直径φ4-5mm的孔；对孔底采用打磨头进行打磨，要求打磨面平整过渡，清理干净表面杂质；
3)使用超激光冷焊机对钻孔处进行多层堆焊，焊接电流为50-65A，脉冲时间为60-75ms，气体流量为5-7L/min；
4)对焊缝表面进行打磨加工，直至与母材表面齐平；
5)采用磁粉探伤的方法，对补焊区域进行检查。
5.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤1)中，制备焊接材料包括如下步骤：
S1、按照焊接材料中各物质的组分重量百分比将各高纯金属粉末原材料投入到球磨机中进行球磨混合；
S2、将粉末装填到空心管中，将空心管两头封堵，在开有不同直径半圆槽的轧辊上进行轧制；
S3、去掉空心管外皮及飞边，剩余的部分即为上述焊接材料。
6.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤2)中，采用钻床在铸造缺陷中心部位钻出深度为3mm，直径φ4.5mm的孔。
7.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤3)中，要求孔底部采用快速焊，电弧长度尽量要短，焊满孔底部后清渣；先焊两边，再焊中间，实施多层多道焊，并逐层清渣；焊满后对焊趾部位施加一层回火焊道，并使焊缝余高控制在2mm以内。
8.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤3)中，对于表面的多处铸造缺陷，在钻孔后连续进行焊补。
9.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤4)中，打磨加工采用角磨机或铣床进行。
10.根据权利要求4所述用于高强度球墨铸铁铸件铸造缺陷冷焊焊补的焊接工艺，其特征在于：步骤5)中，无损检测的方法采用磁粉探伤方法，检查要求近表面无裂纹、发纹、气孔等缺陷，达到磁粉探伤I级要求。
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