專利名稱：鑄鐵大線能量電弧冷焊技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電弧冷焊鑄鐵缺陷的一種方法，尤其適用于灰鑄鐵加工面大缺陷的焊補(bǔ)。
中國發(fā)明專利公報中，于1987年8月12日公開了一種“鑄鐵冷焊”的方法，其目的是焊補(bǔ)鑄鐵的裂紋和缺陷;其方法是用普通低碳鋼焊條焊接鑄鐵，具體方法有兩種，一是直接冷焊，焊機(jī)電流為70～200安培，電弧長度3～5毫米，焊后，馬上用水冷卻;二是水保護(hù)冷焊，把工件放入水中，僅露出焊接部位，然后進(jìn)行焊接;其不足之處是，采用這兩種方法僅陷于鑄鐵非加工面的焊補(bǔ)，使用范圍有限。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，解決鑄件加工面裂紋和缺陷的焊補(bǔ)，尤其是大灰鑄鐵件加工面大缺陷、大裂紋的焊補(bǔ)，達(dá)到焊縫區(qū)、熔合區(qū)不存在白口組織，其硬度和母材硬度一致，能進(jìn)行機(jī)械加工，其至刮削加工的目的，并可有效地防止裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，也適用鑄鐵非加工面上的缺陷焊補(bǔ)。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達(dá)到一、焊前準(zhǔn)備1、用電弧、砂輪或氣刨槍對鑄件缺陷處開坡口，清除砂粒、水分、油類等雜物，并在坡口凌空處及其周圍用耐火泥或耐火磚等耐火材料造型。
2、采用鑄鐵芯焊條，焊條直接φ5～φ10。
3、焊接電流Ⅰ與焊條直徑φ的關(guān)系是I＝45～55φ。
4、焊接規(guī)范選擇
鑄件厚度(mm) 焊條直徑φ(mm) 焊接電流I(A)≤25 5 180～22025～40 6 250～330≥40 8～10 360～460二、施焊方法1、采用長弧、分段、連續(xù)施焊在第一段補(bǔ)焊時，焊縫填滿后可用器具把鐵水撥出，根據(jù)實(shí)際情況可無或可有若干次。再焊補(bǔ)第一段直到填滿后，熔池高出母材2～6毫米，焊后溫度達(dá)1000℃～400℃時，用鉗子榔頭錘擊焊縫，錘擊力量由輕到重，然后以同樣方式補(bǔ)焊第二段、第三段、……，其不同之處在于除第一段要刮出熔池內(nèi)的鐵水外，其余各段不需刮出鐵水工序，最后用硅酸鋁耐火纖維材料覆蓋在焊補(bǔ)處，使其緩慢冷卻直至室溫，清除耐火、保溫材料及浮渣等雜物，整個焊接過程就此結(jié)束。
本發(fā)明建立的理論基礎(chǔ)是根據(jù)亞共晶過冷液態(tài)鑄鐵等溫轉(zhuǎn)變圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，見圖1和圖2所示，可知焊補(bǔ)鑄鐵熔合區(qū)在1100℃時，冷卻速度小于10℃/秒或者等溫停留20～30秒是獲得灰口組織的充分條件，下面對這兩個條件作進(jìn)一步的計算1、以φ6焊條為例，計算線能量E值E＝60.U.I.η/ν式中U-電弧電壓，取30V(伏)I-焊接電流，取300A(安培)ν-焊接速度，為1.8厘米/分η-實(shí)際熱效率，為0.75將上述數(shù)據(jù)代入公式則 E＝60×30×300×0.75/1.8＝53550(卡/厘米)
這個數(shù)值比一般電弧焊接線能量大得多。
2、以室溫20℃作為冷焊時溫度，焊補(bǔ)熔池在1100℃時的停留時間tN值計算tH＝ME/2πλ(TH-T0)式中M-常數(shù)，取M＝1λ-材料導(dǎo)熱系數(shù)，取λ＝0.06卡/厘米·秒·℃π-圓周率TH-熔池溫度，取1100℃T0-工件溫度，取20℃則 tH＝1×53550/2π×0.06(1100-20)＝131(秒)3、計算冷卻速度ν值ν＝2πλ(TH-T0)22/E＝2π×0.06(1100-20)2/53550＝8.32(℃/秒)從以上計算可知，鑄鐵大線能量電弧冷焊方法能夠達(dá)到焊接接頭所獲得灰口組織的兩個充分條件，除此而外，本發(fā)明也可防止裂紋的產(chǎn)生。一般金屬的斷裂是由裂源、擴(kuò)展和破斷三部分組成，而鑄鐵是一種強(qiáng)度低而脆性高的材料，并存在著大量裂源，如母材中的石墨片、雜質(zhì)、氣孔、砂眼等，焊補(bǔ)時可能出現(xiàn)的咬肉、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷，熔合區(qū)出現(xiàn)的白口層組織，熱影響區(qū)出現(xiàn)的許火馬氏體組織，都是潛在的裂源，當(dāng)補(bǔ)焊后，熔池凝固收縮時，產(chǎn)生拉應(yīng)力，這些裂源處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，一旦超過鑄鐵本身強(qiáng)度極限時，就會形成宏觀裂紋，本發(fā)明通過下述方法來解決這個問題的。
1、參看圖3和圖4所示，在共晶溫度以上，鑄鐵收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于共晶溫度以下的收縮率，本發(fā)明正是利用這一特點(diǎn)，使熔池溫度在1100℃時產(chǎn)生自由收縮，減小拉應(yīng)力，達(dá)到防止裂源擴(kuò)展的目的。
2、采用分段連續(xù)一次施焊的方法，第二段的補(bǔ)焊使第一段焊補(bǔ)后的熔池不僅起到補(bǔ)縮作用，而且也起到退火作用，減少了熱應(yīng)力的形成，將三向應(yīng)力改變?yōu)閮上驊?yīng)力，降低了裂紋擴(kuò)展的能力。
3、分段施焊中進(jìn)行熱錘擊，使焊縫中，柱狀粗晶變?yōu)榈容S細(xì)晶，石墨片G長度減小，珠光體P變細(xì)，增加了鑄鐵塑性變形的能力，使應(yīng)力得到松弛，并把拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，參看圖5，鑄鐵在400℃以上均有塑變能力，經(jīng)過550～700℃的錘擊，使其具備了超塑或塑變的條件，使焊縫金屬變形均勻，應(yīng)力分散，達(dá)到防裂的目的。


如下圖1是普通亞共晶過冷液態(tài)鑄鐵等溫結(jié)晶轉(zhuǎn)變圖。
圖中L-熔體，A-奧氏體，G-石墨，C-滲碳體，BD線為A開始析出線，OSF線為G開始析出線，HSE線為C開始析出線，PHFK線為凝固終了線，F(xiàn)Z為共晶C分解開始線，HX為共晶C分解終了線。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條線近似地代表三種不同的冷卻速度，BJ線為等溫轉(zhuǎn)變示意曲線。
圖2是普通亞共晶鑄鐵連續(xù)冷卻結(jié)晶轉(zhuǎn)變圖。
圖中P-珠光體，F(xiàn)-鐵素體，B′D′-初生A的開始析出線，O′E′-共晶轉(zhuǎn)變開始線，
P′K′-共晶轉(zhuǎn)變終了線，X′W′-白口鑄鐵共析轉(zhuǎn)變開始線，Y′Z′-白口鑄鐵共析轉(zhuǎn)變終了線，Q′R′-灰鑄鐵共析轉(zhuǎn)變中G和F開始析出線，T′R′S′-灰鑄鐵共析轉(zhuǎn)變中P開始析出線，U′ν′-灰鑄鐵共析轉(zhuǎn)變終了線。
曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表20℃/秒、14℃/秒、10℃/秒、7℃/秒、3℃/秒冷卻速度。
圖3是鐵Fe、碳C相圖。
圖4是亞共晶鑄鐵的收縮曲線圖。
圖中ε固-表示鑄鐵固態(tài)時的收縮曲線;
ε凝-表示鑄鐵半液態(tài)時的收縮曲線;
ε液-表示鑄鐵液態(tài)時的收縮曲線。
圖5是不同溫度下灰口鑄鐵應(yīng)力σ-應(yīng)變δ曲線圖。
圖6是M6020A萬能工具磨床底座缺陷部位示意圖。
1-掉砂缺陷。
圖7是2M9120A多用工具磨床滑座示意圖。
2-裂溫缺陷。
圖8是潛水泵端蓋剖視圖。
圖9是圖8的俯視圖。
圖中3-掉砂缺陷。
圖10是采用純鎳鑄308焊條，對含碳量3.4%灰鑄鐵補(bǔ)焊后焊接接頭的金相組織，焊條直徑為φ3.2毫米，焊接電流為90～100A。
圖中a-焊縫區(qū)金相組織，
b-熔合區(qū)金相組織，c-熱影響區(qū)和母材組織。
圖11是采用鑄248焊條，小線能量焊補(bǔ)后的金相組織，焊條直徑φ4毫米，焊接電流為160A。
圖12是本發(fā)明采用鑄248焊條大線能量電弧冷焊技術(shù)后的金相組織，焊條直徑φ6毫米，焊接電流300A。
本發(fā)明將結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步的說明例1參看圖6所示，缺陷掉砂1正處于加工面一側(cè)、剛性又很大的位置，該缺陷長約100毫米，寬約20～30毫米，施焊工藝是這樣采用福建建陽焊條廠生產(chǎn)的鑄248焊條，直徑φ6毫米，焊縫處經(jīng)開坡口，清砂處理，用耐火磚在縱方向上造型，在橫方向上分三段依次焊補(bǔ)，當(dāng)?shù)谝欢魏缚p填滿后，用木棒或鐵棒將熔池鐵水刮出后，再繼續(xù)引長弧施焊，待熔池高于表面3～5毫米，停止焊補(bǔ)，熔池凝固后，用鉗工榔頭輕錘擊，當(dāng)焊縫冷卻到700～550℃時加重加速錘擊，溫度低于400℃時停止錘擊，依照此法繼續(xù)施焊其余各段，不同的是除第一段要刮出熔池鐵水以提高焊補(bǔ)區(qū)域的溫度外，其余各段可不進(jìn)行刮出工序;停止錘擊后，用硅酸鋁耐火纖維覆蓋保溫緩冷，冷至室溫后，清除各類雜質(zhì)，即可進(jìn)行機(jī)械加工。
例2參看圖7，缺陷裂紋2長約70毫米，正處于框架的角部，是鑄件最后凝固處，含硫、磷量較高，成分偏析較重，并含有縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，裂紋2處也正是加工面處;焊補(bǔ)的方法是先用鏨子或砂輪在焊補(bǔ)處開成V型坡口，用耐火泥造型、分三段由里向外施焊，采用鑄248焊條，直徑φ6毫米，焊接電流280～300A，引弧連續(xù)補(bǔ)焊填滿第一段熔池后，立即用木棒刮出鐵水，如此反復(fù)兩次后，繼續(xù)對第一段進(jìn)行引長弧施焊，當(dāng)?shù)谝欢魏缚p填滿并凝固后，用榔頭進(jìn)行熱錘擊，到400℃左右，停止錘擊，再繼續(xù)依次補(bǔ)焊其它各段，只是不必刮出鐵水，補(bǔ)焊最后一段時將焊縫略加高，在外緣處熄弧，進(jìn)行熱錘擊，最后在焊縫處覆蓋硅酸鋁耐火纖維材料緩冷，直至室溫，經(jīng)清理各種雜質(zhì)后，可進(jìn)行機(jī)械加工。
例3參看圖8和圖9所示，缺陷掉砂3長150毫米，寬約60毫米，深約30毫米，處于端蓋內(nèi)邊緣處，補(bǔ)焊方法是這樣用φ6毫米的鑄248焊條開坡口，電流采用330A，經(jīng)清渣后，用耐火泥造型;補(bǔ)焊用280～300A焊接電流，先將最深處缺陷熔合好，再分段焊補(bǔ)，第一段連續(xù)施焊填滿略高于鑄件1～2毫米，等凝固后進(jìn)行熱錘擊，覆蓋保溫材料保溫，依次方法焊完第二段，第一段和第二段補(bǔ)焊時，先對向熔合區(qū)運(yùn)條，最后在焊縫的外沿處熄弧，并高出鑄件4～6毫米，凝固后，熱錘擊，覆蓋保溫材料。
上述三個例子的結(jié)果，既能加工，又無裂紋缺陷，其組織是什么，參看圖10、11、12，金相組織，用含碳量3.4%的灰鑄鐵作為母體，用三種不同的焊補(bǔ)方法施焊，焊縫和熔合區(qū)得到三種不同的組織，圖10是采用純鎳鑄308焊條施焊的組織;圖11是采用鑄248焊條，小線能量焊補(bǔ)方法的組織;圖12是采用本發(fā)明施焊的金相組織。都是放大500倍后的像片，從圖中我們可以看到圖10中的組織為焊縫區(qū)a是奧氏體A，熔合區(qū)b是滲碳體C+萊氏體Ld+石墨G+珠光體P，母體C是珠光體P+鐵素體F+石墨G。圖11中的組織為焊縫區(qū)a是鑄光體P+鐵素體F+石墨G，熔合區(qū)b是萊氏體Ld+珠光體P+鐵素體F+石墨G，母體C靠近熔合區(qū)處的熱影響區(qū)有隱針狀馬氏體，母體C還有珠光體P+鐵素體F+石墨G。圖12中的組織為焊縫區(qū)a是由較細(xì)的珠光體P+鐵素體F+石墨G組成，熔合區(qū)b和母體c均和焊縫組織一樣。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、降低冷卻速度，提高了石墨化的能力，使應(yīng)力松弛。
2、延長了高溫停留時間，提高了原子擴(kuò)散速度及共晶滲碳體的分解速度，為增加石墨核心及擴(kuò)散作用創(chuàng)造了有利條件。
3、因采用同質(zhì)焊條，故有利于聯(lián)生結(jié)晶的形成，使熔合性良好，也為產(chǎn)生灰口組織創(chuàng)造有利條件。也使焊縫顏色與母材一致。
4、具有電弧攪拌作用，有利于原子擴(kuò)散及焊縫等軸晶粒的形成。
5、由于采用分段熱錘擊法焊補(bǔ)，使熔池自由收縮，使焊縫金屬產(chǎn)生超塑性現(xiàn)象，應(yīng)力大為降低，使裂源難以擴(kuò)展，從而達(dá)到防裂的目的。
6、成本低廉，生產(chǎn)率高，適用于各鑄造廠及各機(jī)械廠的鑄件焊補(bǔ)和機(jī)件修復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵大線能量電弧冷焊技術(shù)，其特征在于①用電弧、砂輪或氣刨槍對鑄件缺陷處開坡口，清除砂粒，水分、油類等雜物，并在坡口凌空處及其周圍用耐火材料造型；②采用鑄鐵芯焊條；③焊接規(guī)范選擇為鑄件厚度(mm) 焊條直徑φ(mm) 焊接電流I(A)≤255 180～22025～40 6 250～330≥408～10 360～460④采用長弧、分段、連續(xù)施焊，使熔池高出母材2～6毫米，當(dāng)熔池凝固、溫度在1000～400℃時，用榔頭錘擊焊縫，最后用耐火材料覆蓋，冷至室溫、清除各雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鐵大線能量電弧冷焊技術(shù)，其特征在于耐火材料指的是耐火泥、耐火磚，保溫材料指的是硅酸鋁耐火纖維、木炭、煙炭末等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鐵大線能量電弧冷焊技術(shù)，其特征在于當(dāng)熔池凝固到800～1000℃時，輕錘擊，當(dāng)其溫度在550～700℃時;加重錘擊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鐵大線能量電弧冷焊技術(shù)，其特征在于鑄鐵芯焊條為鑄248焊條、鑄258焊條。
全文摘要
本發(fā)明屬于電弧冷焊鑄鐵缺陷的一種方法，主要解決加工面上的大缺陷、大裂紋的焊補(bǔ)，并能加工和刮削，防止裂紋的產(chǎn)生。主要特征是用鑄鐵芯焊條。采用大線能量焊接，長弧分段連續(xù)施焊，連續(xù)錘擊凝固中的焊縫。其主要優(yōu)點(diǎn)是，母材、熔合區(qū)、焊縫組織皆為灰口組織，并均勻分布，可加工、可刮削，無裂紋產(chǎn)生，適用于各鑄造廠及各機(jī)械廠的鑄件焊補(bǔ)。
文檔編號B23K9/013GK1058362SQ9010498
公開日1992年2月5日 申請日期1990年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月26日
發(fā)明者靳思堅 申請人:靳思堅