CO2气体保护焊在灰口铸铁补焊中的应用

CO 2 气体保护焊在灰口铸铁补焊中的应用

徐义洪 陈竞显 李金红 高庆寿 李玉兰 吴世超

中国水电四局（兰州）机械装备有限公司云南分公司 云南 祥云 672100

摘要 ：本文从灰口铸铁的特殊性及CO₂气体保护焊的焊接特点及ER49-1焊丝化学成分特点进行分析，论证细丝CO₂气体保护焊应用于灰口铸铁补焊的可行性。介绍了通过合理选择焊接材料、焊接参数以及采取适当的工艺措施，取得了良好的补焊效果。

关键词 ：灰口铸铁；CO₂气体保护焊；ER49-1焊丝；补焊

前言

灰口铸铁具有良好的铸造性和切割性能，同时，也由于灰口铸铁中的石墨以片状存在，因此具有良好的耐磨性、抗震性和切削加工性并具有较高的抗压强度。灰口铸铁以铸件的形式用于生产，在生产过程中，时常会出现损坏现象，我公司的一台8mm剪板机在使用过程中，由于上下刀口间隙过大，操作者操作不当，致使钢板夹于上下刀板之间，造成上刀架断裂，裂纹总长约550mm，厚度35～50mm，该刀口材质为HT-200铸铁。如图1所示。

进行刀板整体更换需要到厂家订做，耗费时间长，费用高；因此，需采取有效的工艺措施对剪板机刀口进行补焊。

1．灰口铸铁可焊性分析

灰口铸铁的特点是含碳量特别高在2%～4%左右，与普通的碳钢进行对比，其可焊性十分差。表1、表2为对比的化学成分表及力学性能表。

表1 灰口铸铁与低碳钢的化学成分比较

表2 灰口铸铁与碳钢的力学性能比较

1.1 化学成分特殊

由于灰口铸铁的化学成分特殊，在补焊过程中，母材近焊缝区受焊接高温加热，使得处于游离状态下的石墨熔于铁中。冷却时，当焊接接头在急冷条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨的形式析出，呈渗碳体出现，即白口。白口组织硬而脆，使得焊缝难以加工，甚至导致增加裂纹的敏感性。

1.2力学性能低

灰口铸铁力学性能低，焊接接头发生裂纹的敏感性增大。从其力学性能数据可以看出塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度低，所以在焊接应力及铸铁本身组织应力的共同作用下，当局部应力大于强度极限时，就产生裂纹，甚至产生剥离。

因此，灰口铸铁的以上两方面特点，决定了灰口铸铁的焊接性不良。

2．补焊工艺设定

由于灰口铸铁的特殊性，其补焊方式常用有手工电弧焊的热焊和冷焊。电弧热焊需要600～700℃的预热温度，并保证不小于400℃的层间温度，焊接采用大电流的焊接参数，以及焊后700℃左右的消除应力热处理施工工艺。考虑其操作全过程均为高温，不宜采用。

电弧冷焊可以不用焊前预热，采用小参数焊接，虽然没有热焊产生白口和应力的倾向小，但可以通过电流、极性等参数来控制熔合比。

熔化极CO₂气体保护焊具备电弧冷焊的优势，而且热输入低，抗裂性能好，并且综合成本低、效率高。

因此，我们选用熔化极CO₂气体保护焊冷焊进行刀口的补焊。

2.1 可行性分析

由于灰口铸铁焊接性能不良，焊接接头白口区愈宽，其机械加工性能愈差，就容易出现裂纹。而焊接过程中影响白口区宽度的因素较多，如：焊接参数、焊件的大小、预热温度、焊缝的化学成分等等。

当采用非铸铁型焊接材料时，焊缝半熔合区的宽度就是决定白口区的宽度。异质材料CO₂气体保护焊补焊时，焊缝组织不是铸铁，自然可以防止焊缝白口的产生。但由于母材熔化而过渡到焊缝中的碳较高，又产生另一种高硬组织——马氏体。所以在采用异种材料焊接时，必须防止或减弱母材过渡到焊缝中的碳元素，产生高硬度组织的有害作用。这时，应当考虑加入到焊缝中的合金元素对半熔化区化学成分的影响，也就是说半熔化区脱碳或增碳，可以使半熔化区变宽或变窄。另外，硫、磷的扩散也易使焊缝产生热裂纹和冷裂纹。焊接时为了削弱这种过渡，降低焊缝含碳量，避免淬硬组织，降低裂纹倾向，必须采用小规范焊接。

2.2可焊性分析

1、焊接工艺分析

选用低碳低合金钢细丝CO₂气体保护焊丝，采用小规范焊接参数焊接，短路过渡，线能量输入小，有利于降低铸铁中过渡到焊缝中的碳的含量。焊丝中含有一定的硅、锰元素，以及电弧气氛的氧化性，使碳、硫、磷有一定的烧损，这有利于减少母材有害元素向焊缝中过渡。加上采用小线能量输入，母材熔深浅，以及CO₂气体本身的冷却作用，增加了焊接密封性，有利于减少温差及焊接应力，从而降低焊缝对热裂纹的敏感性。

2、焊材化学成分分析

从灰口铸铁的特性得知，灰口铸铁中的部分碳来不及以石墨的形式析出，便形成渗碳体形式存在产生白口，使得力学性能降低，产生裂纹。因此，灰口铸铁焊接时，必须促进其石墨化，严防白口组织的产生。碳(C)是产生白口的基础；硅(Si)能够降低碳在液相及固相的溶解度，因而促进石墨化过程的进行。

表3 ER49-1（H08Mn2SiA）化学成分

采用ER49-1焊丝焊接时，焊丝中的C和Si是促进石墨化作用的元素；Si与铁（Fe）原子的结合力很强，可以增强铁水和固态铸铁中碳原子的扩散能力，从而促进石墨化；Mn（锰）与S（硫）生成MnS，可以减弱S对石墨化的阻碍作用，而ER49-1焊丝中低硫含量（见表3：ER49-1化学成分），正好促使灰口铸铁中含量高达1.2%的硫间接发挥促进的作用；焊丝表面的Cu(铜)也是促进石墨化的有益元素。

因此，从焊材的化学成分上进行分析，采用ER49-1焊丝焊接灰口铸铁，具有一定的理论依据。

3、补焊工艺实施

3.1焊前准备

（1）为了防止裂纹的延伸扩大，在裂纹的端头各钻一个￠13mm的止裂孔，刀片槽与刀架横向壁厚采用单臂刨床加工坡口，剩余部分采用角向磨光机打磨加工，将工件上的油渍、砂粒等污物清除干净。在壁厚50mm坡口内间隔30×15mm呈品字形均布钻孔攻丝M12，拧入M12×40mm螺栓（栽丝），外露10mm，如图2。

（2）制备加固垫板，在刀架上钻孔攻丝，如图3。

垫板材质为16Mn，板厚20mm，固定螺栓为M20×80mm，8.8级高强螺栓。垫板钻孔￠22mm，刀架攻丝M20。将垫板1和垫板2固定于刀架上，必须使垫板和刀架紧密贴合，焊接垫板1和垫板2接缝。

3.2焊接工艺参数

剪板机刀口补焊采用熔化极CO₂保护气体焊接（保护气体流量为15L/min），焊接工艺参数见下表4：

表4： 剪板机刀口补焊焊接参数

3.3工艺措施

1、在焊缝端头设置引（熄）弧板，焊前将工件坡口两侧30mm内油污、锈蚀、杂质清理干净。

2、焊接顺序为先焊刀架垂直壁厚至与横向壁厚平齐，再焊横向壁厚，依次往外焊接。

3、为了防止局部过热，采用多层多道、分段逆向跳焊、短焊道（每段长度为50～70mm）的焊接工艺；焊接时不作横向摆动；接头搭接为每段焊缝长度的1/4，收弧时必须填满弧坑。层/道焊缝温度为60～80℃（检测区为焊缝背面焊缝热影响区域）。

4、焊后锤击消除应力。每焊完50～70mm后立即用锤子轻轻锤击焊缝及热影响区，以减少残余应力。

5、在进行下一道焊接前，要对前一道焊缝进行细致的观察，如发现有裂纹、气孔等缺陷，必须及时清除后方可继续焊接。完成所有焊缝后，用石棉覆盖焊缝进行保温，使焊缝缓冷。

3.4焊后检验

焊后将焊缝余高打磨平齐，并将表面的氧化渣、飞溅等杂物清除干净，再用钢丝刷刷至露出金属光泽。用肉眼和5～10倍放大镜检查焊缝和热影响区有无裂纹等缺陷，再用MT-100％探伤检验。

4、焊后加固

焊后经外观检验和无损检测合格后，将垫板固定螺栓拧紧，安装加固垫板，将固定螺栓与垫板焊接。

5、结论

采用细丝CO₂气体保护焊修补灰口铸铁，成本低，修复时间短，焊后经检查未发现裂纹等缺陷。修复后的刀架一直使用至今，效果良好。实践证明，通过合理选用工艺参数，采取适当的工艺措施，控制好焊缝半熔合区，就可以控制好灰口铸铁产生白口。细丝CO₂气体保护焊补焊灰口铸铁是可行的。

参考文献

[1] 朱健超，叶麟发，高能先；合金元素对铸铁焊接接头白口区宽度的影响；焊接1982

[2] 邱葭菲；金属熔焊原理与材料焊接；机械工业出版社 ；2015

[3] 中国机械工程学会焊接学会；焊接手册（第二版）（2）册； 机械工业出版社 2003