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铸铁补焊补充  

2007-07-23 17:10:18|  分类: 技术类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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试述铸铁焊补时产生白口的原因及预防措施。

铸铁焊补时,往往会在焊缝和母材交界的熔合线处生成一层白口铸铁,严重时会使整个焊缝断面白口化,其硬度可高达600HBW,极难进行机械加工。

产生白口的原因:一方面是由于焊缝的冷却速度快,特别是在熔合线附近处的焊缝金属是冷却最快的地方;另一方面是焊条选择不当,使焊缝中的石墨化元素含量不足。

防止产生白口的措施:

⑴减慢冷却速度  延长熔合区处于红热状态的时间,使石墨能充分析出,具体措施是焊前对焊件进行预热和焊后保温缓冷。

⑵增加石墨化元素含量  铸铁中常存的C、Si、Mn、S、P元素中,C和Si是强烈的石墨化元素,只有当(C+Si)%含量达到一定值时,在适当冷却速度配合下,才能使焊缝获得灰铸铁组织。因此,选择含硅、碳较高的焊接材料是防止产生白口的常用方法之一。

⑶采用异质材料焊接  采用镍基、铜基、钢基焊缝的焊接材料,使焊缝不是铸铁组织,因而从根本上避免了产生白口。

53  试述铸铁焊补时产生淬硬组织的原因及预防措施。

铸铁焊补时,在焊缝及热影响区均会产生马氏体转变,形成淬硬组织。

当采用低碳钢焊条焊接铸铁时,即使采用较小的焊接电流,母材在第一层焊缝中所占的百分比也将为25%~30%,当铸铁的碳的质量分数为3.0%时,第一层焊缝的平均碳的质量分数将为0.75%~0.9%,属于高碳钢。这种高碳钢焊缝在电弧冷焊后将会出现马氏体组织,其硬度可达500HBW左右。

焊接接头中的熔合区,由于冷却速度快,在共析转变温度区间,可出现奥氏体转变成马氏体的过程。

因此,铸铁焊补后,由于白口和淬硬的共同作用,使焊缝和热影响区局部出现高硬度,经机械加工带来很大的困难。用碳钢或高速钢刀具往往加工不动,用硬质合金刀具虽可勉强加工,但“打刀”的危险性很大,即刀具从硬度较低的灰铸铁(160~240HBS)上切削过来,突然碰上高硬度带,容易打刀,并加剧刀具的磨损。现在用的钻头大都用高速钢制造,故用钻头对有白口层或淬硬区的灰铸铁进行钻孔是非常困难的。生产实践说明,当灰铸铁的焊接接头的最高硬度在300HBS以上时,就很难进行切削加工。

预防铸铁焊补时产生淬硬组织的措施是对焊件进行焊前预热和采用异质焊缝的焊接材料。

54  试述铸铁焊补时产生裂纹的原因及预防措施。

铸铁焊补时可能产生冷裂纹和热裂纹两种类型的裂纹。

⑴冷裂纹  冷裂纹可能出现在焊缝或热影响区上,并且发生在400℃以下。

当焊缝为铸铁型时,易于出现焊缝冷裂纹。裂纹发生时常伴随着可听见的较响的脆性断裂声音,焊缝较长时或焊补刚性较大的缺陷时,常发生这种裂纹。其产生的原因是:焊接过程中由于焊件局部不均匀受热,焊缝在冷却过程中受到很大的拉应力,由于铸铁强度低,400℃以下基本无塑性,当拉应力超过此时铸铁的抗拉强度时,即发生焊缝冷裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时,由于白口铸铁的收缩率(2.3%)比灰铸铁的收缩率(1.26%)大,故焊缝更易出现冷裂纹,特别是当焊缝强度大于母材时,冷却过程中母材牵制不住焊缝的收缩,结果在结合处母材被撕裂,这种现象称为“剥离”。

当焊接接头刚性大、焊补层数多,焊补金属体积大,使焊接接头处于高应力状态时,如焊缝金属的屈服点又较高,难于通过其塑性变形来松驰焊接接头的高应力,则焊接裂纹易于在热影响区的白口区或马氏体区产生,形成热影响区冷裂纹。

防止冷裂纹最有效的办法是对焊补件进行550~700℃的整体预热,其次是采用异质焊缝的焊接材料。

⑵热裂纹  当采用镍基焊接材料(如Z308、Z408、Z508焊条)及一般常用的低碳钢焊条焊补铸铁时,焊缝金属对热裂纹较敏感。产生的原因是:采用镍基材料焊补铸铁时,由于铸铁含S、P高,形成较多的低熔点共晶物,如Ni-Ni3S2(熔点644℃)、Ni-Ni3P(熔点880℃);采用低碳钢焊条焊补铸铁时,第一、二层焊缝会从铸铁溶入较多的C、S及P,因此使第一、二层焊缝的热裂程度增加。

防止产生热裂纹的方法是调整焊缝的化学成分,加入稀土元素,增强脱硫、脱磷的能力,减小熔合比,降低焊接应力等。

55  常用灰铸铁的牌号及其焊接方法有哪些?

灰铸铁是应用最广泛的铸铁,其化学成分,见表34。

表34  灰铸铁的化学成分(质量分数)  (%)

C

Si

Mn

P

S

2.0~4.5

0.5~3.5

0.3~1.5

<1

<0.15

目前灰铸铁的牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350和HT400。

由于焊补的要求多种多样(焊后加工性、致密性、焊缝金属颜色与母材的配合、焊接接头强度及焊补成本的要求不同)及焊补对象不同(铸件壁厚、缺陷所处位置刚性、缺陷种类及焊补后的使用条件等的不同),有多种焊补方法及焊接工艺,其分类如下:

 

56  试述灰铸铁电弧热焊和半热焊的工艺特点。

焊前将铸件整体或局部预热至600~700℃,在焊补过程中保持这一温度,并在焊后采取缓冷措施的工艺方法称为热焊。预热温度在300~400℃称为半热焊。

热焊有着突出的优点,通过预热和缓冷,使焊接接头冷却速度缓慢,可避免产生白口及淬硬组织,保证接头有良好的切削加工性能,由于预热温度较高,使焊缝与母材的温差变小,大大地降低了接头的热应力。灰铸铁在600~700℃时有一定的塑性,伸长率可达2%~3%,因此可有效地防止产生焊接裂纹。热焊多采用铸铁型焊接材料,使焊缝的组织、硬度、其它物理性能以及颜色等都与母材接近,铸铁热焊能获得质量最佳的焊接接头。其缺点是劳动条件恶劣,生产成本高,生产率较低。

热焊适用于冷速慢的薄壁铸件,结构复杂、刚性较大易产生裂纹的部件,以及对焊补区硬度、颜色、密封性、承受动载荷等要求较高的零、部件。

半热焊由于预热温度低,冷却速度较快,需要在石墨化能力更强的焊接材料配合下才能获得灰口组织,但能改善劳动条件,简化焊接工艺。对于刚度较大铸件的焊补,半热焊还具有一定的裂纹倾向。

57  试述灰铸铁电弧热焊和半热焊的焊补工艺。

焊补工艺如下:

⑴焊条的选用  热焊选用铸铁芯石墨化焊条EZC(牌号Z348),焊芯直径为6~12mm,电源交、直流两用。通过焊芯和药皮的熔化共同向焊缝过渡C、Si等石墨化元素。半热焊选用钢芯石墨化型焊条EZFe(牌号Z208),焊芯为H08A,其直径在5mm以下药皮中含有较多的C、Si、Al等石墨化元素向焊缝过渡。

⑵焊前准备  铲除缺陷至露出金属本色,用扁铲、风铲、砂轮等开坡口。坡口上缘稍大,底面应圆滑过渡,四周可用黄泥围筑造型,以防铁液流失,见图6。

⑶预热  可采用气乙炔焰或加热炉进行。

⑷焊补  从缺陷中心引弧,逐渐移向边缘,较小缺陷连续填满,缺陷较大时,逐层堆焊直到填满。

⑸焊后保温用保温材料覆盖铸件使其缓冷,重要铸件可进行600~700℃的消除应力热处理。

58  试述灰铸铁气焊的焊补工艺。

用氧乙炔焰焊补灰铸铁有一系列优点:由于气体火焰的温度比电弧低,热量不集中,加热速度缓慢,焊前可利用气体火焰对铸件进行预热,焊后可利用气体火焰对焊补区继续加热,使其缓慢冷却,因此可有效地防止白口、淬硬组织和裂纹的产生。因此,气焊目前仍是焊补灰铸铁的

要方法之一。

⑴焊丝及熔剂  气焊灰铸铁用焊丝型号为RZC-1、RZC-2,其化学成分,见表35。

表35  气焊灰铸铁用焊丝化学成分(质量分数) (%)

型  号

C

Si

Mn

S

P

Fe

RZC-1

3.20~3.50

2.70~3.00

0.60~0.75

≤0.10

0.50~0.75

余量

RZC-2

3.50~4.50

3.00~3.80

0.30~0.80

≤0.50

气焊熔剂(气焊粉)的作用是去除熔池表面的高熔点SiO2(1713℃),牌号为CJ201,主要成分是脱水硼砂和苏打。

⑵焊炬及焊嘴  宜选用功率较大的大、中号焊炬。铸件壁厚20mm以下者,可选用ф2mm孔径的焊嘴;壁厚20mm以上都,可选用ф3mm孔径的焊嘴。

⑶焊补工艺

1)用中性焰进行焊补。先将母材加热至熔化温度,将焊丝煨热,蘸上熔剂送入熔池。

2)火焰的焰心距熔池表面10mm左右,施焊过程中,应使火焰始终盖住熔池,以加强保护。

3)焊接开始时可用焊丝括去缺陷,挖出坡口。焊接过程中将焊丝端头插入熔池底部,进行摩擦、搅动,使气体能从熔池中充分逸出,防止产生气孔。

4)焊后应使焊缝高出母材表面2~3mm,与母材保持平滑过渡,焊后继续用气体火焰加热焊补区,使接头缓慢冷却。

59  试述灰铸铁铸铁型焊缝电弧冷焊的工艺特点。

电弧冷焊焊工的劳动条件好,工艺过程简单,生产效率高,成本低。但由于冷却速度快,接头的白口及裂纹的问题比较突出。焊条仍采用EZC(牌号Z248)和EZFe(牌号Z208),工艺安排总的原则是要有较大的缺陷体积,采用大电流、连续焊。具体施焊时要注意下列几点:

1)大型焊件存在较大缺陷(缺陷体积在60~100cm3) 时,为了防止产生冷裂纹,焊补时应分区、分段填满,待每区段焊高出母材3 ~5mm时,再向前推进一区段,见图7。切忌电弧快速全面铺展,不宜分层堆焊。亦可在缺陷中部先用石墨板隔成两半,分两次焊补,先连续焊完一半,取出石墨板,再焊补另一半。收尾时,将电弧沿焊完的缺陷表面均匀摆动,使焊道平整,冷却减慢。

2)大型焊件存在中等缺陷(缺陷体积在20~50cm3)时, 采用连续焊工艺1次焊完,可获得没有裂纹,能进行加工的焊接接头。

3)体积小于20 cm3小缺陷的焊补时,除1次连续填满缺陷外,再向上堆高3~5mm,趁焊缝表面还处于红热状态,用钢板刮去高出部分,接着再堆高3~5mm,反复进行3次以上,若缺陷越小或焊件越大,则反复进行堆高的次数应越多。

电弧冷焊焊接电流的选用,见表36。

表36  电弧冷焊焊接电流的选用

焊件厚度(mm)

15~25

25~40

>40

焊条直径(mm)

5

6

8~10

焊接电流(A)

250~300

300~360

350~500

60  试述灰铸铁非铸铁型异质焊缝电弧冷焊焊条的选用。

非铸铁型异质焊缝金属的性质分为镍基、钢基两大类。

⑴镍基铸铁焊条  特点是焊缝硬度较低、熔合区白口层薄,且呈断续分布,焊缝的颜色与灰铸铁相接近,适用于加工面的焊接。

镍基铸铁焊条有下列三种:

1)EZNi型纯镍铸铁焊条(牌号Z308)是纯镍芯、强石墨化型药皮的铸铁焊条。电源可交、直流两用,进行全位置焊接。施焊时,焊件可不预热,这是铸铁冷焊焊条中抗裂性、切削加工性、操作工艺及力学性能等综合性能较好的一种焊条,广泛使用于铸铁薄件及加工面的焊补。

2)EZNiFe型镍铁铸铁焊条(牌号Z408)是镍铁芯(Ni的质量分数为55%、Fe45%)、强石墨化型的铸铁焊条。电流可交、直流两用,进行全位置焊接。施焊时,焊件可不预热,具有强度高、塑性好、抗裂性优良,与母材熔合好等特点。熔合区白口宽度为0.1mm左右,加工性比EZNi型纯镍铸铁焊条稍差,可用于重要灰铸铁的焊补。

3)EZNiCu型镍铜铸铁焊条(牌号Z508)是镍铜合金焊芯(Ni的质量分数为70%,Cu30%)、强石墨化药皮的铸铁焊条。电源可交、直流两用,进行全位置焊接。其工艺性能和切削加工性能接近EZNi及EZNiFe型焊条,但由于收缩率较大,焊缝金属的抗拉强度较低,不宜用于刚度大的铸件焊补。可在常温或低温预热(预热至300℃左右)焊接,用于强度要求不高、塑性要求好的灰铸件的焊补。

⑵钢基铸铁焊条  焊条采用低碳钢焊芯,焊后焊接接头中易出现热裂纹、冷裂纹和淬硬组织,熔合区白口宽度较大,焊接质量不能令人满意,但价格便宜,目前仍有一定应用。

钢基铸铁焊条有下列三种:

1)EZFe-1型低碳芯氧化性药皮焊条(牌号Z100),药皮中含有较多赤铁矿、大理石等强氧化性物质,目的是通过碳的氧化反应来降低焊缝中的含碳量。第一层焊缝的碳的质量分数平均为0.8%,属高碳钢,焊缝硬度达40~50HRC,熔合区白口层宽约0.2mm,接头无法加工。常用于不要求加工、致密性及受力较低的缺陷部位的焊补。

2)EZFe-2型低碳钢芯铁粉型焊条(牌号Z122Fe),药皮为钛钙型。加入低碳铁粉的目的是降低焊缝的含碳量。第一层焊缝碳的质量分数可降至0.48%~0.56%,属中碳钢上限,最高硬度达320HBS,仍难于加工。常用于非加工面的焊补。

3)EZV型低碳钢芯低氢型药皮高钒铸铁焊条(牌号Z116、Z117)。焊敷金属中钒的质量分数达11%,最大优点是焊缝具有优越的抗裂性能。致密性好、塑性高(伸长率28%~36%),且抗拉强度可高达558MPa。但熔合区的白口较严重,加工困难。常用于非加工面的焊补。

此外,CO2及CO2+O2保护焊,采用H08Mn2Si细丝(ф0.8mm~1.0mm)焊补铸铁获得了一定应用,但加工性仍较差。

钢基焊缝的颜色与灰铸铁的颜色相差较大,当要求两者颜色一致时,钢焊条无法满足要求。

61  试述灰铸铁非铸铁型异质焊缝电弧冷焊的焊接工艺。

工艺特点如下

1)在保证电弧稳定燃烧的前提下,采用尽可能小的焊接电流,焊接第一、二层焊缝时,宜选用小直径焊条,焊接电流可按焊条直径的29~34倍进行选用。

2)在保证焊缝正常成形及母材熔合良好的前提下,采用尽可能快的焊接速度,并尽量压低电弧,采用短弧焊。

3)采用短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝工艺,以降低焊接应力,防止产生裂纹 。一般每次焊缝长度为10~40mm。

4)采用合理的焊接方向及顺序,以减少应力。厚板多层焊时的焊接顺序,应先焊坡口面焊道 ,再焊中间层焊道,见图8。

62  试述球墨铸铁的牌号及其焊接性。

常用球墨铸铁的牌号有QT400-18、QT450-10、QT500-7、QT600-3等。

球墨铸铁的焊接性较差,因为Mg、RE(稀土)等球化剂都是阻碍石墨化的元素,所以白口现象比较严重,并且在冷却过程中热影响区也会形成淬硬组织,硬度可高达620~700HBW,使焊后机械加工发生困难。但由于球墨铸铁本身的强度和塑性较好,所以焊接时不易产生裂纹。

63  试述球墨铸铁的焊接工艺。

焊接工艺如下:

⑴气焊  焊丝采用型号为RZCQ型球墨铸铁焊丝(牌号HS402),熔剂采用CJ201。火焰采用还原焰,结构复杂的铸件或大铸件须采用热焊,预热温度600~700℃,焊后缓冷。焊后铸件可进行两种热处理:

正火:随炉升至900~920℃保温1~2h,出炉空冷。

退火:随炉升至900~920℃保温1~2h,随炉冷至550℃,保温1h,出炉空冷。

⑵手弧焊  采用同质焊缝时,焊条可选用型号为EZCQ铁基球墨铸铁焊条,目前有两种牌号,一是铸铁芯强石墨化型,焊条直径为4~10mm,牌号为Z258;二是低碳钢芯强石墨化焊条,牌号为Z238,焊前应将焊件预热至500℃左右,焊后保温缓冷,经退火焊补处有可能进行切削加工(硬度200HBS)。

焊接时采用大电流、连续焊工艺,焊接电流可按焊条直径的36~60倍选取。

采用异质焊缝时,焊条选用EZNiFe(Z408)和EZV(Z116、Z117)。焊接时应遵守冷焊焊接工艺,焊后能进行切削加工,但焊缝有一定的热裂倾向。

64  试述蠕墨铸铁的焊接工艺。

蠕墨铸铁除含有C、Si、Mn、S、P等元素外,还含有少量稀土蠕化剂,但其稀土含量比球墨铸铁低,故焊接接头形成白口的倾向比球墨铸铁的小、比灰铸铁大,力学性能高于灰铸铁而低于球墨铸铁,抗拉强度为300~500MPa,δ为1%~6%。

⑴气焊  焊丝牌号为HS403,熔剂采用CJ201,用中性焰焊接,焊件焊前预热650℃,焊后所得焊缝蠕化率达60%~70%,基本组织为铁素体加珠光体,无渗碳体出现,最高硬度为230HBS,焊接接头的抗拉强度为370MPa,δ为1.7%,基本与母材相匹配。

⑵同质焊缝的电弧冷焊  采用牌号为Z288钢芯蠕墨铸铁电弧冷焊焊条,焊芯材料H08A,外涂强石墨化药皮,并加入适量蠕墨化剂。在缺陷直径大于40mm、深度大于8mm的情况下,配合大电流、连续焊工艺,可使焊缝蠕化率达50%以上。焊缝基体组织为铁素体加珠光体,无渗碳体出现,焊接接头最高硬度为270HBS,有良好的加工性,焊接接头的抗拉强度为390MPa,伸长率为2.5%,能与母材相匹配。

⑶异质焊缝电弧冷焊  采用牌号为Z308的纯镍蠕墨铸铁电弧冷焊焊条,具有最好的加工性,焊接接头的抗拉强度可达298MPa,伸长率为6%,能与母材相匹配。

蠕墨铸铁焊条、焊丝目前尚未列入国家标准型号。

65  试述可锻铸铁的焊接工艺。

由于可锻铸铁中的碳、硅含量比灰铸铁低,异质焊缝熔焊时焊缝及半熔化区形成白口倾向更为严重。这是可锻铸铁焊接性突出的问题。

⑴黄铜钎焊  焊丝为HS221,钎剂为100%的脱水硼砂,用氧乙炔焰加热焊补表面至900~930℃(亮红色),焊丝端头也加热至发红,然后蘸上少许硼砂开始焊补。为防止锌的蒸发,采用弱氧化焰。焊嘴与熔池表面距离控制在8~15mm。焊后用火焰适当的加热焊缝周围。对于焊补区刚性较大的部位,焊后轻轻锤击焊缝,可减小裂纹倾向。

黄铜钎焊可用于可锻铸铁加工面的焊补。

⑵电弧冷焊  用E4303、E5016、EZV和不锈钢焊条。施焊时采用小电流、多层焊,用于焊后不加工的场合。如果焊后需要加工,可用ф2mm以下的奥氏体不锈钢焊条或镍基铸铁焊条,进行不移动电弧的定位焊,每次焊接时间缩短至1s,以刚熔合为宜。用这样的定位焊铺满坡口底部以后,再用电弧冷焊工艺填满坡口。

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