使用焊补法解决QT500-7球墨铸铁轮毂的加工质量问题

2021-02-26张现杰杨伟岗王建全刘佳林

金属加工(热加工) 2021年1期

张现杰，杨伟岗，王建全，刘佳林

郑州宇通重工有限公司河南郑州 450000

1 序言

郑州宇通重工有限公司在加工某产品QT500-7球墨铸铁轮毂时，由于机加工尺寸偏差，导致轮毂装配性能不合格，且无法直接通过机械加工的方式返修，若返回铸造工厂进行报废，成本将浪费几万元且加工周期无法满足产品交付的时间要求。通过综合分析轮毂的结构和QT500-7球墨铸铁的焊接性，最终决定采取焊补法进行修复。

2 轮毂的结构分析

轮毂加工出现尺寸偏差的是深度20mm、孔径320mm的安装孔（见图1），孔径加工后偏大，需要修补后重新机加工。因需修补的位置深度浅，故适合采用焊补法进行修补。但是在修补的过程中，其余已机加工成的尺寸不能受到影响，且要按照原有加工基准在设备上进行重新装夹、加工。因此，对修补的过程要求非常严格，首先要保证修补面的焊接性，其次要保证其余位置的尺寸无变化。

图1 轮毂结构

3 QT500-7球墨铸铁的焊接性分析

铸铁碳含量高、焊接性差，由于铸铁在凝固冷却过程中对冷却速度很敏感，且强度低、塑性差，故焊接铸铁的主要问题是白口化及裂纹。

（1）焊接接头出现白口及淬硬组织的原因因为焊接时焊缝的冷却速度远大于铸件在砂型中的冷却速度，因此焊接铸件时，易在焊缝及熔合区产生大量的渗碳体，呈现白口铁组织。且由于母材熔化，易使焊缝呈高碳成分，在快速冷却时将出现高硬度的马氏体组织。热影响区中加热温度在800～1150℃的区域（奥氏体区），在焊接冷却较快的条件下，将会析出二次渗碳体、马氏体，导致该区的硬度和脆性比母材高[1]。

（2）焊接裂纹出现的原因铸铁焊接时，容易出现冷裂纹和热裂纹。冷裂纹可发生在焊缝上，也可出现于热影响区，第一层焊缝中会出现马氏体，在焊接应力作用下，容易形成冷裂纹，严重时甚至可引起整个焊缝剥离基体；热裂纹主要发生在电弧冷焊时，由于母材成分过渡到焊缝中，导致C、S、P的增加，Ni易与S、P等形成低熔点的共晶体，导致结晶裂纹的形成[1]，即热裂纹的产生。

（3）预防措施结合上述分析，预防铸铁焊接时白口化和裂纹的措施主要有以下几个方面。

首先，选择合适的焊接材料，如采用屈服极限较低而塑性良好的焊接材料，或采用异质金属进行铸铁焊接，避免焊接接头、热影响区中出现高碳成分，防止二次渗碳体和马氏体的出现，进而避免焊缝金属产生白口或其他硬脆组织的出现；其次，选择合适的工艺措施，减小焊接热输入，控制层间温度（≤60℃）[1]，减慢焊缝冷却速度，防止马氏体的出现。同时要防止和减少焊接残余应力，避免应力集中导致焊接裂纹和焊接变形的出现。

4 焊补法修复方案

4.1 焊材的选择

该轮毂焊补后，需要再次进行机加工，因此焊接接头要有良好的力学性能，同时其力学性能等级要与母材（QT500-7球墨铸铁）相匹配。由于焊接过程中，母材熔化时会有一部分的碳元素进入熔合区，因此要选择塑性优于母材、强度与母材相匹配的焊接材料，而镍基焊条可具备以上要求，常用的镍基焊条为Z408。QT500-7和Z408的力学性能分别见表1、表2，从表中数值可得出，Z408的伸长率大于QT500-7，即Z408的塑性优于QT500-7，二者的强度等级属于等强同级匹配，说明Z408满足QT500-7的焊补条件。

表1 QT500-7的力学性能

表2 Z408的力学性能[2]

4.2 焊接方式的选择

结合公司的生产条件和需焊补轮毂的数量，综合考虑采用焊条电弧焊，其工艺措施简便、易控，不需要提前高温预热和焊后热处理，避免对轮毂其他已加工成的尺寸和内部组织造成影响。电弧冷焊工艺要点概括如下：准备工作要做好，焊接电流适当小，短段断续分散焊，焊后立即小锤敲，以此减小白口，防止裂纹[1]。

4.3 工艺措施

1）先用干净抹布对轮毂需焊补的位置进行擦拭，擦干净焊缝及其附近200mm范围内的油污及水分，然后用氧乙炔火焰对焊接部位100mm范围内烘烤，再次清除铸铁内部的油污及水分。烘烤完后等待工件冷却到60℃以下才能焊接。

2）选用焊条Z408、φ3.2mm，焊接电流80～120A，焊补轮毂前先进行试焊，调整焊接电流至稳定状态。

3）将轮毂吊起（平面竖直），对焊接部位进行焊接，每段焊缝的长度≤40mm，每焊成一段后，马上用焊接小锤的小圆头对焊缝进行锤击，直到焊缝温度降到60℃以下才能停止锤击。每段焊缝施焊前，焊缝处工件的温度都不允许超过60℃；每段焊缝施焊后，至少要预留出40mm长的一段不焊接。

4）铸铁焊补的要点就是分散焊（如每段焊缝长度40mm）、倒退焊（如小段焊接方向和大焊接方向相反）、焊后锤击，焊工必须严格执行。参照图2将焊缝沿圆周分成30段，首先焊接1～3段；然后将轮毂逆时针转180°，参照第一次要求再焊接4段焊缝；其次将轮毂继续逆时针旋转90°，焊接4段焊缝；最后再旋转180°，焊接其余4段焊缝。4次焊接结束后，再按照上述操作要求，焊接图中空白处的焊缝。