铸铁类壳体焊接修复工艺方法的探讨

顾秀花，米海雁，曹 霞

（国能神东煤炭集团设备维修中心，陕西榆林 719315）

电机、水泵等外壳多为铸铁材质，随着设备的使用，在安装不正确、受到振动后材料疲劳、以及搬运撞击等情况下，会导致壳体地脚的边角部位开裂掉落，螺栓孔（通孔）损坏。出现损坏后，如果还需要继续使用，则要对地脚和孔进行修复。目前常用的方法是使用匹配的铸铁焊材，对损坏母材两侧打坡口对接后进行焊接，然后再对通孔进行加工处理。但这种较为简单的工艺和方法实际并不能确保地脚修复后的强度和寿命，经常会在短时间内出现二次损坏，反复修复多次后造成设备壳体报废，资产白白浪费。针对这种情况，采取在现有修复工艺下进行改进的方法，就是在不显著增加成本的前提下，提高修复后的强度和刚度，恢复设备使用性能。

1 铸铁材料的焊接性分析

1.1 铸铁材料的焊接性

铸铁俗称生铁，如做饭用的锅，钳工用的台虎钳，压力机机身，电机及水泵壳体都是铸铁材料，因含碳量高，焊接性能差。铸铁的含碳量大于2.11%，并且铸铁中的碳是以石墨形式存在。铸铁的耐磨性、减震性、铸造性都与碳的石墨状态有关。按照碳存在的状态和形式不同铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和白口铸铁。其中白口铸铁和可锻铸铁应用较少，并且很少进行焊接，常使用的是灰口铸铁和球墨铸铁。

1.2 球墨铸铁的焊接性

球墨铸铁的焊接性较差，因为球墨铸铁是将灰口铸铁原材料溶化后加入镁、铈、钇等球化剂，这些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620～720 HBW，使焊后机械加工比较困难。由于球墨铸铁的强度、韧性和塑性较好，所以焊接时不易产生裂纹。广泛应用于制造受磨损、高应力和受冲击作用的重要零件。

1.3 水泵壳体材料的确定及焊接性

本文中的水泵壳体材料通过从技术材料中查找，及与相关厂家沟通得知材料为灰口铸铁材料，焊接性较好，但在进行焊接修复时需采用灰口铸铁与碳钢的异种钢焊接工艺，才能保证断裂的部位完好的修复。

2 焊接方法的选择

针对本文中的水泵底座开裂处的材料焊接修复所选用的焊接方法有如下几种。

2.1 焊条电弧焊热焊法

热焊法，就是焊前将焊件的母材焊接部位采用割枪或者专用的加热设备进行预热，预热到600～700 ℃（暗红色），然后进行焊接，焊后再进行保温缓冷的焊接方法。焊接前清除掉铸铁焊接部位的氧化皮、油脂、锈蚀。焊条可选用Z208、Z408或结构钢焊条J422、J507。

焊条电弧焊热焊的焊接要点如下：

（1）由于预热温度较高，使焊缝与母材的温差变小，大大降低了接头的热应力，通过控制层间温度，使焊接接头的冷却速度缓慢，可避免产生白口和淬硬组织，保证接头的焊接质量及有良好的切削加工性。

（2）采用铸铁芯焊条进行焊接时，是通过焊芯和药皮向焊缝过渡碳、硅等石墨化元素。也可选用非铸铁芯焊条，使用石墨化药皮焊条（Z208），是通过药皮向焊缝过渡石墨化元素。

（3）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，以及承受动载荷等要求较高的零、部件。

（4）焊接电流的选择可参考单独焊接灰口铸铁的工艺参数。焊接电流过大，两种母材金属熔化量过深，对焊缝石墨化不利。

（5）电弧燃烧到坡口根部和边缘时，要做停留，不可用电弧直接加热，通过熔池金属将热量传至坡口使之熔化，这样既可保证焊缝的熔合比，又能避免咬边或熔合不均匀等缺陷。

（6）焊后冷却：一般应随炉缓慢冷却至室温（一般需48 h 以上），或者将冷却至100～200 ℃的部件焊缝周围处加热到600～620 ℃，然后缓冷至室温，以防止产生裂纹，降低硬度。

2.2 焊条电弧焊的冷焊法

灰口铸铁与Q355材料焊接电弧冷焊法是一种很有发展前途的焊接工艺方法。此种方法是焊前对铸铁被焊部位不预热，或对工件进行预热，或预热温度不超过300 ℃，再进行焊接的方法。电弧冷焊与电弧热焊相比，焊前母材金属不预热，减少了焊接变形，节省焊接时间，具有一定的推广价值。焊接生产中应用较多，焊件形状和大小不受限制，易于大批量生产。冷焊的焊接要点如下。

（1）清除焊修表面的油污及杂质，使其露出基体的金属光泽：如果存在裂纹，应在裂纹两端各钻一个止裂孔，以免施焊时裂纹延伸；沿裂纹开出坡口，其型式和大小由焊修部位的厚度和工艺要求而定。

（2）灰口铸铁与碳钢焊接时，为了提高焊接接头的强度，采用合理的焊接方向和顺序，以减少应力。如果是大型铸件，还可以在焊缝处拧上一定数量的螺钉，使接头得到加强。螺钉直径一般不超过16 mm（如果壁厚小于15 mm，则螺钉直径应小于或等于6 mm），螺钉的数量可按断面面积计算，即螺钉的总断面面积不大于铸件裂纹断面面积的25%，且这些螺钉应均匀分布在裂纹两边。

（3）电弧冷焊法对灰口铸铁与碳钢进行焊接时，宜选用高镍、镍铁等焊条并且焊条使用前必须进行150～200 ℃烘干，保温时间为1～2 h。

（4）灰铸铁与Q355材料电弧冷焊时，通常先采用Z308焊条进行打底焊，然后用CO2气体保护焊及焊丝进行盖面。

（5）焊接过程中应采用小电流、短弧、断续、小线能、窄道焊、锤击焊道释放应力等工艺措施。

（6）电弧冷焊后的焊缝及部件必须缓慢冷却，如出现裂纹等缺陷时，必须重新焊接修复，采用气割缺陷，打磨，适当预热，焊接，锤击焊缝，缓冷等一系列工序，重新焊接。

2.3 CO2气体保护焊焊接灰面铸铁的特点

由于灰面铸铁的强度、硬度适中，焊接性较好，加上CO2气体保护焊的氧化性对铸铁的焊接不构成危害，特点之一是CO2气体保护焊与电弧焊相比，不仅熔覆速度高，焊接速度快，还在于CO2气体保护焊比焊条电弧焊的热输入小，熔合比小，保证焊缝质量。CO2气体保护焊焊接灰面铸铁的焊接特点如下。

（1）焊接清理焊件焊接部位100 mm 处油、锈、水及杂质。

（2）采用小电流、低电压正接法的短路过渡形式。由于气流的作用，热影响区窄，效果好。

（3）CO2气体有一定的氧化性，可烧损焊缝中的碳。

（4）CO2气体保护焊有利于减少裂纹和半熔化区白口组织，多层焊时效果较好。

2.4 选择焊接方法时应注意的原则

（1）针对不同的切削加工性、颜色、强度等选择不同的焊接方法。焊条电弧焊热焊法对于要求质量高、切削加工性好的铸件最适合，焊条电弧焊冷焊法则适宜机加工的表面及不便于预热的大型铸件。

（2）针对不同的焊件体积、形状、厚度及使用条件等选择不同的焊接方法。对于中小型薄壁零件（如气缸）采用气焊、冷焊、热焊均可，对于较大的零件应采用气焊热焊法。

除此之外，还有气焊、钎焊、氩弧焊等焊接方法。通过上述分析，本文选择铸铁冷焊法及CO2气体保护焊相结合的方法。

3 焊接材料的选择

灰面铸铁与Q355材料的焊接焊接材料选择的原则是：通过调整焊缝化学成分的方法来改善接头的组织和性能。电弧冷焊时采用Z308焊条，在进行CO2气体保护焊时选用THQ-50C 焊丝。

3.1 CO2气体保护焊焊丝THQ-50C

CO2气体保护焊焊丝的化学成分和力学性能见表1、表2所示。

表1 THQ-50C焊丝焊丝化学成分（质量分数） 单位：%

表2 THQ-50C焊丝熔敷金属力学性能

用途：用于相应强度级别碳钢、低合金钢结构的焊接，可应用于工程机械、船舶、车辆制造、石油化工等行业。

特性：THQ-50C 焊丝为500 MPa 级碳钢焊丝，采用CO2气体保护焊，焊丝焊接飞溅小，成形美观，熔敷效率高，焊缝金属气孔敏感性小，全位置施工工艺性好。

注意事项：①焊前必须清除焊件上的铁锈、油污、水份等杂质。②焊接线能量的大小将直接影响到焊缝的力学性能。③焊接参数的选择，尽量采用小的焊接参数。

3.2 电弧冷焊焊条

纯镍焊缝的加工性能最好。我国目前所使用的三种镍基焊条，因合金含量不同，性能也有一定的差异。

（1）纯镍铸铁焊条EZNi（Z308）的特点。有利于进行机械加工。纯镍焊缝的强度与灰面铸铁接近，而且塑性很好，因此具有良好的抗冷裂性能。但镍属于贵金属，故在焊接中不宜大量使用。

（2）镍铁焊条EZNiFe（Z408）的特点。适合于焊接强度要求高的铸铁。镍铁焊缝的线胀系数小，接头抗裂性能较好。镍铁焊条的性能优于纯镍焊条，且价格在镍基焊条中最便宜，故在生产中应用较多。

（3）镍铜焊条EZNiCu（Z508）的特点。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。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补焊。可用在常温或低温预热（预热至300°左右）焊接，用于强度要求不高，塑性要求好的灰面铸铁的焊接。

三种镍基焊条的力学性能如表3所示。

表3 三种镍基焊条的力学性能

本文中灰面铸铁与Q355材料焊接焊接材料选择Z308镍基焊条打底焊接，盖面采用THQ-50C 焊丝进行焊接即可。

4 焊接修复工艺

（1）将断裂的地脚和水泵部分壳体上的断裂面进行简单的打磨处理，使用高度规进行划线，确定定位销孔的位置，两件销孔位置必须能完全对正，螺栓孔能恢复原始尺寸状态；

（2）使用卧式钻床、镗床等机加工设备，或者手电钻（适用于母材较薄、修复现场设备缺乏的情况）对壳体和断裂板的断面进行销孔钻孔加工，然后用标准尺寸铰刀进行铰孔，推荐25 mm 厚度的母材使用直径10 mm/H7公差等级的定位弹性开口销和销孔，孔深根据断脚尺寸选用不同长度的标准件。

（3）两件工件断口部位两侧加工出坡口（根据板厚确定坡口尺寸），通孔位置的坡口不需要加工，以免焊接时损坏内孔表面，造成二次机械加工，利用开口定位销将工件组对至一起，使用匹配的铸铁焊条进行定位点焊。

（4）对坡口位置进行多层多道焊接（如果坡口较大则需要多层多道焊接），打磨焊缝，清理螺栓孔，时效处理（如果工期允许），着色探伤检查焊缝质量；

（5）使用割好塞焊孔的较高强度钢板（优选Q345钢）铺设至地脚位置，外形尺寸、螺栓孔尺寸和位置、板材厚度等均根据需要修复的实物尺寸和部位确定和加工好，使用对应的焊材进行塞焊加强（注意使用异种母材焊材，尽量优选现有或常用焊材），处理焊缝表面和螺栓孔，时效处理（如果工期允许），着色探伤检查焊缝质量。焊接时底层采用Z308铸铁焊条进行焊接，采用半热焊法，适当地进行预热，加强部位的焊接采用CO2气体保护焊方法，焊接时采用多层多道的焊接工艺。

（6）焊后进行加热，然后盖好保温毯自然冷却即可。经过探伤检测完好，则修复完成，效果良好。

5 结束语

通过上述工艺方法，恢复地脚的固定性能，还能适当提高部件的强度和刚度，同时如果发生二次断裂，中间层的定位销还能起到延缓断裂的作用，有一定安全保护作用。总体修复用材料、定位销等均为现有标准件，综合成本增加不明显，但设备修复后寿命能显著提高，有较好的经济效益，可对类似的材料和结构修复提供经验借鉴。