電弧焊對(duì)鑄鐵軸承座的焊接工藝

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1、 電弧焊對(duì)鑄鐵軸承座的焊接工藝(圖) 摘　要:介紹了小齒輪座底板的斷裂情況,通過(guò)對(duì)其材料的技術(shù)性能、鐵的可焊性等性能的分析,確定了手工電弧冷焊的施工方案,并提出了具體的焊接工藝,順利完成了該工件的修復(fù)。 關(guān)鍵詞:手工電弧焊,修復(fù),焊接 艾菲爾鋼結(jié)構(gòu)車間中GM223 型管磨機(jī)小齒輪座,材質(zhì)為HT15233 ,在使用過(guò)程中其底板四個(gè)地腳螺絲孔處兩個(gè)斷裂,一個(gè)發(fā)生裂紋。 1　缺陷情況及失效分析 1.1 小齒輪座的斷裂情況 小齒輪座底板四個(gè)地腳螺絲孔有兩個(gè)斷裂(在小齒輪座同1) 底板斷裂有兩處,位置及裂口開頭見圖1、圖2 ,斷塊尺寸270 mm×250

2、 mm×70 mm,斷口尺寸270 mm×(100 mm～130 mm) 。 2) 底板斷裂一處,見圖1 ,已裂透。 1.2 失效分析 　　小齒輪座在使用中本身受到的拘束度較大。在管磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中承受交變載荷作用。工件本身存在制造缺陷,在加強(qiáng)筋邊緣與底板連接之處存在應(yīng)力集中。運(yùn)行中,由于大拘束度及交變載荷作用,預(yù)應(yīng)力集中處發(fā)生破壞,形成裂紋,逐步擴(kuò)展至筋板處,發(fā)生斷裂。 2 修復(fù)方案選擇 　　根據(jù)技術(shù)手段的現(xiàn)狀,選用手工電弧焊方法進(jìn)行修復(fù)。 2.1 材料的技術(shù)性能參數(shù) 　 1) HT15233 的化學(xué)成分見表1 。 　　　　　　1 　化學(xué)成分% 2) HT15233r 的

3、性能參數(shù)見表2 。 　　　　　　2 　性能參數(shù) 2.2 　鐵的可焊性分析 　 由于鑄鐵的固有性質(zhì)及冶金特性,給電弧焊帶來(lái)了極大的困難,具體如下: 　　1) 熔化后鑄鐵冷卻速度快,在熱影響區(qū)易出現(xiàn)白口組織,焊接時(shí)開裂傾向較大。 　　2) 鑄鐵組成成分中,碳的含量高,在焊接過(guò)程中碳易被氣化,容易產(chǎn)生氣孔。 　　3) 鑄鐵強(qiáng)度高,塑性差,焊接時(shí)殘余應(yīng)力大,易產(chǎn)生焊接熱裂紋。 　　4) 鑄鐵中碳、硫、磷等元素含量高,并在焊接過(guò)程中熔化到焊縫中,會(huì)增加金屬的硬度,降低塑性和韌性,易產(chǎn)生裂紋,并降低可加工性。 　　5) 鑄鐵在冶煉過(guò)程中,易出現(xiàn)石墨粗大化,石墨與基體產(chǎn)生間隙,使鑄件在使用過(guò)

4、程中油、水滲入形成氧化物,嚴(yán)重阻礙焊接時(shí)的熔合,同時(shí),增加產(chǎn)生焊接裂紋和氣孔的可能性。 　　6) 鑄鐵在焊接熔化時(shí),液態(tài)金屬流動(dòng)性很差,嚴(yán)重妨礙焊接時(shí)的熔合,熔池中熔渣和有害氣體難以逸出,會(huì)在焊縫中產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。 　　針對(duì)以上不利因素,必須從焊接工藝、操作方法、焊接程序、焊接材料幾方面加以解決。 2.3 　焊接方法的選擇 　　鑄鐵手工焊可采用熱焊和冷焊兩種方法。手工電弧熱焊是將工件整體加熱到600 ℃～650 ℃以上開始施焊,焊接過(guò)程中工作溫度不得低于400 ℃,焊后馬上加熱到650 ℃,以消除應(yīng)力退火。 　　小齒輪座的重量為1. 74 t ,且廠里沒有合適的加熱裝備,故采用手工電弧

5、冷焊法修復(fù)。冷焊法是指用不預(yù)熱、嚴(yán)格控制層間溫度、小線能量的焊接方法進(jìn)行焊接。 2.4 　焊接材料的選擇 　　HT15233 的可焊性較差且底座的下表面為加工表面,為保證焊接質(zhì)量及下表面的可加工性宜采用純鎳基焊條Z308 進(jìn)行焊接。但Z308 焊條價(jià)格昂貴,為節(jié)約費(fèi)用,可采用以Z308 焊條焊隔離層、J507 焊條與Z308 焊條相互填充、Z308 焊條蓋面的方法進(jìn)行修復(fù),這樣既可降低成本又可保證焊接質(zhì)量及下表面的可加工性能。 Z308 焊條的機(jī)械性能見表3 。 2. 5 　焊接次序 　 1) 裂紋處按非加工面再加工面的次序施焊。 　 2) 斷塊處先焊筋板側(cè),保證焊透,再?gòu)牧硪粋?cè)清

6、根、施焊。后焊筋板。 3 焊接 　　焊接前要對(duì)所有焊接部位進(jìn)行徹底清理,清除所有結(jié)疤、油污等缺陷因素,然后再開始焊接準(zhǔn)備。 3.1 裂紋處焊接準(zhǔn)備 　　表面清理干凈后,用角向拋光機(jī)修磨裂紋處至磨出所要求的雙U 型坡口。修磨時(shí)要求消除所有裂紋傾向,坡口邊緣平滑過(guò)渡,鈍邊、間隙以單邊能焊透為準(zhǔn)。 3.2 斷塊處焊接準(zhǔn)備 　　兩斷塊斷裂口處形狀基本規(guī)則,表面清理后用角向拋光機(jī)將斷口按坡口所要求形狀、尺寸修磨成雙U 型坡口,鈍邊、間隙以單邊能焊透、另一側(cè)以清根為準(zhǔn),然后按尺寸在劃線平臺(tái)上將斷塊與小齒輪座本體組對(duì)、點(diǎn)固。 3. 3 　焊接 　　小齒輪座焊接熔敷量較大,為減小焊接應(yīng)力及

7、焊接變形,保證焊接質(zhì)量,采用兩班工作制,固定高水平焊工施焊。焊接時(shí)環(huán)境溫度保證在20 ℃以上,夜班如果溫度過(guò)低則停止焊接。為防止穿堂風(fēng),在施焊時(shí)搭設(shè)圍篷以防風(fēng)保溫。焊接時(shí)先焊裂紋,然后再焊斷裂塊。焊裂紋時(shí)先焊兩螺絲孔中間的裂紋,焊完后再焊外側(cè)裂紋。 　　1) 焊接前,Z308 焊條要150 ℃烘干1 h ,J507 要250 ℃烘干2 h ,烘干后放入保溫桶中保溫,隨用隨取。 　　2) 每次焊接時(shí)都將焊道放置在水平位置,以利于操作。 　　3) 焊接時(shí)采用短道、快速、不擺條、斷續(xù)、分散焊法,每段長(zhǎng)度不超過(guò)30 mm ,收弧時(shí)要填滿弧坑。 　　4) 焊完一道馬上用鈍頭小錘錘擊整個(gè)焊道以釋放

8、焊接應(yīng)力,錘擊速度要快,力量由重漸輕。 　　5) 嚴(yán)格控制層間溫度,每焊完一道必須冷卻到50 ℃以下方可繼續(xù)施焊。 　　6) 打底時(shí)采用小熔合比進(jìn)行焊接,填充焊和蓋面焊時(shí)可適當(dāng)放大熔合比。 　　7) 清除熔渣后,用五倍放大鏡觀察,無(wú)裂紋,再繼續(xù)下一步焊接。 鑒于上面的問(wèn)題，對(duì)于焊接裂紋的防止的作以下補(bǔ)充 1． 裂紋分布與種類 裂紋是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一種，可以成為構(gòu)件脆斷、疲勞破壞和腐蝕破壞的起因，它不僅可以使產(chǎn)品報(bào)廢，而且還可能因未檢測(cè)出導(dǎo)致以后災(zāi)難性的事故。 2．熱裂紋 　　熱裂紋是在焊縫冷卻過(guò)程中，在高溫階段產(chǎn)生的裂紋，主要發(fā)生在焊縫金屬內(nèi)，少量

9、在近縫區(qū)。 可以分為結(jié)晶（凝固）裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋。 結(jié)晶裂紋是最常見的一種，主要出現(xiàn)在含雜質(zhì)元素較多的碳鋼的焊縫中（S、P、Si和C）、單相奧氏體不銹鋼、鋁及其合金等焊接結(jié)構(gòu)中。 主要影響因素是焊接拉應(yīng)力、低熔點(diǎn)共晶（焊縫金屬的化學(xué)成分）、焊接接頭過(guò)熱（工藝）的程度。 減小熱裂紋傾向的措施有： 1）降低材料中S、P等雜質(zhì)元素的含量。 2）適當(dāng)提高M(jìn)n/S比，可以置換Fe-FeS低熔點(diǎn)共晶物的Fe，形成熔點(diǎn)1620Co的MnS，從而提高焊縫的抗裂性能。 WC=0.10~0.12%，WMn=2.5%以前有作用

10、 WC=0.13~0.20%，WMn=1.8%以下有作用 WC=0.21~0.23%，WMn有益影響范圍更窄。 3）采用適當(dāng)焊接方法和工藝，控制線能量輸入，減少焊縫過(guò)熱。 4）在焊接材料中加入Ti、Mo、Nb或稀土元素，抑制柱狀晶粒發(fā)展，細(xì)化晶粒，明顯改善性能。 3．冷裂紋 焊接冷裂紋是目前焊接生產(chǎn)中影響最大的一種缺陷，主要發(fā)生在中碳鋼、高碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼以及鈦合金等的焊接接頭熱影響區(qū)，強(qiáng)度極高的高強(qiáng)鋼冷裂紋會(huì)出現(xiàn)在焊縫中。 大致分為延遲裂紋、淬硬脆化（淬火）裂紋和低塑性脆化裂紋。 延遲裂紋是最為普遍的冷裂紋，主要

11、有焊道下裂紋、缺口裂紋和橫向裂紋三類。 形成條件：氫的存在、鋼的淬硬傾向和焊接拘束應(yīng)力。 三個(gè)大方面來(lái)控制焊接冷裂紋： 1）必須盡力減小焊接應(yīng)力（熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力）； 2）消除一切氫的來(lái)源； 3）改善焊接接頭的組織狀況。 當(dāng)母材確定后，主要是通過(guò)選擇焊接方法、控制焊接工藝和合理選用焊接材料，必要時(shí)采用焊后熱處理。 1）焊接工藝的作用： a （局部）預(yù)熱，增加T8/5，減小和避免淬硬M組織，降低內(nèi)應(yīng)力，并有利于氫的逸出。 鋼板越厚，鋼種的碳當(dāng)量越大，預(yù)熱溫度越高。

12、 b 焊接線能量的控制El 調(diào)整t8/5， El越大，焊縫冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，可減輕或避免淬硬組織，并利于氫的逸出，降低了冷裂傾向。 但El過(guò)大，導(dǎo)致焊接接頭過(guò)熱，組織粗大，焊接接頭性能降低。 c 多層焊（或雙絲焊接） 前道焊縫對(duì)后道焊縫有預(yù)熱作用，后道焊縫對(duì)前道焊縫有回火作用，可以改善焊接接頭組織，，并利于擴(kuò)散氫的析出， 需要控制層間溫度。 d 焊后的后熱處理 減小殘余應(yīng)力，改善組織，并消除擴(kuò)散氫。 2）焊接材料的選

13、用 選用低氫型焊條和焊劑。 選用CO2氣體保護(hù)焊接可以獲得很低含氫量的焊縫金屬。 必須仔細(xì)烘干焊接材料，將焊件、焊絲上的鐵銹和油污清理干凈。 3）降低焊接接頭的拘束應(yīng)力 從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝等幾方面設(shè)法解決。 4．層狀撕裂 在大型焊接結(jié)構(gòu)中，往往采用30~100mm甚至更厚的高強(qiáng)鋼，如果焊接時(shí)在厚度方向承受大的拉伸拘束應(yīng)力，就會(huì)發(fā)生如圖5-2所示的階梯型裂紋。 產(chǎn)生原因：Z向拘束應(yīng)力和軋制過(guò)程中在板厚方向上形成的非金屬夾雜物（硫化物等）有關(guān)。

14、 層狀撕裂以預(yù)防為主。 選用對(duì)層狀撕裂敏感性小的材料，由厚度方向上的斷面收縮率來(lái)衡量。 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖5-3所示）和工藝上采取措施（低氫焊條，小線能量和預(yù)熱等） 。 5．再熱裂紋 有些重要構(gòu)件需要消除殘余應(yīng)力，而高溫回火是目前最常用的消應(yīng)力方法。在構(gòu)件回火或高溫長(zhǎng)期工作中產(chǎn)生的裂紋稱為再熱裂紋 。 1）特點(diǎn) a 一般只出現(xiàn)在沉淀強(qiáng)化低合金高強(qiáng)鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼等材料焊接構(gòu)件中（含Mo、V、Cr、Nb和鈦等元素）。 b 通常發(fā)生在HAZ的粗晶粒區(qū)。 c 裂紋起源于應(yīng)力集中

15、點(diǎn)，如焊趾和焊根處。 d 接頭必須有大的殘余應(yīng)力。 e 產(chǎn)生在再熱的升溫過(guò)程中。 2）形成條件 晶內(nèi)強(qiáng)化、局部大的應(yīng)力集中。 3）再熱裂紋的控制 主要考慮改善過(guò)熱粗晶區(qū)的塑性和減少殘余應(yīng)力，特別是要減少應(yīng)力集中。 a 預(yù)熱和焊后熱處理 可以降低焊接殘余應(yīng)力，減少過(guò)熱區(qū)硬化。 b 焊接線能量的控制。 c 應(yīng)用低強(qiáng)焊縫，提高塑性變形能力。 d 減少殘余應(yīng)力（應(yīng)力集中） 陳永輝