重型鑄鐵腳輪的焊接技術(shù)
發(fā)表時(shí)間:2012/9/20 22:59:19
鑄鐵腳輪是指含碳量2％以上的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵腳輪一般含碳量為2％～4％。碳在鑄鐵腳輪中多以石墨形態(tài)存在，有時(shí)也以滲碳體形態(tài)存在。除碳外，鑄鐵腳輪中還含有1％～3％的硅，以及錳、磷、硫等元素。合金鑄鐵腳輪還含有鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等元素。碳、硅是影響鑄鐵腳輪顯微組織和性能的主要元素。
我國(guó)各種鑄鐵腳輪的年產(chǎn)量現(xiàn)約為800萬(wàn)噸，有各種鑄造缺陷的鑄件約占鑄鐵腳輪年產(chǎn)量的10%~15%，即通常所說(shuō)的廢品率為10%~15%，若這些鑄件工報(bào)廢，以1997年鑄鐵腳輪平均價(jià)格計(jì)算 ，其損失每年高達(dá)10億元以上。采用焊接方法修復(fù)這些有缺陷的鑄鐵腳輪件，由于焊接成本低，不僅可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于及時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)。
鑄鐵腳輪按斷口顏色分為灰鑄鐵腳輪、白口鑄鐵腳輪、麻口鑄鐵腳輪；.按化學(xué)成分分為普通鑄鐵腳輪、合金鑄鐵腳輪；按生產(chǎn)方法和組織性能分為普通灰鑄鐵腳輪、孕育鑄鐵腳輪、可鍛鑄鐵腳輪、球墨鑄鐵腳輪、特殊性能鑄鐵腳輪。
在相同基體組織情況下，其中以球墨鑄鐵腳輪的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性）為最高，可鍛鑄鐵腳輪次之，蠕墨鑄鐵腳輪又次之，灰鑄鐵腳輪最差。但由于灰鑄鐵腳輪成本低廉，并具有鑄造性、可加工性、耐磨性及減震性均優(yōu)良的特點(diǎn)，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種鑄鐵腳輪。
灰鑄鐵腳輪抗拉強(qiáng)度及硬度的變化是由于機(jī)體組織及石墨大小、數(shù)量不同的結(jié)果。
純鐵素體為基體的灰鑄鐵腳輪：強(qiáng)度、硬度最低
純珠光體為基體的灰鑄鐵腳輪：強(qiáng)度、硬度較高
改變基體中鐵素體及珠光體相對(duì)含量，可得不同的抗拉強(qiáng)度及硬度的HT，石墨呈粗片狀的灰鑄鐵腳輪，抗拉強(qiáng)度較低，石墨呈細(xì)片狀的灰鑄鐵腳輪其抗拉強(qiáng)度較高。
灰鑄鐵腳輪中碳的存在狀態(tài)及其基體組織決定于鑄件冷卻速度
①鐵水以很快速度冷卻時(shí)，第一階段石墨化過(guò)程（共析溫度以上）及第二階段石墨化過(guò)程（共析溫度下）完全被抑止將得到共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組織，即白口鑄鐵腳輪組織。[鐵碳相圖：鐵水當(dāng)溫度冷卻到液相時(shí)，開(kāi)始從液相析出（γ）。1147共析溫度。L→γ+Fe3C（共晶滲碳體） 溫度下降，A的飽和固溶碳量隨溫度下降而降低，因而析出二次滲碳體，此反應(yīng)持續(xù)到共析溫度。在共析反應(yīng)中，A轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。冷卻到室溫后，組織由共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組成]。
②鐵水以很慢的速度冷卻時(shí)由于滲C體是不穩(wěn)定相，而石墨是穩(wěn)定相。第一階段和第二階段石墨化過(guò)程都進(jìn)行得很充分，最后得純鐵素體的灰鑄鐵腳輪組織。[腳輪原創(chuàng)文章]
③若石墨化的第一階段進(jìn)行很完全，第二階段石墨化過(guò)程進(jìn)行得不完全，則得珠光體+鐵素體、灰鑄鐵腳輪。
灰鑄鐵腳輪在化學(xué)成分上的特點(diǎn)是碳高及S、P雜質(zhì)高，這就增大了焊接接頭對(duì)冷卻速度變化的敏感性及冷熱裂紋的敏感性。在力學(xué)性能上的特點(diǎn)是強(qiáng)度低，基本無(wú)塑性。焊接過(guò)程具有冷速快及焊件受熱不均勻而形成焊接應(yīng)力較大的特殊性。這些因素導(dǎo)致焊接性不良。
以含碳為3%，含硅2.5%的常用灰鑄鐵腳輪為例，分析電弧焊焊后在焊接接頭上組織變化的規(guī)律。
1.焊縫區(qū)
當(dāng)焊縫成分與灰鑄鐵腳輪鑄件成分相同時(shí)，則在一般電弧焊情況下，由于焊縫冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄件在砂型中的冷卻速度，焊縫主要為共晶滲碳體+二次滲碳鐵+珠光體，即焊縫基本為白口鑄鐵腳輪組織。
防止措施：
焊縫為鑄鐵腳輪 ①采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧﹣?lái)減慢焊逢的冷卻速度。如：增大線(xiàn)能量。②調(diào)整焊縫化學(xué)成分來(lái)增強(qiáng)焊縫的石墨化能力。
異質(zhì)焊縫：采用異質(zhì)金屬材料焊接時(shí)，必須要設(shè)法防止或減弱母材過(guò)渡到焊縫中的碳產(chǎn)生高硬度組織的有害作用。思路是：改變C的存在狀態(tài)，使焊縫不出現(xiàn)淬硬組織并具有一定的塑性，例如使焊縫分別成為奧氏體，鐵素體及有色金屬是一些有效的途徑。
2.半熔化區(qū)
特點(diǎn)：該區(qū)被加熱到液相線(xiàn)與共晶轉(zhuǎn)變下限溫度之間，溫度范圍1150～1250℃。該區(qū)處于液固狀態(tài)，一部分鑄鐵腳輪已熔化成為液體，其它未熔部分在高溫作用下已轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。
1）冷卻速度對(duì)半熔化區(qū)白口鑄鐵腳輪的影響
V冷很快，液態(tài)鑄鐵腳輪在共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變成萊氏體，即共晶滲碳體加奧氏體。繼續(xù)冷卻則為C所飽和的奧氏體析出二次滲碳體。在共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。由于該區(qū)冷速很快，在共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，可出現(xiàn)奧氏體→馬氏體的過(guò)程，并產(chǎn)生少量殘余奧氏體。
其左側(cè)為亞共晶白口鑄鐵腳輪，其中白色條狀物為滲碳體，黑色點(diǎn)、條狀物及較大的黑色物為奧氏體轉(zhuǎn)變后形成的珠光體。右側(cè)為奧氏體快冷轉(zhuǎn)變成的竹葉狀高碳馬氏體，白色為殘余奧氏體。還可看到一些未熔化的片狀石墨。
當(dāng)半熔化區(qū)的液態(tài)金屬以很慢的冷卻速度冷卻時(shí)，其共晶轉(zhuǎn)變按穩(wěn)定相圖轉(zhuǎn)變。最后其室溫組織由石墨+鐵素體組織組成。
當(dāng)該區(qū)液態(tài)鑄鐵腳輪的冷卻速度介于以上兩種冷卻速度之間時(shí)，隨著冷卻速度由快到慢，或?yàn)槁榭阼T鐵腳輪，或?yàn)橹楣怏w鑄鐵腳輪，或?yàn)橹楣怏w加鐵素體鑄鐵腳輪。
影響半熔化區(qū)冷卻速度的因素有：焊接方法、預(yù)熱溫度、焊接熱輸入、鑄件厚度等因素。
研究灰鑄鐵腳輪試板焊件、熱輸入相同時(shí)，隨板厚的增加，半熔化區(qū)冷卻速度加快。白口淬硬傾向增大。
2）化學(xué)成分對(duì)半熔化區(qū)白口鑄鐵腳輪的影響
鑄鐵腳輪焊接半熔化區(qū)的化學(xué)成分對(duì)其白口組織的形成同樣有重大影響。該區(qū)的化學(xué)成分不僅取決于鑄鐵腳輪本身的化學(xué)成分，而且焊逢的化學(xué)成分對(duì)該區(qū)也有重大影響。這是因?yàn)楹阜陞^(qū)與半熔化區(qū)緊密相連，且同時(shí)處于熔融的高溫狀態(tài)，為該兩區(qū)之間進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散提供了非常有利的條件。某元素在兩區(qū)之間向哪個(gè)方向擴(kuò)散首先決定于該元素在兩區(qū)之間的含量梯度（含量變化）。元素總是從高含量區(qū)域向低含量區(qū)域擴(kuò)散，其含量梯度越大，越有利于擴(kuò)散的進(jìn)行。腳輪原創(chuàng)文章]
提高熔池金屬中促進(jìn)石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量對(duì)消除或減弱半熔化區(qū)白口的形成是有利的。
用低碳鋼焊條焊鑄鐵腳輪時(shí)，半熔化區(qū)的白口帶往往較寬。這是因?yàn)榘肴刍瘏^(qū)含C、Si量高于熔池，故半熔化區(qū)的C、Si反而向熔池?cái)U(kuò)散，使半熔化區(qū)C、Si有所下降，增大了該區(qū)形成較寬白口的傾向。
3.奧氏體區(qū)腳輪原創(chuàng)文章]
該區(qū)被加熱到共晶轉(zhuǎn)變下限溫度與共析轉(zhuǎn)變上限溫度之間。該區(qū)溫度范圍約為820～1150℃，此區(qū)無(wú)液相出現(xiàn)該區(qū)在共析溫度區(qū)間以上，其基體已奧氏體化，加熱溫度較高的部分（靠近半熔化區(qū)），由于石墨片中的碳較多地向周?chē)鷬W氏體擴(kuò)散，奧氏體中含碳量較高；加熱較低的部分，由于石墨片中的碳較少向周?chē)鷬W氏體擴(kuò)散，奧氏體中含碳量較低，隨后冷卻時(shí)，如果冷速較快，會(huì)從奧氏體中析出一些二次滲碳體，其析出量的多少與奧氏體中含碳量成直線(xiàn)關(guān)系。在共析轉(zhuǎn)變快時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類(lèi)型組織。冷卻更快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生馬氏體，與殘余奧氏體。該區(qū)硬度比母材有一定提高。
熔焊時(shí)，采用適當(dāng)工藝使該區(qū)緩冷，可使A直接析出石墨而避免二次滲碳體析出，同時(shí)防止馬氏體形成。
4.重結(jié)晶區(qū)
很窄，加熱溫度范圍780～820℃。由于電弧焊時(shí)該區(qū)加熱速度很快，只有母材中的部分原始組織可轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后冷卻過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類(lèi)組織。冷卻很快時(shí)也可能出現(xiàn)一些馬氏體。
對(duì)于鑄鐵腳輪在制造和使用中出現(xiàn)的各種缺陷和損壞，可采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行補(bǔ)救。鑄鐵腳輪補(bǔ)焊是對(duì)有缺陷鑄鐵腳輪件進(jìn)行修復(fù)的重要手段，在實(shí)際生產(chǎn)中具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
補(bǔ)焊方法主要根據(jù)對(duì)焊后的要求（如焊縫的強(qiáng)度、顏色、致密性，焊后是否進(jìn)行機(jī)加工等）、鑄件的結(jié)構(gòu)情況（大小、壁厚、復(fù)雜程度、剛度等）及缺陷情況來(lái)選擇。手工電弧焊和氣焊是最常用的鑄鐵腳輪補(bǔ)焊方法。
手工電弧焊補(bǔ)焊的方法有：
（1）熱焊及半熱焊 焊前將焊件預(yù)熱到一定溫度（400℃以上），采用同質(zhì)焊條，選擇大電流連續(xù)補(bǔ)焊，焊后緩冷。其特點(diǎn)是焊接質(zhì)量好，生產(chǎn)率低，成本高，勞動(dòng)條件差。腳輪原創(chuàng)文章]
（2）冷焊 采用非鑄鐵腳輪型焊條，焊前不預(yù)熱，焊接時(shí)采用小電流、分散焊，減小焊件應(yīng)力。焊縫的強(qiáng)度、顏色與母材不同，加工性能較差，但焊后變形小，勞動(dòng)條件好，成本低。
為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過(guò)熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。
我國(guó)是鋼鐵工業(yè)大國(guó)，每年生產(chǎn)的鋼鐵峰值高達(dá)6億噸。鋼鐵的焊接工藝好壞直接影響著我國(guó)鋼鐵的有效利用率，對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著重要的影響，我國(guó)的機(jī)械生產(chǎn)部門(mén)，應(yīng)努力提高各自的焊接水平，充分利用每一份鋼鐵資源。
返回
