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        球墨鑄鐵QT400-18A焊接工藝研究

        2020-08-01 09:16:26馮雪王灝元
        機械工程師 2020年7期
        關(guān)鍵詞:冷焊施焊鑄鐵

        馮雪, 王灝元

        (1.哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046;2.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱150001)

        0 引 言

        汽輪機低壓內(nèi)缸、低壓外缸等承壓部套,由于工作溫度及工作壓力低,且出于減震的考慮,常選用球墨鑄鐵QT400-18A材料。球墨鑄鐵塑韌性差、強度低,從而脆且易碎,因此在轉(zhuǎn)運和翻身等過程中稍有疏忽就很容易造成缺陷。鑄造過程中,亦不可避免會出現(xiàn)鑄造缺陷。以往由于鑄鐵焊接工藝復(fù)雜,難以控制,長期通過強度核算來選擇現(xiàn)狀使用或報廢的方式處理。既影響了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量,又造成拖期,造成巨大的經(jīng)濟損失。因此,研究球墨鑄鐵的焊接性,制定成熟的焊接工藝具有重要的意義[1-2]。

        1 QT400-18A鋼材料性能

        QT400-18A為鐵素體型球墨鑄鐵。有較高的強度、韌性和塑性,具有較高承受常溫一次大能量沖擊載荷的能力。在低溫下的脆性轉(zhuǎn)變溫度較低,低溫沖擊韌性良好,還具有抗溫度轉(zhuǎn)變和一定耐腐蝕性。由于該材料鑄造性好,減震和高溫抗變形能力強,因此,廣泛應(yīng)用于汽輪機低壓內(nèi)缸、低壓外缸等承壓部套,其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1及表2。該材料含碳量高,焊接性非常差,焊接過程中容易產(chǎn)生白口、淬硬組織及焊接裂紋等問題,焊接及補焊難度很大,需要采取必要的措施。

        表1 QT400-18A的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

        表2 QT400-18A的力學(xué)性能

        2 工藝方法的選擇

        球墨鑄鐵的焊接分為“球墨鑄鐵熱焊法”和“球墨鑄鐵冷焊法”。兩者有各自的優(yōu)缺點。其中,“球墨鑄鐵熱焊法”通常需要將工件整體或局部區(qū)域預(yù)熱到600~700 ℃的高溫條件下再進行焊接,焊后需要進行保溫緩冷。這種方法預(yù)熱溫度很高,勞動條件非常差。同時因焊件需加熱到600~700 ℃,會消耗很多的燃料,并造成能量的浪費,焊接的成本高,工藝過程相對復(fù)雜,生產(chǎn)率低。“球墨鑄鐵冷焊法”通常焊前不對被焊接的工件進行預(yù)熱或者預(yù)熱溫度較低,焊接勞動條件較好,焊接的成本相對較低,焊接工藝相對簡單,且施焊過程短,同時焊接的效率非常高。適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件等不便于預(yù)熱或不能預(yù)熱的工件。本文研究異質(zhì)焊縫冷焊法的焊接工藝。

        3 焊接方法的選擇

        球墨鑄鐵異質(zhì)焊縫冷焊法可采用氧-乙炔氣焊、鎢極氬弧焊、手工電弧焊和熔化極氣體保護焊等多種方法,各種方法各有優(yōu)缺點。本文研究常用的手工電弧焊異質(zhì)焊縫冷焊法焊接工藝。

        4 焊接材料的選擇

        常用的異質(zhì)焊縫,按其焊縫金屬的性質(zhì)分為鋼基、銅基及鎳基三種。針對球墨鑄鐵QT400-18A常選用鎳基鑄鐵焊條。

        鎳是奧氏體的形成元素,能夠擴大奧氏體區(qū)范圍,且具備能和鐵以任意比例進行相互固溶的特性。文獻(xiàn)[3]中表明,當(dāng)Fe-Ni合金中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時,合金凝固過程不發(fā)生相變,從開始凝固直到室溫都將保持奧氏體組織,即從高溫階段到室溫階段一直保持為奧氏體區(qū)組織,沒有相變應(yīng)力,且奧氏體組織硬度較低,塑韌性較好。另一方面,在高溫條件下,鎳及鎳基合金能夠溶解一定數(shù)量的碳元素,且鎳與碳之間不會形成碳化物,隨著合金溫度下降,其中一部分過飽和的碳元素將以石墨形態(tài)析出,碳元素的析出過程將會伴隨著合金的體積膨脹,這都將有利于減小焊接過程中的拉應(yīng)力。上述原因能夠很好地減輕由焊接應(yīng)力及母材淬硬性較高而產(chǎn)生的冷裂紋傾向。Ni元素還是較強的石墨化元素,其在高溫階段擴散系數(shù)為硅的20倍,具有較大的擴散系數(shù),這對鎳基鑄鐵焊材焊縫中的鎳元素向鑄鐵母材中的擴散、減小白口組織區(qū)的寬度,以及改善鎳基鑄鐵焊材焊接接頭的加工性能方面,將起到特別有利的作用[2-3]。因此本文選用鎳基鑄鐵焊材ENiFe-CI(Z408)為研究對象。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3、表4所示。

        表3 Z408焊條熔敷金屬的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4] %

        表4 Z408焊條熔敷金屬的力學(xué)性能[4]

        5 焊接工藝研究及焊接要點

        5.1 焊前清理

        為防止產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷,焊前清理是不可避免的。焊前應(yīng)采用砂輪和鋼絲刷清理工件表面去除表面鐵銹等污物,然后采用丙酮或酒精認(rèn)真清理焊接區(qū)及周圍30 mm的范圍,去除表面油污、水等雜質(zhì),可以有效地防止上述缺陷。

        5.2 采用小焊條直徑、小電流短弧快速焊接

        當(dāng)采用鎳基鑄鐵焊條Z408進行球墨鑄鐵冷焊時,應(yīng)在不影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量的情況下,采用小直徑焊條,小電流、短弧、快速施焊,減小焊接熱輸入。主要原因如下:

        1)焊接電流及焊接速度與熔深、熔寬及熱輸入有關(guān),電流越小,焊接速度快,熔深越小,熔寬越窄,熱輸入減小,焊接熱影響區(qū)也越小??刂粕鲜龉に嚰?xì)節(jié),則球墨鑄鐵母材中的P、S等有害元素則更少地進入焊縫,從而減小熱裂紋的傾向,熱輸入小則焊接熱影響區(qū)的熔化混合區(qū)更小,球墨鑄鐵母材熔入焊縫的量也越少,稀釋率越低,更有利于提高焊接接頭的質(zhì)量。

        2)焊接電流越小,焊接速度加快,焊接的熱輸入相對越小,從而焊接的熱應(yīng)力也越小,焊接接頭承受的拉伸應(yīng)力相對減小,焊接過程中發(fā)生裂紋的敏感性降低。

        3)焊接的熱輸入越小,母材上處于半熔化區(qū)溫度范圍(1150~1250 ℃)的寬度減小,在焊接接頭快速冷卻條件下,半熔化區(qū)的白口組織區(qū)域變窄。另外,焊接熱輸入減小,會減少碳元素向奧氏體中擴散,避免大量馬氏體在熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生,提高焊接接頭的質(zhì)量。

        4)手工電弧焊,焊接電壓與熔寬有關(guān),焊接弧長越短,電弧電壓也越小,在其他因素不變的條件下,球墨鑄鐵母材的熔寬變窄,同時熱輸入量變小,球墨鑄鐵母材的熔化量也減少,母材對焊縫金屬的稀釋率降低,因此Z408焊條的焊接采用短弧焊接。

        5.3 采用短段對稱焊及焊后及時錘擊工藝

        當(dāng)采用鎳基鑄鐵焊條Z408進行球墨鑄鐵冷焊時,為減小焊接過程中的拉應(yīng)力,避免焊接過程中焊縫發(fā)生裂紋,應(yīng)采用短段對稱施焊,并在焊后紅熱狀態(tài)錘擊的工藝進行施焊,具體操作及原因如下。

        施焊過程中單道焊道的縮短,會減少縱向的拉伸應(yīng)力,隨之降低了焊縫發(fā)生裂紋的傾向,因此,QT400-18A的冷焊需采用短段焊,每段焊縫長度小于40 mm,且對稱施焊,焊后應(yīng)立即用小錘快速錘擊處于紅熱狀態(tài)的焊縫,利用高溫下焊縫金屬具有較高塑性的特點,達(dá)到松弛焊接區(qū)的殘余應(yīng)力的目的,從而防止焊接過程中應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。由于選用的球墨鑄鐵鎳基焊材其焊縫組織為奧氏體,導(dǎo)熱系數(shù)低,線膨脹系數(shù)較大,熱裂紋敏感性強,因此,焊后應(yīng)控制層間溫度不高于40 ℃,以避免焊接過程中熱裂紋的產(chǎn)生。同時,為了避免工件局部焊接過熱而導(dǎo)致焊接熱應(yīng)力增大,可采用對稱焊法,達(dá)到提高焊縫抗裂性的目的[2]。

        5.4 合理選擇焊接順序

        每層先從坡口兩側(cè)焊起,后焊中間,每條焊道不得橫跨到坡口的兩側(cè),且沿著坡口面逐層焊接敷焊層。且減小焊接過程中的拘束度,保證其他未焊接部分能夠自由收縮,避免焊接過程中應(yīng)力過大,導(dǎo)致焊縫開裂。施焊過程中,注意焊縫應(yīng)與母材圓滑過渡,避免應(yīng)力集中。

        5.5 結(jié) 果

        通過上述焊接工藝方法,成功完成了球墨鑄鐵QT400-18A的鎳基冷焊焊接工藝試驗,獲得了理想的焊縫。200倍金相結(jié)果見圖1。

        圖1 球墨鑄鐵QT400-18A鎳基冷焊焊接接頭三區(qū)金相照片

        6 結(jié) 論

        通過研究總結(jié)上述球墨鑄鐵的鎳基冷焊工藝要點如下:1)充分做好焊前清理工作,避免污物影響焊接質(zhì)量;2)在保證焊接質(zhì)量的前提下,盡可能采用小直徑焊條和小熱輸入進行焊接;3)采用短弧快速焊焊接技術(shù)及焊后及時錘擊工藝減小焊接應(yīng)力,避免裂紋產(chǎn)生;4)合理地選擇焊接順序,避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。

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