Z308镍基焊条冷补灰口铸铁件焊接工艺

Z308镍基焊条冷补灰口铸铁件焊接工艺

张道旺

（中国电建集团核电工程有限公司271625）

摘要：采用镍基焊条（Z308），以冷焊工艺对灰铸铁的焊接，获得高质量的焊缝。本文阐述了灰口铸铁焊接特性以及铸铁焊接缺陷及预防，探讨了冷补焊工艺的有关内容，以供参考。

关键词：镍基焊条（Z308）；铸铁冷焊；补焊工艺

1前言

铸铁是含碳量大于2.11%（常用为2.5%-4%）的铁碳合金，其中还含有锰、硅元素及硫、磷杂质。有时还加入其它元素，以获得具有特殊性能的合金铸铁。铸铁目前常以铸件的形式应用于生产，由于铸铁含碳量较高，焊接性很差，而且铸铁的焊接主要是对存有铸造缺陷或者损坏的铸铁件进行补焊，所以补焊比较困难。 铸铁件焊接过程中的冷却速度要比铸造时快的多，因此在焊接时，焊缝及半熔化区（熔合线附近区域）将会产生大量的渗碳体，基本上属于白口铸铁组织，严重时可使整个补焊焊缝完全脱落。若用低碳钢焊条补焊铸铁，焊缝呈高碳钢成分，在冷却时将产生高硬度的马氏体组织。热影响区中，温度在800-1150℃的区域，高温下是奥氏体加石墨组织，在冷却过程中会析出二次渗碳体、珠光体或马氏体，也使该区域的硬度和脆性增高，这给焊后机械加工带来很大的困难。灰口铸铁，碳几乎全部以片状石墨存在于铸铁中。焊接时，在焊接应力的作用下，很容易在铸件的热影响区产生“热应力裂纹”，此裂纹多为横向裂纹。

2分析灰口铸铁焊接特性

灰口铸铁在化学成分上的特性是碳含量高及硫、磷杂质高，其成分为C：2.7～3.5%，Si：1～2.7%，Mn：0.5～1.2%，P＜0.3%，S＜0.15%。这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性及对冷、热裂纹敏感性，在机械性能上的特性是强度低，基本无塑性。这两方面的特点，结合焊接过程具有冷却速度快及因焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的特殊性，决定了铸铁焊接性不良，主要表现在：一方面焊接接头易出现白口及淬硬组织，另一方面焊接接头易出现裂纹。

3铸铁焊接缺陷及预防

3.1白口组织及预防

白口组织产生的原因主要是焊后冷却速度太快和石墨化元素不足。一般焊接条件下，焊接区冷却速度比铸件在铸造时快得多，石墨来不及析出而形成白口。它的预防措施有两种：一是调整焊接的化学成分。通过焊接材料向焊缝增加石墨化元素的含量，可在一定焊接工艺条件下，使焊口形成灰口组织，从而防止白口产生；二是减慢冷却速度。这样可以延长焊缝和熔合区析出石墨的时间，从而防止白口的产生。

3.2裂纹及预防

灰口铸铁塑性极差，抗拉强度又低，焊接时局部快速加热和冷却，造成较大的焊接应力，在工件簿弱部位就容易产生裂纹。另外，灰口铸铁中含有较高的C、S、P等元素，在焊接中熔化到焊缝金属中，也增加了产生裂纹的可能性。减少裂纹的防御措施有两种：一是减少焊区和工件之间的温度梯度，避免冷却速度过快；二是改善补焊区的膨胀和收缩条件，选用塑性较好的焊接材料作为填充金属，使焊缝金属可通过塑性变形松弛应力，防止裂纹。

4冷补焊工艺

考虑到铸铁件补焊时易产生白口和裂纹，焊接时要采取可靠、有效的措施防止白口和裂纹的产生。手工电弧焊冷焊法是补焊铸铁的常用方法，考虑到其焊后的机械加工性能，最好采用镍基焊条（Z308），属于非铸型组织焊条，获得的焊缝都不是铸铁成分，因此产生白口问题不严重；Z308焊条塑性好，可调整焊缝成分，改善焊缝组织使其焊接应力得到松弛。Z308焊条焊前需进行70-120℃保温30～60min；焊件焊前一般不需预热，厚大件也可低温预热（50-60℃），焊接过程中也不需要进行辅助加热，补焊时注意：第一，采用短道焊，一次连续施焊长度20～30mm最好，焊后立即（在焊缝高温情况下）进行锤击焊缝消除应力（第一层焊道不需锤击，以防出现锤击裂纹）；第二，补焊大面积的长焊缝时宜采用断续焊或分段退焊跳焊，使铸件温度分布比较均匀，以防局部温度过高， 应力较大，产生裂纹，同时也可稍提高工作效率；第三，采用小电流、快速焊，尽量不作摆动或作较小幅度摆动，在保证熔透的情况下，采用最小电流施焊；第四，多层焊时，应控制层间温度不宜过高（≤60℃），底层焊缝要尽量减少熔合比（开坡口时，坡口底部应磨成圆角，避免尖角，这样可减少熔合比）；第五，如操作手法适当，铸件尺寸和焊接位置合适时，采用低碳钢焊条也可获得满意的效果。但最好先在母材坡口面上补焊一层过渡层（用Z308焊条），也就是说碳钢焊条的焊缝不与铸件母材相接触，这样可避免因低碳钢焊条焊缝熔敷金属与母材强度级别相差较大而在熔合线附近产生“剥离”现象；第六，Z308焊条为纯镍焊条，药皮类型为石墨型（碳含量2%，锰含量1.0%），焊接电源交直流都可以，用直流电源时宜采用正接法（正接法焊缝成型比反接法要好）；第七，铸件如没有断开只有裂纹，在加工坡口前应在裂纹两头标好位置，钻止裂孔，并彻底清除裂纹；在保证焊透的情况下尽量减少坡口尺寸。

5应用实例

此前，某工厂新联合车间泵壳底部出现长达200mm裂纹无法投用，技术部门制定补焊方法如下：

5.1焊前准备用φ100角向磨光机制备坡口

如下，坡口周围20mm范围露出金属光泽，距裂纹端部15mm打止裂纹孔，补焊后再焊上。焊前坡口内用氧－乙炔焰将油、水、漆等烧净。

5.2采用ZX7-400正接施焊工艺

焊机采用ZX7-400正接施焊。焊条采用φ3.2的铸铁Z308，焊前150℃烘干，随取随用，施焊电流90A，分四层施焊，焊接顺序如下图：

施焊时采用短弧短道焊，分段退焊、跳焊，每段焊缝约焊30mm后，立即收弧，用小锤锤击焊缝，并由重到轻，直到焊缝充分冷却.每段焊缝焊完后检查无裂纹、气孔等缺陷后才能进行下一段焊缝焊接；否则应用磨光机清除缺陷。每层焊缝焊完后应锤击整道焊缝，直到整个焊缝不烫手方可进行下一层焊缝焊接，注意在焊接时不要横向运条，依次顺序焊完后，用干燥石灰粉或岩棉覆盖补焊区，自然冷却至室温。按该方法补焊后的泵壳投入使用一年后仍运转正常。同时在其他铸件修补上也取得了满意效果，为公司创造了一定的经济效益。

6结语

选用Z308焊条冷补灰口铸铁，虽然工作效率慢，但工艺要求不复杂，收到的效果比较满意；另外，对焊工工作环境比热焊和半热焊要大大改善，所以冷焊法是焊补铸铁件常用且经济有效的方法。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会等编.《焊工手册》.机械工业出版社2001.12

[2]周振丰.《金属焊接冶金学》.机械工业出版社，1996

[3]DL/T869-2012.《火力发电厂焊接技术规程》.

作者简介：

张道旺（1970.01.09出生），性别：男；籍贯：山东省济南市；民族：汉；学历：大专；职称：高级技师；职务：焊接质检兼职技术员；研究方向：焊接专业。