小直徑同質(zhì)鑄鐵焊條--鑄268焊接工藝的研究

    本文研究了在不同的焊接電流和不同的預熱溫度下小直徑同質(zhì)鑄鐵焊條--鑄268焊條的焊接工藝性。實驗結(jié)果表明，鑄268焊條在適當?shù)臈l件下均可對鑄鐵進行焊接。其中當焊接電流為95A，預熱溫度為270℃時，焊接接頭具有良好的力學性能和機加工性能，機加工后顏色與母材一致，并且無裂紋產(chǎn)生。
關(guān)鍵詞： 鑄鐵 鑄鐵焊接 小直徑同質(zhì)鑄鐵焊條 焊接工藝
前言
    鑄鐵是一種生產(chǎn)成本低，并具有許多良好性能的鑄造金屬材料。我國各種鑄鐵的年生產(chǎn)量現(xiàn)約8000萬噸，有各種鑄造缺陷的鑄件約占鑄鐵年生產(chǎn)量的10%-15%，即通常所說的廢品率為10%-15%，若這些鑄件報廢，以1997年鑄鐵價格計算，其損失每年高達10億元以上。若能用焊接的方法修復，則有利于生產(chǎn)任務(wù)的完成，也可以節(jié)約大批資金。
    我國加入WTO以后，尤其是進入21世紀以來，已經(jīng)成為鑄鐵件生產(chǎn)的大國。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上有1/3－1/4的鑄鐵件都是我國生產(chǎn)的，而且大部分的鑄鐵件都要出口，出口的鑄鐵件如果焊補，要求機加工后顏色與母材一致，否則不允許出口。在這種技術(shù)條件要求下體格昂貴（300～400/公斤）的鎳基焊條已無能為力。而這些出口鑄件有許多很小的缺陷，用過去的大直徑同質(zhì)性鑄鐵焊條解決出口鑄件小缺陷焊接問題也無能為力。研制小直徑的同質(zhì)性鑄鐵的焊條是解決出口鑄件小缺陷焊接問題的出路之一。經(jīng)過6年的研究，研究成功了φ2．5的同質(zhì)鑄鐵焊條鑄268，該焊條具有優(yōu)良的焊接工藝性能，良好的抗裂性，在合理工藝的配合下具有良好的機加工性能。解決了出口的鑄件要求焊補機加工后和母材顏色一致的要求。
1 試驗方法和條件
1.1 試驗材料和條件
    試驗用的母材為HT200，試板規(guī)格為200mm×100mm×15mm，在試板上堆焊；焊接材料選用自制的鑄鐵焊條Z268，焊條直徑為φ2.5mm；焊接設(shè)備為JBX-60弧焊機，測溫儀表;焊接電流分別為95A，100A，105A，110A，120A.，試板的預熱溫度為230℃，240℃，250℃，260℃，270℃，室溫為20℃。

表1 灰口鑄鐵化學成分(％)

表2 焊條熔敷金屬化學成分(%)

1.2試驗方法
    首先將鑄268焊條在250℃的溫度下烘干并且保溫1.5小時,然后選定以上五種不同的焊接電流開始在打磨好的試板上等距離焊五條焊縫，焊接速度為3.07mm/s，焊縫長度為80 mm，每條焊縫焊兩層，在前道焊縫冷至室溫后再焊下一道。在每條焊縫起焊處取金相試樣，將五條焊縫制成的金相試樣通過在金相顯微鏡下觀察其組織，打硬度和做硬度曲線，可得出一個合適的焊接電流。如果結(jié)果不理想，對試板進行預熱，分別加熱至以上五種不同的溫度，再取焊縫的金相試樣、在金相顯微鏡下觀察其組織，通過打硬度和做硬度曲線可得出一個合適的預熱溫度。
2 試驗結(jié)果
2.1 焊條工藝性試驗
2.1.1焊接電流對焊條工藝性的影響
焊接電流對焊條工藝性的影響如下表：

表3 第一層焊縫工藝性實驗結(jié)果

表4 第二層焊縫工藝性實驗結(jié)果

    從上述試驗結(jié)果可以看出：當焊接試板溫度為20℃和焊接電流為95A時，焊接工藝性最好，此時的焊縫沒有裂紋，且渣的覆蓋性較好，無飛濺.而當焊接電流為120A的焊接電流效果最差，無論是焊縫成型還是焊縫表面，且有裂紋。
2.1.2試板的預熱溫度對焊條工藝性的影響
    焊接電流為95A，改變試板的預熱溫度，焊條的工藝性如下表：

表4 預熱溫度對焊條工藝性的影響

    由以上試驗結(jié)果可知，當焊接電流調(diào)至95A時，試板溫度預熱到270℃時的焊接效果最佳，此時焊縫成型較好，焊縫表面光滑，在顯微鏡下觀察沒有裂紋和白口組織。
2.2 焊接接頭性能和組織分析
2.2.1 焊接電流對焊接接頭的性能和組織的影響
    隨著電流值的增加，焊接接頭的性能和組織發(fā)生了一系列變化。焊接電流對焊接接頭的性能影響可以通過以下五組在不同區(qū)域的硬度曲線看出。

    由圖1，圖2，圖3，圖4，四組曲線可以看出，焊接電流越大，焊縫和熔合區(qū)的硬度呈上升的趨勢。
    當焊接電流為95A時，焊縫上層硬度值為33.7HV，其組織為屈氏體，少量的滲碳體，球狀石墨和鐵素體。到了焊縫中部，其組織為石墨球，屈氏體和鐵素體，但隨著滲碳體的增多，其硬度值也增至38.5HV。焊縫底部的硬度值為37.6HV ，其組織為片狀石墨和回火托氏體，硬度稍有下降，而到了熔合區(qū)滲碳體組織變少，珠光體增多硬度值為30.9HV。
    當焊接電流為100A時，焊縫上層的硬度為54.6HV，其組織為珠光體，發(fā)散狀石墨和少量滲碳體。焊縫中部硬度值為59.6HV，其組織為回火托氏體，球狀石墨和碳化物，其方向性不強。焊縫底部硬度為51.2HV，組織為少量珠光體，石墨球，鐵素體和滲碳體。到了熔合區(qū)，硬度變?yōu)?5.9HV，原因是出現(xiàn)了少量的白口組織，但不連續(xù)。
    當焊接電流為105A時,焊縫上層硬度為59.8HV,其組織為珠光體，長棒狀的碳化物，其方向性較強，還有石墨球和少部分的白口組織.焊縫中部為珠光體,球形石墨和趨于長塊的碳化物,但無白口組織,所以硬度下降為51.5HV。焊縫底部硬度為45.6HV，其組織為屈氏體，球狀石墨和少量的碳化物，所以硬度降低。到了熔合區(qū)其組織變?yōu)榍�氏體，石墨，滲碳體，但無白口組織的出現(xiàn)，其硬度 為33HV .
    當焊接電流為110A時，焊縫上層的硬度為62.2HV ，其組織為少量的珠光體，球狀石墨和大量的碳化物，所以硬度較高。焊縫中部為托氏體比例增加，出現(xiàn)了網(wǎng)狀和點狀的少量石墨，另外還有一些硬度較低，方向性不明顯，變短的碳化物故硬度降低，硬度值為58.9HV。焊縫底部硬度為37.6HV，組織為珠光體，少量碳化物和一些點狀的石墨，熔合區(qū)的組織為珠光體和石墨小球，硬度值為32.4HV。
    最后，當焊接電流增至120A時，焊縫上層硬度為99.3HV，其組織為較多的石墨球和珠光體，還有大量的共晶碳化物，所以硬度較大，焊縫中部組織為珠光體，石墨和白口組織，此時硬度下降為85.7HV。到了焊縫底部，硬度為84.4HV，是因為組織為亞共晶白口組織，珠光體和一些細小的共晶萊氏體，硬度為33.6HV.
    對于以上五種電流值，并不是任意的電流都能使焊接性能較好，也不是在同一溫度下，焊接電流越大越好。焊接試驗結(jié)果表明，其組織包含的碳化物組織越多，硬度就越高；包含的石墨和珠光體組織越多，其硬度就越低。
    焊接電流值為95A時的硬度值最小。并且此時焊縫無裂紋產(chǎn)生。但焊接電流值為95A時，焊縫和熔合區(qū)的硬度值均在30 HV以上，機加工性能不理想，為了進一步降低接頭的硬度，采取對母材進行預熱。
2.2.2 預熱溫度對焊接接頭性能和組織的影響
    當試板的預熱溫度分別為230℃，240℃，250℃，260℃，270℃時，其硬度曲線如下圖：

    由圖5，圖6，圖 7，圖8，四組曲線可以看出，隨著母材預熱溫度的提高，焊縫與熔合區(qū)的硬度呈下降的趨勢，當把母材預熱至270℃時，此時焊縫與熔合區(qū)的硬度最低，也就是機械加工性最好，通過顯微鏡下觀察，其組織為鐵素體，珠光體和球狀石墨，無裂紋和白口組織。
    實驗結(jié)果表明，在本試驗的條件下，采用95A的焊接電流，預熱溫度為270℃時焊接效果最好，不僅可以防止裂紋和白口及淬硬組織的出現(xiàn)，而且焊縫表面也比較光滑，成型也比較好。
結(jié) 論
（1）采用自己研制的直徑為φ2.5mm的同質(zhì)鑄鐵焊條Z268，選用不同的焊接電流時，對焊條的工藝性的影響也是不同的。就本試驗而言，焊接電流越大，電弧越不穩(wěn)定，渣的覆蓋性就越不好，渣殼內(nèi)部不光滑且不易脫渣，最明顯的特點就是在焊接過程中有裂紋產(chǎn)生，并且焊縫表面不光滑且成型不好。在本試驗的條件下比較合適的電流為95A。
（2）在本試驗的條件下，隨著母材預熱溫度的提高，焊縫與熔合區(qū)的硬度呈下降的趨勢，當把母材預熱至270℃時，焊接接頭具有良好的機械加工性能。
（3）采用自己研制的直徑為φ2.5mm的同質(zhì)鑄鐵焊條Z268，采用95A的焊接電流，預熱溫度為270℃時，焊接灰口鑄鐵，不僅焊條具有優(yōu)良的焊接工藝性能，焊接接頭具有良好的抗裂性能、機械加工性能、機械加工后顏色與母材一致，而且價格低廉。解決了鑄鐵出口件焊接機械加工后顏色與母材一致的難題。