论文部分内容阅读
【文章摘要】
合金铸钢缸体主要用于承受复杂的载荷和高溫作用，但由于缸体结构比较复杂，且多用铸造工艺成型，铸件材料流动性较差，铸造时的体积收缩和线收缩都较大等，易形成裂纹、气孔、缩孔等缺陷，导致铸件的失效破坏。通过对缸体材质（ZG20CrMoV）和缸体结构的分析，用合理焊接方法和工艺对合金铸钢缸体的裂纹等缺陷进行焊补，满足产品的质量要求。
【关键词】
合金铸钢;缸体;焊接工艺;缺陷
0 前言
某产品中的铸造缸体零件在机加工过程中发现20%的铸件都有裂纹、气孔、缩孔等缺陷。铸件的质量缺陷影响着产品的合格率，为此采用合理的修补焊接方法和工艺直接关系着铸钢缸体的质量及生产的经济性。
1 缸体（ZG20CrMoV）的焊接性分析
缸体材料的化学成分：C 0.18～0.25%，Si0.20～0.60%，Mn 0.40～0.70%， S ≤0.030%， P≤0.030%， Cr0.90～1.20%，Mo0.50～0.70%， V0.20～0.30%，Cu＼Ni≤0.30%，其他≤0.025%.缸体材料机械性能：σb 490MPa，δ5 15%，Ψ 30%， Aku 24J，硬度140～200HBS，ZG20CrMoV钢属于低合金耐热钢系列，是一种热强性较好的铸钢，主要用于内燃机，汽轮机，燃气轮机，锅炉等。该钢合金元素含量较高，经碳当量计算约CE=0.69%， 具有冷裂、热裂和热影响区脆化等特点，焊接结晶时易析出淬硬组织;并且铸造缸体构件刚性大，三维受力，增加了缸体结构拘束度;焊接时传热快，冷却速度大，不利于氢逸出。为保证产品质量，常规焊接时要求进行焊前预热和焊后高温回火处理，焊接过程还需要控制焊接线能量和采取减低应力等措施，就能获得满意的焊补质量。
2 焊接方法及材料的选择
目前，国内对缸裂纹补焊一般采用两种方法：热补焊法、异质冷补焊法。 热补焊法采用与汽缸材料相同的焊条，焊前对汽缸进行整体预热，焊后进行整体高温回火，补焊质量是令人满意的。异质冷补焊工艺主要采用镍基焊条，这样可以简化工艺，减小热作用范围，减少工件的变形量和残余应力。同时奥氏体组织塑性高，从而有很好的抗裂性能。其优点是工艺简单，工作量小，工件不会产生大的变形。通过对两种焊接工艺比较，此次焊接修理所选用的焊接方法为焊条电弧焊同质热补焊法。选择焊条牌号：R317（型号：E5515-B2-V），φ3.2mm，焊接电流在90～110A，焊前烘干300～350℃，1～2小时，焊条烘焙后放100～150℃恒温箱中保温随用随取;直流电焊机ZX5-250，直流反接;焊前预热至150～250℃;焊接时控制层间温度150～200℃。
3 焊补工艺方案
3.1 焊前准备
使用打磨工具（可装旋转锉头）将缺陷周围的粘砂、油污等清理干净， 然后用无损检测方法检测缺陷位置及尺寸并进行标记。缺陷如是裂纹两端打止裂孔φ10，深度比裂纹深2mm，可采用碳弧气刨、铲除、磨削等方法加工坡口。为了有效控制焊接应力，减少焊接工作量，坡口型式采用旋转锉头打磨成U型，根部R大于10mm，坡口内部圆滑过渡，应无尖角槽或棱角，坡口角度为20°左右，（见图1），并将坡口周围30mm范围、坡口内清理打磨出金属光泽，并用丙酮清洗干净。
图1
3.2 预热及保温
焊前预热至150～250℃，焊接过程中控制层间温度150～200℃。用测温仪跟踪测量，在此温度范围进行施焊。
3.3 补焊
焊接电流在90～110A。补焊时考虑应力缸体的影响，焊接次序上采用分段焊、分道、分层焊接，窄焊道，焊条不摆动短弧焊接。每一段的焊缝宽度10～12mm，焊缝长度30～50mm，控制焊道厚度以不超过3mm为宜。焊接过程中应注意清理，收弧时填满弧坑， 以免产生弧坑裂纹。接头应错开，不能重叠。每段焊接停弧后，应立即用圆头锤锤击焊缝，以有效消除焊接应力。在保证熔合良好的前提下，尽可能提高焊接速度。 每层焊接完成后，彻底清理干净焊渣等，用肉眼仔细检查焊缝表面，确认无裂纹等缺陷后方可继续进行下一道（或层）的焊接。
3.4 焊后检验
停焊冷却后，对补焊焊缝进行打磨清理，使焊缝及补焊周围母材露出金属光泽，对补焊焊缝及其周围进行无损检验。同一处修补次数不超过两次，否则报废
3.5 焊后热处理
焊后热处理可以改善焊接接头的组织和性能，使淬硬区软化，降低硬度，提高冲击韧性和蠕变极限，防止焊接结构的脆性坡破坏。并且使焊接残余应力松弛，防止产生延迟裂纹，提高焊件的可靠性和寿命。针对产品尺寸和材质制定如下工艺。焊接后必须缓慢冷却至 100～120℃，保温 1h，然后升温至710～730℃，保温2～3小时然后缓慢冷却至150～200℃，出炉空冷至常温。
4 结论
经上述焊补工艺实施，质量问题基本得到了解决，产品合格率达98%以上，保证产品的使用质量，降低了生产成本。
【参考文献】
[1]中国机械工程协会焊接学会.焊接手册[M].机械工业出版社.2008.
[2]李荣雪.金属材料焊接工艺[M].机械工业出版社.2013.
[3]彭广威.金属材料与热处理[M].机械工业出版社.2010.
[4]王者昌.关于焊接残余应力消除原理的探讨[J].2000.
合金铸钢缸体主要用于承受复杂的载荷和高溫作用，但由于缸体结构比较复杂，且多用铸造工艺成型，铸件材料流动性较差，铸造时的体积收缩和线收缩都较大等，易形成裂纹、气孔、缩孔等缺陷，导致铸件的失效破坏。通过对缸体材质（ZG20CrMoV）和缸体结构的分析，用合理焊接方法和工艺对合金铸钢缸体的裂纹等缺陷进行焊补，满足产品的质量要求。
【关键词】
合金铸钢;缸体;焊接工艺;缺陷
0 前言
某产品中的铸造缸体零件在机加工过程中发现20%的铸件都有裂纹、气孔、缩孔等缺陷。铸件的质量缺陷影响着产品的合格率，为此采用合理的修补焊接方法和工艺直接关系着铸钢缸体的质量及生产的经济性。
1 缸体（ZG20CrMoV）的焊接性分析
缸体材料的化学成分：C 0.18～0.25%，Si0.20～0.60%，Mn 0.40～0.70%， S ≤0.030%， P≤0.030%， Cr0.90～1.20%，Mo0.50～0.70%， V0.20～0.30%，Cu＼Ni≤0.30%，其他≤0.025%.缸体材料机械性能：σb 490MPa，δ5 15%，Ψ 30%， Aku 24J，硬度140～200HBS，ZG20CrMoV钢属于低合金耐热钢系列，是一种热强性较好的铸钢，主要用于内燃机，汽轮机，燃气轮机，锅炉等。该钢合金元素含量较高，经碳当量计算约CE=0.69%， 具有冷裂、热裂和热影响区脆化等特点，焊接结晶时易析出淬硬组织;并且铸造缸体构件刚性大，三维受力，增加了缸体结构拘束度;焊接时传热快，冷却速度大，不利于氢逸出。为保证产品质量，常规焊接时要求进行焊前预热和焊后高温回火处理，焊接过程还需要控制焊接线能量和采取减低应力等措施，就能获得满意的焊补质量。
2 焊接方法及材料的选择
目前，国内对缸裂纹补焊一般采用两种方法：热补焊法、异质冷补焊法。 热补焊法采用与汽缸材料相同的焊条，焊前对汽缸进行整体预热，焊后进行整体高温回火，补焊质量是令人满意的。异质冷补焊工艺主要采用镍基焊条，这样可以简化工艺，减小热作用范围，减少工件的变形量和残余应力。同时奥氏体组织塑性高，从而有很好的抗裂性能。其优点是工艺简单，工作量小，工件不会产生大的变形。通过对两种焊接工艺比较，此次焊接修理所选用的焊接方法为焊条电弧焊同质热补焊法。选择焊条牌号：R317（型号：E5515-B2-V），φ3.2mm，焊接电流在90～110A，焊前烘干300～350℃，1～2小时，焊条烘焙后放100～150℃恒温箱中保温随用随取;直流电焊机ZX5-250，直流反接;焊前预热至150～250℃;焊接时控制层间温度150～200℃。
3 焊补工艺方案
3.1 焊前准备
使用打磨工具（可装旋转锉头）将缺陷周围的粘砂、油污等清理干净， 然后用无损检测方法检测缺陷位置及尺寸并进行标记。缺陷如是裂纹两端打止裂孔φ10，深度比裂纹深2mm，可采用碳弧气刨、铲除、磨削等方法加工坡口。为了有效控制焊接应力，减少焊接工作量，坡口型式采用旋转锉头打磨成U型，根部R大于10mm，坡口内部圆滑过渡，应无尖角槽或棱角，坡口角度为20°左右，（见图1），并将坡口周围30mm范围、坡口内清理打磨出金属光泽，并用丙酮清洗干净。
图1
3.2 预热及保温
焊前预热至150～250℃，焊接过程中控制层间温度150～200℃。用测温仪跟踪测量，在此温度范围进行施焊。
3.3 补焊
焊接电流在90～110A。补焊时考虑应力缸体的影响，焊接次序上采用分段焊、分道、分层焊接，窄焊道，焊条不摆动短弧焊接。每一段的焊缝宽度10～12mm，焊缝长度30～50mm，控制焊道厚度以不超过3mm为宜。焊接过程中应注意清理，收弧时填满弧坑， 以免产生弧坑裂纹。接头应错开，不能重叠。每段焊接停弧后，应立即用圆头锤锤击焊缝，以有效消除焊接应力。在保证熔合良好的前提下，尽可能提高焊接速度。 每层焊接完成后，彻底清理干净焊渣等，用肉眼仔细检查焊缝表面，确认无裂纹等缺陷后方可继续进行下一道（或层）的焊接。
3.4 焊后检验
停焊冷却后，对补焊焊缝进行打磨清理，使焊缝及补焊周围母材露出金属光泽，对补焊焊缝及其周围进行无损检验。同一处修补次数不超过两次，否则报废
3.5 焊后热处理
焊后热处理可以改善焊接接头的组织和性能，使淬硬区软化，降低硬度，提高冲击韧性和蠕变极限，防止焊接结构的脆性坡破坏。并且使焊接残余应力松弛，防止产生延迟裂纹，提高焊件的可靠性和寿命。针对产品尺寸和材质制定如下工艺。焊接后必须缓慢冷却至 100～120℃，保温 1h，然后升温至710～730℃，保温2～3小时然后缓慢冷却至150～200℃，出炉空冷至常温。
4 结论
经上述焊补工艺实施，质量问题基本得到了解决，产品合格率达98%以上，保证产品的使用质量，降低了生产成本。
【参考文献】
[1]中国机械工程协会焊接学会.焊接手册[M].机械工业出版社.2008.
[2]李荣雪.金属材料焊接工艺[M].机械工业出版社.2013.
[3]彭广威.金属材料与热处理[M].机械工业出版社.2010.
[4]王者昌.关于焊接残余应力消除原理的探讨[J].2000.