论文部分内容阅读
【摘要】文中对抽油机减速器壳体铸铁冷焊工艺的可行性进行了探讨，列举了铸铁冷焊的工艺要点，就铸件内部导热、辐射换热和对流热进行了传热理论分析。对不同大小铸件的水冷和空冷焊接进行了比较，结果表明：对于小铸件，水冷效果明显，但产生的白口及淬硬组织多，对于较大铸件，水冷效果不明显，铸件越大，水冷效果越不明显。
【关键词】铸铁冷焊；焊接工艺；传热
抽油机减速器壳体单重达1.6吨，结构较复杂，单体价值量较高，在实际工作中，一旦出现铸造缺陷，即行破坏回炉处理，对生产成本控制是极为不利的，因此，我们对抽油机减速器壳体局部缺陷的焊补技术进行了探讨，以解决该难题。考虑到抽油机减速器壳体体积太大的实际，整体预热后进行焊补是不具备实际操作条件的，因此，只能采用冷焊方式。铸铁冷焊工艺中最突出的缺陷，是易产生白口及淬硬组织，易产生裂纹和气孔。
1、理论分析
铸铁冷焊的成功与否，关键在于对白口层及裂纹的控制，因此焊接材料的选择，焊接工艺的制定主要是围绕这两个问题进行的。
白口组织的多少与化学成分和冷却速度有直接关系。石墨化元素不足，冷却速度过快，都是促进白口产生的因素。实践证明，冷却速度的影响比化学元素的影响更大。
裂纹（冷裂纹）的产生与焊接应力的大小及淬硬组织的多少、分布状况有关。应力是根本原因，淬硬组织是必要条件，经测试焊缝金属中心区的温度与应力关系如图1，从中可看出在850℃ 以下开始产生平均应力。在600～700℃之间因发生相变出现某些应力缓和，此后随着温度的降低拉应力直线增加[1]。当化学元素一定时，冷却速度快有利于白口组织的产生。焊缝中热的传播主要靠表面放热和壳体内导热，表面放热包括对流换热和辐射换热。对于此类较大铸件，使用特定焊接工艺方法，可以通过几种热交换的数值分析[2]来比较水冷焊效果。
1.1壳体内部导热
将铸件放在水里焊补（焊缝露出水面8～12mm）时，导热首先是沿着有焊缝的上平面向四周扩散，然后传到侧面，经8～12mm后，才与水接触。根据大壳体瞬时冷却速度计算公式：
则有：
λ：壳体导热系数，T：某一瞬时温度，T0：室温，q/v：焊接线能量（J/cm））
根据条件T空=T水（同样高温下，比较空气和水冷条件下时的冷却速度）有：
T0空=T0水（同一室温）； （q/v）水=（q/v）空（同样线能量）
λ水：在水冷焊时铸铁的导热系数，λ空：在空气中焊壳体时铸铁的导热系数。
同种材质当温度不同时其导热系数不一样，但按水冷焊补方法，传到侧壁8～12mm后的温差很小（用表面温度计测得），故λ水≈λ空。说明从壳体内部导热这方面，在水中和空气中的冷却速度变化不大，没有明显作用。
1.2辐射换热
辐射换热比热流量：qr（卡/厘米·秒）
式中εC0为比例系数，其中C0为常量，且C0=1.373x10-4卡/厘米2·秒·K4，ε为黑度系数，T0为室温，在水冷、空冷焊时εC0、T0都是一致的。T为焊件被加热的温度。由于采用上述焊接方法，对于较大铸件，在接近水面部位温度基本一致（表面温度计所测），接近室温，此时水的对流交换作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比热流量近似相等。说明在辐射热方面水冷起不到使大铸件快速冷却的效果。
1.3对流换热
对流换热比热流量qk（卡/厘米2·秒）
式中：T为固体表面温度，T0为初始温度，αk为对流放热系数（卡/厘米2·秒）。
铸件在空冷焊时，全部与空气对流换热；在水冷时，低于焊缝8～12mm的部位是与水进行对流换热（即泡在水中部分），而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以两种焊法空冷部分的qk值可以看成是一样的。对于较大的铸件，在8～12mm以下部分，温度不会有明显升高（由表面温度计测得），即T≈T0≈室温，此时即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在这种焊接方法情况下，在焊缝以下8～12mm的部位因温度上升很少，无论是空冷、水冷对流换热都不明显。通过以上的理论分析，不难看出，对于大型铸件，水冷实际上没有效应，企图通过这种方法提高冷却速度“控制母材的熔化量”是很难做到的。对于一些小型铸件，水冷还是有效的，确实提高了冷却速度，但这是有害的，是应防止的。它不但增加了白口层厚度，增加了淬硬组织，而且还极易产生裂纹和气孔。
2、金相组织
查有关资料[1]中金相组织（如表1）
3、铸铁冷焊工艺中的缺陷及防止措施
3.1裂纹
裂纹是铸铁焊接中最有代表性的缺陷，也是决定成败的关键。裂纹可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是产生在焊缝上的一种细碎裂纹，冷裂纹可能产生在焊缝及焊缝以外的区域，半熔化区最易出现且形成剥离裂纹。
防止热裂主要措施有：尽量选用细焊条、碱性焊条、适当提高焊缝冷却速度。防止冷裂的主要措施有：采用“加热减应法”、选择合理的焊接顺序、采用塑性好、屈服强度低的焊条、对于厚、大件，坡口要开的窄而深，以减少产生过大的收缩力。
3.2白口及淬硬组织
白口的产生主要是由于石墨元素不足和冷却速度过快而造成。冷却速度快，容易产生白口、淬硬组织，它的产生不但给加工带来困难，而且还易导致裂纹的产生。
主要防止措施有：在打底焊时，采用小线能量法、多层焊法、对于能自由收缩的焊缝或大铸件表面的局部焊补，采用较大电流，连续焊，尽量降低冷却速度、对于有加工性能要求的部位，可采用镍基焊条打底。白口组织一旦产生，要想消除比较困难，在条件允许的情况下，可用退火进行处理，小件可用氧-乙炔焰反复加热，然后缓冷保温，大些的铸件可通过加热炉退火。实在不好解决的要磨掉，换用铸308焊条，小电流施焊。
针对以上分析，我们采用焊前局部预热至约300℃，采用E4303（φ2.5～φ3.2）焊条，小电流（60～110A）、短焊、分散焊、多层焊焊法，每层焊道焊后及时锤击等工艺措施，焊后空冷，成功修复了部分减速器壳体，有效降低了损失。
4、结论
通过以上理论分析及对金相组织的研究，可以得出如下结论：
（1）对于减速器壳体等此类较大铸件，采用水冷效果很不明显，几乎没有作用。
（2）对于小铸件，水冷效果明显，但它较空冷焊接产生的白口及淬硬组织多，更易产生裂纹和气孔。
（3）为防止变形，防止其他部位过热，在不得已的情况下，可以采用水冷焊接，但要注意，此时产生白口、裂纹、气孔的倾向会增加。
（4）对于减速器壳体等此类较大铸件，应从采用合理焊接工艺思路出发，如“短弧、断续、薄层焊，焊焊停停、敲敲残渣”等方式。
【关键词】铸铁冷焊；焊接工艺；传热
抽油机减速器壳体单重达1.6吨，结构较复杂，单体价值量较高，在实际工作中，一旦出现铸造缺陷，即行破坏回炉处理，对生产成本控制是极为不利的，因此，我们对抽油机减速器壳体局部缺陷的焊补技术进行了探讨，以解决该难题。考虑到抽油机减速器壳体体积太大的实际，整体预热后进行焊补是不具备实际操作条件的，因此，只能采用冷焊方式。铸铁冷焊工艺中最突出的缺陷，是易产生白口及淬硬组织，易产生裂纹和气孔。
1、理论分析
铸铁冷焊的成功与否，关键在于对白口层及裂纹的控制，因此焊接材料的选择，焊接工艺的制定主要是围绕这两个问题进行的。
白口组织的多少与化学成分和冷却速度有直接关系。石墨化元素不足，冷却速度过快，都是促进白口产生的因素。实践证明，冷却速度的影响比化学元素的影响更大。
裂纹（冷裂纹）的产生与焊接应力的大小及淬硬组织的多少、分布状况有关。应力是根本原因，淬硬组织是必要条件，经测试焊缝金属中心区的温度与应力关系如图1，从中可看出在850℃ 以下开始产生平均应力。在600～700℃之间因发生相变出现某些应力缓和，此后随着温度的降低拉应力直线增加[1]。当化学元素一定时，冷却速度快有利于白口组织的产生。焊缝中热的传播主要靠表面放热和壳体内导热，表面放热包括对流换热和辐射换热。对于此类较大铸件，使用特定焊接工艺方法，可以通过几种热交换的数值分析[2]来比较水冷焊效果。
1.1壳体内部导热
将铸件放在水里焊补（焊缝露出水面8～12mm）时，导热首先是沿着有焊缝的上平面向四周扩散，然后传到侧面，经8～12mm后，才与水接触。根据大壳体瞬时冷却速度计算公式：
则有：
λ：壳体导热系数，T：某一瞬时温度，T0：室温，q/v：焊接线能量（J/cm））
根据条件T空=T水（同样高温下，比较空气和水冷条件下时的冷却速度）有：
T0空=T0水（同一室温）； （q/v）水=（q/v）空（同样线能量）
λ水：在水冷焊时铸铁的导热系数，λ空：在空气中焊壳体时铸铁的导热系数。
同种材质当温度不同时其导热系数不一样，但按水冷焊补方法，传到侧壁8～12mm后的温差很小（用表面温度计测得），故λ水≈λ空。说明从壳体内部导热这方面，在水中和空气中的冷却速度变化不大，没有明显作用。
1.2辐射换热
辐射换热比热流量：qr（卡/厘米·秒）
式中εC0为比例系数，其中C0为常量，且C0=1.373x10-4卡/厘米2·秒·K4，ε为黑度系数，T0为室温，在水冷、空冷焊时εC0、T0都是一致的。T为焊件被加热的温度。由于采用上述焊接方法，对于较大铸件，在接近水面部位温度基本一致（表面温度计所测），接近室温，此时水的对流交换作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比热流量近似相等。说明在辐射热方面水冷起不到使大铸件快速冷却的效果。
1.3对流换热
对流换热比热流量qk（卡/厘米2·秒）
式中：T为固体表面温度，T0为初始温度，αk为对流放热系数（卡/厘米2·秒）。
铸件在空冷焊时，全部与空气对流换热；在水冷时，低于焊缝8～12mm的部位是与水进行对流换热（即泡在水中部分），而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以两种焊法空冷部分的qk值可以看成是一样的。对于较大的铸件，在8～12mm以下部分，温度不会有明显升高（由表面温度计测得），即T≈T0≈室温，此时即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在这种焊接方法情况下，在焊缝以下8～12mm的部位因温度上升很少，无论是空冷、水冷对流换热都不明显。通过以上的理论分析，不难看出，对于大型铸件，水冷实际上没有效应，企图通过这种方法提高冷却速度“控制母材的熔化量”是很难做到的。对于一些小型铸件，水冷还是有效的，确实提高了冷却速度，但这是有害的，是应防止的。它不但增加了白口层厚度，增加了淬硬组织，而且还极易产生裂纹和气孔。
2、金相组织
查有关资料[1]中金相组织（如表1）
3、铸铁冷焊工艺中的缺陷及防止措施
3.1裂纹
裂纹是铸铁焊接中最有代表性的缺陷，也是决定成败的关键。裂纹可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是产生在焊缝上的一种细碎裂纹，冷裂纹可能产生在焊缝及焊缝以外的区域，半熔化区最易出现且形成剥离裂纹。
防止热裂主要措施有：尽量选用细焊条、碱性焊条、适当提高焊缝冷却速度。防止冷裂的主要措施有：采用“加热减应法”、选择合理的焊接顺序、采用塑性好、屈服强度低的焊条、对于厚、大件，坡口要开的窄而深，以减少产生过大的收缩力。
3.2白口及淬硬组织
白口的产生主要是由于石墨元素不足和冷却速度过快而造成。冷却速度快，容易产生白口、淬硬组织，它的产生不但给加工带来困难，而且还易导致裂纹的产生。
主要防止措施有：在打底焊时，采用小线能量法、多层焊法、对于能自由收缩的焊缝或大铸件表面的局部焊补，采用较大电流，连续焊，尽量降低冷却速度、对于有加工性能要求的部位，可采用镍基焊条打底。白口组织一旦产生，要想消除比较困难，在条件允许的情况下，可用退火进行处理，小件可用氧-乙炔焰反复加热，然后缓冷保温，大些的铸件可通过加热炉退火。实在不好解决的要磨掉，换用铸308焊条，小电流施焊。
针对以上分析，我们采用焊前局部预热至约300℃，采用E4303（φ2.5～φ3.2）焊条，小电流（60～110A）、短焊、分散焊、多层焊焊法，每层焊道焊后及时锤击等工艺措施，焊后空冷，成功修复了部分减速器壳体，有效降低了损失。
4、结论
通过以上理论分析及对金相组织的研究，可以得出如下结论：
（1）对于减速器壳体等此类较大铸件，采用水冷效果很不明显，几乎没有作用。
（2）对于小铸件，水冷效果明显，但它较空冷焊接产生的白口及淬硬组织多，更易产生裂纹和气孔。
（3）为防止变形，防止其他部位过热，在不得已的情况下，可以采用水冷焊接，但要注意，此时产生白口、裂纹、气孔的倾向会增加。
（4）对于减速器壳体等此类较大铸件，应从采用合理焊接工艺思路出发，如“短弧、断续、薄层焊，焊焊停停、敲敲残渣”等方式。