抽油机减速器壳体铸铁冷焊工艺

【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空等于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空等于T0水（同一室温）；（q/v）水等于（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等于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.