球墨鑄鐵QT400-18A焊接工藝研究

馮雪， 王灝元

（1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱150001）

0 引 言

汽輪機低壓內缸、低壓外缸等承壓部套，由于工作溫度及工作壓力低，且出于減震的考慮，常選用球墨鑄鐵QT400-18A材料。球墨鑄鐵塑韌性差、強度低，從而脆且易碎，因此在轉運和翻身等過程中稍有疏忽就很容易造成缺陷。鑄造過程中，亦不可避免會出現鑄造缺陷。以往由于鑄鐵焊接工藝復雜，難以控制，長期通過強度核算來選擇現狀使用或報廢的方式處理。既影響了產品的外觀質量，又造成拖期，造成巨大的經濟損失。因此，研究球墨鑄鐵的焊接性，制定成熟的焊接工藝具有重要的意義[1-2]。

1 QT400-18A鋼材料性能

QT400-18A為鐵素體型球墨鑄鐵。有較高的強度、韌性和塑性，具有較高承受常溫一次大能量沖擊載荷的能力。在低溫下的脆性轉變溫度較低，低溫沖擊韌性良好，還具有抗溫度轉變和一定耐腐蝕性。由于該材料鑄造性好，減震和高溫抗變形能力強，因此，廣泛應用于汽輪機低壓內缸、低壓外缸等承壓部套，其化學成分和力學性能見表1及表2。該材料含碳量高，焊接性非常差，焊接過程中容易產生白口、淬硬組織及焊接裂紋等問題，焊接及補焊難度很大，需要采取必要的措施。

表1 QT400-18A的化學成分質量分數 %

表2 QT400-18A的力學性能

2 工藝方法的選擇

球墨鑄鐵的焊接分為“球墨鑄鐵熱焊法”和“球墨鑄鐵冷焊法”。兩者有各自的優缺點。其中，“球墨鑄鐵熱焊法”通常需要將工件整體或局部區域預熱到600～700 ℃的高溫條件下再進行焊接，焊后需要進行保溫緩冷。這種方法預熱溫度很高，勞動條件非常差。同時因焊件需加熱到600～700 ℃，會消耗很多的燃料，并造成能量的浪費，焊接的成本高，工藝過程相對復雜，生產率低。“球墨鑄鐵冷焊法”通常焊前不對被焊接的工件進行預熱或者預熱溫度較低，焊接勞動條件較好，焊接的成本相對較低，焊接工藝相對簡單，且施焊過程短，同時焊接的效率非常高。適用于結構復雜的大型鑄件等不便于預熱或不能預熱的工件。本文研究異質焊縫冷焊法的焊接工藝。

3 焊接方法的選擇

球墨鑄鐵異質焊縫冷焊法可采用氧-乙炔氣焊、鎢極氬弧焊、手工電弧焊和熔化極氣體保護焊等多種方法，各種方法各有優缺點。本文研究常用的手工電弧焊異質焊縫冷焊法焊接工藝。

4 焊接材料的選擇

常用的異質焊縫，按其焊縫金屬的性質分為鋼基、銅基及鎳基三種。針對球墨鑄鐵QT400-18A常選用鎳基鑄鐵焊條。

鎳是奧氏體的形成元素，能夠擴大奧氏體區范圍，且具備能和鐵以任意比例進行相互固溶的特性。文獻[3]中表明，當Fe-Ni合金中的Ni質量分數大于30%時，合金凝固過程不發生相變，從開始凝固直到室溫都將保持奧氏體組織，即從高溫階段到室溫階段一直保持為奧氏體區組織，沒有相變應力，且奧氏體組織硬度較低，塑韌性較好。另一方面，在高溫條件下，鎳及鎳基合金能夠溶解一定數量的碳元素，且鎳與碳之間不會形成碳化物，隨著合金溫度下降，其中一部分過飽和的碳元素將以石墨形態析出，碳元素的析出過程將會伴隨著合金的體積膨脹，這都將有利于減小焊接過程中的拉應力。上述原因能夠很好地減輕由焊接應力及母材淬硬性較高而產生的冷裂紋傾向。Ni元素還是較強的石墨化元素，其在高溫階段擴散系數為硅的20倍，具有較大的擴散系數，這對鎳基鑄鐵焊材焊縫中的鎳元素向鑄鐵母材中的擴散、減小白口組織區的寬度，以及改善鎳基鑄鐵焊材焊接接頭的加工性能方面，將起到特別有利的作用[2-3]。因此本文選用鎳基鑄鐵焊材ENiFe-CI(Z408)為研究對象。其化學成分和力學性能如表3、表4所示。

表3 Z408焊條熔敷金屬的化學成分質量分數[4] %

表4 Z408焊條熔敷金屬的力學性能[4]

5 焊接工藝研究及焊接要點

5.1 焊前清理

為防止產生氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，焊前清理是不可避免的。焊前應采用砂輪和鋼絲刷清理工件表面去除表面鐵銹等污物，然后采用丙酮或酒精認真清理焊接區及周圍30 mm的范圍，去除表面油污、水等雜質，可以有效地防止上述缺陷。

5.2 采用小焊條直徑、小電流短弧快速焊接

當采用鎳基鑄鐵焊條Z408進行球墨鑄鐵冷焊時，應在不影響產品焊接質量的情況下，采用小直徑焊條，小電流、短弧、快速施焊，減小焊接熱輸入。主要原因如下：

1）焊接電流及焊接速度與熔深、熔寬及熱輸入有關，電流越小，焊接速度快，熔深越小，熔寬越窄，熱輸入減小，焊接熱影響區也越小。控制上述工藝細節，則球墨鑄鐵母材中的P、S等有害元素則更少地進入焊縫，從而減小熱裂紋的傾向，熱輸入小則焊接熱影響區的熔化混合區更小，球墨鑄鐵母材熔入焊縫的量也越少，稀釋率越低，更有利于提高焊接接頭的質量。

2）焊接電流越小，焊接速度加快，焊接的熱輸入相對越小，從而焊接的熱應力也越小，焊接接頭承受的拉伸應力相對減小，焊接過程中發生裂紋的敏感性降低。

3）焊接的熱輸入越小，母材上處于半熔化區溫度范圍（1150～1250 ℃）的寬度減小，在焊接接頭快速冷卻條件下，半熔化區的白口組織區域變窄。另外，焊接熱輸入減小，會減少碳元素向奧氏體中擴散，避免大量馬氏體在熱影響區內產生，提高焊接接頭的質量。

4）手工電弧焊，焊接電壓與熔寬有關，焊接弧長越短，電弧電壓也越小，在其他因素不變的條件下，球墨鑄鐵母材的熔寬變窄，同時熱輸入量變小，球墨鑄鐵母材的熔化量也減少，母材對焊縫金屬的稀釋率降低，因此Z408焊條的焊接采用短弧焊接。

5.3 采用短段對稱焊及焊后及時錘擊工藝

當采用鎳基鑄鐵焊條Z408進行球墨鑄鐵冷焊時，為減小焊接過程中的拉應力，避免焊接過程中焊縫發生裂紋，應采用短段對稱施焊，并在焊后紅熱狀態錘擊的工藝進行施焊，具體操作及原因如下。

施焊過程中單道焊道的縮短，會減少縱向的拉伸應力，隨之降低了焊縫發生裂紋的傾向，因此，QT400-18A的冷焊需采用短段焊，每段焊縫長度小于40 mm，且對稱施焊，焊后應立即用小錘快速錘擊處于紅熱狀態的焊縫，利用高溫下焊縫金屬具有較高塑性的特點，達到松弛焊接區的殘余應力的目的，從而防止焊接過程中應力過大而產生裂紋。由于選用的球墨鑄鐵鎳基焊材其焊縫組織為奧氏體，導熱系數低，線膨脹系數較大，熱裂紋敏感性強，因此，焊后應控制層間溫度不高于40 ℃，以避免焊接過程中熱裂紋的產生。同時，為了避免工件局部焊接過熱而導致焊接熱應力增大，可采用對稱焊法，達到提高焊縫抗裂性的目的[2]。

5.4 合理選擇焊接順序

每層先從坡口兩側焊起，后焊中間，每條焊道不得橫跨到坡口的兩側，且沿著坡口面逐層焊接敷焊層。且減小焊接過程中的拘束度，保證其他未焊接部分能夠自由收縮，避免焊接過程中應力過大，導致焊縫開裂。施焊過程中，注意焊縫應與母材圓滑過渡，避免應力集中。

5.5 結 果

通過上述焊接工藝方法，成功完成了球墨鑄鐵QT400-18A的鎳基冷焊焊接工藝試驗，獲得了理想的焊縫。200倍金相結果見圖1。

圖1 球墨鑄鐵QT400-18A鎳基冷焊焊接接頭三區金相照片

6 結 論

通過研究總結上述球墨鑄鐵的鎳基冷焊工藝要點如下：1）充分做好焊前清理工作，避免污物影響焊接質量；2）在保證焊接質量的前提下，盡可能采用小直徑焊條和小熱輸入進行焊接；3）采用短弧快速焊焊接技術及焊后及時錘擊工藝減小焊接應力，避免裂紋產生；4）合理地選擇焊接順序，避免應力集中產生裂紋。