焊接工藝在設(shè)備維修中的應(yīng)用探討

李 偉，鮑萬臣，李 剛，李亞娥

（河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營鐵礦有限公司，河北 唐山 063700）

焊接是通過物理或化學(xué)的手段，使兩個(gè)相分離的物體（同種材料或異種材料）產(chǎn)生原子（分子）間的結(jié)合，而連接成一體的連接方法，是不可拆卸的永久性連接。焊接技術(shù)作為傳統(tǒng)工藝在機(jī)械制造、設(shè)備維修及安裝中的作用更為突出，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①連接性能好：可以方便地將板材、型材或鑄鍛件根據(jù)需要進(jìn)行組合焊接從而達(dá)到降低重量、節(jié)約材料、資源優(yōu)化的目的。②成形方便：在焊接過程中，熔池金屬溫度高，熔化和結(jié)晶速度快，易于成形，提高了效率。③焊接結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，同時(shí)又易于保證氣密性及水密性。④焊接方法種類多，焊接工藝適應(yīng)性廣。⑤生產(chǎn)成本低。⑥電源便攜，參數(shù)易于調(diào)整，尤其現(xiàn)場安裝及維修時(shí)，更為突出。焊接技術(shù)的這些優(yōu)勢是其他維修工藝無法比擬的，體現(xiàn)出了它的重要地位。掌握好焊接技術(shù)，焊接工藝是前提，不同的材質(zhì)，有不同的焊接工藝，正確制定焊接工藝，才能夠保證焊接的質(zhì)量，提高工作效率，延長使用壽命。

1 鑄鐵冷焊工藝

（1）焊接性能分析。水泵殼體材質(zhì)為灰鑄鐵，這里我們針對灰鑄鐵的焊接性進(jìn)行探討，灰鑄鐵的化學(xué)成分特點(diǎn)是碳、硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，硫、磷雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，這就增大了焊接接頭對冷卻速度及冷熱裂紋的敏感性，灰鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低，基本無塑性。高的含碳量使焊接接頭冷裂紋敏感性較高，同時(shí)高的硫磷雜質(zhì)質(zhì)量使焊縫生成大量低熔點(diǎn)共晶體，焊接時(shí)發(fā)生熱裂紋的可能性也大大增加。這兩方面因素決定了灰鑄鐵焊縫易形成白口鑄鐵，與高碳馬氏體組織焊接性很差，焊縫極易產(chǎn)生裂紋。制定焊接工藝的核心問題是避免裂紋的產(chǎn)生。

（2）焊接方法。鑄鐵冷焊的焊接方法有：①冷焊，工件不預(yù)熱，在常溫下進(jìn)行焊接，可以節(jié)約能源消耗降低成本，改善勞動條件。②半熱焊，要將工件加熱到300℃～400℃。③熱焊，要將工件加熱到600℃～700℃（暗紅色）。由于現(xiàn)場施工，加熱條件不具備，我們采取了電弧冷焊工藝進(jìn)行縫補(bǔ)。

（3）焊接材料的選擇。由于修補(bǔ)對焊材的消耗量大，所以選擇價(jià)格較貴，但焊接性能較好的焊條。

（4）焊接電流的選擇。選用較低的焊接電流，降低熔和比，以降低裂紋的敏感性，我們選擇90A到100A的焊接電流。

（5）焊接速度與電弧長度的選擇。為避免產(chǎn)生裂紋，應(yīng)采用較低的焊接熱量的輸入，所以我們應(yīng)該在保證焊縫成形與母材熔合良好的前提下，最好采用速度比較快的焊接速度和較小的電弧長度[1]。

（6）焊前準(zhǔn)備。①首先要清油、除銹。②用著色方法或用局部加熱方法都能夠判斷裂紋的走向及裂紋的長度。③在距離裂紋端大約3mm處鉆直徑為5mm～8mm的止裂孔，這樣就能夠有效防止在施焊的過程中裂紋的延展。④用角向磨光機(jī)延裂紋的方向開出坡口，坡口角度要盡量小，以不超過65°為宜，坡口底部為圓弧形。⑤如果是大型鑄件，還可以在焊縫處置上螺釘，使焊縫得以加強(qiáng)。⑥為保證焊縫質(zhì)量，同時(shí)降低熱輸入，采用90A～100A的焊接電流，焊接時(shí)要適當(dāng)提高焊速，同時(shí)不做橫向擺動，以避免熱輸入量大時(shí)增加半熔化區(qū)的寬度。⑦每次在焊接30mm左右立即用小錘錘擊焊縫以釋放焊補(bǔ)區(qū)的應(yīng)力，錘擊過程要均勻、適度，焊件溫度小于300℃時(shí)，不再錘擊，以避免產(chǎn)生冷脆裂紋，在補(bǔ)焊區(qū)冷卻至40℃～60℃時(shí)，再焊下一道焊縫。⑧最后焊補(bǔ)止裂孔，焊補(bǔ)止裂孔時(shí)要注意控制層間溫度，待上層充分冷卻后，再進(jìn)行下一步的焊接，條件容許時(shí)要用石棉充分保溫，以保證焊接質(zhì)量。

2 鑄鋼焊接工藝

（1）焊接要求。①焊接之前應(yīng)仔細(xì)清除焊縫兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的油污、水分、割渣、銹蝕等。②裝配點(diǎn)位焊接時(shí)，有效焊縫長度要求30mm～50mm。③每道焊層必須用鋼絲刷清理干凈。④焊接宜采用小電流多層次焊，每道焊層不能太大，且各焊道接頭應(yīng)錯開50mm。⑤對于每道焊縫的焊接應(yīng)連續(xù)，不得間斷，以確保其有合適的層間溫度。⑥若坡口用碳弧氣刨開設(shè)，破口處的碳跡必須打磨干凈。⑦電焊條必須經(jīng)烘干處理，未經(jīng)烘干的焊條不得使用。⑧手工焊時(shí)焊條的擺動幅度應(yīng)小于所用焊條直徑的3倍。

（2）預(yù)熱。①焊縫預(yù)熱溫度為120℃～200℃（預(yù)熱范圍距焊縫中心為75mm），用電加熱器或火焰進(jìn)行加熱并覆蓋以防火巖棉，預(yù)熱時(shí)必須緩慢且均勻，以避免出現(xiàn)裂紋和變形（約60～100℃/h）。②焊縫清根后必須打磨干凈去除掉所有的碳化物。

（3）焊后熱處理。將焊縫區(qū)域用電加熱設(shè)備或火焰加熱到200℃～250℃，保溫1.5小時(shí)并覆蓋以防火巖棉，然后使其緩慢冷卻。

（4）焊接注意事項(xiàng)。①焊接過程中應(yīng)避免“弧傷”（由于引弧不當(dāng)?shù)仍蛞痣娀魝覆幕蚝缚p表面的現(xiàn)象），因其使鑄鋼件局部區(qū)域淬硬，且應(yīng)力集中，極易產(chǎn)生微裂紋。②CO2焊焊接過程中若發(fā)現(xiàn)焊絲表面有銹跡，應(yīng)更換焊絲后方可進(jìn)行焊接。③為防止變形需采用合理的焊接順序和焊接方法，對長焊縫采用分段退焊法，一般的原則：先焊對接縫，再焊角焊縫，做到從中央向兩端，由里向外逐步施焊。④嚴(yán)格控制線能量的輸入，嚴(yán)禁采用過大焊接電流和過慢的焊速，防止焊后影響高強(qiáng)度鋼的材質(zhì)和性能。⑤在高強(qiáng)度鋼上施焊時(shí)，避免電弧碰傷和機(jī)械碰傷高強(qiáng)度鋼的表面。

3 電動機(jī)機(jī)殼的補(bǔ)焊

3.1 維修處理方案的確定

根據(jù)電動機(jī)機(jī)殼受損情況，經(jīng)過綜合分析，決定將電動機(jī)機(jī)殼拆除，并對其進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。

3.2 補(bǔ)焊修復(fù)工藝方法的制訂

由于電動機(jī)機(jī)殼為灰口鑄鐵，在焊接時(shí)焊縫容易產(chǎn)生白口、裂紋等缺陷，根據(jù)實(shí)際情況，決定采用焊條電弧焊半熱焊的修復(fù)工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，以達(dá)到良好的補(bǔ)焊質(zhì)量。

3.3 補(bǔ)焊修復(fù)工藝要點(diǎn)

（1）焊前準(zhǔn)備：補(bǔ)焊前將電動機(jī)機(jī)殼受損部位的鐵渣、油脂及殘留的雜質(zhì)等清除至露出金屬光澤。根據(jù)受損情況，決定采用鉆孔止裂，在裂紋終端前方鉆直徑為4mm的止裂孔，并在裂縫處用角磨機(jī)開70°～80°V形坡口。將電動機(jī)機(jī)殼放入加熱爐上，預(yù)熱至400℃左右，出爐。

（2）焊接工藝參數(shù)確定：由于電動機(jī)機(jī)殼的厚度不大（大約15mm左右），且焊后不再加工，故選用鋼芯石墨化型鑄鐵焊條Z208進(jìn)行補(bǔ)焊。Z208熔敷金屬組織、性能與灰口鑄鐵母材相近，不產(chǎn)生熱裂紋，價(jià)格相對低廉。由于短弧焊接時(shí)，焊條藥皮中大量石墨熔點(diǎn)極高，藥皮不能充分熔化，反應(yīng)也不充分，起不到石墨化的作用，故采取中弧焊接，但電弧不宜太長，以免石墨化元素大量燒損。對準(zhǔn)4mm焊條來說，電弧長度控制在4mm左右較好。對準(zhǔn)4mm焊條及半熱焊工藝來說，為了使藥皮得到充分熔化和焊縫得到較多的熱量，以減慢冷卻速度，故焊接電流選為170A～200A較好。

（3）焊接操作技術(shù)要點(diǎn)：①焊接時(shí)，應(yīng)將電動機(jī)機(jī)殼擺放穩(wěn)當(dāng)，并讓焊縫處于平焊位置。②在焊接中，為減少熱量損失，并使操作者不受高溫輻射，除焊接部位留在外面，其余部分均應(yīng)用石棉板或其他隔熱材料蓋上，并注意不要在通風(fēng)的場所進(jìn)行焊接。③焊接時(shí)，為保持預(yù)熱溫度，應(yīng)盡快完成補(bǔ)焊，保證焊接連續(xù)進(jìn)行。為保證焊縫接頭處充分熔透，焊條運(yùn)行到接頭處要延長停留時(shí)間。④由于焊縫是鑄鐵成分，塑性很差，錘擊對消除應(yīng)力效果不大，所以一般不錘擊。⑤補(bǔ)焊后，應(yīng)將電動機(jī)機(jī)殼用石棉粉覆蓋，使其緩慢冷卻，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。

（4）焊后處理：待電動機(jī)機(jī)殼完全冷卻后取出，將焊縫的焊渣、毛刺等清理掉，并把內(nèi)腔及外部清理干凈，重新組裝。

3.4 維修后的使用情況

自對該電動機(jī)機(jī)殼進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)以后，使用至今一切正常，未出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象的發(fā)生。

4 球磨機(jī)大齒圈的修復(fù)

本廠的5585球磨機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈停機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪根部有2處裂紋，裂紋長度分別約為：600mm，300mm，齒圈材質(zhì)42CrMo，根據(jù)回轉(zhuǎn)齒圈的材質(zhì)、損壞情況及工況結(jié)合我們公司多年齒輪修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，我們推薦采用現(xiàn)場焊接修復(fù)的方式對損壞的齒圈進(jìn)行修復(fù)。

（1）工藝特點(diǎn)。①齒形檢測：齒形模具的制作，采用RUTILE201（聚合陶瓷材料），以未損壞的齒為模板，把RUTILE201（聚合陶瓷材料）調(diào)和好填充在齒上，固化后就制作出齒的檢測模具。優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)手段制作的齒檢測模具相比，檢測精度更高，齒修復(fù)效果更好。②工藝方面：PAW（脈沖微弧冷焊）工藝是將電源存儲的高能量電能，在焊材與金屬母材間瞬時(shí)高頻釋放，形成空氣電離通道，使焊材與母材表面產(chǎn)生瞬間微區(qū)高溫的冶金過程。PAW焊機(jī)（脈沖微弧冷焊）具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn)：加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良，焊后應(yīng)力和變形小。③消除應(yīng)力方面：采用氣動消應(yīng)力槍，通過對焊縫的敲擊振動使其塑性變形達(dá)到消除應(yīng)力的目的，從而保證齒圈焊接后的強(qiáng)度。

（2）施工主要步驟。①準(zhǔn)備380V，220V電源，設(shè)備接線檢查等工作，做好施工前的準(zhǔn)備。②用清洗劑對齒輪表面的油污進(jìn)行清洗，完成后，采用滲透探傷劑檢測齒輪裂紋處及周邊是否有裂紋。③對不需要修復(fù)的齒采用鋁箔膠帶包裹好，防止電弧劃傷，根據(jù)齒圈的厚度及損壞齒的范圍，設(shè)定現(xiàn)場熱處理溫控設(shè)備加熱參數(shù)對齒圈進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，設(shè)定好溫度曲線，采用保溫棉包裹，加熱到指定焊接溫度。④齒圈加熱到指定焊接溫度后，露出需要修復(fù)的部位，采用PAW焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接時(shí)，采用短弧，直線，跳躍對稱焊接方法，每焊接一層材料，采用消應(yīng)力槍對焊縫進(jìn)行消應(yīng)力處理。焊接時(shí)工件溫度要控制在制定溫度范圍內(nèi)，裂紋焊接完成后，對齒圈裂紋處采用Q345鋼板進(jìn)行加強(qiáng)處理。⑤焊接完成后，采用刀口尺檢查焊接尺寸是否達(dá)到修復(fù)尺寸要求，如余量足夠，對修復(fù)齒輪進(jìn)行現(xiàn)場保溫緩冷處理。⑥待齒圈冷卻至室溫后，采用滲透探傷劑檢查看是否有焊接缺陷。⑦采用修磨工具對焊接的齒輪進(jìn)行修磨，修磨后的齒用RUTILE 201（聚合陶瓷材料）制作的模具進(jìn)行研磨和檢測，直至到達(dá)齒輪施工技術(shù)要求修復(fù)工作結(jié)束。

（3）檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：按照《GB50205-2001焊縫質(zhì)量等級及缺陷分級》標(biāo)準(zhǔn)，采用滲透探傷檢測修復(fù)齒輪及周邊無裂紋等危害性缺陷為合格。

（4）維修后的使用情況自對該齒輪的補(bǔ)焊修復(fù)以后，使用至今一切正常，補(bǔ)焊修復(fù)處未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和焊縫開裂等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過補(bǔ)焊修復(fù)設(shè)備受損零件的實(shí)例，筆者切實(shí)體會到合理的補(bǔ)焊修復(fù)工藝能大大地降低維修成本，并且提高了維修效率，取得了顯著的成效，間接給單位創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。