使用焊補法解決QT500-7球墨鑄鐵輪轂的加工質量問題

張現杰，楊偉崗，王建全，劉佳林

鄭州宇通重工有限公司 河南鄭州 450000

1 序言

鄭州宇通重工有限公司在加工某產品QT500-7球墨鑄鐵輪轂時，由于機加工尺寸偏差，導致輪轂裝配性能不合格，且無法直接通過機械加工的方式返修，若返回鑄造工廠進行報廢，成本將浪費幾萬元且加工周期無法滿足產品交付的時間要求。通過綜合分析輪轂的結構和QT500-7球墨鑄鐵的焊接性，最終決定采取焊補法進行修復。

2 輪轂的結構分析

輪轂加工出現尺寸偏差的是深度20mm、孔徑320mm的安裝孔（見圖1），孔徑加工后偏大，需要修補后重新機加工。因需修補的位置深度淺，故適合采用焊補法進行修補。但是在修補的過程中，其余已機加工成的尺寸不能受到影響，且要按照原有加工基準在設備上進行重新裝夾、加工。因此，對修補的過程要求非常嚴格，首先要保證修補面的焊接性，其次要保證其余位置的尺寸無變化。

圖1 輪轂結構

3 QT500-7球墨鑄鐵的焊接性分析

鑄鐵碳含量高、焊接性差，由于鑄鐵在凝固冷卻過程中對冷卻速度很敏感，且強度低、塑性差，故焊接鑄鐵的主要問題是白口化及裂紋。

（1）焊接接頭出現白口及淬硬組織的原因 因為焊接時焊縫的冷卻速度遠大于鑄件在砂型中的冷卻速度，因此焊接鑄件時，易在焊縫及熔合區產生大量的滲碳體，呈現白口鐵組織。且由于母材熔化，易使焊縫呈高碳成分，在快速冷卻時將出現高硬度的馬氏體組織。熱影響區中加熱溫度在800～1150℃的區域（奧氏體區），在焊接冷卻較快的條件下，將會析出二次滲碳體、馬氏體，導致該區的硬度和脆性比母材高[1]。

（2）焊接裂紋出現的原因 鑄鐵焊接時，容易出現冷裂紋和熱裂紋。冷裂紋可發生在焊縫上，也可出現于熱影響區，第一層焊縫中會出現馬氏體，在焊接應力作用下，容易形成冷裂紋，嚴重時甚至可引起整個焊縫剝離基體；熱裂紋主要發生在電弧冷焊時，由于母材成分過渡到焊縫中，導致C、S、P的增加，Ni易與S、P等形成低熔點的共晶體，導致結晶裂紋的形成[1]，即熱裂紋的產生。

（3）預防措施 結合上述分析，預防鑄鐵焊接時白口化和裂紋的措施主要有以下幾個方面。

首先，選擇合適的焊接材料，如采用屈服極限較低而塑性良好的焊接材料，或采用異質金屬進行鑄鐵焊接，避免焊接接頭、熱影響區中出現高碳成分，防止二次滲碳體和馬氏體的出現，進而避免焊縫金屬產生白口或其他硬脆組織的出現；其次，選擇合適的工藝措施，減小焊接熱輸入，控制層間溫度（≤60℃）[1]，減慢焊縫冷卻速度，防止馬氏體的出現。同時要防止和減少焊接殘余應力，避免應力集中導致焊接裂紋和焊接變形的出現。

4 焊補法修復方案

4.1 焊材的選擇

該輪轂焊補后，需要再次進行機加工，因此焊接接頭要有良好的力學性能，同時其力學性能等級要與母材（QT500-7球墨鑄鐵）相匹配。由于焊接過程中，母材熔化時會有一部分的碳元素進入熔合區，因此要選擇塑性優于母材、強度與母材相匹配的焊接材料，而鎳基焊條可具備以上要求，常用的鎳基焊條為Z408。QT500-7和Z408的力學性能分別見表1、表2，從表中數值可得出，Z408的伸長率大于QT500-7，即Z408的塑性優于QT500-7，二者的強度等級屬于等強同級匹配，說明Z408滿足QT500-7的焊補條件。

表1 QT500-7的力學性能

表2 Z408的力學性能[2]

4.2 焊接方式的選擇

結合公司的生產條件和需焊補輪轂的數量，綜合考慮采用焊條電弧焊，其工藝措施簡便、易控，不需要提前高溫預熱和焊后熱處理，避免對輪轂其他已加工成的尺寸和內部組織造成影響。電弧冷焊工藝要點概括如下：準備工作要做好，焊接電流適當小，短段斷續分散焊，焊后立即小錘敲，以此減小白口，防止裂紋[1]。

4.3 工藝措施

1）先用干凈抹布對輪轂需焊補的位置進行擦拭，擦干凈焊縫及其附近200mm范圍內的油污及水分，然后用氧乙炔火焰對焊接部位100mm范圍內烘烤，再次清除鑄鐵內部的油污及水分。烘烤完后等待工件冷卻到60℃以下才能焊接。

2）選用焊條Z408、φ3.2mm，焊接電流80～120A，焊補輪轂前先進行試焊，調整焊接電流至穩定狀態。

3）將輪轂吊起（平面豎直），對焊接部位進行焊接，每段焊縫的長度≤40mm，每焊成一段后，馬上用焊接小錘的小圓頭對焊縫進行錘擊，直到焊縫溫度降到60℃以下才能停止錘擊。每段焊縫施焊前，焊縫處工件的溫度都不允許超過60℃；每段焊縫施焊后，至少要預留出40mm長的一段不焊接。

4）鑄鐵焊補的要點就是分散焊（如每段焊縫長度40mm）、倒退焊（如小段焊接方向和大焊接方向相反）、焊后錘擊，焊工必須嚴格執行。參照圖2將焊縫沿圓周分成30段，首先焊接1～3段；然后將輪轂逆時針轉180°，參照第一次要求再焊接4段焊縫；其次將輪轂繼續逆時針旋轉90°，焊接4段焊縫；最后再旋轉180°，焊接其余4段焊縫。4次焊接結束后，再按照上述操作要求，焊接圖中空白處的焊縫。

圖2 焊接示意

5）焊后錘擊的目的是讓焊縫產生變形以釋放焊接應力，防止焊縫發生剝離裂紋；倒退焊、分散焊以及用小電流焊接，都是為了減少焊接熱輸入，從而減少焊接應力。這些措施對輪轂焊補的成功至關重要，必須嚴格執行。

6）待輪轂焊后冷卻至室溫后，再進行機加工修復至合格的尺寸要求。

5 結束語

通過采取上述工藝措施，同時工藝人員在現場監督執行情況，最終確保了輪轂返修質量合格，裝配性能合格，且已通過市場驗證。