王功胜
摘要HT200、HT300、HT350铸铁零件的热焊、冷焊方法、焊前准备、焊接规范、操作要求及内燃机缸体维修实例。
关键词裂纹热焊冷焊内应力
中图分类号TG457.12文献标识码B
铸铁零件大多是加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器壳体等。材料多为HT200、HT300、HT350等。这些零件使用中会发生破损，焊接是修复这些破损的简单方法，但有些铸铁零件焊补后容易出现白口组织和裂纹，这主要是铸铁含碳量高、杂质多且塑性低、焊接性差、对冷却速度敏感等原因造成的。
一、热焊法
热焊法是在焊前将铸铁件整体（或局部）预热至600～700℃，使裂缝处预先热胀，补焊过程中不低于400℃，使工件受热均匀，减小应力。焊后再加热至600～700℃，在炉内缓慢冷却，可以使焊缝和工件一同收缩，有效减小蕉接接头的温差，从而减小应力，同时还可以改善铸件塑性，防止出现白口组织和裂纹。焊缝密实，颜色一致，便于机械加工。但热焊法会使零件变形，尤其对修复的旧件影响较大，且劳动条件差、成本高。因此，只适用于结构复杂，焊修后要进行切削加工，并要求承受较大载荷的零件。
生产中也常采用半热焊和局部预热焊的方法。一般加热温度在250～450℃，延缓焊后的冷却速度，保证焊缝自由收缩，以减少焊件应力和变形。
热焊法的焊接设备主要有加热炉、焊炬、电炉（油炉或地炉）等。焊接过程一般是首先清除缺陷周围的油污和氧化皮，露出基体的金属光泽。开坡口，坡口深度为焊件壁厚的2/3，角度为70°～120°。将焊件放入炉中缓慢加热至600～700℃（不可超过700℃）。接着采用中性焰或弱碳化焰（施焊过程中不要使铁水流向一侧），待基体金属熔透后，再熔入焊条金属。发现熔池中出现白亮点时，停止填入焊条金属，加入适量焊剂，用焊条将杂物剔除后再继续施焊。为得到平整的焊缝，焊接后的焊缝应稍高出铸铁件表面，并将溢在焊缝外的熔渣重新熔化，待降温到半熔化状态时，用焊丝沿铸件表面将高出部分刮平。
热焊的焊接质量在相当程度上取决于加热、保温、防护措施及焊工的操作技能。因此，一般应随炉缓慢冷却至室温（需48h以上），也可用石棉布（板）或石灰覆盖，使焊缝形成均匀的组织，防止产生裂纹。
二、冷焊法
冷焊法不需要预热或预热温度＜200℃下进行的焊修，焊后在室温下自然冷却，依靠焊条来调整焊缝处的化学成分，以防止产生或减少白口组织和裂纹。冷焊法所用设备简单、成本低，同时改善了劳动条件，特别是焊修大型零件，意义更大。但焊修过程中零件容易产生白口组织与裂纹。因此，必须采取严格的工艺措施，采用优质的铸铁冷焊焊条。冷焊法的焊接设备为普通的电弧焊设备，焊接工艺如下：
1．焊前准备
清除焊修表面的油污及杂质，使其露出基体的金属光泽；如果存在裂纹，应在裂纹两端各钻一个止裂孔，以免施焊时裂纹延伸；沿裂纹开出坡口，其型式和大小由焊修部位的厚度和工艺要求而定。如果是大型铸件，还可以在焊缝处拧上一定数量的螺钉，使接头得到加强。螺钉直径一般不超过16mm（如果壁厚小于15mm，则螺钉直径应小于或等于6mm），螺钉的数量可按断面面积计算，即螺钉的总断面面积不大于铸件裂纹断面面积的25%，且这些螺钉应均匀分布在裂纹两边。
2．焊接规范
焊条直径由焊修部位的厚度确定，一般应尽量选用小直径的焊条，以减少输入焊件的热量。在保证焊条金属与基体熔合的情况下，焊修电流应尽量选小，以免焊件温度过高产生应力。电弧长度一般是焊条直径的0.5～1.1倍，以保证燃烧稳定。如果采用直流电源，应选焊件为负极，以免焊件受热，温度过高。
3．操作要求
一般应遵循先内后外（先孔内，后机体外侧，再后机体上平面），采用短段、断续、分散焊、多层多道（第一层焊完后，用砂轮在整个焊缝上磨去一丝焊肉，检查确实不存在气孔、裂纹后再焊第二层。每层先从坡口两侧焊起．后焊中间），小电流、锤击焊缝的原则。
(1)将整条焊缝分成若干小段，不可连续施焊，每段长度视焊件厚度而定，一般10～50mm。每段焊完后，应冷却至室温再焊下一段。每个小焊波不要横跨到坡口两侧，这样有利于未焊部分自由收缩，并避免电弧在坡口两侧停留太久。
(2)焊后金属温度在800℃左右时，应锤击焊缝，使其表面呈麻点状，以松弛焊接应力，清除裂纹和气孔。温度＜300℃时不能再锤击，以免产生冷脆裂纹。
(3)施焊中以直线划小圈式运条手法为佳，焊缝应与母材呈圆滑过渡，以利于焊缝应力走向。
三、内燃机缸体维修实例
材料为灰口铸铁的内燃机缸体冻裂。由于缸体体积较大，现场难以对其整体预热，因此常温下焊修。
1．焊条选择
合理选用焊条，对于保证焊接质量有直接影响。选择焊条的主要依据是焊条熔化时与缸体的熔合能力。铸铁焊条种类较多，通过焊接比较，选用铸308纯镍铸铁焊条，其焊芯含镍量高，药皮含有石墨。镍原子与铁、碳等原子融合性好，高温下扩散能力强，可溶解碳而不形成脆硬组织。当镍含量超过25％时，常温下可得到奥氏体组织的焊缝金属，使焊缝的切削加工性能好，抗拉强度高，抗裂性好。交、直流电焊机都适用。如焊后不需对焊缝加工，也可选铸408镍铁焊条或铸607铜铁焊条。
2．裂纹检查
检查裂纺的方法有几种，适合于工地条件且简便易行的方法是油浸法。即首先将零件裂纹及其附近部位用柴油浸泡，浸泡时间一般不少于12h；然后用粉笔涂抹，再用小锤敲击，使渗入裂纹的油溢出于粉笔涂抹之处，这样即可清楚地看到裂纹的痕迹。
3．焊前准备
(1)钻止裂孔。沿裂纹方向、在离裂纹端点外3～5mm处钻一个限制孔，以防裂纹继续扩展，钻孔直径为5～10mm。孔口处用钻头扩成喇叭口状，以利焊接熔合。
(2)开坡口。选用U形坡口，U形坡口根部为圆角过渡，可以减少应力集中，也可以减少冲淡率（指进入焊缝中基体金属材料所占比例）。U形坡口角度为70°～80°，深度为缸体壁厚的2/3～4/5。用汽油清洗坡口，除去油污和杂质。
(3)施焊。为了控制焊接变形，减少焊接缺陷，应将施焊部位垫成水平状态。施焊中，以直线划小圈式的运条手法，用中等弧长施焊，每条焊段长度控制在12～20mm之间，堆焊厚度不超过2mm，动作要干脆利落。为减少焊接应力，防止焊缝剥离和产生裂纹，不应使高温电弧在焊区停留的时间过长。每段焊完之后，要迅速用小锤轻轻敲击焊段及其周围，以清除药皮和消除焊接内应力。然后将焊段表面的焊肉用砂轮磨去一些。第一层焊完，用砂轮在整个焊缝上再磨去一些焊肉，检查确无气孔、裂纹后再焊第二层。依此类推，最后使整道焊缝圆滑过渡到缸体上平面，此焊法对控制焊缝应力有利。
(4)焊止裂孔。焊缝全部焊接完毕并确定已无裂纹后再堆焊裂纹两端的止裂孔。全部焊修完毕后，将焊渣清理干净，再次轻锤焊缝表面，检查焊缝有无气孔、裂纹等缺陷，冷却至室温。
4．施焊时注意事项
(1)焊接电流的大小对焊接质量有很大影响。电流过大时焊条的药皮易烧红脱落，造成夹渣和熔合不好，焊接区域温度上升既快又高，热影响区大，熔合区马氏体厚度也会增加。电流过小时由于热度不够而熔合不好，易产生气孔和夹渣。因此，原则上在保证焊接质量前提下尽量采取较小电流。焊接电流可参考I=(29～34)d计算，I表示焊接电流，d表示焊条直径。采用直流焊机，焊条接正极，工件接负极。对于焊芯直径1.6mm的焊条，采用电流为48A。
(2)若焊缝较长，应采取分段、断续焊的方法。每焊完一小段后用小锤敲击焊缝附近。待焊缝区域冷却到60℃以下（不烫手）时再施焊下一段，每段长度≤20mm。
(3)因内燃机缸体有一定壁厚，加上所用的焊条较细，所以一般应焊多层。
如有条件，焊前对工件进行100～200℃的预热，则会较明显地改善焊接条件，从而得到更理想的焊接效果。焊后对工件进行适当保温，减慢其冷却速度，对于防止裂纹的产生也是有利的。
内燃机缸体采用上述冷焊方法修复后，至今已运行了1500h，焊缝处无异常。