球墨铸铁QT400-18A焊接工艺研究

2020-08-01冯雪王灏元

机械工程师 2020年7期

冯雪，王灏元

（1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046；2.哈尔滨工程大学，哈尔滨150001）

0 引言

汽轮机低压内缸、低压外缸等承压部套，由于工作温度及工作压力低，且出于减震的考虑，常选用球墨铸铁QT400-18A材料。球墨铸铁塑韧性差、强度低，从而脆且易碎，因此在转运和翻身等过程中稍有疏忽就很容易造成缺陷。铸造过程中，亦不可避免会出现铸造缺陷。以往由于铸铁焊接工艺复杂，难以控制，长期通过强度核算来选择现状使用或报废的方式处理。既影响了产品的外观质量，又造成拖期，造成巨大的经济损失。因此，研究球墨铸铁的焊接性，制定成熟的焊接工艺具有重要的意义[1-2]。

1 QT400-18A钢材料性能

QT400-18A为铁素体型球墨铸铁。有较高的强度、韧性和塑性，具有较高承受常温一次大能量冲击载荷的能力。在低温下的脆性转变温度较低，低温冲击韧性良好，还具有抗温度转变和一定耐腐蚀性。由于该材料铸造性好，减震和高温抗变形能力强，因此，广泛应用于汽轮机低压内缸、低压外缸等承压部套，其化学成分和力学性能见表1及表2。该材料含碳量高，焊接性非常差，焊接过程中容易产生白口、淬硬组织及焊接裂纹等问题，焊接及补焊难度很大，需要采取必要的措施。

表1 QT400-18A的化学成分质量分数 %

表2 QT400-18A的力学性能

2 工艺方法的选择

球墨铸铁的焊接分为“球墨铸铁热焊法”和“球墨铸铁冷焊法”。两者有各自的优缺点。其中，“球墨铸铁热焊法”通常需要将工件整体或局部区域预热到600～700 ℃的高温条件下再进行焊接，焊后需要进行保温缓冷。这种方法预热温度很高，劳动条件非常差。同时因焊件需加热到600～700 ℃，会消耗很多的燃料，并造成能量的浪费，焊接的成本高，工艺过程相对复杂，生产率低。“球墨铸铁冷焊法”通常焊前不对被焊接的工件进行预热或者预热温度较低，焊接劳动条件较好，焊接的成本相对较低，焊接工艺相对简单，且施焊过程短，同时焊接的效率非常高。适用于结构复杂的大型铸件等不便于预热或不能预热的工件。本文研究异质焊缝冷焊法的焊接工艺。

3 焊接方法的选择

球墨铸铁异质焊缝冷焊法可采用氧-乙炔气焊、钨极氩弧焊、手工电弧焊和熔化极气体保护焊等多种方法，各种方法各有优缺点。本文研究常用的手工电弧焊异质焊缝冷焊法焊接工艺。

4 焊接材料的选择

常用的异质焊缝，按其焊缝金属的性质分为钢基、铜基及镍基三种。针对球墨铸铁QT400-18A常选用镍基铸铁焊条。

镍是奥氏体的形成元素，能够扩大奥氏体区范围，且具备能和铁以任意比例进行相互固溶的特性。文献[3]中表明，当Fe-Ni合金中的Ni质量分数大于30%时，合金凝固过程不发生相变，从开始凝固直到室温都将保持奥氏体组织，即从高温阶段到室温阶段一直保持为奥氏体区组织，没有相变应力，且奥氏体组织硬度较低，塑韧性较好。另一方面，在高温条件下，镍及镍基合金能够溶解一定数量的碳元素，且镍与碳之间不会形成碳化物，随着合金温度下降，其中一部分过饱和的碳元素将以石墨形态析出，碳元素的析出过程将会伴随着合金的体积膨胀，这都将有利于减小焊接过程中的拉应力。上述原因能够很好地减轻由焊接应力及母材淬硬性较高而产生的冷裂纹倾向。Ni元素还是较强的石墨化元素，其在高温阶段扩散系数为硅的20倍，具有较大的扩散系数，这对镍基铸铁焊材焊缝中的镍元素向铸铁母材中的扩散、减小白口组织区的宽度，以及改善镍基铸铁焊材焊接接头的加工性能方面，将起到特别有利的作用[2-3]。因此本文选用镍基铸铁焊材ENiFe-CI(Z408)为研究对象。其化学成分和力学性能如表3、表4所示。

表3 Z408焊条熔敷金属的化学成分质量分数[4] %

表4 Z408焊条熔敷金属的力学性能[4]

5 焊接工艺研究及焊接要点

5.1 焊前清理

为防止产生气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，焊前清理是不可避免的。焊前应采用砂轮和钢丝刷清理工件表面去除表面铁锈等污物，然后采用丙酮或酒精认真清理焊接区及周围30 mm的范围，去除表面油污、水等杂质，可以有效地防止上述缺陷。

5.2 采用小焊条直径、小电流短弧快速焊接

当采用镍基铸铁焊条Z408进行球墨铸铁冷焊时，应在不影响产品焊接质量的情况下，采用小直径焊条，小电流、短弧、快速施焊，减小焊接热输入。主要原因如下：

1）焊接电流及焊接速度与熔深、熔宽及热输入有关，电流越小，焊接速度快，熔深越小，熔宽越窄，热输入减小，焊接热影响区也越小。控制上述工艺细节，则球墨铸铁母材中的P、S等有害元素则更少地进入焊缝，从而减小热裂纹的倾向，热输入小则焊接热影响区的熔化混合区更小，球墨铸铁母材熔入焊缝的量也越少，稀释率越低，更有利于提高焊接接头的质量。

2）焊接电流越小，焊接速度加快，焊接的热输入相对越小，从而焊接的热应力也越小，焊接接头承受的拉伸应力相对减小，焊接过程中发生裂纹的敏感性降低。

3）焊接的热输入越小，母材上处于半熔化区温度范围（1150～1250 ℃）的宽度减小，在焊接接头快速冷却条件下，半熔化区的白口组织区域变窄。另外，焊接热输入减小，会减少碳元素向奥氏体中扩散，避免大量马氏体在热影响区内产生，提高焊接接头的质量。

4）手工电弧焊，焊接电压与熔宽有关，焊接弧长越短，电弧电压也越小，在其他因素不变的条件下，球墨铸铁母材的熔宽变窄，同时热输入量变小，球墨铸铁母材的熔化量也减少，母材对焊缝金属的稀释率降低，因此Z408焊条的焊接采用短弧焊接。

5.3 采用短段对称焊及焊后及时锤击工艺

当采用镍基铸铁焊条Z408进行球墨铸铁冷焊时，为减小焊接过程中的拉应力，避免焊接过程中焊缝发生裂纹，应采用短段对称施焊，并在焊后红热状态锤击的工艺进行施焊，具体操作及原因如下。

施焊过程中单道焊道的缩短，会减少纵向的拉伸应力，随之降低了焊缝发生裂纹的倾向，因此，QT400-18A的冷焊需采用短段焊，每段焊缝长度小于40 mm，且对称施焊，焊后应立即用小锤快速锤击处于红热状态的焊缝，利用高温下焊缝金属具有较高塑性的特点，达到松弛焊接区的残余应力的目的，从而防止焊接过程中应力过大而产生裂纹。由于选用的球墨铸铁镍基焊材其焊缝组织为奥氏体，导热系数低，线膨胀系数较大，热裂纹敏感性强，因此，焊后应控制层间温度不高于40 ℃，以避免焊接过程中热裂纹的产生。同时，为了避免工件局部焊接过热而导致焊接热应力增大，可采用对称焊法，达到提高焊缝抗裂性的目的[2]。