CN103084703B - 一种大型内空铸钢件挖补堆焊再制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型铸钢件堆焊再制造方法，包括以下步骤：1)坡口准备；2)焊接实施；3)焊后处理；4)质量检验。本发明采用子母件局部替更法进行再制造堆焊修复，并从焊接工艺结构和焊接参数入手，解决实际生产中焊缝质量差、强度低及变形量大的问题，确保大型铸钢件在服役过程中能长期、精确、稳定地工作；在保证修复产品与正常产品质量相当的前提下，降低生产成本，获得良好的经济效益。

Description

一种大型内空铸钢件挖补堆焊再制造方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种大型铸钢件挖补堆焊再制造方法，具体地说，涉及一种大型铸钢件局部更换法堆焊再制造技术。

背景技术

大型铸钢零件是机器中的关键零件，用于大型汽轮机的叶轮、船用大型曲轴、大型轧钢机的冷、热轧辊、各种高压容器等特大型形状复杂及内空零件制造成型。其技术条件严格，性能要求高。大型铸钢件的生产工艺复杂，生产条件恶劣，生产难度高。涉及型砂、造型、熔炉(合金成分、纯洁度)、浇注以及清砂方式等多种因素，铸件质量控制难度大，铸造过程中容易出现缩孔、夹渣、冷隔、气泡、裂纹、浇不足等缺陷，随着铸钢件重量的增大，铸钢中的固有缺陷愈益严重。

大型铸钢件缺陷的产生往往带有批量性，从国家的能源消耗及企业本身的经济损失都是非常巨大的，一方面提高制造质量，减少废品的出现，另一方面，如果能针对大型铸钢件废品开展***再制造研究，并在企业成功实施，将对企业节能降耗，提高劳动生产率，降低成本起到重要作用，并将产生重要的经济效益和社会效益。

现有修复技术的使用范围及存在的问题

1.铸钢件的修复停留在小缺陷的修补。大部分铸件大都采用焊补进行冶金修复，如铸钢的气孔、砂眼、缩松的焊补工艺及效果。如大型泵体、阀体、弯头等铸钢件。

大型铸件常用的修复技术主要有：堆焊、TIG焊、MIG焊等。虽然以上这些修复技术都有各自的优点，但是也存在很多不足，熔焊修复的缺点为热输入大，易产生变形，修复后性能损失较大，不适用于精密零件的修复。焊补就是应用焊接工艺技术，修补有缺陷的铸件和锻件以及局部损坏的机械零件，以及在磨损的轴颈和轧辊等机械零件的表面上堆焊一层金属以延长其使用寿命，尤其适应于在大型零件的修复中应用，具有很高的经济价值。

2.修复层性能不能满足大型铸钢件高强度要求

大型铸钢件为重要受力构件，因此，大型铸钢件的技术条件上常常规定，关键部位不允许焊补，原因是焊接性能不能满足使用要求。覆盖层本身的强度与其结合强度有着密切的关系，当焊层冷却收缩产生的应力超过本身的抗拉强度.就会出现拉裂等现象，堆焊层承受接触应力的能力不高所以只能修复接触应力不大的零件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，为提供一种大型内空铸钢件堆焊再制造方法，采用局部挖补替更法进行再制造堆焊修复，并从焊接工艺结构和焊接参数入手，解决实际生产中焊缝质量差、强度低及变形量大的问题，确保大型铸钢件在服役过程中能长期、精确、稳定地工作；在保证修复产品与正常产品质量相当的前提下，降低生产成本，获得良好的经济效益。

其技术方案为：

一种大型铸钢件堆焊再制造方法，包括以下步骤：

1)坡口准备

对每道裂缝处均先用无损检测的方法准确测出缺陷的范围，按检测结果在裂纹尖端钻φ8mm左右止裂孔；采用碳刨、切割、磨削方法清除缺陷；

根据缺陷位置和形状是可反面焊的还是不可反面焊的，开出坡口；对中心筋板裂缝的补焊，应先使用气割方法割除50×100mm，并开出半X坡口，坡口转角处要求圆角过渡，不得有棱角现象存在，在中间加一块嵌补块，嵌补块开出半X型坡口，然后在板缝边缘加引弧板，焊前应预热到100～150℃，焊接应采用直通焊法，焊接完成后应立即锤击焊缝表面；

为使坡口符合施焊要求，对坡口进行修整打磨；对施焊区域进行磁粉检测，以排除裂纹；施焊部位及周围25mm范围必须打磨干净；端部切到止裂孔处，切割处应打磨圆滑，不得有棱角存在，选用低氢船用焊条，小电流焊接，摆动幅度不得超过焊条直径的3倍，切割后用无损检测的方法检测裂透缺陷是否完全消除，如还有缺陷，必须把缺陷完全清除；

2)焊接实施

首先用φ4mm的J507焊条进行封底焊缝的焊接，其焊接次序从里向外焊，每段焊满后，再焊下一段一直焊到第五段为止，最后留第六段不焊；

从外面用金属极电弧对封底焊缝进行清根，用天然气火焰对焊补区及其四周进行预热，待焊补区温度上升到150℃，其周围100～200mm范围内达100℃以上时，就可以进行坡口焊缝的焊补，同时，预热火焰适当减少，以保持工件温度；

焊补采用逆向分段焊接法，每一段焊满后再焊下一段，各层接头错开；

焊补过程中，每焊完一层，就用风枪锤击焊缝，并清除熔渣，直到把坡口全部焊完；

焊后检验焊完后，工件按图纸尺寸进行机械加工，经超声波探伤，未发现裂纹，

起弧不能在焊道尾部，必须返回50mm才能起弧，使弧坑和接头相互错开，

外部的坡口焊缝补完后，整体进炉进行消除残余应力的热处理，380℃保温2h时，随炉冷到200℃出炉；

出炉后待工件冷到100℃以下，再进行里面焊缝第六段的清根及焊补；

3)焊后处理

焊接工作完成后，应进行局部消除应力热处理，在焊缝裂纹补焊位置附上820×300mm加热片，规格为1KW，两至三片，视焊接区域大小而定，然后再包上三层硅酸铝保温毯，整个加热，控温，对焊补后仍然有缺陷处，用气刨清除后重新焊接，焊接要求同前按步骤2)的要求；

4)质量检验

补焊后应清除熔渣、焊瘤和飞溅物，补焊金属表面应平整，并平滑过渡到母材，补焊焊缝咬边深度≤0.5mm，累计长度≤该施焊区域周长的15％，且连续长度≤100mm，施焊区域冷至室温后，进行砂轮打磨以满足无损探伤要求，对焊补处进行超声波探伤。

步骤1)中焊条必须经300～350℃，1h烘烤，焊条直径选用φ4mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.研究焊接物理化学变化、保证焊缝和母件成分的一致性

局部更换法堆焊修复的接头是由母件、子件、焊缝、熔合区和热影响区组成的。这几部分的组织和性能都对焊接接头的质量具有重要的影响。堆焊时，在高温作用下，金属、熔渣、气体之间发生复杂的化学反应和物理变化，存在着一定的特殊性并带来一些不利影响。加之焊材以滴状进入熔池，使金属与气体、熔渣的接触面积大大增加，既加速了冶金反应，同时也增加了有害气体侵入液体金属的机会，或造成气孔、夹渣之类的缺陷；金属的化学成分则宜接影响其余相组织和力学性能；成分偏析和结晶形态还影响热裂纹敏感性。只要正确选择母材和焊接工艺条件，配合一些工艺措施，如预热、缓冷、加冷却势板、控制层间温度等，就可以改善焊接性。

2.制定正确的工艺路线、工艺规程

对于每一个修复的铸钢件件，都必须先进行工艺分析，然后根据试验检测确认初定工艺规程的可行性。经过工艺分析和工艺试验，可以编制详细的施工工艺规程。施工工艺规程包括下料、组对、焊接的工艺守则、主要零部件的工序图表、焊接顺序、预热及后热处理规程和检验规程等。此外，还应按工艺规定搞好工装的设计制造和配套工作，特别是焊工的技术培训、设备的检修、计量仪表的检定等，使技术准备工作落到实处。

焊接结构件的制造过程包括：工艺分析、焊接试验、焊接工艺评定、工艺规程编制、设备工装配套等技术准备过程；材料复验、确认、号料、材料标记移值、下料及检验；焊接坡口加工制备组对、点固与检验；焊前准备，包括焊材烘干、被焊部位清理等；按规定的焊接顺序进行焊接，包括按规定进行的焊前预热；焊接检验，包括外观检验和规定的无损探伤检验等；不合格焊缝的返修、变形超过规定时的整形；工艺规定的焊后处理，包括消氢处理、消除应力退火，振动时效处理、焊趾修磨、喷丸强化等；外观清理、防腐等。

3.修复过程中的质量保证

焊接是一个不均匀的局部加热及迅速冷却过程。在焊缝上最高温度达到材料的蒸发点，而离开时焊缝温度则急剧下降直至室温。焊接区受热发生膨胀，而周围的母材金属会限制其膨胀，并使被焊区金属及热影响区承受压力，从而产生压缩的塑性变形。当焊后冷却至室温时，焊缝金属就会缩短，但因受周围母材金属的限制又不能自由缩短，致使其内部出现一定的残余应力，并产生一定的拉伸塑性变形，这个拉应力就会使塑性较差的材料在接头处产生裂纹。

焊接冷却后，被焊区域金属的缩短主要表现在沿焊缝长度方向的纵向收缩和垂直于焊缝的横向收缩。这两个方向的收缩，造成了焊接构件的多种变形，包括尺寸缩短、角变形、弯曲变形、扭曲变形及波浪变形等。其变形方式、变形程度及变形方向，与结构件的焊缝形式及布置方式、焊缝长短、焊接方法、坡口形式、焊接顺序、装卡方式、焊接工艺参数(电流、电压、焊接速度等)都有密切的关系。要控制与减小焊接变形，必须搞清楚变形的种类及变形方向，并对变形的程度进行估算，制定出控制与防止焊接变形的措施和方法。

4.经济合理性

①根据理有条件考虑工艺的可行性，即修理工段现有设备和工艺水平，合理选择修复工艺。

②应考虑工作效率。

③不能仅看工艺过程消耗，还应考虑零件修复后的使用寿命，与新件比较，其修复成率应低于制造成本：

④考虑因缺少损坏的配件所造成的停产带来的经济损失，这时即使采用的修复工艺其经济性再好，但总体的经济性会受到极大损失。

附图说明

图1为坡口形状及尺寸示意图；图1a)为零件上挖补示意图；图1b)为坡口示意图；图1c)为坡口形状及尺寸示意图；

图2为装配示意图，图2a)为可翻面焊接；图2b)为不能翻面焊接；

图3为封底次序图；

图4为填充焊接次序图；

图5为半X坡口结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

大型内空铸钢件挖补堆焊系厚板焊接，必须保证熔透，无焊接缺陷，强度高，变形小。

1)焊接坡口的选择

坡口型式要能够保证焊接质量、填充金属尽量少、减小焊接应力和变形及操作简便易行。根据焊补区域的位置是否可以可翻面再焊和不能翻面再焊，确定坡口结构如图2所示。图2a)可翻面焊接，图2b)为不能翻面焊接；

坡口应用砂轮打磨，坡口及其周围100mm范围内表面应露出金属光泽并不得有油污和锈等，坡口形状不应有急剧变化。

2)焊接实施

焊接分为封底焊接见图3和填充焊接见图4。

选用低氢船用焊条，焊条必须经300～350℃，1h烘烤，焊条直径选用φ4mm，采用手工焊，焊接工艺规范参数为：焊接电流160～200A，焊接电源直流反接，电压20～22V，焊接速度：打底焊V＝12.5cm/min，其余各层V＝14.1cm/min，焊接摆动幅度不得超过焊条直径的3倍。施焊时采用多层多道焊，分段退焊的方法起弧不能在焊道尾部，必须返回50mm左右才能起弧，使弧坑和接头相互错开。由于补焊面积过大，铸钢件则应选背风处或用挡风板遮挡，如果室温较低，每补焊一层还应用氧-乙炔反复加热，再迅速补焊，以避免产生焊接裂纹。每焊完一层，就用风枪锤击焊缝，立即清除药渣，并沿缺陷中心向外均匀地锤击，降低补焊应力。

由于工件很大，焊补处的刚性亦很大，又是一个封闭焊缝，因此在焊补过程中及焊完以后，在焊缝及热影响试极易产生裂纹。其焊接次序见图。从里向外焊，每段焊满后，再焊下一段一直焊到第五段为止。最后留第六段不焊，使以后大量的正面焊缝焊补时有收缩余地，减少焊缝残余应力。

铸件的补焊高度一般高出铸件平面2mm左右，以利机加工。

3)焊后处理

焊后立即进行跟踪回火，使用中性焰，将焰心对准焊道缓慢向前移动，火焰横向摆动范围应较焊道宽2mm～3mm，两侧停顿时间应略长一些，跟踪回火温度的控制，以焊道表面是亮红色为宜。再对可翻面焊接焊缝进行里面清根及焊补，最后完成第六段焊缝的填充补完。

整体进炉进行消除残余应力的热处理，380℃保温2h时，随炉冷到200℃出炉。

4)检验

补焊区不允许存在裂纹、未熔合、未焊透和气孔、夹渣以及低于相邻母材表面质量要求的缺陷。施焊区域冷至室温后，进行砂轮打磨以满足无损探伤要求，对焊补处进行超声波探伤。

实施例1

下面以铁路货车摇枕和侧架铸钢件为例进行案例解析。

由于摇枕、侧架是铁路货车的行走部分中是重要受力构件，其质量直接影响到铁路运输的发展和生命财产的安全。摇枕、侧架由B+级(ZG25MnCrNi)铸造成型。铸件焊补时，由于摇枕和侧架结构特点和自身合金化元素含量高，淬硬倾向大，容易产生冷、热裂纹，同时焊后接头组织不均匀，特别是热影响区的过热区，晶粒粗大，容易引起断裂。针对这些问题从焊接方法、焊接材料选择，是否开坡口与坡口的开法，电压电流参数选择，焊接外界条件与焊补时注意事项控制，得到的焊接接头有良好的结构强度和抗冲击性能。以保证电弧焊焊补后摇枕和侧架的组织和性能。

对于表面细小裂缝，先用打磨的方法进行消除，如个别裂缝消除不了，用气刨方法进行补焊采用1型坡口的焊修；较深的、未贯通的裂纹采用2型坡口的焊修试验；中心筋板部位的缺陷采用嵌补开出半X坡口进行焊修试验；对于严重的贯通性缺陷必须采用局部替换焊修试验。

1)坡口准备参照图1和图2：

对每道裂缝处均先用无损检测的方法准确测出缺陷的范围，按检测结果所给定的位置钻φ8mm左右止裂孔；缺陷清除采用碳刨、切割、磨削方法予以排除；

陷清除后，使坡口符合施焊要求，并行修整打磨；对施焊区域进行磁粉检测，以排除裂纹；施焊部位及周围25mm范围必须打磨干净，不得有水分、油脂、铁锈的成分存在；对中心筋板裂缝的补焊，应先使用气割方法割除50×100mm，并开出半X坡口(见图5)，坡口角度为15～20°，坡口转角处要求圆角过渡，不得有棱角现象存在，在中间加一块嵌补块，δ表示厚度＝50mmB+级钢板，嵌补块开出半X型坡口，然后在板缝边缘加引弧板，焊前应预热到100～150℃，焊接应采用直通焊法，焊接完成后应立即锤击焊缝表面，第一道和最后一道除外，此处的第一道封底焊接和最后一道指最表面一道焊接。端部切到止裂孔处，切割处应打磨圆滑，不得有棱角存在，选用低氢船用焊条，焊条必须经300～350℃，1h烘烤，焊条直径选用φ4mm，电流为160-200A焊接，摆动幅度不得超过焊条直径的3倍，切割后用无损检测的方法检测裂透缺陷是否完全消除，如还有缺陷，必须把缺陷完全清除；

坡口及其周围100mm范围内表面应露出金属光泽并不得有油污和锈等，坡口形状不应有急剧变化。

2)焊接实施

由于工件很大，焊补处的刚性亦很大，又是一个封闭焊缝，因此在焊补过程中及焊完以后，在焊缝及热影响试极易产生裂纹。为此，采取如下的措施。

首先用φ4mm的J507焊条进行封底焊缝的焊接，其焊接次序见图3。从里向外焊，每段焊满后，再焊下一段一直焊到第五段为止，最后留第六段不焊，使以后大量的正面焊缝焊补时有收缩余地，减少焊缝残余应力。

从外面用金属极电弧对封底焊缝进行清根，这时要特别注意把封底焊缝的根部裂纹清除干净。

用天然气火焰对焊补区及其四周，包括圆周方向进行预热，待焊补区温度上升到150℃左右，其周围100～200mm范围内达100℃以上时，就可以进行坡口焊缝的焊补，同时，预热火焰适当减少，以保持工件温度，具体为200℃。

焊补采用逆向分段焊接法，见图4。每一段焊满后再焊下一段，各层接头错开；

焊补过程中，每焊完一层，就用风枪锤击焊缝，并清除熔渣，直到把坡口全部焊完；

焊后检验焊完后，工件按图纸尺寸进行机械加工。经超声波探伤，未发现裂纹，

起弧不能在焊道尾部，必须返回50mm左右才能起弧，使弧坑和接头相互错开，

外部的坡口焊缝补完后，整体进炉进行消除残余应力的热处理，380℃保温2h时，随炉冷到200℃出炉。

出炉后待工件冷到100℃以下，再进行里面焊缝第六段的清根及焊补，焊完后不再进行任何处理；

3)焊后处理。

焊接工作完成后，应进行局部消除应力热处理，在焊缝裂纹补焊位置附上820×300mm加热片，规格为1KW，两至三片，视焊接区域大小而定，然后再包上三层硅酸铝保温毯，整个加热，控温(温度为350-400℃)，对焊补后仍然有缺陷处，用气刨清除后重新焊接，焊接要求同前，按步骤2)的要求进行。

4)质量检验

补焊后应清除熔渣、焊瘤和飞溅物等。补焊金属表面应平整，并平滑过渡到母材，补焊焊缝咬边深度≤0.5mm，累计长度≤该补焊区周长的15％，且连续长度≤100mm，补焊区不允许存在裂纹、未熔合、未焊透和气孔、夹渣以及低于相邻母材表面质量要求的缺陷。施焊区域冷至室温后，进行砂轮打磨以满足无损探伤要求，对焊补处进行超声波探伤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种大型铸钢件堆焊再制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)坡口准备

对每道裂缝处均先用无损检测的方法准确测出缺陷的范围，按检测结果在裂纹尖端钻φ8mm左右止裂孔；采用碳刨、切割、磨削方法清除缺陷；

根据缺陷位置和形状是可反面焊的还是不可反面焊的，开出坡口；对中心筋板裂缝的补焊，应先使用气割方法割除50×100mm，并开出半X坡口，坡口转角处要求圆角过渡，不得有棱角现象存在，在中间加一块嵌补块，嵌补块开出半X型坡口，然后在板缝边缘加引弧板，焊前应预热到100～150℃，焊接应采用直通焊法，焊接完成后应立即锤击焊缝表面；

为使坡口符合施焊要求，对坡口进行修整打磨；对施焊区域进行磁粉检测，以排除裂纹；施焊部位及周围25mm范围必须打磨干净；端部切到止裂孔处，切割处应打磨圆滑，不得有棱角存在，选用低氢船用焊条，小电流焊接，摆动幅度不得超过焊条直径的3倍，切割后用无损检测的方法检测裂透缺陷是否完全消除，如还有缺陷，必须把缺陷完全清除；

2)焊接实施

首先用φ4mm的J507焊条进行封底焊缝的焊接，其焊接次序从里向外焊，每段焊满后，再焊下一段一直焊到第五段为止，最后留第六段不焊；

从外面用金属极电弧对封底焊缝进行清根，用天然气火焰对焊补区及其四周进行预热，待焊补区温度上升到150℃，其周围100～200mm范围内达100℃以上时，就可以进行坡口焊缝的焊补，同时，预热火焰适当减少，以保持工件温度；

焊补采用逆向分段焊接法，每一段焊满后再焊下一段，各层接头错开；

焊补过程中，每焊完一层，就用风枪锤击焊缝，并清除熔渣，直到把坡口全部焊完；

焊后检验焊完后，工件按图纸尺寸进行机械加工，经超声波探伤，未发现裂纹，

起弧不能在焊道尾部，必须返回50mm才能起弧，使弧坑和接头相互错开，

外部的坡口焊缝补完后，整体进炉进行消除残余应力的热处理，380℃ 保温2h时，随炉冷到200℃出炉；

出炉后待工件冷到100℃以下，再进行里面焊缝第六段的清根及焊补；

3)焊后处理

焊接工作完成后，应进行局部消除应力热处理，在焊缝裂纹补焊位置附上820×300mm加热片，规格为1KW，两至三片，视焊接区域大小而定，然后再包上三层硅酸铝保温毯，整个加热，控温，对焊补后仍然有缺陷处，用气刨清除后重新焊接，焊接要求同前按步骤2)的要求；

4)质量检验

补焊后应清除熔渣、焊瘤和飞溅物，补焊金属表面应平整，并平滑过渡到母材，补焊焊缝咬边深度≤0.5mm，累计长度≤该施焊区域周长的15％，且连续长度≤100mm，施焊区域冷至室温后，进行砂轮打磨以满足无损探伤要求，对焊补处进行超声波探伤。

2.根据权利要求1所述的大型铸钢件堆焊再制造方法，其特征在于，步骤1)中焊条必须经300～350℃，1h烘烤，焊条直径选用φ4mm。