焊接工艺在设备维修中的应用探讨

李 伟，鲍万臣，李 刚，李亚娥

（河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司，河北 唐山 063700）

焊接是通过物理或化学的手段，使两个相分离的物体（同种材料或异种材料）产生原子（分子）间的结合，而连接成一体的连接方法，是不可拆卸的永久性连接。焊接技术作为传统工艺在机械制造、设备维修及安装中的作用更为突出，具有以下优点：①连接性能好：可以方便地将板材、型材或铸锻件根据需要进行组合焊接从而达到降低重量、节约材料、资源优化的目的。②成形方便：在焊接过程中，熔池金属温度高，熔化和结晶速度快，易于成形，提高了效率。③焊接结构刚度大，整体性好，同时又易于保证气密性及水密性。④焊接方法种类多，焊接工艺适应性广。⑤生产成本低。⑥电源便携，参数易于调整，尤其现场安装及维修时，更为突出。焊接技术的这些优势是其他维修工艺无法比拟的，体现出了它的重要地位。掌握好焊接技术，焊接工艺是前提，不同的材质，有不同的焊接工艺，正确制定焊接工艺，才能够保证焊接的质量，提高工作效率，延长使用寿命。

1 铸铁冷焊工艺

（1）焊接性能分析。水泵壳体材质为灰铸铁，这里我们针对灰铸铁的焊接性进行探讨，灰铸铁的化学成分特点是碳、硅质量分数高，硫、磷杂质的质量分数高，这就增大了焊接接头对冷却速度及冷热裂纹的敏感性，灰铸铁的力学性能特点是强度低，基本无塑性。高的含碳量使焊接接头冷裂纹敏感性较高，同时高的硫磷杂质质量使焊缝生成大量低熔点共晶体，焊接时发生热裂纹的可能性也大大增加。这两方面因素决定了灰铸铁焊缝易形成白口铸铁，与高碳马氏体组织焊接性很差，焊缝极易产生裂纹。制定焊接工艺的核心问题是避免裂纹的产生。

（2）焊接方法。铸铁冷焊的焊接方法有：①冷焊，工件不预热，在常温下进行焊接，可以节约能源消耗降低成本，改善劳动条件。②半热焊，要将工件加热到300℃～400℃。③热焊，要将工件加热到600℃～700℃（暗红色）。由于现场施工，加热条件不具备，我们采取了电弧冷焊工艺进行缝补。

（3）焊接材料的选择。由于修补对焊材的消耗量大，所以选择价格较贵，但焊接性能较好的焊条。

（4）焊接电流的选择。选用较低的焊接电流，降低熔和比，以降低裂纹的敏感性，我们选择90A到100A的焊接电流。

（5）焊接速度与电弧长度的选择。为避免产生裂纹，应采用较低的焊接热量的输入，所以我们应该在保证焊缝成形与母材熔合良好的前提下，最好采用速度比较快的焊接速度和较小的电弧长度[1]。

（6）焊前准备。①首先要清油、除锈。②用着色方法或用局部加热方法都能够判断裂纹的走向及裂纹的长度。③在距离裂纹端大约3mm处钻直径为5mm～8mm的止裂孔，这样就能够有效防止在施焊的过程中裂纹的延展。④用角向磨光机延裂纹的方向开出坡口，坡口角度要尽量小，以不超过65°为宜，坡口底部为圆弧形。⑤如果是大型铸件，还可以在焊缝处置上螺钉，使焊缝得以加强。⑥为保证焊缝质量，同时降低热输入，采用90A～100A的焊接电流，焊接时要适当提高焊速，同时不做横向摆动，以避免热输入量大时增加半熔化区的宽度。⑦每次在焊接30mm左右立即用小锤锤击焊缝以释放焊补区的应力，锤击过程要均匀、适度，焊件温度小于300℃时，不再锤击，以避免产生冷脆裂纹，在补焊区冷却至40℃～60℃时，再焊下一道焊缝。⑧最后焊补止裂孔，焊补止裂孔时要注意控制层间温度，待上层充分冷却后，再进行下一步的焊接，条件容许时要用石棉充分保温，以保证焊接质量。

2 铸钢焊接工艺

（1）焊接要求。①焊接之前应仔细清除焊缝两侧各20mm范围内的油污、水分、割渣、锈蚀等。②装配点位焊接时，有效焊缝长度要求30mm～50mm。③每道焊层必须用钢丝刷清理干净。④焊接宜采用小电流多层次焊，每道焊层不能太大，且各焊道接头应错开50mm。⑤对于每道焊缝的焊接应连续，不得间断，以确保其有合适的层间温度。⑥若坡口用碳弧气刨开设，破口处的碳迹必须打磨干净。⑦电焊条必须经烘干处理，未经烘干的焊条不得使用。⑧手工焊时焊条的摆动幅度应小于所用焊条直径的3倍。

（2）预热。①焊缝预热温度为120℃～200℃（预热范围距焊缝中心为75mm），用电加热器或火焰进行加热并覆盖以防火岩棉，预热时必须缓慢且均匀，以避免出现裂纹和变形（约60～100℃/h）。②焊缝清根后必须打磨干净去除掉所有的碳化物。

（3）焊后热处理。将焊缝区域用电加热设备或火焰加热到200℃～250℃，保温1.5小时并覆盖以防火岩棉，然后使其缓慢冷却。

（4）焊接注意事项。①焊接过程中应避免“弧伤”（由于引弧不当等原因引起电弧击伤母材或焊缝表面的现象），因其使铸钢件局部区域淬硬，且应力集中，极易产生微裂纹。②CO2焊焊接过程中若发现焊丝表面有锈迹，应更换焊丝后方可进行焊接。③为防止变形需采用合理的焊接顺序和焊接方法，对长焊缝采用分段退焊法，一般的原则：先焊对接缝，再焊角焊缝，做到从中央向两端，由里向外逐步施焊。④严格控制线能量的输入，严禁采用过大焊接电流和过慢的焊速，防止焊后影响高强度钢的材质和性能。⑤在高强度钢上施焊时，避免电弧碰伤和机械碰伤高强度钢的表面。

3 电动机机壳的补焊

3.1 维修处理方案的确定

根据电动机机壳受损情况，经过综合分析，决定将电动机机壳拆除，并对其进行补焊修复。

3.2 补焊修复工艺方法的制订

由于电动机机壳为灰口铸铁，在焊接时焊缝容易产生白口、裂纹等缺陷，根据实际情况，决定采用焊条电弧焊半热焊的修复工艺进行补焊，以达到良好的补焊质量。

3.3 补焊修复工艺要点

（1）焊前准备：补焊前将电动机机壳受损部位的铁渣、油脂及残留的杂质等清除至露出金属光泽。根据受损情况，决定采用钻孔止裂，在裂纹终端前方钻直径为4mm的止裂孔，并在裂缝处用角磨机开70°～80°V形坡口。将电动机机壳放入加热炉上，预热至400℃左右，出炉。

（2）焊接工艺参数确定：由于电动机机壳的厚度不大（大约15mm左右），且焊后不再加工，故选用钢芯石墨化型铸铁焊条Z208进行补焊。Z208熔敷金属组织、性能与灰口铸铁母材相近，不产生热裂纹，价格相对低廉。由于短弧焊接时，焊条药皮中大量石墨熔点极高，药皮不能充分熔化，反应也不充分，起不到石墨化的作用，故采取中弧焊接，但电弧不宜太长，以免石墨化元素大量烧损。对准4mm焊条来说，电弧长度控制在4mm左右较好。对准4mm焊条及半热焊工艺来说，为了使药皮得到充分熔化和焊缝得到较多的热量，以减慢冷却速度，故焊接电流选为170A～200A较好。

（3）焊接操作技术要点：①焊接时，应将电动机机壳摆放稳当，并让焊缝处于平焊位置。②在焊接中，为减少热量损失，并使操作者不受高温辐射，除焊接部位留在外面，其余部分均应用石棉板或其他隔热材料盖上，并注意不要在通风的场所进行焊接。③焊接时，为保持预热温度，应尽快完成补焊，保证焊接连续进行。为保证焊缝接头处充分熔透，焊条运行到接头处要延长停留时间。④由于焊缝是铸铁成分，塑性很差，锤击对消除应力效果不大，所以一般不锤击。⑤补焊后，应将电动机机壳用石棉粉覆盖，使其缓慢冷却，从而获得良好的焊接质量。

（4）焊后处理：待电动机机壳完全冷却后取出，将焊缝的焊渣、毛刺等清理掉，并把内腔及外部清理干净，重新组装。

3.4 维修后的使用情况

自对该电动机机壳进行补焊修复以后，使用至今一切正常，未出现焊缝开裂等现象的发生。

4 球磨机大齿圈的修复

本厂的5585球磨机回转齿圈停机检查时发现齿轮根部有2处裂纹，裂纹长度分别约为：600mm，300mm，齿圈材质42CrMo，根据回转齿圈的材质、损坏情况及工况结合我们公司多年齿轮修复经验，我们推荐采用现场焊接修复的方式对损坏的齿圈进行修复。

（1）工艺特点。①齿形检测：齿形模具的制作，采用RUTILE201（聚合陶瓷材料），以未损坏的齿为模板，把RUTILE201（聚合陶瓷材料）调和好填充在齿上，固化后就制作出齿的检测模具。优点：与传统手段制作的齿检测模具相比，检测精度更高，齿修复效果更好。②工艺方面：PAW（脉冲微弧冷焊）工艺是将电源存储的高能量电能，在焊材与金属母材间瞬时高频释放，形成空气电离通道，使焊材与母材表面产生瞬间微区高温的冶金过程。PAW焊机（脉冲微弧冷焊）具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良，焊后应力和变形小。③消除应力方面：采用气动消应力枪，通过对焊缝的敲击振动使其塑性变形达到消除应力的目的，从而保证齿圈焊接后的强度。

（2）施工主要步骤。①准备380V，220V电源，设备接线检查等工作，做好施工前的准备。②用清洗剂对齿轮表面的油污进行清洗，完成后，采用渗透探伤剂检测齿轮裂纹处及周边是否有裂纹。③对不需要修复的齿采用铝箔胶带包裹好，防止电弧划伤，根据齿圈的厚度及损坏齿的范围，设定现场热处理温控设备加热参数对齿圈进行焊前预热处理，设定好温度曲线，采用保温棉包裹，加热到指定焊接温度。④齿圈加热到指定焊接温度后，露出需要修复的部位，采用PAW焊机进行焊接，焊接时，采用短弧，直线，跳跃对称焊接方法，每焊接一层材料，采用消应力枪对焊缝进行消应力处理。焊接时工件温度要控制在制定温度范围内，裂纹焊接完成后，对齿圈裂纹处采用Q345钢板进行加强处理。⑤焊接完成后，采用刀口尺检查焊接尺寸是否达到修复尺寸要求，如余量足够，对修复齿轮进行现场保温缓冷处理。⑥待齿圈冷却至室温后，采用渗透探伤剂检查看是否有焊接缺陷。⑦采用修磨工具对焊接的齿轮进行修磨，修磨后的齿用RUTILE 201（聚合陶瓷材料）制作的模具进行研磨和检测，直至到达齿轮施工技术要求修复工作结束。

（3）检查验收标准：按照《GB50205-2001焊缝质量等级及缺陷分级》标准，采用渗透探伤检测修复齿轮及周边无裂纹等危害性缺陷为合格。

（4）维修后的使用情况自对该齿轮的补焊修复以后，使用至今一切正常，补焊修复处未出现严重磨损和焊缝开裂等现象。

5 结语

通过补焊修复设备受损零件的实例，笔者切实体会到合理的补焊修复工艺能大大地降低维修成本，并且提高了维修效率，取得了显著的成效，间接给单位创造了一定的经济效益。