抽油機減速器殼體鑄鐵冷焊工藝

　　抽油機減速器殼體鑄鐵冷焊工藝

　　【摘要】文中對抽油機減速器殼體鑄鐵冷焊工藝的可行性進行了探討，列舉了鑄鐵冷焊的工藝要點，就鑄件內部導熱、輻射換熱和對流熱進行了傳熱理論分析。

　　對不同大小鑄件的水冷和空冷焊接進行了比較，結果表明：對于小鑄件，水冷效果明顯，但產生的白口及淬硬組織多，對于較大鑄件，水冷效果不明顯，鑄件越大，水冷效果越不明顯。

　　【關鍵詞】鑄鐵冷焊;焊接工藝;傳熱

　　抽油機減速器殼體單重達1.6噸，結構較復雜，單體價值量較高，在實際工作中，一旦出現鑄造缺陷，即行破壞回爐處理，對生產成本控制是極為不利的，因此，我們對抽油機減速器殼體局部缺陷的焊補技術進行了探討，以解決該難題。

　　考慮到抽油機減速器殼體體積太大的實際，整體預熱后進行焊補是不具備實際操作條件的，因此，只能采用冷焊方式。鑄鐵冷焊工藝中最突出的缺陷，是易產生白口及淬硬組織，易產生裂紋和氣孔。

　　1、理論分析

　　鑄鐵冷焊的成功與否，關鍵在于對白口層及裂紋的控制，因此焊接材料的選擇，焊接工藝的制定主要是圍繞這兩個問題進行的。

　　白口組織的多少與化學成分和冷卻速度有直接關系。石墨化元素不足，冷卻速度過快，都是促進白口產生的因素。實踐證明，冷卻速度的影響比化學元素的影響更大。

　　裂紋(冷裂紋)的產生與焊接應力的大小及淬硬組織的多少、分布狀況有關。應力是根本原因，淬硬組織是必要條件，經測試焊縫金屬中心區的溫度與應力關系如圖1，從中可看出在850℃ 以下開始產生平均應力。

　　在600～700℃之間因發生相變出現某些應力緩和，此后隨著溫度的降低拉應力直線增加[1]。當化學元素一定時，冷卻速度快有利于白口組織的產生。焊縫中熱的傳播主要靠表面放熱和殼體內導熱，表面放熱包括對流換熱和輻射換熱。對于此類較大鑄件，使用特定焊接工藝方法，可以通過幾種熱交換的數值分析[2]來比較水冷焊效果。

　　1.1殼體內部導熱

　　將鑄件放在水里焊補(焊縫露出水面8～12mm)時，導熱首先是沿著有焊縫的上平面向四周擴散，然后傳到側面，經8～12mm后，才與水接觸。根據大殼體瞬時冷卻速度計算公式：

　　則有：

　　λ：殼體導熱系數，T：某一瞬時溫度，T0：室溫，q/v：焊接線能量(J/cm))

　　根據條件T空=T水(同樣高溫下，比較空氣和水冷條件下時的冷卻速度)有：

　　T0空=T0水(同一室溫); (q/v)水=(q/v)空(同樣線能量)

　　λ水：在水冷焊時鑄鐵的導熱系數，λ空：在空氣中焊殼體時鑄鐵的導熱系數。

　　同種材質當溫度不同時其導熱系數不一樣，但按水冷焊補方法，傳到側壁8～12mm后的溫差很小(用表面溫度計測得)，故λ水≈λ空。說明從殼體內部導熱這方面，在水中和空氣中的冷卻速度變化不大，沒有明顯作用。

　　1.2輻射換熱

　　輻射換熱比熱流量：qr(卡/厘米·秒)

　　式中εC0為比例系數，其中C0為常量，且C0=1.373x10-4卡/厘米2·秒·K4，ε為黑度系數，T0為室溫，在水冷、空冷焊時εC0、T0都是一致的。T為焊件被加熱的溫度。由于采用上述焊接方法，對于較大鑄件，在接近水面部位溫度基本一致(表面溫度計所測)，接近室溫，此時水的對流交換作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比熱流量近似相等。說明在輻射熱方面水冷起不到使大鑄件快速冷卻的效果。

　　1.3對流換熱

　　對流換熱比熱流量qk(卡/厘米2·秒)

　　式中：T為固體表面溫度，T0為初始溫度，αk為對流放熱系數(卡/厘米2·秒)。

　　鑄件在空冷焊時，全部與空氣對流換熱;在水冷時，低于焊縫8～12mm的部位是與水進行對流換熱(即泡在水中部分)，而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以兩種焊法空冷部分的qk值可以看成是一樣的。

　　對于較大的鑄件，在8～12mm以下部分，溫度不會有明顯升高(由表面溫度計測得)，即T≈T0≈室溫，此時即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在這種焊接方法情況下，在焊縫以下8～12mm的部位因溫度上升很少，無論是空冷、水冷對流換熱都不明顯。

　　通過以上的理論分析，不難看出，對于大型鑄件，水冷實際上沒有效應，企圖通過這種方法提高冷卻速度“控制母材的熔化量”是很難做到的。對于一些小型鑄件，水冷還是有效的，確實提高了冷卻速度，但這是有害的，是應防止的。它不但增加了白口層厚度，增加了淬硬組織，而且還極易產生裂紋和氣孔。

　　2、金相組織

　　查有關資料[1]中金相組織(如表1)

　　3、鑄鐵冷焊工藝中的缺陷及防止措施

　　3.1裂紋

　　裂紋是鑄鐵焊接中最有代表性的缺陷，也是決定成敗的關鍵。裂紋可分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋是產生在焊縫上的一種細碎裂紋，冷裂紋可能產生在焊縫及焊縫以外的區域，半熔化區最易出現且形成剝離裂紋。

　　防止熱裂主要措施有：盡量選用細焊條、堿性焊條、適當提高焊縫冷卻速度。防止冷裂的主要措施有：采用“加熱減應法”、選擇合理的焊接順序、采用塑性好、屈服強度低的焊條、對于厚、大件，坡口要開的窄而深，以減少產生過大的收縮力。

　　3.2白口及淬硬組織

　　白口的產生主要是由于石墨元素不足和冷卻速度過快而造成。冷卻速度快，容易產生白口、淬硬組織，它的產生不但給加工帶來困難，而且還易導致裂紋的產生。

　　主要防止措施有：在打底焊時，采用小線能量法、多層焊法、對于能自由收縮的焊縫或大鑄件表面的局部焊補，采用較大電流，連續焊，盡量降低冷卻速度、對于有加工性能要求的部位，可采用鎳基焊條打底。

　　白口組織一旦產生，要想消除比較困難，在條件允許的情況下，可用退火進行處理，小件可用氧-乙炔焰反復加熱，然后緩冷保溫，大些的鑄件可通過加熱爐退火。實在不好解決的要磨掉，換用鑄308焊條，小電流施焊。

　　針對以上分析，我們采用焊前局部預熱至約300℃，采用E4303(φ2.5～φ3.2)焊條，小電流(60～110A)、短焊、分散焊、多層焊焊法，每層焊道焊后及時錘擊等工藝措施，焊后空冷，成功修復了部分減速器殼體，有效降低了損失。

　　4、結論

　　通過以上理論分析及對金相組織的研究，可以得出如下結論：

　　(1)對于減速器殼體等此類較大鑄件，采用水冷效果很不明顯，幾乎沒有作用。

　　(2)對于小鑄件，水冷效果明顯，但它較空冷焊接產生的白口及淬硬組織多，更易產生裂紋和氣孔。

　　(3)為防止變形，防止其他部位過熱，在不得已的情況下，可以采用水冷焊接，但要注意，此時產生白口、裂紋、氣孔的傾向會增加。

　　(4)對于減速器殼體等此類較大鑄件，應從采用合理焊接工藝思路出發，如“短弧、斷續、薄層焊，焊焊停停、敲敲殘渣”等方式。

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