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船用灰铸铁的焊接工艺方法探究


第 12 期 2009 年 12 月
文章编号: 1001-3997 (2009 12-0115-02 )

机械设计与制造 Machinery Design & Manufacture

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船用灰铸铁的焊接工艺方法探究
邱云明 1 余 震 2 张争艳 3 (1 镇江船艇学院, 镇江 2120

03 (2 安徽建筑工业学院 机电学院, ) 合肥 230601 ) (3 武汉理工大学 智能制造与控制研究所, 武汉 430063 )

Marine product welding method
QIU Yun-ming1, Zhen2, YU ZHANG Zheng-yan3 (1 Zhen Jiang Watercraft Gollege, Zhenjiang 212003, China (2 College of Mechanical and Electric Engineering, ) An hui Institute of Architecture and Industry, Hefei 230601, China ) Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China ) (3 Research Institute of Intelligent Manufacture & Control, 【摘 要】分析了灰铸铁的焊接工艺性能,并对焊接过程中产生的缺陷进行分析后提出几点预防措 施, 在此基础上详细介绍了可用于灰铸铁焊接的各种焊接工艺方法以及焊前准备工作, 这对提高灰铸铁 的焊接质量以及选用合理的焊接工艺提供了理论和参考依据, 具有一定的现实意义。 关键词: 灰铸铁; 预防措施; 焊接工艺; 焊接性能 【Abstract】Analyze the welding craft characteristics of gray iron and shortcoming that produced in and the welding process with obtaining several preventive measures, give an detail introduction on the each these provide welding technique of gray iron as well as the preparatory work based on the foundation front, basis for the welding performance of the gray iron as well as selecting the reasonable welding craft, and have a certain practical significance. Key words: Gray iron; Preventive measure; Welding craft; Welding performance 中图分类号: TH12 文献标识码: A
灰铸铁的产量在各类铸件中所占的比重最大, 我国灰铸铁的 年产量大约为 700 万吨左右, 令人不如意的是, 有各种铸造缺陷 的铸件约占年产量的 (10~15 %, ) 这个数字很大。 有缺陷的铸件如 果不能用焊接方法修复, 每年就会报废铸件 (80~120 万吨, ) 另外, 铸铁成品件在使用过程中也会受到损坏, 出现裂纹等缺陷, 如不 采用合理的焊接工艺加以修补, 其经济利益的损失是很大的。目 前国外常用 cast iron welding in fabrication (制造中的铸铁焊接 ) 来对有缺陷的灰铸铁进行修补, 然而, 我国在这方面的研究还处 于起步阶段, 如何寻求一种合理的焊接工艺以提高灰铸铁的焊接 详细介绍了有利于提高灰 质量一直是国内外学者研究的热点[1~2]。 铸铁焊接质量的各种焊接工艺方法, 为合理选用灰铸铁的焊接工 艺提供了参考依据。
材料 性能 灰铸铁

表 1 普通灰铸铁的性能
σb / MPa 120~250 δ/% 0~5
2 ak / J/cm) (

E / MPa 7.0×104~1.0×105

0~8

2 焊接中容易出现的缺陷及分析
2.1 焊接中的缺陷
灰铸铁的焊接性不良, 并且焊接过程具有冷却速度较快及因 焊件受热不均匀而形成较大焊接应力的特点, 在电弧焊时, 如果 焊条选用不当, 或者没有采取一些特殊的工艺措施, 则会产生一 系列的缺陷。 这些缺陷主要有两种: 焊接接头出现白口及脆硬 一、 组织; 二是焊接接头易出现裂纹。 在灰铸铁补焊时, 会在融合线处 生成一层白口组织, 严重时会使整个焊缝断面全部白口化, 由于 白口组织硬而脆, 难以进行机械加工, 这给焊接接头的机械加工 工作带来很大困难[3]。

1 灰铸铁的焊接性能分析
灰铸铁中含有 C、 Mn、 S 等多种元素, Si、 P、 其中 Mn、 S 元素 P、 含量较少,分别少于 2%、 0.3%、 0.15%,而 C 的含量相对较多为 3.5%左右, 并且以片状石墨的形态存在于珠光体、 铁素体、 或二者 以不同比例混合的基体组织中。由于灰铸铁含碳量较高及含有 硫、 磷等元素, 增加了灰铸铁的冷脆性使之成为一种脆性材料, 导致其抗拉强度、 弹性模量均比钢低, 而塑性、 韧性近于零, 如表 1 所示。 其焊接接头对冷却速度变化及冷、 热裂纹的敏感性也大 大增加, 这使得其焊接性能较差, 不能锻造和冲压, 实焊时较为 困难。
*来稿日期: 2009-02-13

2.2 产生原因分析与预防 2.2.1 白口及脆硬组织分析
灰铸铁焊接时, 焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂 型中的冷却速度, 焊接熔池体积小, 存在时间短, 半熔化区中含 C、 量相比熔化区的 C、 含量较高, Si Si 使得半熔化区 C、 元素向 Si 熔池扩散, 半熔化区 C、 元素的含量下降, Si 进而使该区液相线与 固相线温差增大, 半熔化区的石墨化能力减弱, 产生白口及脆硬 组织[4~5]。可采取预防的措施有: ) (1 改变焊缝的化学成分, 增加焊 缝的石墨化元素含量或将焊缝成为非铸铁组织; ) 使用较底的 (2

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焊接冷却速度; ) (3 采用钎焊方法。

邱云明等: 船用灰铸铁的焊接工艺方法探究

第 12 期

焊前预热 (300~400 ℃, ) 然后在缺陷底部加入少量焊剂 以型砂造型。 )以 (HJ230 或 HJ103 。 30mm 石墨电极与焊剂接触引弧并熔化焊剂 后, 不断加入焊剂, 直到形成 40mm 左右的渣池时, 将电极沿渣池边 缘缓慢移动以使缺陷底部及其周围母材熔化。 此时将石墨电极插 然 入渣池即形成电渣过程, 不断加热渣池, 使其保持足够的温度。 ) 或以铸铁棒 后向渣池不断地投入预热到 (300~400 ℃的铸铁屑, 取代石墨棒。 铁屑或铸铁棒熔化后成为焊缝填充金属。 此过程一直 持续到熔融金属填满缺陷为止, 此后将铸件保持缓冷即可。 表 2 各种同质焊缝的熔焊工艺的比较
同质焊缝的熔焊 各自特点比较 最佳适用场合 焊接接头冷速缓慢, 可避免出现 适用于厚壁、结构复 接头有良好的 热电 白口及淬硬组织, 杂、 刚度较大、 易于出 弧焊 切削加工性。但其劳动条件恶 现裂纹的铸件。 劣, 成本高, 生产率低。 采用石墨化能力强的铸铁焊条 预热 适用于刚度较小的铸 半热电 才能获得灰口组织的焊缝。 一般为 300~400℃, 件补焊。 因 弧焊 温度较低, 此接头处冷速较热焊法快。 适用于结构复杂,焊后 可有效地防止白口、 淬硬组织及 要求使用性能高的薄壁 是最能保证焊缝质 热焊法 裂纹的发生, 铸件, 如汽车、 拖拉机发 量的方法。 动机缸体、 缸盖的焊补。 气 焊 适用于中、小型铸件, 且壁厚较均匀, 结构应 热应力 不预热 施焊时易产生局部过热, 力小的场合, 如铸件边 易出现焊接裂纹。 焊法 也较大, 角处缺肉、 砂眼、 气孔 等铸件缺陷的焊补。 — 熔 池 温 度 不 高 ( 约 1600 ~ 适用于厚大铸件刚度 2000℃) 体积大, , 加热时间长, 较小部位、 大而深缺陷 焊缝加热和冷却较缓慢。 的焊补。 细丝熔化快, 焊缝熔合比可控制 得较小, 能较方便地调整焊接工 适用于灰铸铁及球墨铸 艺参数、 控制热输入, 有利于减 铁、 可锻铸铁的补焊。 小热应力和热影响区宽度。

2.2.2 焊接裂纹分析
铸铁施焊时最容易出现的裂纹分为冷裂纹与热裂纹。 究其原 因无非以下两种: ) 焊件局部受热不均匀导致焊接接头产生焊 (1 接拉应力; ) (2 产生白口化组织及粗大的淬硬性组织 。可采取预
[5]

防的措施有: ) (1 施焊时减小焊缝的长度和焊接铸铁的刚度, 降低 焊缝冷却速度, 采用大的焊接热输入即采用大电流、 连续焊工艺; (2 减小焊接应力, ) 限制母材中杂质熔入焊缝; ) (3 增大焊接过程 中的石墨化程度, 减少焊缝中的白口及脆硬组织; ) (4 对焊接进行 去应力退火减少焊接处所受的应力; ) 焊接时采取合适的工艺 (5 措施以降低焊接接头的应力及防止焊接接头出现渗碳体及马氏 体组织; ) (6 对开有坡口的焊件采用栽丝法进行焊接。

3 焊接工艺方法
3.1 焊前去应力力退火
为消除灰铸铁焊件中的铸造应力, 焊接前需要将灰铸铁焊件 进行热处理。基本方法: 先将灰铸铁焊件低温进炉, 然后以 100℃ /h 左右的加热速度加热到规定温度 (一般略高于 600℃ , ) 在炉中 )(一般取上限值 后, (20~50 ℃/h 的冷却速度将焊 ) 以 ) 保温 (2~4 h 件炉冷至 300℃以下,用夹子把焊件从加热炉中取出进行空冷, 到一定时间后再考虑焊接。

电 弧 焊

3.2 焊条烘干
根据需要将选用好的焊条在 (150~400 ℃条件下烘干, ) 保温 (1~2 h, ) 取出放在保温筒里保温待用。 选用焊条时注意事项: 不同 Z308 镍基铸铁焊条焊接铸铁最为理想, 但其 焊条的价格不一样, 价格昂贵, 低氢碱性焊条等焊条价格较低, 选用时考虑经济效益, 只要所选焊条配合合理的焊接工艺能够满足质量要求即可[6]。
手工电 渣焊 CO2 气 体保护 焊



3.3 灰铸铁的焊接工艺方法 3.3.1 同质焊缝的熔焊工艺
同质焊缝的熔焊可分为气焊、 2 气体保护焊、 CO 焊条电弧焊、 手工电渣焊。这些同质焊缝的熔焊工艺的特点及使用场合, 如表 2 所示。 (1 气焊: ) 火焰温度较低, 热量不集中, 加热和冷却速度都比 较缓慢, 有利于焊接接头的石墨化。 气焊操作灵活, 有利于排除焊缝 中的气体和杂质, 还可利用火焰对焊补区继续加热, 消除热应力。 (2 CO2 气体保护焊法: ) 采用小焊接电流、 快速焊和较大的气 体流量, 一般焊接电流不大于 100A、 电弧电压不大于 20V, 气体 流量为 (8~10 L/min。焊接材料常用直径为 0.8~1mm 的H08Mn2SiA, ) 故焊缝金属组织属于低碳钢组织。 (3 热焊: ) 多采用铸铁型焊条, 焊缝的组织、 硬度及颜色等应 与母材接近。施焊前先将铸件整体或局部加热到 600~700℃, 施 焊缝力学性能较好、 可以 焊时始终保持这一温度, 焊后缓慢冷却。 承受较大的载荷。 预热可降低焊缝与母材的温差而减小接头处的 热应力, 防止产生焊接裂纹。 (4 手工电渣焊: ) 需用专门的电渣焊设备, 亦可用埋弧焊电 源, MZ-1000 型埋弧焊机电源。 如 焊接电压为 (25~30 V, ) 焊接电流 为 (700~1000 A。在焊之前要铲平底部, ) 使缺陷部位露出金属光泽, 缺陷上部周围须围以石墨板, 高出铸件表面 (50~80 mm, ) 石墨板外

3.3.2 异质焊缝电弧冷焊工艺
异质焊缝电弧冷焊一般采用异质焊条, 如纯镍、 镍铁、 镍铜焊 条以及低碳钢焊条等。采用小焊接电流、 较快焊速, 以短段焊 (焊 ) 断续焊、 分散焊的焊接方法进行施 缝长度可为每段 10~30mm 、 焊, 每一短段焊后立即用锤敲击以降低焊接应力, 待焊接处不烫 手方能续焊下一段。 非铸铁型焊缝或异质焊缝: 采用小焊接电流, 以短段焊、 断续焊、 分散焊的方式进行焊接, 较小电流熔深浅, 每 段锤击消应力, 退火焊道前段较软。 异质焊缝电弧冷焊的优点: 焊前不预热, 焊接过程中也不加 辅助热源, 其焊接工序简单, 效率较高, 相对成本亦较低。 此外, 劳 动条件较好, 焊接时工件变形小。 缺点: 焊后焊缝金属及近缝区母 材冷却速度较快, 容易产生白口组织, 影响焊后的机加工。 冷焊焊 补过程中由于受热不均匀, 常在工件内造成较大的应力而导致产 生焊接裂纹, 防止冷焊裂纹产生的措施在 2.2.2 中已经陈述。

3.3.3 钎焊与喷焊工艺
钎焊时母材不熔化, 钎焊接头的热影响区不会形成白口及脆 硬组织, 有利于改善接头的加工性。钎焊时应使母材加热温度在 820℃以下,防止快速冷时产生马氏体或贝氏体组织以降低焊接 接头性能。 喷焊采用氧乙炔火焰粉末用于修复铸铁件在机械加工 过程中出现的小缺陷。

第 12 期 2009 年 12 月
文章编号: 1001-3997 (2009 12-0117-03 )

机械设计与制造 Machinery Design & Manufacture

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AZ31B 镁合金激光喷丸强化后疲劳裂纹扩展的 数值模拟研究 *
赵建飞 周建忠 黄 舒 蒋素琴 樊玉杰 (江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013 )

Numerical simulation on fatigue crack growth of AZ31B magnesium alloy by laser shot peening
ZHAO Jian-fei, ZHOU Jian-zhong, HUANG Shu, JIANG Su-qin, FAN Yu-jie (School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China ) 【摘 要】激光喷丸 (LSP 是一种先进的材料表面强化工艺, ) 能有效提高零件的机械性能及其使用寿 命。建立了以有限元软件 ABAQUS 和 MSC.Fatigue 为平台, 面向抗疲劳制造的激光喷丸工艺有限元分析 延长疲劳寿命, 喷丸次数的增加在一定程度上增大 模型。结果表明激光喷丸可以有效抑制疲劳裂纹扩展, 残余应力及疲劳寿命。 残余应力抑制疲劳裂纹扩展的原因归结为最终断裂尺寸的增大以及裂纹扩展速度 的减小。研究结果为 LSP 抗疲劳效果的预测提供了有效的方法, 对于优化工艺参数, 减少试验次数, 降低 成本具有指导意义。 关键词: 激光喷丸; 裂纹扩展; MSC.Fatigue; 数值模拟 【Abstract】Laser shot peening (LSP )is an advanced surface treating technology, which can improve the mechanical performance and fatigue life of the metal. Based on the FEM code ABAQUS and MSC. Fa- tigue, forecasting model of fatigue crack growth life after LSP was established. It shows that crack growth a can be effectively inhibited after LSP and thus fatigue life be extended, the effects of increasing LSP but times gradually become weak. The improvement of fatigue life can be attributed to two reasons:the de- creasing of crack growth rate and the increasing of the final crack size. These results indicate that a simple which is of great significance for LSP process way can be got for forecasting anti-fatigue effects of LSP, improvement, decreasing fatigue samples and reducing test cost. Key words: Laser shot peening; Crack growth; MSC.Fatigue; Numerical simulation

1 引言

中图分类号: TH16, TG668, TG156 文献标识码: A

区域呈现理想的残余压应力分布, 从而有效地提高金属零件的强 耐磨性、 耐腐蚀性和疲劳寿命。 度、 目前对于激光喷丸强化零件后疲劳性能效果的评价还停留 在实验方法上[1~2], 而没有激光喷丸强化效果预测的有效手段, 从 而给受控激光喷丸参数的优化带来了困难。 由于影响喷丸强化的 因素较多, 单纯的疲劳实验方法耗费大量时间与费用, 且容易受 到外界条件的干扰,因此对于 LSP 后残余应力以及对疲劳寿命 影响的分析, 采用计算机数值模拟方法实现, 进而指导实验过程

镁合金是最轻的金属结构材料之一, 在航空航天、 汽车制造 和电子等领域具有广阔的应用前景。 工程应用中疲劳断裂破坏占 力学破坏的 (50~90 %, ) 是机械、 结构失效的主要形式。目前针对 其表面的强化主要有喷丸强化、 滚压挤压、 化学热处理、 表面淬火 等。其中激光喷丸强化工艺 (LSP 是利用高功率密度 ) (>109W/ ) 短脉冲 (几十纳秒 的强激光对金属靶材表面进行冲击所诱 ) cm2 、 导的高幅冲击波压力, 使板料发生屈服和塑性变形, 同时在冲击
*来稿日期: 2009-02-13

4 结束语

*****************************************
的选用做好了铺垫, 具有一定的现实意义。 铸铁的焊接性能较差, 但在某些场合中又要应用灰铸铁的焊

*基金项目: 国家自然科学基金 (50675090 , ) 江苏省高校自然科学重大基础研究项目 (08KJA460002 , ) ) 教育部博士点基金资助项目 (200802990004

参考文献
1 周振丰. 铸铁焊接冶金与工艺 M]北京: [ . 机械工业出版社, 2001 2 陈铮, 周飞, 王国凡. 材料连接原理 M]哈尔滨: [ . 哈工大出版社, 2001 3 任振安, 周振丰, 孙大谦. 灰铸铁同质焊缝电弧冷焊接头冷裂纹研究进展 [J]焊接学报, . 2001,(01 : 22 ) 91~96 王文先等. TP347H 钢焊接接头微观组织及断口形貌分析 J] 焊 [ . 4 张哲峰, 接, (11 : 2006 ) 40~43 5 张连生. 金属材料焊接机 M]北京: [ . 械工业出版社, 2005 王会霞等. 灰铸铁电机底座的补焊 J]焊工之友, [ . 2005,()65~66 34 3 : 6 刘丽敏,

接, 焊接时通过选择合适的焊条以及合理的焊接工艺方法可以提 高焊接件的质量, 使之符合质量要求。本文在查阅大量文献的基 础上, 从多个方面详细介绍了适合于铸铁焊接的各种焊接工艺方 法, 焊接人员可以通过参考以上焊接工艺方法结合实际情况选择 合理的灰铸铁焊接工艺方法, 以得到高质量的铸铁焊接件。本文 的研究内容为灰铸铁的焊接提供了完整的参考依据, 为焊接工艺


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