球磨机筒体端盖的焊接修复

西安电力机械厂  柴进考

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摘要：根据筒体端盖（铸钢件）产生裂纹、夹砂、气孔等缺陷的原因，提出修复方案，采用合理的焊接方法进行修复。结果表明补焊后的熔敷金属和母材具有同等性能。

关键词：端盖、裂纹、修复

0 前  言

铸钢件在铸造生产过程中由于各种原因，往往会出现裂纹、夹砂、气孔等缺陷，给铸件造成致命的破坏而报废。采用补焊的方法可以使之得到修复，并且能达到设备的使用性能要求。进出料端盖是我厂生产的低速筒式钢球磨机的主要部件之一。端盖材质为ZG270—500。端盖在机械加工过程中发现加工面上有不同程度、不同类型的铸造缺陷，严重影响了产品质量。本文根据缺陷类别和缺陷性质，采取了焊接的修复措施，经过实践证明，通过补焊修复，可以使端盖满足设计和使用要求。 

1        缺陷部位和种类

端盖铸造毛胚加工时发现在加工面上有不同程度的缺陷，缺陷部位主要集中在轴颈部位，见图1球磨机端盖示意图。

经过专职检验员检查并进行认真的统计，将缺陷情况列入表1。

表1  零件缺陷表

对于在轴颈处发现的裂纹、气孔、砂眼，由于其数量多且修复后的熔整金属要达到与母材同样的性能。因此，要必须确定合理的修复方案。

2        讨论分析

由于端盖的轴颈部位产生的铸造缺陷，给产品的安装和使用带来了严重的问题。前几年由于工艺技术、设备等各种原因被判定为不合格品而无法修复。本论文针对端盖的缺陷情况，采取相应的措施，编制合理的修复工艺方案。

2.1可焊性分析

根据端盖的材质ZG270—500，其化学成分和机械性能见表2。从其焊接性可知，焊接性能良好。只是由于端盖体积大，轴颈上缺陷较多，补焊后其熔敷金属应与母材应具有同等性能。因此，端盖在补焊过程中必须采取焊前预热，焊后消除焊接残余应力等方面的措施。

表2 端盖化学成分和机械性能

2.2 t_8/5和预热温度的确定

据有关文献资料介绍，对于铸钢ZG270-500不产生冷裂纹的冷却时间t_8/5下限时间为10s。考虑到实际预热温度的偏差、焊件厚度、导热能力、拘束度以及在焊接过程中防止出现裂纹等因素，应将t_8/5提高到21s。

由于端盖的体积大，壁厚达到100mm，焊接时的刚性大，焊接过程中会产生很大的焊接应力，因而焊接前预热缩小温差以减少焊接应力是很必要的。根据预热温度经验计算公式T₀=（C-0.12）+0.4d       （1）

式中T₀——预热温度，°C

     C——材料中的碳含量，%

    d——端盖轴径部位的壁厚，mm

端盖化学成分中C=0.4%，壁厚d=100mm，代入公式（1）中计算得T₀=194°C。考虑到端盖采用局部预热，因此取T₀=250°C

2.3 焊接材料的选择

铸钢件补焊区及热影响区的组织及性能在很大程度上取决于焊接材料。为了保证焊缝的力学性能与母材的性能相匹配，焊缝熔敷金属的强度求与母材的强度基本上等强，但为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝含碳量应比母材稍低一些。因此采用手工电弧焊工艺方法，焊接材料选用φ4mm，E5015的碱性焊条。

2.4焊接工艺参数的确定：

对于手工电弧焊来说，焊接工艺参数主要为焊接电流、焊接电压、焊接速度的确定。

根据前西德钢铁学会1979年公布有钢铁材料技术指导文件进行计算，假设埋弧焊执效率η=1， 则在三维传导条件下有

       （2）

式中： —800~500ºC的冷却时间（s）；

η——焊接方法中相对于埋弧焊的相对热效率。

E——线能量 （J/cm），

T₀——施焊时的预热温度ºC，

F₃——焊缝形状系数。

相对热效率为：埋弧焊η=1，        碱性焊条手工焊η=0.8

钛型焊条手工焊η=0.9，           CO₂气体保护焊η=0.85

焊缝形状系数 F₃  的取值见表3：

表3焊缝形状系数 F₃

本次端盖焊接修复过程中，取η=0.8，F₃=0.9，T₀=250ºC， =21s，

代入上述公式（2）后求得E=24538 J/cm，众所周知：

                      （3）

对于Φ4焊条U=28~32v，取U=28v；I=140~170A，取I=150A，代入公式（3），则焊接速度v=14.1 cm/min

所以，本次球磨机筒体端盖（ZG270—500）的手工焊接工艺参数为：

U=28~32v，I=140~170A，v=14.1 cm/min。

3   补焊工艺方案

3.1焊前准备

3.1.1焊前用角向磨光机将所有缺陷清除，补焊区应修磨平整，并彻底清除坡口及其周围20～50㎜以内的油水，锈等杂质。应露出金属光泽。

3.1.2对于裂纹类缺陷，为防止理裂扩展，可在裂纹两端钻直径为Φ6mm～Φ8mm的止裂孔后再开坡口，坡口形式为U形。

3.1.3补焊区进行局部预热，预热温度为250℃，预热范围为补焊区300㎜左右。

3.1.4禁止在空气对流的场所进行补焊。

3.1.5焊条为Φ4mm，E5015，使用用前经350℃´1h 烘焙，或按焊接条说明书烘焙，焊条烘焙后放在保温筒中，随用随取。

4      补焊

4.1补焊应由有经验的持证焊工进行操作。尽可能在水平位置施焊。为了防止未焊透及弧坑裂纹产生，补焊应连续进行，不得不中断时，应采取保温措施。

4.2焊接电流平焊时140～170A，立焊及仰焊时130～160A；

4.3焊接电源为直流电焊机，极性为反接；

4.4补焊时，焊条不应摆动过大，缺陷较大时应分段、交错焊接，采用短弧、窄焊道多层焊。焊接时各层的每道焊缝后应用小手锤或风铲进行锤击以减少焊接应力；

4.5补焊过程中若发现裂纹及缺陷，应彻底清除后方可继续补焊；

4.6同一部位的补焊次数不得多于三次，超过上述规定，须经有关部门认可进行补焊。

4.7焊后将焊缝打磨平整。

5        焊后热处理及检验

由于端盖体积大，用整体热处理进行清除应力，难度非常大，因此将补焊区加热至500～550℃左右，用石棉布将整个补焊区包住，缓慢冷却到室温。

焊后对焊缝进行宏观检查，不得有裂纹、未焊透、未熔合等焊接缺陷，否则应返修，直至合格。返修的次数应符合上述规定。

6        结论

6.1采用经过计算确定的焊接工艺规范参数进行补焊的产品均合格。

6.2用E5015补焊ZG270—500可使焊缝性能与母材相同。

参考文献：

1.《焊接材料产品样本》 机械工业出版社 1987

2.《焊工手册》        机械工业出版社 1991

作者简介：柴进考  西安电力机械厂技术部，现为陕西省电力公司C级工程技术专家，高级工程师，主要从事焊接工艺。

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