快速焊接修复HT300灰铸铁件缺陷的焊接材料及修复方法

摘要

本发明公开了一种快速焊接修复大型HT300灰铸铁件缺陷的焊接材料，由以下组分的粉末按质量百分比均匀混合而成：Fe2O330％-35％、Al25％-30％；Na2CO3 1.0％-1.6％、Na2B4O7 4.0％-6.0％、CaF2 4.0％-6.0％、CaO7.0％-10.0％、SiO2 0.5％-1.5％；石墨 3.0％-4.0％、生铁 6.0％-8.0％、75硅铁3.5％-5.0％、镍0.5％-1.2％、铋0.1％-0.5％、60硅钙1.0％-2.0％、30钛铁0.5％-1.8％、75锰铁1.2-2.0％、50铬铁1.0-1.5％、50钼铁0.5-1.0％、锡青铜0.5-0.6％、18硼铁0.1-0.5％、60钒铁0.1-0.5％，总重量为100％。本发明还公开利用上述的焊接材料快速焊接修复大型HT300灰铸铁件缺陷的方法。本发明的材料及方法，能够实现室温下快速焊接修复大型HT300灰铸铁件的缺陷。

说明书

技术领域

本发明属于铸件挽救工程技术领域，涉及一种快速焊接修复大型HT300 灰铸铁件缺陷的焊接材料，本发明还涉及利用该种焊接材料对大型HT300灰 铸铁件缺陷进行快速焊接修复的方法。

背景技术

铸造过程工艺复杂，铸件缺陷在所难免，对缺陷铸件实施挽救修复是企 业增资节能的重要举措，有利于环境保护和节约资源。

由于铸铁固有的凝固特性，在焊接过程中极易产生焊补区白口和裂纹。 目前，对灰铸铁件进行高质量修复的方法是气焊和电弧热态焊。这两种方法 用来焊补中小型铸件操作简单，效果很好；但若对于大型铸件则会因为加 (预)热难度大，气焊无法实现熔合焊接；电弧焊冷速过大，焊接区加工性 能差。而诸如重型机床床身、大型齿轮及风电器件等HT300铸铁件的缺陷几 率较高，而且这种合成铸铁的焊接修复附加值较大。尤其是对于较大的缺陷， 会因为焊接过程热的过度输入而容易造成焊接区应力过大导致铸件白口、变 形或出现开裂，焊接难度更大。铸件生产企业对于重要加工面上的缺陷往往 显得束手无策，只能报废。大型报废件的肢解和破碎过程需要花费大量的能 源；铸件的再生产又一次需要熔炼，这在消耗能源的同时，排放的废气和熔 渣也对环境造成了二次污染。这还不包括劳动力和时间成本的浪费。

因此，研究和开发针对大型HT300灰铸铁件缺陷的快速焊接修复方法及 焊接材料不仅非常必要，而且具有较高的经济价值和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速焊接修复大型HT300灰铸铁件缺陷的焊 接材料，解决了现有技术条件下灰铸铁件缺陷难以处理的问题。

本发明的另一目的是提供一种利用上述焊接材料对大型HT300灰铸铁 件缺陷进行快速焊接修复的方法。

本发明采用的技术方案是，一种快速焊接修复大型HT300灰铸铁件缺陷 的焊接材料，由以下组分的粉末按质量百分比均匀混合而成：

Fe₂O₃ 30％-35％、Al 25％-30％；Na₂CO₃ 1.0％-1.6％、Na₂B₄O₇ 4.0％-6.0％、 CaF₂ 4.0％-6.0％、CaO 7.0％-10.0％、SiO₂ 0.5％-1.5％；石墨 3.0％-4.0％、生 铁 6.0％-8.0％、75硅铁3.5％-5.0％、镍0.5％-1.2％、铋0.1％-0.5％、60硅钙 1.0％-2.0％、30钛铁0.5％-1.8％、75锰铁1.2-2.0％、50铬铁1.0-1.5％、50钼铁 0.5-1.0％、锡青铜0.5-0.6％、18硼铁0.1-0.5％、60钒铁0.1-0.5％，总重量为100％。

本发明采用的另一技术方案是，一种利用上述的焊接材料快速焊接修复 大型HT300灰铸铁件缺陷的方法，利用上述的组分及含量配制焊接材料，再 按照以下步骤具体实施：

步骤1、对有缺陷的灰铸铁件的缺陷部位实施打磨，加工出坡口；

步骤2、沿坡口上缘周边造型，使用型砂或水泥沿缺陷坡口上部周边修 筑堤坝，堤坝的上缘需留有点火引信的引入槽；

步骤3、将配制好的焊接材料混合均匀后装填入坡口和堤坝内部，埋入 点火引信后夯实、填满，最后在上面压上压盖；

步骤4、点燃点火引信，使得焊接材料中的发热剂发生放热反应，将焊 接材料中的所有组分全部熔化，熔化后所产生的铁液密度高于熔渣沉入坡口 中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、在焊接区表面撒上木粉和珍珠岩的混合物，使熔敷金属缓冷凝 固得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属；

步骤6、待焊接区冷却到低于200±10℃后，去掉压盖，打掉造型堤坝， 露出焊接区金属；

步骤7、应用机加工方法去除焊接区金属高出灰铸铁件表面部分的熔渣 和金属层，形成光滑焊补区域即成。

本发明的有益效果是，能够实现HT300高牌号大型灰铸铁件缺陷的快速 焊接修复，焊接持续时间仅用2-5分钟，省时省力；能有效地降低白口和裂 纹倾向，而且焊缝成分、组织、色泽与铸铁件本体一致；焊缝成份和组织为 典型的铸铁组织；焊缝强度与和硬度与铸铁件本体基本一致；焊缝抗裂性增 强，具有良好的加工性和抗裂性能。

附图说明

图1是采用本发明方法对灰铸铁件缺陷打磨后的待焊部位形状图；

图2是采用本发明方法用型砂或水泥对缺陷上部修筑堤坝造型图；

图3是采用本发明方法的焊接之前的焊粉装填示意图；

图4是采用本发明方法的焊后焊接区结构图；

图5是采用本发明方法机加工后的焊接区结构图。

其中，1.灰铸铁件，2.堤坝，3.压盖，4.焊接材料，5.点火引信，6.熔敷 金属，7.焊接区金属，8.坡口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的快速焊接修复大型HT300灰铸铁件缺陷的焊接材料，由以下组 分的粉末按质量百分比均匀混合而成：

Fe₂O₃ 30％-35％、Al 25％-30％；Na₂CO₃ 1.0％-1.6％、Na₂B₄O₇ 4.0％-6.0％、 CaF₂ 4.0％-6.0％、CaO 7.0％-10.0％、SiO₂ 0.5％-1.5％；石墨 3.0％-4.0％、生 铁 6.0％-8.0％、75硅铁3.5％-5.0％、镍0.5％-1.2％、铋0.1％-0.5％、60硅钙 1.0％-2.0％、30钛铁0.5％-1.8％、75锰铁1.2-2.0％、50铬铁1.0-1.5％、50钼铁 0.5-1.0％、锡青铜0.5-0.6％、18硼铁0.1-0.5％、60钒铁0.1-0.5％，总重量为100％。

本发明的上述焊接材料，按照其功能包括四部分的粉末组分组成：

第一部分为发热剂(或称铝热剂)，包括Fe₂O₃和Al，两者发生放热化 学反应后，既提供了焊接冶金所需要的热量，反应产物Fe又可作为主要的 熔敷金属形成焊缝，Al₂O₃进入熔渣，亦可参与熔池中的造渣反应。

第二部分为造渣剂，包括Na₂CO₃、Na₂B₄O₇、CaF₂、CaO和SiO₂。其中 的Na₂B₄O₇和CaF₂兼具稀释剂作用，可用来调节熔渣粘度；CaF₂和SiO₂还 具有除氢、预防焊接冷裂纹的作用。

第三部分为脱氧、脱硫剂，包括铝、30钛铁、60硅钙、75锰铁及CaO 等。

第四部分为合金剂，针对HT300灰铸铁件成分及性能要求，选用多个 化合物及合金粉末作为焊接填充材料，以获得与所修复铸件组织和性能相匹 配的焊接区金属。主要包括石墨、生铁、75硅铁、镍、60硅钙、30钛铁、 75锰铁、50铬铁、50钼铁、18硼铁、60钒铁、锡青铜(屑)等组分。熔化 后既可形成焊缝金属，又具有合金化作用。添加适量的铋金属还有细化晶粒 作用，有利于提高焊缝力学性能。

本发明焊接材料组分中的发热剂和造渣剂具有通用性；而针对牌号为 HT300灰铸铁件的焊接修复需要，合金剂在种类及含量方面均具有相应的多 样性。

上述的焊接材料成份中，各组分及含量限定理由分别如下：

为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe₂O₃和铝粉作为发热剂。 反应产生的能量不仅能够维持放热反应持续进行，而且还有足够的热量熔化 各种金属粉料，并使母材局部熔化，共同形成焊缝，达到焊接的目的。

为了使焊渣聚集、上浮且与熔敷金属分离，预防焊缝金属夹渣，加入了 Na₂CO₃、Na₂B₄O₇、CaF₂和CaO等作为造渣剂和稀释剂。

为了使焊缝金属获得灰铸铁组织，防止焊缝和熔合区产生白口，保证焊 接(补)区的机械加工性能，粉末中含碳量和含硅量控制均比较严格；为了 改善焊缝的机械性能，保障基体组织中珠光体含量并促进石墨化，加入少量 的镍、铝和铜；为了净化焊缝金属，减小硫元素的有害影响，还加入了钙； 为了细化晶粒、促进石墨形核与快速生长，还添加了微量的Bi、Ti等元素。 这样，既简化了焊材生产工艺，又节约了能源，对环境无污染，而且还能够 保证焊材比较的强石墨化能力，获得与铸件本体成分、组织、性能及色泽相 匹配的焊接区，实现大型HT300灰铸铁件大缺陷的高性能快速焊接修复。

本发明的对大型HT300灰铸铁件缺陷进行快速焊接修复的方法，利用 上述的焊接材料，按照以下步骤具体实施：

步骤1、对有缺陷的灰铸铁件1的缺陷部位实施打磨，加工出坡口8， 如图1；

步骤2、沿坡口8上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口8上部周 边修筑堤坝2(缺陷上部造型体)，用以除渣和预防金属液溢流，堤坝2的上 缘需留有点火引信5的引入槽，如图2；

步骤3、装填焊接材料：将配制好的焊接材料4装填入图2所示的坡口 8和堤坝2构成的空间内，埋入点火引信5后夯实、填满，最后在上面压上 压盖3(耐火砖)，如图3；

步骤4、点燃点火引信5，使得焊接材料4中的发热剂发生放热反应， 将焊接材料4中的所有组分全部熔化变为熔敷金属6，熔敷金属6中的铁液 密度高于熔渣沉入坡口8中，而熔渣上浮与铁液发生分层；

步骤5、在焊接区表面撒上木粉和珍珠岩的混合物，使熔敷金属6缓冷 凝固得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属7；

步骤6、待焊接区冷却到低于200±10℃后，去掉压盖3(耐火砖)，打 掉造型堤坝2，露出如图4所示的焊接区金属7；

步骤7、应用机加工方法去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，形成 如图5所示的光滑焊补区域，即成。

本发明方法的重点在于，缺陷坡口8上缘的造型堤坝2、焊接材料的装 填、点火引信5的引入及压盖3结构的使用，尤其是焊接后期的保温缓冷， 是实现大型HT300灰铸铁件缺陷快速焊接修复的关键技术之所在。在沿缺 陷坡口8上缘修筑堤坝造型时，预留高约3mm，宽约5mm的引信槽是必不 可少的。该引信槽的开设方位要便于操作，而且宽和高位向不能搞错，以防 焊接过程中熔渣与金属液的过度外流。

本发明的方法，能够实现大型HT300灰铸铁件上的各种缺陷的室温下 焊接修复，焊缝成份和组织与所焊补铸件本体相对应，性能与铸件本体相匹 配，焊区色泽与铸件本体一致。焊缝抗裂性强，可实现机加工。

实施例1

首先，配制用于大型HT300灰铸铁件焊接的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均匀混合组成：

Fe₂O₃ 34％、Al 27％；Na₂CO₃ 1.0％、Na₂B₄O₇ 4.0％、CaF₂ 4.0％、CaO 8.0％、 SiO₂ 1.5％；石墨 3.0％、生铁 7.0％、75硅铁4.0％、镍0.5％、铋0.2％、60 硅钙1.0％、30钛铁1.0％、75锰铁1.4％、50铬铁1.0％、50钼铁0.5％、锡 青铜0.5％、18硼铁0.2％、60钒铁0.2％，总重量为100％。

再按照前述的修复方法进行焊接实施，上述实施例中，修复后的焊接粉 末熔敷金属的化学成分(Wt％)分别是：

C为2.70、Si为1.70、Mn为0.96、Mo为0.03、Cr为0.05、Cu为 0.06、Ti为0.02、V为0.01、S为0.08、P为0.15。

焊缝金属力学性能为：抗拉强度σ_b是296MPa，硬度HBS是232。

实施例2

首先，配制用于大型HT300灰铸铁件焊接的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均匀混合组成：

Fe₂O₃ 32％、Al 28％；Na₂CO₃ 1.5％、Na₂B₄O₇ 5.0％、CaF₂ 6.0％、CaO 7.0％％、SiO₂ 1.0％；石墨 3.5％、生铁 6.0％、75 硅铁 3.5％、镍 0.6％、铋 0.1％、60硅钙1.5％、30钛铁0.5％、75锰铁1.3％、50铬铁1.2％、50钼铁 0.6％、锡青铜0.5％、18硼铁0.1％、60钒铁0.1％，总重量为100％。

再按照前述的修复方法进行焊接实施，上述实施例中，修复后的焊接粉 末熔敷金属的化学成分(Wt％)分别是：

C为2.63、Si为1.66、Mn为0.91、Mo为0.03、Cr为0.06、Cu为 0.05、Ti为0.01、V为0.01、S为0.07、P为0.17。

焊缝金属力学性能为：抗拉强度σ_b为279MPa，硬度HBS为229。

实施例3

首先，配制用于大型HT300灰铸铁件焊接的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均匀混合组成：

Fe₂O₃ 35％、Al 26％；Na₂CO₃ 1.0％、Na₂B₄O₇ 4.0％、CaF₂ 4.0％、CaO 8.0％、 SiO₂ 0.5％；石墨 3.5％、生铁 8.0％、75 硅铁 3.5％、镍0.5％、铋0.2％、60 硅钙1.0％、30钛铁1.0％、75锰铁1.4％、50铬铁1.0％、50钼铁0.5％、锡 青铜0.5％、18硼铁0.2％、60钒铁0.2％，总重量为100％。

再按照前述的修复方法进行焊接实施，上述实施例中，修复后的焊接粉 末熔敷金属的化学成分(Wt％)分别是：

C为2.89、Si为1.84、Mn为0.90、Mo为0.03、Cr为0.03、Cu为 0.05、Ti为0.01、V为0.01、S为0.07、P为0.16。

焊缝金属力学性能为：抗拉强度σ_b为305MPa，硬度HBS为253。

焊缝金属的化学成分与力学性能符合GB9439-88要求，与所修复 HT300灰铸铁件材料的组成基本相同，即金相组织基本相同，达到了铸件的 焊接修复要求。

实施例4

首先，配制用于大型HT300灰铸铁件焊接的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均匀混合组成：

Fe₂O₃ 30％、Al 25％；Na₂CO₃ 1.1％、Na₂B₄O₇ 5.5％、CaF₂ 4.5％、CaO 8.6％、 SiO₂ 0.6％；石墨 4％、生铁 6.5％、75 硅铁 4.5％、镍1％、铋0.4％、60硅 钙2％、30钛铁0.7％、75锰铁1.8％、50铬铁1.5％、50钼铁0.9％、锡青铜 0.6％、18硼铁0.4％、60钒铁0.4％，总重量为100％。

再按照前述的修复方法进行焊接实施。

实施例5

首先，配制用于大型HT300灰铸铁件焊接的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均匀混合组成：

Fe₂O₃ 30％、Al 30％；Na₂CO₃ 1.0％、Na₂B₄O₇4.1％、CaF₂ 4.1％、CaO 9.2％、 SiO₂ 0.7％；石墨 3.2％、生铁 6.2％、75硅铁3.6％、镍0.7％、铋0.3％、60 硅钙1.2％、30钛铁1.5％、75锰铁1.2％、50铬铁1.1％、50钼铁0.7％、锡 青铜0.6％、18硼铁0.3％、60钒铁0.3％，总重量为100％。

再按照前述的修复方法进行焊接实施。

综上所述，本发明的材料及方法，能够实现大型高牌号HT300灰铸铁件 缺陷的快速焊接修复，焊接持续时间仅用2-5分钟，省时省力；焊缝色泽与 铸铁件本体一致；焊缝成份和组织为典型的铸铁组织；焊缝强度与和硬度与 铸铁件本体基本一致；焊缝抗裂性增强、可机加工。