專利名稱：快速焊接修復ht300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料及修復方法
快速焊接修復HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料及修復方法技術領域
本發明屬于鑄件挽救工程技術領域，涉及一種快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，本發明還涉及利用該種焊接材料對大型HT300灰鑄鐵件缺陷進行快速焊接修復的方法。
背景技術：
鑄造過程工藝復雜，鑄件缺陷在所難免，對缺陷鑄件實施挽救修復是企業增資節能的重要舉措，有利于環境保護和節約資源。
由于鑄鐵固有的凝固特性，在焊接過程中極易產生焊補區白口和裂紋。目前，對灰鑄鐵件進行高質量修復的方法是氣焊和電弧熱態焊。這兩種方法用來焊補中小型鑄件操作簡單，效果很好；但若對于大型鑄件則會因為加(預)熱難度大，氣焊無法實現熔合焊接； 電弧焊冷速過大，焊接區加工性能差。而諸如重型機床床身、大型齒輪及風電器件等HT300 鑄鐵件的缺陷幾率較高，而且這種合成鑄鐵的焊接修復附加值較大。尤其是對于較大的缺陷，會因為焊接過程熱的過度輸入而容易造成焊接區應力過大導致鑄件白口、變形或出現開裂，焊接難度更大。鑄件生產企業對于重要加工面上的缺陷往往顯得束手無策，只能報廢。大型報廢件的肢解和破碎過程需要花費大量的能源；鑄件的再生產又一次需要熔煉，這在消耗能源的同時，排放的廢氣和熔渣也對環境造成了二次污染。這還不包括勞動力和時間成本的浪費。
因此，研究和開發針對大型HT300灰鑄鐵件缺陷的快速焊接修復方法及焊接材料不僅非常必要，而且具有較高的經濟價值和社會效益。發明內容
本發明的目的是提供一種快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，解決了現有技術條件下灰鑄鐵件缺陷難以處理的問題。
本發明的另一目的是提供一種利用上述焊接材料對大型HT300灰鑄鐵件缺陷進行快速焊接修復的方法。
本發明采用的技術方案是，一種快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，由以下組分的粉末按質量百分比均勻混合而成
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 %、生鐵 6. 0 % -8. 0 %、75 硅鐵 3. 5 % -5. 0 %、鎳 0. 5 % -1. 2 %、鉍 0. 1 % -0. 5 %,60 硅鈣 1. 0 % -2. 0 %,30 鈦鐵 0. 5 % -1. 8 %,75 錳鐵 1. 2-2. 0 %,50 鉻鐵 1. 0-1. 5 %,50 鉬鐵 0. 5-1. 0%、錫青銅 0. 5-0. 6%、18 硼鐵 0. 1-0. 5%,60 釩鐵 0. 1-0. 5%，總重量為 100%。
本發明采用的另一技術方案是，一種利用上述的焊接材料快速焊接修復大型 HT300灰鑄鐵件缺陷的方法，利用上述的組分及含量配制焊接材料，再按照以下步驟具體實施
步驟1、對有缺陷的灰鑄鐵件的缺陷部位實施打磨，加工出坡口 ；
步驟2、沿坡口上緣周邊造型，使用型砂或水泥沿缺陷坡口上部周邊修筑提壩，提壩的上緣需留有點火引信的引入槽；
步驟3、將配制好的焊接材料混合均勻后裝填入坡口和提壩內部，埋入點火引信后夯實、填滿，最后在上面壓上壓蓋；
步驟4、點燃點火引信，使得焊接材料中的發熱劑發生放熱反應，將焊接材料中的所有組分全部熔化，熔化后所產生的鐵液密度高于熔渣沉入坡口中，而熔渣上浮與鐵液發生分層；
步驟5、在焊接區表面撒上木粉和珍珠巖的混合物，使熔敷金屬緩冷凝固得到包括熔渣和多余金屬層的焊接區金屬；
步驟6、待焊接區冷卻到低于200士 10°C后，去掉壓蓋，打掉造型提壩，露出焊接區 ^riM
步驟7、應用機加工方法去除焊接區金屬高出灰鑄鐵件表面部分的熔渣和金屬層， 形成光滑焊補區域即成。
本發明的有益效果是，能夠實現HT300高牌號大型灰鑄鐵件缺陷的快速焊接修復，焊接持續時間僅用2-5分鐘，省時省力；能有效地降低白口和裂紋傾向，而且焊縫成分、 組織、色澤與鑄鐵件本體一致；焊縫成份和組織為典型的鑄鐵組織；焊縫強度與和硬度與鑄鐵件本體基本一致；焊縫抗裂性增強，具有良好的加工性和抗裂性能。


圖1是采用本發明方法對灰鑄鐵件缺陷打磨后的待焊部位形狀圖2是采用本發明方法用型砂或水泥對缺陷上部修筑提壩造型圖3是采用本發明方法的焊接之前的焊粉裝填示意圖4是采用本發明方法的焊后焊接區結構圖5是采用本發明方法機加工后的焊接區結構圖。
其中，1.灰鑄鐵件，2.提壩，3.壓蓋，4.焊接材料，5.點火引信，6.熔敷金屬，7.焊接區金屬，8.坡口。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
本發明的快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，由以下組分的粉末按質量百分比均勻混合而成
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 %、生鐵 6. 0 % -8. 0 %、75 硅鐵 3. 5 % -5. 0 %、鎳 0. 5 % -1. 2 %、鉍 0. 1 % -0. 5 %,60 硅鈣 1. 0 % -2. 0 %,30 鈦鐵 0. 5 % -1. 8 %,75 錳鐵 1. 2-2. 0 %,50 鉻鐵 1. 0-1. 5 %,50 鉬鐵 0. 5-1. 0%、錫青銅 0. 5-0. 6%、18 硼鐵 0. 1-0. 5%,60 釩鐵 0. 1-0. 5%，總重量為 100%。
本發明的上述焊接材料，按照其功能包括四部分的粉末組分組成
第一部分為發熱劑(或稱鋁熱劑)，包括!^e2O3和Al，兩者發生放熱化學反應后，既提供了焊接冶金所需要的熱量，反應產物i^e又可作為主要的熔敷金屬形成焊縫，Al2O3進入熔渣，亦可參與熔池中的造渣反應。
第二部分為造渣劑，包括Na2CO3、Na2B407、CaF2、CaO 和 Si02。其中的 Na2B4O7 和 CaF2 兼具稀釋劑作用，可用來調節熔渣粘度；CaF2和S^2還具有除氫、預防焊接冷裂紋的作用。
第三部分為脫氧、脫硫劑，包括鋁、30鈦鐵、60硅鈣、75錳鐵及CaO等。
第四部分為合金劑，針對HT300灰鑄鐵件成分及性能要求，選用多個化合物及合金粉末作為焊接填充材料，以獲得與所修復鑄件組織和性能相匹配的焊接區金屬。主要包括石墨、生鐵、75硅鐵、鎳、60硅鈣、30鈦鐵、75錳鐵、50鉻鐵、50鉬鐵、18硼鐵、60釩鐵、錫青銅(屑)等組分。熔化后既可形成焊縫金屬，又具有合金化作用。添加適量的鉍金屬還有細化晶粒作用，有利于提高焊縫力學性能。
本發明焊接材料組分中的發熱劑和造渣劑具有通用性；而針對牌號為HT300灰鑄鐵件的焊接修復需要，合金劑在種類及含量方面均具有相應的多樣性。
上述的焊接材料成份中，各組分及含量限定理由分別如下
為了使得焊接過程得以進行，加入了大量的!^e2O3和鋁粉作為發熱劑。反應產生的能量不僅能夠維持放熱反應持續進行，而且還有足夠的熱量熔化各種金屬粉料，并使母材局部熔化，共同形成焊縫，達到焊接的目的。
為了使焊渣聚集、上浮且與熔敷金屬分離，預防焊縫金屬夾渣，加入了 Na2C03、 Na2B4O7, CaF2和CaO等作為造渣劑和稀釋劑。
為了使焊縫金屬獲得灰鑄鐵組織，防止焊縫和熔合區產生白口，保證焊接(補)區的機械加工性能，粉末中含碳量和含硅量控制均比較嚴格；為了改善焊縫的機械性能，保障基體組織中珠光體含量并促進石墨化，加入少量的鎳、鋁和銅；為了凈化焊縫金屬，減小硫元素的有害影響，還加入了鈣；為了細化晶粒、促進石墨形核與快速生長，還添加了微量的 Bi,Ti等元素。這樣，既簡化了焊材生產工藝，又節約了能源，對環境無污染，而且還能夠保證焊材比較的強石墨化能力，獲得與鑄件本體成分、組織、性能及色澤相匹配的焊接區，實現大型HT300灰鑄鐵件大缺陷的高性能快速焊接修復。
本發明的對大型HT300灰鑄鐵件缺陷進行快速焊接修復的方法，利用上述的焊接材料，按照以下步驟具體實施
步驟1、對有缺陷的灰鑄鐵件1的缺陷部位實施打磨，加工出坡口 8，如圖1 ；
步驟2、沿坡口 8上緣周邊造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周邊修筑提壩 2 (缺陷上部造型體)，用以除渣和預防金屬液溢流，提壩2的上緣需留有點火引信5的引入槽，如圖2;
步驟3、裝填焊接材料將配制好的焊接材料4裝填入圖2所示的坡口 8和提壩2 構成的空間內，埋入點火引信5后夯實、填滿，最后在上面壓上壓蓋3 (耐火磚)，如圖3 ；
步驟4、點燃點火引信5，使得焊接材料4中的發熱劑發生放熱反應，將焊接材料4 中的所有組分全部熔化變為熔敷金屬6，熔敷金屬6中的鐵液密度高于熔渣沉入坡口 8中， 而熔渣上浮與鐵液發生分層；
步驟5、在焊接區表面撒上木粉和珍珠巖的混合物，使熔敷金屬6緩冷凝固得到包括熔渣和多余金屬層的焊接區金屬7 ；
步驟6、待焊接區冷卻到低于200士 10°C后，去掉壓蓋3 (耐火磚)，打掉造型提壩2，露出如圖4所示的焊接區金屬7 ；
步驟7、應用機加工方法去除焊接區金屬7高出鑄件表面的部分，形成如圖5所示的光滑焊補區域，即成。
本發明方法的重點在于，缺陷坡口 8上緣的造型提壩2、焊接材料的裝填、點火引信5的引入及壓蓋3結構的使用，尤其是焊接后期的保溫緩冷，是實現大型HT300灰鑄鐵件缺陷快速焊接修復的關鍵技術之所在。在沿缺陷坡口 8上緣修筑提壩造型時，預留高約 3mm，寬約5mm的引信槽是必不可少的。該引信槽的開設方位要便于操作，而且寬和高位向不能搞錯，以防焊接過程中熔渣與金屬液的過度外流。
本發明的方法，能夠實現大型HT300灰鑄鐵件上的各種缺陷的室溫下焊接修復， 焊縫成份和組織與所焊補鑄件本體相對應，性能與鑄件本體相匹配，焊區色澤與鑄件本體一致。焊縫抗裂性強，可實現機加工。
實施例1
首先，配制用于大型HT300灰鑄鐵件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
Fe2O3 34%, Al 27% ；Na2CO3 1. 0%, Na2B4O7 4. 0%, CaF2 4. 0%, CaO 8. 0%, SiO2 1.5%;石墨 3.0%、生鐵 7. 0%、75 硅鐵 4. 0%、鎳 0. 5%、鉍 0. 2%、60 硅鈣 1.0%、30 鈦鐵 1.0%,75 錳鐵 1. 4%、50 鉻鐵 1. 0%、50 鉬鐵 0.5%、錫青銅 0. 5%、18 硼鐵 0. 2%、60 釩鐵0.2%，總重量為100%。
再按照前述的修復方法進行焊接實施，上述實施例中，修復后的焊接粉末熔敷金屬的化學成分(Wt% )分別是
C 為 2. 70,Si 為 1. 70,Mn 為 0. 96,Mo 為 0. 03,Cr 為 0. 05,Cu 為 0. 06,Ti 為 0. 02、V為 0.01、S 為 0. 08、P 為 0. 15。
焊縫金屬力學性能為抗拉強度σ b是^6MPa，硬度HBS是232。
實施例2
首先，配制用于大型HT300灰鑄鐵件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
Fe2O3 32%, Al 28% ；Na2CO3 1. 5%,Na2B4O7 5.0%、CaF2 6. 0%,Ca07. 0%%,Si021.0% ；石墨 3.5%、生鐵 6. 0%、75 硅鐵 3.5%、鎳 0. 6%、鉍 0. 1%、60 硅鈣 1.5%、30 鈦鐵 0. 5 %、75 錳鐵 1. 3%,50 鉻鐵 1. 2%,50 鉬鐵 0.6%,錫青銅 0. 5 %、18 硼鐵 0. 1 %、60 釩鐵0. 1%，總重量為100%。
再按照前述的修復方法進行焊接實施，上述實施例中，修復后的焊接粉末熔敷金屬的化學成分(Wt% )分別是
C 為 2. 63,Si 為 1. 66,Mn 為 0. 91、Mo 為 0. 03,Cr 為 0. 06,Cu 為 0. 05,Ti 為 0. 01、V為 0.01、S 為 0. 07、P 為 0. 17。
焊縫金屬力學性能為抗拉強度σ b為279MPa，硬度HBS為229。
實施例3
首先，配制用于大型HT300灰鑄鐵件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
Fe2O3 35%, Al 26% ；Na2CO3 1. 0%, Na2B4O7 4. 0%, CaF2 4. 0%, CaO 8. 0%, SiO20.5%;石墨 3.5%、生鐵 8. 0%、75 硅鐵 3. 5%、鎳 0. 5%、鉍 0. 2%、60 硅鈣 1. 0%、30 鈦鐵 1. 0%、75 錳鐵 1.4%,50 鉻鐵 1.0%,50 鉬鐵 0.5%、錫青銅 0. 5%、18 硼鐵 0. 2%、60 釩鐵0. 2%，總重量為100%。
再按照前述的修復方法進行焊接實施，上述實施例中，修復后的焊接粉末熔敷金屬的化學成分(Wt% )分別是
C 為 2. 89,Si 為 1. 84,Mn 為 0. 90,Mo 為 0. 03,Cr 為 0. 03,Cu 為 0. 05,Ti 為 0. 01、 V 為 0.01、S 為 0. 07、P 為 0. 16。
焊縫金屬力學性能為抗拉強度σ b為305MPa，硬度HBS為253。
焊縫金屬的化學成分與力學性能符合GB9439-88要求，與所修復HT300灰鑄鐵件材料的組成基本相同，即金相組織基本相同，達到了鑄件的焊接修復要求。
實施例4
首先，配制用于大型HT300灰鑄鐵件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
Fe2O3 30%, Al 25% ；Na2CO3 1. 1%, Na2B4O7 5. 5%, CaF2 4. 5%, CaO 8. 6%, SiO2 0.6%;石墨 4%、生鐵 6. 5%、75 硅鐵 4. 5%、鎳 1%、鉍0. 4%、60硅鈣 2%、30鈦鐵0. 7%、 75 錳鐵 1. 8 %、50 鉻鐵 1. 5 %、50 鉬鐵 0.9%、錫青銅 0. 6 %、18 硼鐵 0. 4 %、60 釩鐵 0.4%， 總重量為100%。
再按照前述的修復方法進行焊接實施。
實施例5
首先，配制用于大型HT300灰鑄鐵件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
Fe2O3 30%, Al 30% ；Na2CO3 1. 0%, Na2B4074. 1%, CaF2 4. 1 %, CaO 9. 2%, SiO20.7%;石墨3.2%、生鐵 6. 2%、75 硅鐵 3. 6%、鎳 0. 7%、鉍 0. 3%、60 硅鈣 1.2%、30 鈦鐵1.5%,75 錳鐵 1. 2%、50 鉻鐵 1. 1 %、50 鉬鐵 0.7%、錫青銅 0. 6%、18 硼鐵 0. 3%、60 釩鐵 0. 3%，總重量為100%。
再按照前述的修復方法進行焊接實施。
綜上所述，本發明的材料及方法，能夠實現大型高牌號HT300灰鑄鐵件缺陷的快速焊接修復，焊接持續時間僅用2-5分鐘，省時省力；焊縫色澤與鑄鐵件本體一致；焊縫成份和組織為典型的鑄鐵組織；焊縫強度與和硬度與鑄鐵件本體基本一致；焊縫抗裂性增強、可機加工。
權利要求
1.一種快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，其特征在于，由以下組分的粉末按質量百分比均勻混合而成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 %、生鐵 6. 0 % -8. 0 %、75 硅鐵 3. 5 % -5. 0 %、鎳 0. 5 % -1. 2 %、鉍 0. 1 % -0. 5 %,60 硅鈣 1. 0 % -2. 0 %,30 鈦鐵 0. 5 % -1. 8 %,75 錳鐵 1. 2-2. 0 %,50 鉻鐵 1. 0-1. 5 %,50 鉬鐵 0. 5-1. 0%、錫青銅 0. 5-0. 6%、18 硼鐵 0. 1-0. 5%,60 釩鐵 0. 1-0. 5%，總重量為 100%。
2.一種利用權利要求1所述的焊接材料快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的方法，其特征在于，利用權利要求1所述的組分及含量配制焊接材料，再按照以下步驟具體實施步驟1、對有缺陷的灰鑄鐵件(1)的缺陷部位實施打磨，加工出坡口(8)；步驟2、沿坡口(8)上緣周邊造型，使用型砂或水泥沿缺陷坡口(8)上部周邊修筑提壩 O)，提壩⑵的上緣需留有點火引信(5)的引入槽；步驟3、將配制好的焊接材料(4)混合均勻后裝填入坡口⑶和提壩(2)內部，埋入點火引信( 后夯實、填滿，最后在上面壓上壓蓋(3)；步驟4、點燃點火引信(5)，使得焊接材料中的發熱劑發生放熱反應，將焊接材料 (4)中的所有組分全部熔化，熔化后所產生的鐵液密度高于熔渣沉入坡口(8)中，而熔渣上浮與鐵液發生分層；步驟5、在焊接區表面撒上木粉和珍珠巖的混合物，使熔敷金屬(6)緩冷凝固得到包括熔渣和多余金屬層的焊接區金屬(7)；步驟6、待焊接區金屬冷卻到低于200士 10°C后，去掉壓蓋(3)，打掉造型提壩O)，露出焊接區金屬(7)；步驟7、應用機加工方法去除焊接區金屬(7)高出灰鑄鐵件表面部分的熔渣和金屬層， 形成光滑焊補區域即成。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，預留的引信槽高約3mm，寬約5mm。
全文摘要
本發明公開了一種快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的焊接材料，由以下組分的粉末按質量百分比均勻混合而成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％、生鐵 6.0％-8.0％、75硅鐵3.5％-5.0％、鎳0.5％-1.2％、鉍0.1％-0.5％、60硅鈣1.0％-2.0％、30鈦鐵0.5％-1.8％、75錳鐵1.2-2.0％、50鉻鐵1.0-1.5％、50鉬鐵0.5-1.0％、錫青銅0.5-0.6％、18硼鐵0.1-0.5％、60釩鐵0.1-0.5％，總重量為100％。本發明還公開利用上述的焊接材料快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件缺陷的方法。本發明的材料及方法，能夠實現室溫下快速焊接修復大型HT300灰鑄鐵件的缺陷。
文檔編號B23K35/34GK102528311SQ20121000694
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者徐錦鋒, 翟秋亞 申請人:西安理工大學