球墨铸铁焊接法兰管焊缝质量工艺探索及研究

球墨铸铁焊接法兰管焊缝质量工艺探索及研究

杨志洲

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摘要：在极端环境下，球墨铸铁会受到较大的腐蚀、磨损，从而导致零件损坏。为减少生产成本，改善球墨铸铁零件的使用寿命，必须对零件进行表面处理，使其具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。采用焊接工艺可以在球墨铸铁的表面上形成一种与其冶金结合较好的熔覆层，或者在缺陷部位用适当的金属材料进行修复。通过调查国内外球墨铸铁的焊接与再加工技术，本文总结了电弧焊、搅拌摩擦、激光焊三种技术在球墨铸铁中的应用，为今后球墨铸铁的再加工技术的发展奠定了基础。

关键词：球墨铸铁：再制造；电弧焊：搅拌摩擦加工；激光焊

铸铁是一种含有超过2.11%的铁基高碳多元合金，按照组织中的碳形态分为灰铸铁、白口铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。球墨铸铁作为一种应用最广泛、综合性能最好的铸铁，其铸造性能、切削加工性能、强度、韧性、耐磨性、抗冲击性都很好，与一些合金钢相比，在机械加工、石油化工、交通运输等方面有着广泛的应用。

球墨铸铁通常用于极端环境下，在使用中会出现磨损、腐蚀、破损等问题。但由于球墨铸铁件通常是整体铸造，其尺寸大、工艺复杂、制造费用高，一旦发生故障，将会导致严重的经济损失。因此，在球墨铸铁零件破损处进行修补，并对其进行强化处理，改善其使用性能，已成为许多行业所关注的课题。

1电弧焊再制造

电弧焊是目前球铁零件再加工中最常见的一种，它具有操作简便、造价低廉等优点，是目前使用最广泛的一种方法。SMAW技术是在球墨铸铁板上沉积不同组份的合金焊丝，并对其进行了显微组织和机械性能的分析，发现其主要是贝氏体、铁素体、残余奥氏体、石墨相，Mn、Mo元素的加入会导致富Mo马氏体和其它碳化物的生成。通过对E309L合金焊接过程的分析，发现镀层厚度对表面组织、硬度和耐磨性的影响是非常明显的。传统的电弧焊再制造过程中，由于热量较大，难以对其进行内部组织的控制，导致焊接接头部位出现大量的硬脆、开裂等缺陷，从而导致铸件变形，影响到铸造质量。通常，要对铸件进行预热和焊接后的热处理，才能有效地控制焊接区的组织和裂纹的形成。试验结果显示，适当的预热温度会显著提高焊接接头的组织结构，使碳化物和其它硬脆的成分会减少。Pascual等也证明了预热可以显著提高焊接材料的机械性能、降低冷却速率、减少应力、降低开裂的可能性、提高铸件的强度。

传统的电弧焊多为人工，难以精确地控制焊接质量。采用钨极惰性气体保护焊（TIG）是通过在钨极与焊件之间产生的电弧来将焊料和焊料加热，其特点是：焊条不受焊丝长度的影响，焊丝燃烧平稳，热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法，大大提高了工作效率，焊接工艺更加美观。Jeshvaghani等利用 TIG焊接技术在球墨铸铁上镀上Stellite6合金，并对其组织、硬度和耐磨性进行了研究。结果表明：合金化后的组织是以碳化物为主，分散分布于C0基固溶体中，呈现树枝状，其中局部熔合区及热影响区为莱氏体与马氏体，脆性较大；合金化后的表面耐磨能力比基体更好，可提高零件的耐磨性能，改善其工作性能。

TIG焊接工艺与传统的手工焊接工艺相比，在球铁的焊接工艺中， TIG焊接技术有诸多优点，但其高输入热量仍是其工艺难点之一。

2.搅拌摩擦加工再制造

搅拌摩擦焊接技术是一种新的固相法。在 FSW技术的基础上， Mishra等首先提出了搅拌-摩擦技术（FSP）的概念。FSP已被广泛地用于材料的固相处理，并已被广泛地用于材料的内部和表面处理。由于铸铁中的碳元素含量较高，焊缝性较差，常规的高温熔焊后，由于石墨相的熔融和扩散，导致熔合区内的碳含量急剧增加，碳元素大量积累，容易出现白口等硬脆现象，从而导致界面处的脆性较大，容易出现裂缝等。近年来，国内外学者对 FSW与球墨铸铁进行了深入的探讨，并取得了一些成果。随着 FSP技术的发展和优化， FSP技术已逐步用于球墨铸铁表面处理，从而改善球墨铸铁的使用性能，扩大其应用范围。

Imagawa等利用 FSP技术对球墨铸铁进行了表面处理，发现在搅拌头的搅动下，石墨相会发生较大的变形，同时由于加工温度较高，加工区域会出现大量的马氏体组织，从而使其表面硬度得到明显改善。Fuj等人还发现，搅拌头的加工部位有细小的马氏体组织，其硬度随马氏体组织的尺寸而改变，分析表明，由于微细马氏体的存在，使其硬度明显增加。夏祥春对 FSP处理后的铁素体球铁进行了耐蚀试验，并与基体进行了对比，发现在20°、45°的冲蚀角条件下，经过处理的球墨铸铁具有更好的抗腐蚀磨损能力，并且比基体更好。

搅拌-摩擦加工再制造球铁与电弧焊接工艺有着很大的区别， FSP工艺中的热只能将其加热到热塑性状态，从而避免了由于熔化而引起的化学金化反应和高温应力过大而引起的变形，同时还可以有效地抑制裂纹、气孔和白口等硬脆。FSP工艺可以很好地改善球铁的表面，改善球墨铸铁的使用性能。

3.激光再制造

激光再制造技术是一种具有迅速升温、迅速冷却特点的工艺，其主要特征是集先进的激光熔覆加工工艺技术、激光熔覆材料技术和其他多种技术于一体，不仅可以使损伤的零部件恢复外形尺寸，还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平，是重大工程装备修复新的发展方向。在激光加工中，可以调整加工参数，使其在很小的范围内进行重新加工，从而达到很好的加工精度。目前，激光再制造技术在球墨铸铁零件表面再熔、表面合金化等方面得到了广泛的应用，这对提高球墨铸铁的整体性能具有重大意义。

在激光再制造工艺中，如何有效地控制和消除白口组织等硬脆，减少裂纹形成的可能性，是目前激光再生工艺中急需解决的问题。近几年，为了减少界面裂缝的发生，人们采用了不同的工艺方法。Weng等人在用激光重新加工球墨铸铁V型槽时，发现了粘结区裂纹的产生趋势与V型沟角有很大的相关性，V型沟角越大，越容易消除界面裂缝，越容易形成冶金结合区。Li等四人对球铁的激光熔覆工艺进行了仿真，着重考察了激光扫描轨迹对涂层质量的影响，发现与平行扫描路径相比，可以有效地减小同面积、同方向的应力集中，并减小了基体的变形趋势，减少了裂纹的发生。李养良等人在不同扫描速度下，将镍基合金粉涂于球铸铁表面，发现扫描速度越快，涂层的组织越细越好，组织越细，结合区越脆，从而减少了裂纹的发生。

结语：

通过有限元仿真，对球墨铸铁的再加工工艺进行了初步的优化，从而为进一步的试验研究奠定了一定的理论依据。但是，球墨铸铁的再加工技术还需要从两个方面进行深入的探索：①选用的原料在铸造工艺中，大部分工艺都要采用填料，适当的填料可以有效地改善后的铸造性能。填料的研制将成为今后的一个重要研究领域。②生产流程。工艺是再加工的重要环节，工艺参数的合理选择和合理的焊接路线将极大地影响到铸件的组织和应力。

参考文献：

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[3]李养良，潘东，甘春飞，等.QT-500球墨铸铁表面激光熔覆镍基合金的组织与性能)，金属热处理，2012,37(2)：106-109.