铸件加热减应区法焊接修复工艺及应用

【摘要】 实践中我们可以看到，铸件本身有缺陷或铸件在实际应用中难免会出现一些问题和故障，因此经常会选择焊接法对其进行有些的修复。在此过程中需要注意的是因焊接加热、冷却过程中会产生不均匀现象，所以铸件焊接完成后通常会产生非常大的焊接应力，是否能够有效处理这些残余的焊接应力，成为确保焊接修复质量重点和难点。本文将对实践中常用的一种方法，即加热减应区法进行分析，并就其焊接修复工艺及其实际应用情况谈一下自己的认识，以供参考。

【关键词】 加热减应区法；铸件；焊接修复；应用

近年来，随着社会经济的快速发展和工业化建设进程的不断加快，铸件在现代化生产中的应用范围也越来越广泛，但同时也容易产生一些问题，国内的铸造水平还和国际上发达国家的铸件差距较大。特别是对铸件的焊补， 技术比较落后，因此在当前的形势下，加强对铸件焊接修复工艺及其应用问题研究，降低不必要的损失，具有非常重大的现实意义。

铸件的焊补图片如下：

1、加热减应区法基本原理分析

所谓加热减应区法，实际上就是在待焊铸件上选择一处、多处位置点，在焊前、焊接过程以及焊后进行适当的加热，以确保该位置与焊补点的伸长同步，而且在冷却过程中也会作一样的收缩变形，以此来减小铸件焊接应力的操作方法。通常情况下，我们将预加热位置点称作加热减应区，采用该焊接方法，要与氧一乙炔气焊、以及电弧焊等配合使用。从本质上来讲，该铸件焊接方法，是严格遵循焊接内应力规律进行的，利用了金属物件热胀冷缩的自然特性，利用焊缝加热膨胀产生一点的力，来减小压缩塑性形变两，进而降低拉应力，以免出现裂纹、裂缝病害。在此，以Ⅱ形铸件框边焊接为例，对加热减应区焊接法原理进行全面的认识。如图下图所示，Ⅱ形框架框边上出现了严重的断裂现象。

据以往经验，上图中的断裂口若不采取有些的措施进行处理，而是直接焊接修补，则该位置可能会因焊接过程中的不断加热而出现严重的膨胀现象。同时，框边两边原本是一致的，左边若受热膨胀，则右边必然受到拉紧作用力的影响，因其难以随之膨胀，而容易导致焊口位置产生严重的压缩塑性变形。当焊接完成后，焊口冷却后又会因收缩而缩短，右边会再次受到拘束，结果焊缝中就会产生较大的横向拉应力，一旦超过材料自身的承载强度，将会在焊缝位置出现新的裂痕。然而，焊前若以上图中的另一条边框阴影部分为减应区，对其进行适当的加热，则可使左右两边同时伸、缩，这样就可以有些减小焊接应力，即加热减应区法焊接修复原理。

2、铸件加热减应区法焊接工艺

基于以上对铸件加热减应区法基本原理的分析，其焊接修复工艺主要表现在以下几个方面：

第一，焊接加热温度控制。实践中可以看到，减应区的实际加热温度关系着铸件缺陷部位的修复治理，同时也是实现减应与否的关键因素。一般而言，减应区的加热温度和铸件自身的塑性、承载强度等母材材质、构件刚性以及铸件故障位置和大小等因素存在着密切的关系，通常情况下，铸件修复过程中所需要的加热温度应当严格控制在600至700摄氏度范围内。温度太高，可能会影响铸件焊接位置的伸长；温度太低，则难以起到焊接修复效果。

第二，焊接加热时间控制。铸件焊接修复前加热过程中，应当先对减应区进行适当的加热操作，保证加热量能够慢慢传至预焊接位置，即对焊接修复区进行预热。铸件焊补过程中，减应区温度若上升到600至700摄氏度，而且焊接位置的受热温度也上升至400摄氏度，则可对缺陷焊接区进行及时的修复和焊补。铸件焊后加热过程中，焊接前不对该区域进行加热，待焊接完成后才对该区域进行加热操作。若铸件焊接温度为650至700摄氏度，可通过焊后加热方法，将焊缝位置的应力有些低引至减应区，并利用塑性变形有效减小焊补区位置的收缩。对于联合加热而言，焊前、焊后同时加热。铸件焊接修复过程中，焊前可将焊区加热至400至500摄氏度，然后再实施焊补操作。

第三，焊区加热方式。首先是线状加热方式。焊接过程中，火焰沿着直线移动、或者横向摆动，从而形成带状减应区。该加热方式，多用于那些刚性比较大的铸件焊接修改工艺；其次是三角形加热方式。焊接过程中，可对加热区进行三角状加热操作。实践中，因铸件加热面积相对较大，所以收缩量可能会比较大，采用该加热方式可取的较好的减应效果，而且该方法经常作为工件边缘减应区加热方式。然而需要注意的是，采用该加热方式，其底边应处于铸件边缘位置，这样方便操作。最后，带状加热方式。实践中，对铸件焊接表面采取带状加热方式，可促使加热区两侧位置在没有任何约束的条件下，可实自由的伸缩。一般而言，该加热方法比较适合于铸件故障问题处于铸件中部位置的情况，比如柱体焊接修复。

3、铸件加热减应区法应用实践

通过以上分析可知，铸件加热减应区法具有非常明显的应用优势，因此在当前铸件缺陷修复工艺中的应用范围非常的广泛。对于球铁的补焊，对于在焊缝及近缝区，如果有镁和稀土元素等含量比较高， 容易产生白口现象或马氏体产生，同时使区域的内应力增加，甚至产生裂纹；反之，如果镁和稀土元素不足时，对于铸件的补焊焊缝，将会出现灰铸铁组织，使力学性能降低。因此，球墨铸铁焊补时所用电焊条为特殊焊条，焊条及气焊丝需要按国家标准BG10044-88执行。

以下是该方法的应用实例。日字形铸件边角出现裂纹时，其焊接修复过程中采用的是加热减应区法。如下图所示，日字形铸件的边角位置出现了一道裂纹，为确保铸件正常应用，需对其进行适当的修复。

对于该铸件而言，由于其自身的刚性强度非常的大，若采用传统的方法对其进行直接焊接，则焊缝位置可能会产生较大的横向应力，严重时可能会产生新的裂缝。基于这一问题的思考，实际焊接过程中选用的是加热减应区法。

第一，为准确定位加热减应区，可将焊缝位置的横向应力进行分解，即水平、垂直两个方向上的残余应力，因此焊缝点的伸缩也就分成水平、垂直两个方向上的伸缩。实践中可以看到，该铸件自身的刚性强度较大，无论哪个方向上的伸缩，都会受上部及右边框的影响。基于此，应当以上图中所示的阴影部分作为焊接减应区，然后对其进行适当的加热，此时焊缝位置的水平伸缩限制就会因上部水平框边的逐渐变热而消除；同时，垂直方向上产生的伸缩约束，也会因右边框温度的不断升高而逐渐消除。在该种条件下，焊接修复区、焊接减应区的加热、冷却等环节，基本上可以保持同步，因此也就大幅度降低了逐渐焊接应力的影响。

第二，日字形铸件裂纹的具体焊接修复工艺。首先，借助磨光机、氧一乙炔等，在铸件裂纹位置开一个70度的V字形坡口，然后将坡口位置的油污、铁锈以及其他杂质等，彻底的去除。其次，选择焊接材料和方法。本铸件裂纹处理过程中，采用的是气焊焊接法，以HS401焊丝、CJ201熔剂等为焊接材料，加热火焰是弱碳化焰；最后，焊接修复过程中，应当注意的是，焊接修复之前，应当用焊炬对减应区进行适当的加热，并且要确保温度控制在600至700摄氏度范围之内，焊缝间隙逐渐增加至1至1.5毫米时，可对铸件进行焊接操作；实际焊接修复过程中，应当注意对加热减应区进行间断性的加热，并且要确保该位置的温度持续性；当焊接完成后，还有将焊接减应区的温度逐渐加热到600至700摄氏度，并确保焊接修复区与减应区冷却的同步性。

第三，焊补后，对铸件焊补区，进行锤击（要有防护措施），以降低焊接内应力。如果有条件，可以采用超声波冲击处理。

第四，金相组织

由上图（X500）分析看出，焊补的焊缝区石墨为星状和枝星型，机体为铁素体和珠光体。

上图为球墨铸铁加热补焊缝的热影响区，所得到的图片（X100），由上图分析看出，上部分区域为铸件区；下部分区为补焊区。

经过上述介绍得出结论：加热感应法对铸件整体明显降低了焊补产生的内应力，优化了铸件的组织结构。

第五，使用国产YJ-10型静态电阻应力变化仪器，灵敏度系数K=1.5-2.0，测量各五组预先制作的样品：

σ1的方向平行于焊缝，σ2方向垂直于焊缝

第六，焊补后，加热的方法可以减应力，同时可以用来控制变形

铸件的塑性没有钢件的好，但承压承载能力优于钢件，所以对于冷态矫正非常困难或对厚大变形铸件无矫正设备时，需要进行热态矫正。

热态矫正又可分成局部加热矫正和整体加热矫正两种。局部加热矫正，是以气体火焰或其他热源将铸件变形的局部加热，使之发生热塑性变形，然后再施加外力进行矫正。对于壁厚在60mm以下中型铸件以及塑性变形较差的中小型铸件，一般通过整体加热矫正；而对壁厚>60mm的大中型铸件用局部加热后矫正。

局部热态矫正时，应先确定加热部位、清理该部位，确定加热温度及加热的速度、加热后要施加外力，看看如何施加外力，判断施加外力的方向和大小。例如，对于自由状态的铸件要校正变形，加热部位和施力位置应在最大弯曲处；对一端固定的铸件的偏斜变形，加热部位应选在变形点，施力位置选择在在变形量最大的部位。如果铸件材料热塑性越好，施力位置方便，应该比较容易得到好的矫正效果。

整体加热矫正，一般采用热处理，就是在完全退火或正火过程中进行变形矫正。当铸件在热处理炉内时就施加外力或铸件上面堆放重物。随着炉温的升高，铸件随着温度的升高，而恢复。也可以在铸件的下面加适当重量的角铁或支承来矫正。装压时基本平面向下，用垫铁垫，V与铸件间的空隙为该处的变形尺寸。由于铸件的自重，同时随着温度的升高，铸件的变形消失。

第七，铸件焊补后，需要采用喷砂或喷丸清理铸件表面，重要的铸件需要超声波探伤仪探伤。

上述为日字形铸件裂纹处理工艺，其采用的是加热减应区法进行焊接修复，从效果上来看，该方法的应用，较之于传统的焊接操作工艺，可谓有过之而无不及，因此在当前铸件缺陷修复过程中，可广泛应用和推广。

结语：总而言之，加热减应区法对于有效减小焊接应力效果非常的明显，实践中比较适合于各种铸件，比如铸钢、铸铁等强度较大构件的修补。因此应当对其加强重视和不断创新，以期能够为我国工业发展做出更大的贡献。

参考文献

[1] 王新彦 解海滨 胡芸.镁合金铸件缺陷的焊补[J].热加工工艺，2012（13）

[2] 杨鹏 邸会敏.不锈钢铸件低温焊接工艺[J].甘肃科技，2011（03）

[3] 王俊昌 王玉英 沈海涛 郝建军.铸件冷焊方法与工艺[J].农机使用与维修，2013（01）

[4] 郭占林，魏胜利.铸铁加热减应区焊接法[M].天津：天津科学技术出版社，1990.