快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料及修複方法
2023-07-23 22:36:46
專利名稱：快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料及修複方法
技術領域：
本發明屬於鑄件焊接修復技術領域，涉及一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊 接材料，本發明還涉及一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法。
背景技術：
鑄造是材料成形的第一道工序，由於鑄造生產過程的複雜性，不可避免的造成各 種鑄造缺陷。缺陷導致的鑄件報廢除了給生產企業帶來直接的經濟損失之外，廢品件的後 續處理也給社會帶來壓力，對環境造成傷害。尤其是大型廢品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 對環境造成了二次汙染。當然，這還不包括勞動力和時間成本的浪費。因此，對大型缺陷鑄 件進行挽救修復是企業增資節能、提高經濟效益的舉措，有利於環境資源的可持續發展及 人類社會的健康。大型鑄鋼件缺陷焊接修復的難度在於因鑄件導熱過快引起的焊接區熔合不良， 或因熔敷金屬量多導致熱應力過大而開裂。採用電渣焊修補缺陷則易造成焊接區金屬晶粒 粗大，引起焊區性能降低。
發明內容
本發明的目的在於提供一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，實現在室 溫下直接焊接修補缺陷鑄件，並能有效地抑制焊區晶粒粗化，降低裂紋傾向，焊接區色澤與 鑄件本體一致。本發明的另一目的在於提供一種利用上述焊接材料對大型鑄鋼件缺陷進行快速 焊接修復的方法。本發明所採用的技術方案是，一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，用 於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成三氧 化二鐵 33%-38%、鋁 24%-28%、純鹼 1. 4%-1. 6%、硼砂 4%_7%、螢石 8%_12%、氧化鈣 6%_8%、中碳 錳鐵4%-5%、二氧化矽6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%-2%，總重量為100% ；
用於大型ZG20鑄鋼件焊接修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成三 氧化二鐵 35%-38%、鋁 20%-25%、純鹼 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、螢石 8%_10%、氧化鈣 10%_12%、 二氧化矽6. 5%-7. 5%、氧化錳3. 5%-5%，總重量為100%。本發明所採用的另一技術方案是，一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法，該 方法按照以下步驟實施
步驟1、在缺陷鑄件的缺陷部位加工出坡口 ；
步驟2、沿坡口開口上緣周邊造型沿缺陷坡口上部周邊修築提壩，提壩的上緣設置點 火引信的引入槽； 步驟3、裝填焊接材料針對具體牌號的鑄鋼件，將相應配製的焊接材料裝填入坡口及 提壩形成的空間中，埋入點火引信後夯實、填滿焊接材料，最後在提壩上沿壓上壓鐵；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 組分全部熔化變為熔敷金屬，熔敷金屬中的鐵液密度高於熔渣沉入坡口中，而熔渣上浮與 鐵液發生分層；
步驟5、放熱反應後0. 5-1分鐘，立即用水噴注使熔敷金屬快速冷卻，得到包括熔渣和 多餘金屬層的焊接區金屬；
步驟6、待焊接區金屬冷卻到400°C以下，去掉壓鐵和提壩，去除焊接區金屬高出鑄件 表面的部分，即成。本發明的有益效果是，應用鑄造放熱冒口技術和鋁熱劑發熱原理，焊接區機械保 護作用良好；焊接速度可控性好，環保性好；焊接溫度低，對鑄件本體的熔化程度小，熔合 區窄小；焊接區組織緻密，通過調整焊粉材料成分，獲得與不同牌號鑄鋼件相對應的焊縫金 屬，非常適合各類大型鑄鋼件各種缺陷的焊接修復。
圖1是採用本發明方法對鑄件缺陷打磨後的待焊部位形狀圖； 圖2是採用本發明方法對缺陷上部修築提壩造型圖3是採用本發明方法的焊接之前的焊粉裝填示意圖； 圖4是採用本發明方法的焊後焊接區結構圖； 圖5是採用本發明方法加工後的鑄件焊接區。其中，1.缺陷鑄件，2.提壩，3.壓鐵，4.焊接材料，5.點火引信，6.熔敷金屬，7.焊 接區金屬，8.坡口。
具體實施例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鑄鋼件缺陷的焊接材料，按照其功能包括三部分的粉 末
第一部分為發熱劑，包括Fe2O3和Al，兩者發生放熱化學反應後，既提供了焊接冶金所 需要的能量，反應產物Fe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Na2C03、Na2B4O7, CaF2和CaO，其中的Na2B4O7和CaF2還兼 有稀釋劑的作用，可用來調節熔渣粘度。第三部分為合金劑，針對不同種類的鑄鋼件需要應用不同的焊接填充粉料，以獲 得與所修復鑄鋼件組織和性能相匹配的焊接區金屬，相應進行針對性補充，熔化後既可形 成焊縫金屬，又具有合金化作用。上述焊接材料組分中，發熱劑和造渣劑具有通用性；而針對不同牌號鑄鋼件的焊 接修復需要，合金劑在種類及含量方面具有一定的差別。針對大型鑄鋼件，具體包括以下兩種方案
第一種技術方案是用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復的焊接材料，由以下組分的粉 末按重量百分比均勻混合組成
三氧化二鐵33%-38%、鋁24%-28%、純鹼1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、螢石8%_12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化矽6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%_2%，總重量為100%。在本方案的焊接材料中，各組分及含量限定如下
為了使得焊接過程得以進行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作為發熱劑。反應產生的能 量不僅能夠維持放熱反應的繼續進行，而且還能足以熔化各種金屬粉料，並使母材局部熔 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 CaF2、CaO, Na2CO3^Na2B4O7等作為造渣劑和稀釋劑。為減小焊接區金屬的高溫氧化所導致的焊縫氣孔， Fe2O3加入量不宜過多。另外，在焊粉當中還添加了一定量的SiO2和Cr2O3，用來補充放熱反 應、過渡合金元素Cr、並用於造渣。為了使焊縫金屬獲得與鑄鋼件相匹配的組織和性能，淨化焊縫金屬，減小S、P等 有害雜質元素的影響，焊接粉末中含錳量較高，且添加了 CaO。本發明所採用的第二種技術方案是用於大型ZG20鑄鋼件焊接修復的焊接材料， 由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
三氧化二鐵35%-38%、鋁20%-25%、純鹼1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、螢石8%_10%、氧化鈣 10%-12%、二氧化矽 6. 5%-7. 5%、氧化錳 3. 5%_5%，總重量為 100%。在本方案的焊接材料中，各組成及含量限定理由分別敘述如下
為了使得焊接過程得以進行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作為發熱劑。反應產生的能 量不僅能夠維持放熱反應的繼續進行，而且還能足以熔化各種金屬粉料，並使母材局部熔 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。另外，在焊粉當中還添加了一定量的SiO2，用來補充放 熱反應、過渡合金元素Si、並用於造渣。為了使焊縫金屬獲得與鑄件相匹配的組織和性能，淨化焊縫金屬，減小S元素的 有害影響，焊接粉末中含3. 5%-5%Mn0。本發明的快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法，針對不同牌號的大型鑄鋼件，使 用上述的焊接材料，按照以下步驟具體實施
步驟1、對缺陷鑄件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開口上緣周邊造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周邊修築造 型提壩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、裝填焊接材料針對具體牌號的鑄鋼件，將相應配製的焊接材料4裝填入坡口 8 及提壩2形成的空間中，埋入點火引信5後夯實、填滿焊接材料，最後在提壩2上沿壓上壓 鐵3，如圖3 ；
步驟4、點燃點火引信5，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中的鐵液密度高於熔渣沉入坡口 8中，而熔渣上浮與鐵液發生分層；
步驟5、開始反應後0. 5-1分鐘，立即用水噴注到提壩及其周圍的鑄件上表面使熔敷金 屬6快速冷卻，得到包括熔渣和多餘金屬層的焊接區金屬7 ；
步驟6、待焊接區金屬7冷卻到400°C以下，去掉壓鐵3，取掉造型提壩2，如圖4，通過 機加工方法去除焊接區金屬7高出鑄件表面的部分，再將焊接區表面打磨光滑，形成如圖5所示的焊補區域，即成。本發明的特點是，沿缺陷上緣修築提壩造型，須預留高約3mm，寬約5mm的引信槽，注意槽的寬和高位向，以防焊接過程中熔渣與金屬液的過度外流；應用高速水流對焊接區 激冷是實現快速焊接修復的關鍵所在。該焊接方法既簡化了焊材生產工藝，又節約了能源，對環境無汙染，而且還能夠獲 得與鑄件本體成分、組織、性能及色澤相匹配的焊接區，實現大型鑄鋼件大缺陷的高性能快 速焊接修復。實施例1
首先，配製用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復的焊接材料，由以下組分的粉末按重量 百分比均勻混合組成
三氧化二鐵36%、鋁26%、純鹼1. 5%、硼砂6%、螢石8%、氧化鈣6%、中碳錳鐵5%、二氧化矽 6. 5%、三氧化二鉻3. 5%、鉬鐵1. 5%，總重量為100%。然後，利用上述配製好的焊接材料，按照下述步驟具體實施 步驟1、對缺陷鑄件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上部周邊修築提壩2， 提壩2的上緣留有點火引信5的引入槽；
步驟3、裝填焊接材料將配製的焊接材料4裝填入坡口 8及提壩2中，埋入點火引信5 後夯實、填滿，最後在上面壓上壓鐵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中的鐵液密度高於熔渣沉入坡口 8中，而熔 渣上浮與鐵液發生分層；
步驟5、開始反應後0. 5-1分鐘，立即用水噴注到提壩及其周圍的鑄件上表面使熔敷金 屬6快速冷卻，得到包括熔渣和多餘金屬層的焊接區金屬7 ；
步驟6、待焊接區金屬冷卻到40(TC以下，去掉壓鐵3，打去提壩2，再去除焊接區金屬7 高出鑄件表面的部分，即成。本實施例1中，焊接粉末熔敷金屬的化學成分如表1示，與所修復鑄鋼件材料的組 成基本相同，即金相組織相同，達到了鑄件的焊接修復要求。表1本發明實施例1中焊接粉末熔敷金屬化學成份(重量％)
序號 C Si Mn S P Hi Cu Cr Fe
10.32 0.50 OJl 0.02 0.03 0.21 0.1 1.1 餘重
實施例2
首先，配製用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分 比均勻混合組成
三氧化二鐵33%、鋁28%、純鹼1. 6%、硼砂4%、螢石9%、氧化鈣8%、中碳錳鐵4%、二氧化矽 6%、三氧化二鉻5%、鉬鐵1. 4%，總重量為100%。然後，採用實施例1的步驟，實施焊修。實施例3
首先，配製用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成
三氧化二鐵37%、鋁24%、純鹼1. 4%、硼砂7%、螢石8%、氧化鈣7%、中碳錳鐵4%、二氧化矽7%、三氧化二鉻3%、鉬鐵1. 6%，總重量為100%。然後，採用實施例1的步驟，實施焊修。實施例4
首先，配製用於大型ZG20鑄鋼件焊接修復的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分 比均勻混合組成
三氧化二鐵35%、鋁25%、純鹼1. 5%、硼砂6%、螢石10%、氧化鈣11%、二氧化矽7. 5%、氧化 錳4%，總重量為100%。然後，採用實施例1的步驟，實施焊修。本實施例4中，焊接粉末熔敷金屬的化學成分如表2示，與所修復鑄鋼件材料的組 成基本相同，即金相組織相同，基本達到了鑄件的焊接修復要求。表2本發明實施例4中焊接粉末熔敷金屬化學成份(重量％) 然後，採用實施例1的步驟，實施焊修。實施例6
首先，配製用於大型ZG20鑄鋼件焊接修復的焊接材料，由以下組分的粉末按重量百分 比均勻混合組成
三氧化二鐵37%、鋁24%、純鹼1. 4%、硼砂7%、螢石8%、氧化鈣11%、二氧化矽6. 6%、氧化 錳5%，總重量為100%。然後，採用實施例1的步驟，實施焊修。上述其他實施例中，焊接粉末熔敷金屬的化學成分與所修復鑄鋼件材料的組成基 本相同，即金相組織相同，基本達到了鑄件的焊接修復要求。本發明的快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的材料及方法，應用鑄造放熱冒口技術和 鋁熱劑發熱原理，不需要電、氣和其他設施實現焊接；焊接區機械保護作用良好；安全、可 靠焊接速度可控性好；無汙染，環保性好；重力下補充熔池金屬的凝固收縮，焊接區組織致 密，缺陷少；焊接溫度低，對鑄件本體的熔化程度小，熔合區窄小；焊接持續時間短；通過調 整焊粉材料成分，獲得與不同牌號鑄鋼件相對應的焊縫金屬，非常適合各類大型鑄件各種 缺陷的焊接修復。
權利要求
一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，其特徵在於，用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成三氧化二鐵33%-38%、鋁24%-28%、純鹼1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、螢石8%-12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵 4%-5%、二氧化矽6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%-2%，總重量為100%。
2.一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的材料，其特徵在於，用於大型ZG20鑄鋼件焊接 修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成三氧化二鐵35%-38%、鋁20%-25%、純鹼1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、螢石8%_10%、氧化鈣 10%-12%、二氧化矽 6. 5%-7. 5%、氧化錳 3. 5%-5%，總重量為 100%。
3.一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法，其特徵在於，該方法按照以下步驟實施步驟1、在缺陷鑄件(1)的缺陷部位加工出坡口(8)；步驟2、沿坡口(8)開口上緣周邊造型沿缺陷坡口(8)上部周邊修築提壩(2)，提壩 (2)的上緣設置點火引信(5)的引入槽；步驟3、裝填焊接材料針對具體牌號的鑄鋼件，將相應配製的焊接材料(4)裝填入坡 口(8)及提壩(2)形成的空間中，埋入點火引信(5)後夯實、填滿焊接材料，最後在提壩(2) 上沿壓上壓鐵(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)中的鐵液密度高於熔渣沉入坡 口(8)中，而熔渣上浮與鐵液發生分層；步驟5、放熱反應後0. 5-1分鐘，立即用水噴注使熔敷金屬(6)快速冷卻，得到包括熔渣 和多餘金屬層的焊接區金屬(7)；步驟6、待焊接區金屬(7)冷卻到400°C以下，去掉壓鐵(3)和提壩(2)，去除焊接區金 屬(7)高出鑄件表面的部分，即成。
4.根據權利要求3所述的快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法，其特徵在於，所述的 焊接材料4的組分及含量是當用於大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合 組成三氧化二鐵33%-38%、鋁24%-28%、純鹼1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、螢石8%_12%、氧化鈣 6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化矽6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%_2%，總重量為100% ；用於大型ZG20鑄鋼件焊接修復時，由以下組分的粉末按重量百分比均勻混合組成三 氧化二鐵 35%-38%、鋁 20%-25%、純鹼 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、螢石 8%_10%、氧化鈣 10%_12%、 二氧化矽6. 5%-7. 5%、氧化錳3. 5%-5%，總重量為100%。
全文摘要
本發明公開的快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，用於大型ZG35CrMo鑄鋼件時，由以下組分按重量百分比組成三氧化二鐵33%-38%、鋁24%-28%、純鹼1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、螢石8%-12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化矽6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%-2%，總重量為100%；用於大型ZG20鑄鋼件時，由以下組分按重量百分比組成三氧化二鐵35%-38%、鋁20%-25%、純鹼1.4%-1.6%、硼砂5%-7%、螢石8%-10%、氧化鈣10%-12%、二氧化矽6.5%-7.5%、氧化錳3.5%-5%，總重量為100%。本發明還公開了一種快速焊接修復大型鑄鋼件缺陷的方法，通過將焊接材料裝填入坡口及堤壩中，使焊接材料發生放熱反應，快速冷卻後去除焊接區金屬高出鑄件表面的部分。本發明方法修復後的焊縫成份、組織細小緻密、性能和色澤與鑄件本體一致。
文檔編號B23K23/00GK101862926SQ201010204149
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者徐錦鋒, 翟秋亞 申請人:西安理工大學