使用焊補(bǔ)法解決QT500-7球墨鑄鐵輪轂的加工質(zhì)量問題

張現(xiàn)杰，楊偉崗，王建全，劉佳林

鄭州宇通重工有限公司 河南鄭州 450000

1 序言

鄭州宇通重工有限公司在加工某產(chǎn)品QT500-7球墨鑄鐵輪轂時，由于機(jī)加工尺寸偏差，導(dǎo)致輪轂裝配性能不合格，且無法直接通過機(jī)械加工的方式返修，若返回鑄造工廠進(jìn)行報(bào)廢，成本將浪費(fèi)幾萬元且加工周期無法滿足產(chǎn)品交付的時間要求。通過綜合分析輪轂的結(jié)構(gòu)和QT500-7球墨鑄鐵的焊接性，最終決定采取焊補(bǔ)法進(jìn)行修復(fù)。

2 輪轂的結(jié)構(gòu)分析

輪轂加工出現(xiàn)尺寸偏差的是深度20mm、孔徑320mm的安裝孔（見圖1），孔徑加工后偏大，需要修補(bǔ)后重新機(jī)加工。因需修補(bǔ)的位置深度淺，故適合采用焊補(bǔ)法進(jìn)行修補(bǔ)。但是在修補(bǔ)的過程中，其余已機(jī)加工成的尺寸不能受到影響，且要按照原有加工基準(zhǔn)在設(shè)備上進(jìn)行重新裝夾、加工。因此，對修補(bǔ)的過程要求非常嚴(yán)格，首先要保證修補(bǔ)面的焊接性，其次要保證其余位置的尺寸無變化。

圖1 輪轂結(jié)構(gòu)

3 QT500-7球墨鑄鐵的焊接性分析

鑄鐵碳含量高、焊接性差，由于鑄鐵在凝固冷卻過程中對冷卻速度很敏感，且強(qiáng)度低、塑性差，故焊接鑄鐵的主要問題是白口化及裂紋。

（1）焊接接頭出現(xiàn)白口及淬硬組織的原因 因?yàn)楹附訒r焊縫的冷卻速度遠(yuǎn)大于鑄件在砂型中的冷卻速度，因此焊接鑄件時，易在焊縫及熔合區(qū)產(chǎn)生大量的滲碳體，呈現(xiàn)白口鐵組織。且由于母材熔化，易使焊縫呈高碳成分，在快速冷卻時將出現(xiàn)高硬度的馬氏體組織。熱影響區(qū)中加熱溫度在800～1150℃的區(qū)域（奧氏體區(qū)），在焊接冷卻較快的條件下，將會析出二次滲碳體、馬氏體，導(dǎo)致該區(qū)的硬度和脆性比母材高[1]。

（2）焊接裂紋出現(xiàn)的原因 鑄鐵焊接時，容易出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋。冷裂紋可發(fā)生在焊縫上，也可出現(xiàn)于熱影響區(qū)，第一層焊縫中會出現(xiàn)馬氏體，在焊接應(yīng)力作用下，容易形成冷裂紋，嚴(yán)重時甚至可引起整個焊縫剝離基體；熱裂紋主要發(fā)生在電弧冷焊時，由于母材成分過渡到焊縫中，導(dǎo)致C、S、P的增加，Ni易與S、P等形成低熔點(diǎn)的共晶體，導(dǎo)致結(jié)晶裂紋的形成[1]，即熱裂紋的產(chǎn)生。

（3）預(yù)防措施 結(jié)合上述分析，預(yù)防鑄鐵焊接時白口化和裂紋的措施主要有以下幾個方面。

首先，選擇合適的焊接材料，如采用屈服極限較低而塑性良好的焊接材料，或采用異質(zhì)金屬進(jìn)行鑄鐵焊接，避免焊接接頭、熱影響區(qū)中出現(xiàn)高碳成分，防止二次滲碳體和馬氏體的出現(xiàn)，進(jìn)而避免焊縫金屬產(chǎn)生白口或其他硬脆組織的出現(xiàn)；其次，選擇合適的工藝措施，減小焊接熱輸入，控制層間溫度（≤60℃）[1]，減慢焊縫冷卻速度，防止馬氏體的出現(xiàn)。同時要防止和減少焊接殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致焊接裂紋和焊接變形的出現(xiàn)。

4 焊補(bǔ)法修復(fù)方案

4.1 焊材的選擇

該輪轂焊補(bǔ)后，需要再次進(jìn)行機(jī)加工，因此焊接接頭要有良好的力學(xué)性能，同時其力學(xué)性能等級要與母材（QT500-7球墨鑄鐵）相匹配。由于焊接過程中，母材熔化時會有一部分的碳元素進(jìn)入熔合區(qū)，因此要選擇塑性優(yōu)于母材、強(qiáng)度與母材相匹配的焊接材料，而鎳基焊條可具備以上要求，常用的鎳基焊條為Z408。QT500-7和Z408的力學(xué)性能分別見表1、表2，從表中數(shù)值可得出，Z408的伸長率大于QT500-7，即Z408的塑性優(yōu)于QT500-7，二者的強(qiáng)度等級屬于等強(qiáng)同級匹配，說明Z408滿足QT500-7的焊補(bǔ)條件。

表1 QT500-7的力學(xué)性能

表2 Z408的力學(xué)性能[2]

4.2 焊接方式的選擇

結(jié)合公司的生產(chǎn)條件和需焊補(bǔ)輪轂的數(shù)量，綜合考慮采用焊條電弧焊，其工藝措施簡便、易控，不需要提前高溫預(yù)熱和焊后熱處理，避免對輪轂其他已加工成的尺寸和內(nèi)部組織造成影響。電弧冷焊工藝要點(diǎn)概括如下：準(zhǔn)備工作要做好，焊接電流適當(dāng)小，短段斷續(xù)分散焊，焊后立即小錘敲，以此減小白口，防止裂紋[1]。

4.3 工藝措施

1）先用干凈抹布對輪轂需焊補(bǔ)的位置進(jìn)行擦拭，擦干凈焊縫及其附近200mm范圍內(nèi)的油污及水分，然后用氧乙炔火焰對焊接部位100mm范圍內(nèi)烘烤，再次清除鑄鐵內(nèi)部的油污及水分。烘烤完后等待工件冷卻到60℃以下才能焊接。

2）選用焊條Z408、φ3.2mm，焊接電流80～120A，焊補(bǔ)輪轂前先進(jìn)行試焊，調(diào)整焊接電流至穩(wěn)定狀態(tài)。

3）將輪轂吊起（平面豎直），對焊接部位進(jìn)行焊接，每段焊縫的長度≤40mm，每焊成一段后，馬上用焊接小錘的小圓頭對焊縫進(jìn)行錘擊，直到焊縫溫度降到60℃以下才能停止錘擊。每段焊縫施焊前，焊縫處工件的溫度都不允許超過60℃；每段焊縫施焊后，至少要預(yù)留出40mm長的一段不焊接。

4）鑄鐵焊補(bǔ)的要點(diǎn)就是分散焊（如每段焊縫長度40mm）、倒退焊（如小段焊接方向和大焊接方向相反）、焊后錘擊，焊工必須嚴(yán)格執(zhí)行。參照圖2將焊縫沿圓周分成30段，首先焊接1～3段；然后將輪轂?zāi)鏁r針轉(zhuǎn)180°，參照第一次要求再焊接4段焊縫；其次將輪轂繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90°，焊接4段焊縫；最后再旋轉(zhuǎn)180°，焊接其余4段焊縫。4次焊接結(jié)束后，再按照上述操作要求，焊接圖中空白處的焊縫。

圖2 焊接示意

5）焊后錘擊的目的是讓焊縫產(chǎn)生變形以釋放焊接應(yīng)力，防止焊縫發(fā)生剝離裂紋；倒退焊、分散焊以及用小電流焊接，都是為了減少焊接熱輸入，從而減少焊接應(yīng)力。這些措施對輪轂焊補(bǔ)的成功至關(guān)重要，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

6）待輪轂焊后冷卻至室溫后，再進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)至合格的尺寸要求。

5 結(jié)束語

通過采取上述工藝措施，同時工藝人員在現(xiàn)場監(jiān)督執(zhí)行情況，最終確保了輪轂返修質(zhì)量合格，裝配性能合格，且已通過市場驗(yàn)證。