专利名称：快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料及修复方法
技术领域：
本发明属于铸件挽救工程技术领域，涉及一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的 焊接材料，本发明还涉及一种大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法。
背景技术：
铸造过程工艺复杂，铸件缺陷在所难免，对缺陷铸件实施挽救修复是企业增资节 能的重要举措，有利于环境保护和节约资源。由于铸铁固有的凝固特性，在焊接过程中极易产生焊补区白口和裂纹。目前，对灰 铸铁件进行高质量修复的方法是气焊和电弧热态焊。这两种方法用来焊补中小型铸件操作 简单，效果很好；但若对于大型铸件则会因为加(预)热难度大，气焊无法实现熔合焊接；电 弧焊冷速过大，焊接区加工性能差。而诸如机床床身、大型齿轮及风电器件等铸铁件的缺陷 几率较高，而且焊接修复的附加值较大。尤其是对于较大的缺陷，会因为焊接过程热的过度 输入而容易造成焊接区应力过大导致铸件变形或出现开裂，焊接难度更大。铸件生产企业 对于重要加工面上的缺陷往往显得束手无策，只能报废。大型报废件的肢解和破碎过程需 要花费大量的能源；铸件的再生产又一次需要熔炼，这在消耗能源的同时，排放的废气和熔 渣也对环境造成了二次污染。这还不包括劳动力和时间成本的浪费。因此，研究和开发大型灰铸铁件缺陷的快速焊接修复方法及材料不仅非常必要， 而且具有较高的经济价值和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，解决了现 有技术下灰铸铁件缺陷难以处理的难题，在室温下施焊，能有效地降低白口和裂纹倾向，而 且焊缝成分、组织和色泽与铸件基本一致。本发明的另一目的是提供一种大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法。本发明采用的技术方案是，一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，用 于大型HT150灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合而成Fe20333%-38%、 A127%-30% ；Na2C03l. 4%-l. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、Ca07%-10% ；以及 G4%_5%、生铁 7%-10%、Si025%-8%,总重量为 100% ；
用于大型HT200灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合而成 Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2C03l. 4%_1. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、Ca07%-10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、75Si-Fe4%-6. 5%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. l%-0. 5%,总重量为 100% ；
用于大型HT250灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合而成 Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2C03l. 4%-l. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、Ca07%-10% ；以 及 G3%-4%、生铁 6%-10%、75Si-Fe4%-6%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. l%-0. 5%、TiO. 5%-l. 8%、 60Si-Cal. 8%-2. 4%、A12030. 5%-3. 2%,总重量为 100%。本发明采用的另一技术方案是，一种大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法，该
3方法按照以下步骤具体实施
步骤1、对缺陷铸件的缺陷部位实施打磨，加工出坡口 ；
步骤2、沿坡口上缘周边造型使用型砂或水泥沿缺陷坡口上部周边修筑提坝，提坝的 上缘留有点火引信的引入槽；
步骤3、装填焊接材料针对具体牌号的铸件，将相应的焊接材料装填入坡口和提坝构 成的空间内，埋入点火引信后夯实、填满，最后在上面压上压盖；
步骤4、点燃点火引信，使得焊接材料中的发热剂发生放热反应，将焊接材料中的所有 组分全部熔化变为熔敷金属，熔敷金属中的铁液密度高于熔渣沉入坡口中，而熔渣上浮与 铁液发生分层；
步骤5、使熔敷金属缓冷凝固，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属； 步骤6、待焊接区冷却到低于200°C后，去掉压盖，打掉提坝，露出焊接区金属； 步骤7、去除焊接区金属高出铸件表面的部分，形成光滑焊补区域即成。本发明的有益效果是，能够实现多种牌号大型灰铸铁件缺陷的快速焊接修复，焊 接持续时间仅用2-3分钟，省时省力；焊缝色泽与铸铁件本体一致；焊缝成份和组织为典型 的铸铁组织；焊缝强度与和硬度与铸铁件本体基本一致；焊缝抗裂性增强，具有良好的加 工性和抗裂性能。
图1是采用本发明方法对铸件缺陷打磨后的待焊部位形状图； 图2是采用本发明方法对缺陷上部修筑提坝造型图3是采用本发明方法的焊接之前的焊粉装填示意图； 图4是采用本发明方法的焊后焊接区结构图； 图5是采用本发明方法加工后的铸件焊接区。其中，1.缺陷铸件，2.提坝，3.压盖，4.焊接材料，5.点火引信，6.熔敷金属，7.焊 接区金属，8.坡口。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明的快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，针对HT系列不同牌号的 大型灰铸铁件，具体包括以下三种技术方案
第一种技术方案，用于大型HT150灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比， 均勻混合而成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2C03l. 4%-l. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、 Ca07%-10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、Si025%-8%,总重量为 100%。第二种技术方案，用于大型HT200灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分 比，均勻混合而成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2C03l. 4%-l. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、 Ca07%-10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、75Si_Fe4%-6. 5%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. l%-0. 5%,总重 量为100%。第三种技术方案，用于大型HT250灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分 比，均勻混合而成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2C03l. 4%-l. 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、
4Ca07%-10% ；以及 G3%-4%、生铁 6%-10%、75Si_Fe4%-6%、NiO. 5%_3. 2%、BiO. 1%_0. 5%、 TiO. 5%-l. 8%、60Si-Cal. 8%-2. 4%、A12030. 5%-3. 2%,总重量为 100%。本发明的上述三种类型焊接材料，按照其功能包括三部分的粉末
第一部分为发热剂(或称铝热剂)，包括Fe203和A1，两者发生放热化学反应后，既提供 了焊接冶金所需要的能量，反应产物Fe又可作为主要的熔敷金属形成焊缝，A1203进入熔 渣，亦可参与熔池中的造渣反应。第二部分为造渣剂，包括Na2C03、Na2B407、CaF2和CaO，其中的Na2B407和CaF2还兼 有稀释剂的作用，可用来调节熔渣粘度。第三部分为合金剂，针对不同种类的灰铸铁件需要应用不同的焊接填充粉料，以 获得与所修复铸件组织和性能相匹配的焊接区金属，包括G、生铁、Si-Fe、Ni为主，以Bi、 Ti、60Si-Ca、A1203、Si02等组分相应进行针对性补充，熔化后既可形成焊缝金属，又具有合 金化作用。本发明焊接材料组分中的发热剂和造渣剂具有通用性；而针对不同牌号铸件的焊 接修复需要，合金剂在种类及含量方面具有一定的差别。上述的焊接材料成份中，各组分及含量限定理由分别如下
为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe203和A1粉作为发热剂。反应产生的能 量不仅能够维持放热反应持续进行，而且还有足够的热量熔化各种金属粉料，并使母材局 部熔化，共同形成焊缝，达到焊接的目的。为了使焊渣聚集、上浮且与熔敷金属分离，预防焊缝金属夹渣，加入了 Na2C03、 Na2B407、CaF2、CaO和Fe203等作为造渣剂和稀释剂。为了使焊缝金属获得灰铸铁组织，防止焊缝和熔合区产生白口，保证焊接(补)区 的机械加工性能，粉末中含碳量和含硅量均较高，加入量分别为G3%-5%、75Si-Fe4%-7% ； 为了改善焊缝的机械性能并促进石墨化，加入少量的M和A1 ；为了净化焊缝金属，减小S、P 等有害杂质元素的影响，焊芯中还加入了 Ca ；为了细化晶粒、促进石墨形核与快速生长，还 添加了微量的Bi、Ti和Ba等元素。这样，既简化了焊材生产工艺，又节约了能源，对环境无污染，而且还能够保证焊 材的强石墨化能力，获得与铸件本体成分、组织、性能及色泽相匹配的焊接区，实现大型灰 铸铁件大缺陷的高性能快速焊接修复。本发明的大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法，针对不同牌号的大型灰铸铁 件，利用上述的焊接材料，按照以下步骤具体实施
步骤1、对灰铸铁缺陷铸件1的缺陷部位实施打磨，加工出坡口 8，如图1 ； 步骤2、沿坡口 8上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周边修筑提坝2(缺 陷上部造型体)，用以除渣和预防金属液溢流，提坝2的上缘需留有点火引信5的引入槽，如 图2;
步骤3、装填焊接材料针对具体牌号的铸件，将相应的焊接材料4装填入图2所示的 坡口 8和提坝2构成的空间内，埋入点火引信5后夯实、填满，最后在上面压上压盖3 (可选 用耐火砖)，如图3 ；
步骤4、点燃点火引信5，使得焊接材料4中的发热剂发生放热反应，将焊接材料4中的 所有组分全部熔化变为熔敷金属6，熔敷金属6中的铁液密度高于熔渣沉入坡口 8中，而熔渣上浮与铁液发生分层；
步骤5、在焊接区表面撒上木粉和珍珠岩的混合物，使熔敷金属6缓冷凝固得到包括熔 渣和多余金属层的焊接区金属7 ；
步骤6、待焊接区冷却到低于200°C后，去掉压盖3，打掉造型提坝2，露出如图4所示的 焊接区金属7 ；
步骤7、应用机加工方法去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，形成如图5所示的光 滑焊补区域，即成。本发明方法的技术特征在于，缺陷坡口 8上缘的造型提坝2、焊接材料的装填、点 火引信5的引入及压盖3结构的使用，尤其是焊接后期的保温缓冷，是实现大型灰铸铁件缺 陷快速焊接修复的关键技术之所在。在沿缺陷坡口 8上缘修筑提坝造型时，预留高约3mm，宽约5mm的引信槽是必不可 少的。该引信槽的开设方位要便于操作，而且宽和高位向不能搞错，以防焊接过程中熔渣与 金属液的过度外流。本发明的方法，能够实现灰铸铁件上的各种缺陷的室温下焊接修复，焊缝成份和 组织与所焊补铸件本体相对应，性能与铸件本体相匹配，焊区色泽与铸件本体一致。焊缝抗 裂性强，可加工。实施例1
首先，配制用于大型HT150灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比均勻混合而成Fe20335%、A128% ；Na2C03l. 5%、Na2B4075%、CaF25%、Ca07% ；以及 G5%、生铁 7. 5%、Si026%，总重量为 100%。然后，利用上述配制好的焊接材料，按照以下步骤具体实施 步骤1、对缺陷铸件1的缺陷部位实施打磨，加工出坡口 8 ；
步骤2、沿坡口 8上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周边修筑提坝2， 提坝2的上缘留有点火引信5的引入槽；
步骤3、装填焊接材料将相应的焊接材料4装填入坡口 8和提坝2内，埋入点火引信5 后夯实、填满，最后在上面压上压盖3 ；
步骤4、点燃点火引信5，使得焊接材料4中的发热剂发生放热反应，将焊接材料4中的 所有组分全部熔化变为熔敷金属6，熔敷金属6中的铁液密度高于熔渣沉入坡口 8中，而熔 渣上浮与铁液发生分层；
步骤5、在焊接区表面撒上木粉和珍珠岩的混合物，使熔敷金属6缓冷凝固为包括熔渣 和多余金属层焊接区金属7 ；
步骤6、待焊接区金属7冷却到低于200°C后，去掉压盖3，打掉造型提坝2。步骤7、应用机加工方法去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，形成如图5所示 的焊补区域，即成。实施例2
首先，配制用于大型HT150灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百 分比组成Fe20333%、A130% ；Na2C03l. 4%、Na2B4076%、CaF24%、Ca08% ；以及 G4%、生铁 8. 6%、 Si025%，总重量为100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。
实施例3
首先，配制用于大型HT150灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百 分比组成Fe20336%、A127% ；Na2C03l. 6%、Na2B4074%、CaF24%、Ca09% ；以及 G4%、生铁 7. 4%、 Si027%，总重量为100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例4
首先，配制用于大型HT200灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比组成
Fe20335%、A128% ；Na2C03l. 5%、Na2B4075%、CaF25%、Ca07% ； 以及 G4%、生铁 7%、75Si-Fe6%、Nil%、BiO. 5%,总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例5
首先，配制用于大型HT200灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比组成
Fe20333%、A127% ；Na2C03l. 6%、Na2B4074%、CaF24%、Ca09% ； 以及 G5%、生铁 9%、75Si-Fe4%、Ni3. 2%、BiO. 2%,总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例6
首先，配制用于大型HT200灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比组成
Fe20337%、A130% ；Na2C03l. 4%、Na2B4074%、CaF24%、Ca07% ； 以及 G4%、生铁 7%、75Si-Fe4%、Nil. 5%、BiO. 1%，总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例7
首先，配制用于大型HT250灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百 分比组成Fe20334%、A128% ；Na2C03l. 5%、Na2B4075%、CaF25%、Ca07% ；以及 G3%、生铁 7%、 75Si-Fe4%、Nil%、BiO. 5%、TiO. 5%、60Si_Ca2%、A12031. 5%，总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例8
首先，配制用于大型HT250灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百 分比组成Fe20333%、A127% ；Na2C03l. 4%、Na2B4074%、CaF24%、Ca08% ；以及 G4%、生铁 6%、 75Si-Fe5%、NiO. 6%、BiO. 2%、Til. 8%、60Si_Ca2. 4%、Al2032. 6%,总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。实施例9
首先，配制用于大型HT250灰铸铁件焊修的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百 分比组成Fe20335%、A127% ；Na2C03l. 6%、Na2B4076%、CaF24%、Ca07% ；以及 G4%、生铁 6%、 75Si-Fe4%、Ni2%、BiO. 1%、Til%、60Si_Cal. 8%、A12030. 5%，总重量为 100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。上述各个实施例中，焊接粉末熔敷金属的化学成分与所修复灰铸铁件材料的组成基本相同，即金相组织相同，基本达到了铸件的焊接修复要求。其中实施例1、4、7中，焊接粉末熔敷金属的化学成分如表1示，与所修复灰铸铁件 材料的组成基本相同，即金相组织相同，焊缝金属力学性能如表2所示。表1本发明实施例焊接粉末熔敷金属化学成份(重量％)
表2本发明实施例焊接粉末熔敷金属的力学性能
综上所述，本发明的材料及方法，能够实现多种牌号大型灰铸铁件缺陷的快速焊接修 复，焊接持续时间仅用2-3分钟，省时省力；焊缝色泽与铸铁件本体一致；焊缝成份和组织 为典型的铸铁组织；焊缝强度与和硬度与铸铁件本体基本一致；焊缝抗裂性增强、可加工。
权利要求
一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型HT150灰铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合而成Fe2O3 33%-38%、Al 27%-30%；Na2CO3 1.4%-1.6%、Na2B4O7 4%-6%、CaF2 4%-6%、CaO 7%-10%；以及G 4%-5%、生铁 7%-10%、SiO2 5%-8%，总重量为100%。
2.一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型HT200灰 铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合而成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2CO3L 4%-l. 6%、Na2B4074%-6%、CaF24%-6%、Ca07%_10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、75Si-Fe4%-6. 5%, NiO. 5%-3. 2%、BiO. 1%_0· 5%，总重量为 100%。
3.一种快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型ΗΤ250灰 铸铁件时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合而成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2CO3L 4%_1· 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、Ca07%-10% ； 以及 G3%-4%、生铁 6%-10%、75Si-Fe4%-6%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. 1%_0· 5%、TiO. 5%_1· 8%、 60Si-Cal. 8%-2. 4%, Al2O3O. 5%-3. 2%,总重量为 100%。
4.一种大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤具 体实施步骤1、对缺陷铸件(1)的缺陷部位实施打磨，加工出坡口(8)；步骤2、沿坡口(8)上缘周边造型使用型砂或水泥沿缺陷坡口(8)上部周边修筑提坝 (2)，提坝(2)的上缘留有点火引信(5)的引入槽；步骤3、装填焊接材料针对具体牌号的铸件，将相应的焊接材料(4)装填入坡口(8)和 提坝(2)构成的空间内，埋入点火引信(5)后夯实、填满，最后在上面压上压盖(3)；步骤4、点燃点火引信(5)，使得焊接材料(4)中的发热剂发生放热反应，将焊接材料 (4)中的所有组分全部熔化变为熔敷金属(6)，熔敷金属(6)中的铁液密度高于熔渣沉入坡 口(8)中，而熔渣上浮与铁液发生分层；步骤5、使熔敷金属(6)缓冷凝固，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属(7);步骤6、待焊接区冷却到低于200°C后，去掉压盖(3)，打掉提坝(2)，露出焊接区金属(7)；步骤7、去除焊接区金属(7)高出铸件表面的部分，形成光滑焊补区域，即成。
5.根据权利要求4所述的缺陷快速焊接修复的方法，其特征在于，所述的焊接材料(4) 的组分含量是，用于大型HT150灰铸铁件时，由以下组分按重量百分比组成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2CO3L 4%-l. 6%、Na2B4074%-6%、CaF24%-6%、Ca07%_10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、Si025%-8%,总重量为 100% ；用于大型HT200灰铸铁件时，由以下组分按重量百分比组成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2CO3L 4%-l. 6%、Na2B4074%-6%、CaF24%-6%、Ca07%_10% ；以及 G4%-5%、生铁 7%-10%、75Si-Fe4%-6. 5%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. 1%_0· 5%,总重量为 100% ；用于大型HT250灰铸铁件时，由以下组分按重量百分比组成Fe20333%-38%、A127%-30% ；Na2CO3L 4%_1· 6%、Na2B4074%_6%、CaF24%_6%、Ca07%-10% ； 以及 G3%-4%、生铁 6%-10%、75Si-Fe4%-6%、NiO. 5%-3. 2%、BiO. 1%_0· 5%、TiO. 5%_1· 8%、 60Si-Cal. 8%-2. 4%, Al2O3O. 5%-3. 2%,总重量为 100%。
全文摘要
本发明公开了的快速焊接修复大型灰铸铁件缺陷的焊接材料，由以下组分按重量百分比组成Fe2O333%-38%、Al27%-30%；Na2CO31.4%-1.6%、Na2B4O74%-6%、CaF24%-6%、CaO7%-10%；当用于大型HT150灰铸铁件时，还包括G4%-5%、生铁7%-10%、SiO25%-8%；当用于大型HT200灰铸铁件时，还包括G4%-5%、生铁7%-10%、75Si-Fe4%-6.5%、Ni0.5%-3.2%、Bi0.1%-0.5%，总重量为100%；当用于大型HT250灰铸铁件时，还包括G3%-4%、生铁6%-10%、75Si-Fe4%-6%、Ni0.5%-3.2%、Bi0.1%-0.5%、Ti0.5%-1.8%、60Si-Ca1.8%-2.4%、Al2O30.5%-3.2%，总重量为100%。本发明公开一种大型灰铸铁件缺陷快速焊接修复的方法，通过将焊接材料装填入坡口及堤坝形成的空间中，使焊接材料发生放热反应，缓冷却后去除焊接区金属高出铸件表面的部分。本发明的材料及方法，能够实现室温下快速焊接修复大型灰铸铁件的缺陷。
文档编号B23K23/00GK101850478SQ201010204150
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者任永明, 徐锦锋, 翟秋亚 申请人:西安理工大学