铸钢件补焊|手工电弧焊 PK CO2气体保护焊,谁会更胜一筹?

2016-12-22 焊接之家 焊接之家

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本文利用牌号为J557的焊条和牌号ER60-G的焊丝，探索了手工电弧焊与CO2气体保护焊在横焊位状态下GE300铸钢件补焊工作。通过实验确定了两种焊接方法的工艺参数，为铸钢件GE300 的补焊提供了技术指导。同时，对比两块试板的机械性能发现，CO2气体保护焊的抗拉强度、冲击韧性和硬度都更好一些，但是手工电弧焊方式更为灵活，适用于各种焊接位置的焊接，因此两种焊接方式在铸件补焊工作中都发挥着重要的作用。

1    引    言

在大型铸件铸造过程，由于高温钢水难以控制、铸造工艺不成熟等原因容易出现夹砂、气孔、缩松、裂纹等各种缺陷，影响铸件的机械性能和使用安全，通常可以将缺陷清除后，选择相同、相似或者更优的焊材进行铸件补焊。但是，在补焊过程中，由于一般铸件的焊接性能都很差，一旦焊接工艺参数控制不好，焊缝部位极易产生热裂纹，热影响区又易出现淬硬组织而导致冷裂纹，同时补焊后还可能会出现白口组织等问题。

本文针对常见的铸造材料GE300，按照欧标EN15614，进行了厚度为150mm的工件补焊工作, 选择手工电弧焊与CO2气体保护焊两种焊接方法，在横焊位进行焊接工作。通过实验，确定出合理的焊接工艺参数及相应的焊后热处理参数，保证了试块拉伸、弯曲、冲击、硬度等机械性能，同时对比出两种焊接方式各自的优缺点，为铸件缺陷补焊工作提供了有力的技术支持。

2    试验过程

2.1    试验材料

补焊试验母材选用GE300，焊材选用牌号为J557的Φ4/Φ5焊条和牌号ER60-G的Φ1.2焊丝。试验开始前，需要先对焊材进行力学性能复验，焊材复验结果见表1。通过验证发现，焊材的机械性能均符合标准EN15614中的规定值，可用于本次补焊试验。

2.2    焊接过程

补焊试验整个焊接过程严格按照欧标EN15614 中的工艺规定执行，具体过程如下：

2.2.1    试板形貌及坡口型式见图1，清理坡口，保证焊接有效范围内无油污、粉尘、氧化物等杂质，避免污染焊缝；

2.2.2    焊前预热可以减小焊接接头的温差，从而减小应力，同时还可以改善铸件的塑性，防止出现白口组织和裂纹，因此必须保证试板焊缝处温度＞150℃后才可进行焊接；

2.2.3    焊接过程分别采用手工电弧焊（SMAW） 和CO2气体保护焊（GMAW）焊接，具体的焊接工艺参数见表2所示。焊接过程中，严格执行焊接工艺规范，采用小的热输入量，并严格控制层间温度，待基体金属熔透后再熔入焊材金属，每道焊接结束后，及时清理焊渣，并沿焊道中心向外均匀锤击焊缝，释放焊接应力，并控制层间温度≤350℃。

2.2.4    焊接完成后，立刻进行焊后消氢，及时释放焊接内应力，减少裂纹出现，消氢处理温度保持在250~300℃，持续时间为2~3小时；

2.2.5    焊缝清理干净打磨平整后，依照标准EN 12680进行MT检验，依照标准EN1369进行UT检验；

2.2.6    MT、UT探伤检验均合格后，再进行PWHT 最终热处理，热处理温度为580±10℃，保温时间为5~6h，升/降温速度需要＜60℃/h，温度降低至300℃时，出炉空冷。

3    实验结果

焊接完成后，将两块试板分别解剖，进行拉伸、弯曲、冲击、硬度和金相实验，检验焊缝及热影响区的力学性能。

3.1    拉伸

依据标准EN895中的规定，拉伸试样为接头板拉试样。为了全面验证试板的抗拉性能，每个试板选取2组试样，每组3个，在室温下进行拉伸试验，发现所有试样均在母材处断裂，试样形貌及抗拉强度见图2所示。分析可知，两种焊接方法所得的试板的抗拉强度均＞520MPa， 满足标准规定。同时气保焊的抗拉强度整体略高于手工电弧焊，这主要是由于手工电弧焊在焊接过程中线能量较大，焊接过程中，试样受热较多晶粒更为粗大，导致材料的抗拉强度略低。

3.2    弯曲

依据标准EN910中的规定，手工电弧焊与CO2气体保护焊分别选取焊缝横向弯曲试样4 组，每组3件，在室温下进行弯曲试验，弯曲直径为D=4a，弯曲角α=180°。试验结果见表3，CO2气体保护焊12件弯曲试样全部完好，未出现裂纹，手工电弧焊11件试样完好，有1件试样在热影响区处出现了一条0.6mm×0.3mm的裂纹，但是裂纹长度满足标准中要求的尺寸≤3mm的规定。分析原因，可能是由于气保焊速度较快，焊接线能量较小，再加上CO2保护气流的冷却作用，使得气保焊的焊接热影响区较小，焊后残余变形小，不易出现裂纹。

3.3    冲击

依据标准EN875中的规定，进行室温下的夏比V型冲击试验。试验分为焊缝及热影响区两个部位取样，在表面、1/2厚度处两个位置设置缺口，分别进行冲击试验，1~3号为表面设置缺口试样，4~6号为1/2厚度处设置缺口试样，试样形貌及试验结果见图3所示。各试样的冲击值均远＞22J，且平均值＞31J，符合标准规定，两种焊接方法都能够满足补焊要求。但是综合看，CO2 气体保护焊焊缝及热影响区冲击值整体略高于手工电弧焊，这主要是由于CO2气体保护焊焊接时焊接速度快、热输入量小、焊缝及热影响区的晶粒度细小，晶界会抑制裂纹的扩展及传播，延迟断裂趋势，提高冲击韧性。

3.4    硬度

依据标准EN1043-1在室温下进行硬度试验，分别测量母材、焊缝及热影响区的硬度, 结果见表4和图4。由图4可以明显看出，两种焊接试板焊缝及热影响区的硬度均高于母材，且＞HV10， 均能满足铸件补焊要求。同时，CO2气体保护焊的硬度值整体略高于手工电弧焊试板。

3.5    金相试验

依照标准EN1321进行试样的全截面宏观金相试验，焊缝剖面低倍金相结构见图5。经检查，2件试样均未发现气孔、裂纹、夹渣及未熔合等焊接缺陷，补焊的焊接工艺合格。

4    结束语

通过合理的控制焊接工艺参数，本试验利用手工电弧焊和CO2气体保护焊，获得了机械性能合格的2块GE300铸件补焊试板。通过对比试验发现，由于焊接速度较快，热输入量较小，焊道及热影响区的晶粒更为细小，在细晶强化的作用下，CO2气体保护焊的抗拉强度、弯曲结果、冲击韧性、硬度均优于手工电弧焊，可以作为铸件补焊的第一选择。但是同时，手工电弧焊的焊接位置、方位更为灵活，焊接工艺更为简单，可以在较为复杂的补焊位置施焊，因此也是铸钢件补焊不可或缺的一种焊接方式。

来源：马腾云 赵 杰 何喜林   作者：中国第一重型机械集团

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