專利名稱：快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊接材料及修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄件焊接修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊 接材料，本發(fā)明還涉及一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法。
背景技術(shù)：
鑄造是材料成形的第一道工序，由于鑄造生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，不可避免的造成各 種鑄造缺陷。缺陷導(dǎo)致的鑄件報(bào)廢除了給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失之外，廢品件的后 續(xù)處理也給社會(huì)帶來(lái)壓力，對(duì)環(huán)境造成傷害。尤其是大型廢品件的肢解和破碎過(guò)程需要花 費(fèi)大量的能源；鑄件的再生產(chǎn)又一次需要熔煉，這在消耗能源的同時(shí)，排放的廢氣和熔渣也 對(duì)環(huán)境造成了二次污染。當(dāng)然，這還不包括勞動(dòng)力和時(shí)間成本的浪費(fèi)。因此，對(duì)大型缺陷鑄 件進(jìn)行挽救修復(fù)是企業(yè)增資節(jié)能、提高經(jīng)濟(jì)效益的舉措，有利于環(huán)境資源的可持續(xù)發(fā)展及 人類社會(huì)的健康。大型鑄鋼件缺陷焊接修復(fù)的難度在于因鑄件導(dǎo)熱過(guò)快引起的焊接區(qū)熔合不良， 或因熔敷金屬量多導(dǎo)致熱應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。采用電渣焊修補(bǔ)缺陷則易造成焊接區(qū)金屬晶粒 粗大，引起焊區(qū)性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，實(shí)現(xiàn)在室 溫下直接焊接修補(bǔ)缺陷鑄件，并能有效地抑制焊區(qū)晶粒粗化，降低裂紋傾向，焊接區(qū)色澤與 鑄件本體一致。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述焊接材料對(duì)大型鑄鋼件缺陷進(jìn)行快速 焊接修復(fù)的方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，用 于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)時(shí)，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%、純堿 1. 4%-1. 6%、硼砂 4%_7%、螢石 8%_12%、氧化鈣 6%_8%、中碳 錳鐵4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%-2%，總重量為100% ；
用于大型ZG20鑄鋼件焊接修復(fù)時(shí)，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%、純堿 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、螢石 8%_10%、氧化鈣 10%_12%、 二氧化硅6. 5%-7. 5%、氧化錳3. 5%-5%，總重量為100%。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法，該 方法按照以下步驟實(shí)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(kāi)口上緣周邊造型沿缺陷坡口上部周邊修筑提壩，提壩的上緣設(shè)置點(diǎn) 火引信的引入槽； 步驟3、裝填焊接材料針對(duì)具體牌號(hào)的鑄鋼件，將相應(yīng)配制的焊接材料裝填入坡口及 提壩形成的空間中，埋入點(diǎn)火引信后夯實(shí)、填滿焊接材料，最后在提壩上沿壓上壓鐵；步驟4、點(diǎn)燃點(diǎn)火引信，使得焊接材料中的發(fā)熱劑發(fā)生放熱反應(yīng)，將焊接材料中的所有 組分全部熔化變?yōu)槿鄯蠼饘?，熔敷金屬中的鐵液密度高于熔渣沉入坡口中，而熔渣上浮與 鐵液發(fā)生分層；
步驟5、放熱反應(yīng)后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 多余金屬層的焊接區(qū)金屬；
步驟6、待焊接區(qū)金屬冷卻到400°C以下，去掉壓鐵和提壩，去除焊接區(qū)金屬高出鑄件 表面的部分，即成。本發(fā)明的有益效果是，應(yīng)用鑄造放熱冒口技術(shù)和鋁熱劑發(fā)熱原理，焊接區(qū)機(jī)械保 護(hù)作用良好；焊接速度可控性好，環(huán)保性好；焊接溫度低，對(duì)鑄件本體的熔化程度小，熔合 區(qū)窄?。缓附訁^(qū)組織致密，通過(guò)調(diào)整焊粉材料成分，獲得與不同牌號(hào)鑄鋼件相對(duì)應(yīng)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(fù)。


圖1是采用本發(fā)明方法對(duì)鑄件缺陷打磨后的待焊部位形狀圖； 圖2是采用本發(fā)明方法對(duì)缺陷上部修筑提壩造型圖3是采用本發(fā)明方法的焊接之前的焊粉裝填示意圖； 圖4是采用本發(fā)明方法的焊后焊接區(qū)結(jié)構(gòu)圖； 圖5是采用本發(fā)明方法加工后的鑄件焊接區(qū)。其中，1.缺陷鑄件，2.提壩，3.壓鐵，4.焊接材料，5.點(diǎn)火引信，6.熔敷金屬，7.焊 接區(qū)金屬，8.坡口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的快速焊接修復(fù)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(fā)熱劑，包括Fe2O3和Al，兩者發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)后，既提供了焊接冶金所 需要的能量，反應(yīng)產(chǎn)物Fe又可作為主要的熔敷金屬形成焊縫，Al2O3進(jìn)入熔渣，亦可參與熔 池中的造渣反應(yīng)。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(lái)調(diào)節(jié)熔渣粘度。第三部分為合金劑，針對(duì)不同種類的鑄鋼件需要應(yīng)用不同的焊接填充粉料，以獲 得與所修復(fù)鑄鋼件組織和性能相匹配的焊接區(qū)金屬，相應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)充，熔化后既可形 成焊縫金屬，又具有合金化作用。上述焊接材料組分中，發(fā)熱劑和造渣劑具有通用性；而針對(duì)不同牌號(hào)鑄鋼件的焊 接修復(fù)需要，合金劑在種類及含量方面具有一定的差別。針對(duì)大型鑄鋼件，具體包括以下兩種方案
第一種技術(shù)方案是用于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、螢石8%_12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化硅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(guò)程得以進(jìn)行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作為發(fā)熱劑。反應(yīng)產(chǎn)生的能 量不僅能夠維持放熱反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，而且還能足以熔化各種金屬粉料，并使母材局部熔 化，共同形成焊縫，達(dá)到焊接的目的。為了使焊渣聚集、上浮且與熔敷金屬分離，預(yù)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(qū)金屬的高溫氧化所導(dǎo)致的焊縫氣孔， Fe2O3加入量不宜過(guò)多。另外，在焊粉當(dāng)中還添加了一定量的SiO2和Cr2O3，用來(lái)補(bǔ)充放熱反 應(yīng)、過(guò)渡合金元素Cr、并用于造渣。為了使焊縫金屬獲得與鑄鋼件相匹配的組織和性能，凈化焊縫金屬，減小S、P等 有害雜質(zhì)元素的影響，焊接粉末中含錳量較高，且添加了 CaO。本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是用于大型ZG20鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、螢石8%_10%、氧化鈣 10%-12%、二氧化硅 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(guò)程得以進(jìn)行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作為發(fā)熱劑。反應(yīng)產(chǎn)生的能 量不僅能夠維持放熱反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，而且還能足以熔化各種金屬粉料，并使母材局部熔 化，共同形成焊縫，達(dá)到焊接的目的。為了使焊渣聚集、上浮且與熔敷金屬分離，預(yù)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(dāng)中還添加了一定量的SiO2，用來(lái)補(bǔ)充放 熱反應(yīng)、過(guò)渡合金元素Si、并用于造渣。為了使焊縫金屬獲得與鑄件相匹配的組織和性能，凈化焊縫金屬，減小S元素的 有害影響，焊接粉末中含3. 5%-5%Mn0。本發(fā)明的快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法，針對(duì)不同牌號(hào)的大型鑄鋼件，使 用上述的焊接材料，按照以下步驟具體實(shí)施
步驟1、對(duì)缺陷鑄件1的缺陷部位實(shí)施打磨，加工出坡口 8，如圖1 ； 步驟2、沿坡口 8開(kāi)口上緣周邊造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周邊修筑造 型提壩2 (缺陷上部造型體)，用以除渣和預(yù)防金屬液溢流，提壩2的上緣需留有點(diǎn)火引信5 的引入槽，如圖2;
步驟3、裝填焊接材料針對(duì)具體牌號(hào)的鑄鋼件，將相應(yīng)配制的焊接材料4裝填入坡口 8 及提壩2形成的空間中，埋入點(diǎn)火引信5后夯實(shí)、填滿焊接材料，最后在提壩2上沿壓上壓 鐵3，如圖3 ；
步驟4、點(diǎn)燃點(diǎn)火引信5，將焊接材料4中的所有組分全部熔化變?yōu)槿鄯蠼饘?，熔敷金 屬6中的鐵液密度高于熔渣沉入坡口 8中，而熔渣上浮與鐵液發(fā)生分層；
步驟5、開(kāi)始反應(yīng)后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，得到包括熔渣和多余金屬層的焊接區(qū)金屬7 ；
步驟6、待焊接區(qū)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(guò) 機(jī)加工方法去除焊接區(qū)金屬7高出鑄件表面的部分，再將焊接區(qū)表面打磨光滑，形成如圖5所示的焊補(bǔ)區(qū)域，即成。本發(fā)明的特點(diǎn)是，沿缺陷上緣修筑提壩造型，須預(yù)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(guò)程中熔渣與金屬液的過(guò)度外流；應(yīng)用高速水流對(duì)焊接區(qū) 激冷是實(shí)現(xiàn)快速焊接修復(fù)的關(guān)鍵所在。該焊接方法既簡(jiǎn)化了焊材生產(chǎn)工藝，又節(jié)約了能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，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(qū)，實(shí)現(xiàn)大型鑄鋼件大缺陷的高性能快 速焊接修復(fù)。實(shí)施例1
首先，配制用于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 5%、硼砂6%、螢石8%、氧化鈣6%、中碳錳鐵5%、二氧化硅 6. 5%、三氧化二鉻3. 5%、鉬鐵1. 5%，總重量為100%。然后，利用上述配制好的焊接材料，按照下述步驟具體實(shí)施 步驟1、對(duì)缺陷鑄件1的缺陷部位實(shí)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上部周邊修筑提壩2， 提壩2的上緣留有點(diǎn)火引信5的引入槽；
步驟3、裝填焊接材料將配制的焊接材料4裝填入坡口 8及提壩2中，埋入點(diǎn)火引信5 后夯實(shí)、填滿，最后在上面壓上壓鐵3 ；
步驟4、點(diǎn)燃點(diǎn)火引信5，使得焊接材料4中的發(fā)熱劑發(fā)生放熱反應(yīng)，將焊接材料4中的 所有組分全部熔化變?yōu)槿鄯蠼饘?，熔敷金屬6中的鐵液密度高于熔渣沉入坡口 8中，而熔 渣上浮與鐵液發(fā)生分層；
步驟5、開(kāi)始反應(yīng)后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，得到包括熔渣和多余金屬層的焊接區(qū)金屬7 ；
步驟6、待焊接區(qū)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(qū)金屬7 高出鑄件表面的部分，即成。本實(shí)施例1中，焊接粉末熔敷金屬的化學(xué)成分如表1示，與所修復(fù)鑄鋼件材料的組 成基本相同，即金相組織相同，達(dá)到了鑄件的焊接修復(fù)要求。表1本發(fā)明實(shí)施例1中焊接粉末熔敷金屬化學(xué)成份(重量％)
序號(hào) C Si Mn S P Hi Cu Cr Fe
10.32 0.50 OJl 0.02 0.03 0.21 0.1 1.1 余重
實(shí)施例2
首先，配制用于大型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%、純堿1. 6%、硼砂4%、螢石9%、氧化鈣8%、中碳錳鐵4%、二氧化硅 6%、三氧化二鉻5%、鉬鐵1. 4%，總重量為100%。然后，采用實(shí)施例1的步驟，實(shí)施焊修。實(shí)施例3
首先，配制用于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 4%、硼砂7%、螢石8%、氧化鈣7%、中碳錳鐵4%、二氧化硅7%、三氧化二鉻3%、鉬鐵1. 6%，總重量為100%。然后，采用實(shí)施例1的步驟，實(shí)施焊修。實(shí)施例4
首先，配制用于大型ZG20鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 5%、硼砂6%、螢石10%、氧化鈣11%、二氧化硅7. 5%、氧化 錳4%，總重量為100%。然后，采用實(shí)施例1的步驟，實(shí)施焊修。本實(shí)施例4中，焊接粉末熔敷金屬的化學(xué)成分如表2示，與所修復(fù)鑄鋼件材料的組 成基本相同，即金相組織相同，基本達(dá)到了鑄件的焊接修復(fù)要求。表2本發(fā)明實(shí)施例4中焊接粉末熔敷金屬化學(xué)成份(重量％) 然后，采用實(shí)施例1的步驟，實(shí)施焊修。實(shí)施例6
首先，配制用于大型ZG20鑄鋼件焊接修復(fù)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%、純堿1. 4%、硼砂7%、螢石8%、氧化鈣11%、二氧化硅6. 6%、氧化 錳5%，總重量為100%。然后，采用實(shí)施例1的步驟，實(shí)施焊修。上述其他實(shí)施例中，焊接粉末熔敷金屬的化學(xué)成分與所修復(fù)鑄鋼件材料的組成基 本相同，即金相組織相同，基本達(dá)到了鑄件的焊接修復(fù)要求。本發(fā)明的快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的材料及方法，應(yīng)用鑄造放熱冒口技術(shù)和 鋁熱劑發(fā)熱原理，不需要電、氣和其他設(shè)施實(shí)現(xiàn)焊接；焊接區(qū)機(jī)械保護(hù)作用良好；安全、可 靠焊接速度可控性好；無(wú)污染，環(huán)保性好；重力下補(bǔ)充熔池金屬的凝固收縮，焊接區(qū)組織致 密，缺陷少；焊接溫度低，對(duì)鑄件本體的熔化程度小，熔合區(qū)窄??；焊接持續(xù)時(shí)間短；通過(guò)調(diào) 整焊粉材料成分，獲得與不同牌號(hào)鑄鋼件相對(duì)應(yīng)的焊縫金屬，非常適合各類大型鑄件各種 缺陷的焊接修復(fù)。
權(quán)利要求
一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)時(shí)，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%、純堿1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、螢石8%-12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵 4%-5%、二氧化硅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(fù)大型鑄鋼件缺陷的材料，其特征在于，用于大型ZG20鑄鋼件焊接 修復(fù)時(shí)，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%、純堿1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、螢石8%_10%、氧化鈣 10%-12%、二氧化硅 6. 5%-7. 5%、氧化錳 3. 5%-5%，總重量為 100%。
3.一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法，其特征在于，該方法按照以下步驟實(shí)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(kāi)口上緣周邊造型沿缺陷坡口(8)上部周邊修筑提壩(2)，提壩 (2)的上緣設(shè)置點(diǎn)火引信(5)的引入槽；步驟3、裝填焊接材料針對(duì)具體牌號(hào)的鑄鋼件，將相應(yīng)配制的焊接材料(4)裝填入坡 口(8)及提壩(2)形成的空間中，埋入點(diǎn)火引信(5)后夯實(shí)、填滿焊接材料，最后在提壩(2) 上沿壓上壓鐵(3);步驟4、點(diǎn)燃點(diǎn)火引信(5)，使得焊接材料(4)中的發(fā)熱劑發(fā)生放熱反應(yīng)，將焊接材料 (4)中的所有組分全部熔化變?yōu)槿鄯蠼饘?6)，熔敷金屬(6)中的鐵液密度高于熔渣沉入坡 口(8)中，而熔渣上浮與鐵液發(fā)生分層；步驟5、放熱反應(yīng)后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 和多余金屬層的焊接區(qū)金屬(7)；步驟6、待焊接區(qū)金屬(7)冷卻到400°C以下，去掉壓鐵(3)和提壩(2)，去除焊接區(qū)金 屬(7)高出鑄件表面的部分，即成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法，其特征在于，所述的 焊接材料4的組分及含量是當(dāng)用于大型ZG35CrMo鑄鋼件焊接修復(fù)時(shí)，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%、純堿1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、螢石8%_12%、氧化鈣 6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%_2%，總重量為100% ；用于大型ZG20鑄鋼件焊接修復(fù)時(shí)，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%、純堿 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、螢石 8%_10%、氧化鈣 10%_12%、 二氧化硅6. 5%-7. 5%、氧化錳3. 5%-5%，總重量為100%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的焊接材料，用于大型ZG35CrMo鑄鋼件時(shí)，由以下組分按重量百分比組成三氧化二鐵33%-38%、鋁24%-28%、純堿1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、螢石8%-12%、氧化鈣6%-8%、中碳錳鐵4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二鉻3%-5%、鉬鐵1%-2%，總重量為100%；用于大型ZG20鑄鋼件時(shí)，由以下組分按重量百分比組成三氧化二鐵35%-38%、鋁20%-25%、純堿1.4%-1.6%、硼砂5%-7%、螢石8%-10%、氧化鈣10%-12%、二氧化硅6.5%-7.5%、氧化錳3.5%-5%，總重量為100%。本發(fā)明還公開(kāi)了一種快速焊接修復(fù)大型鑄鋼件缺陷的方法，通過(guò)將焊接材料裝填入坡口及堤壩中，使焊接材料發(fā)生放熱反應(yīng)，快速冷卻后去除焊接區(qū)金屬高出鑄件表面的部分。本發(fā)明方法修復(fù)后的焊縫成份、組織細(xì)小致密、性能和色澤與鑄件本體一致。
文檔編號(hào)B23K23/00GK101862926SQ201010204149
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者徐錦鋒, 翟秋亞 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)