摘  要：铸铁是机械工业中应用非常广泛的材料，在生产中由于各种原因，经常会产生铸造缺陷，因此，铸铁的焊补成为很普通、很重要的技术，并且铸铁是焊接工作中较为难焊的材料之一，本文采用手工电弧焊、电火花堆焊、热焊（氧-乙炔焊）、贴片电阻焊、精密焊补等五种焊补工艺对球铁基体铸件进行焊补，分析了其宏观形貌、金相组织和力学性能，为焊补工艺的选择提供实践基础。
　　关键词：金相组织；抗拉强度；焊补；球铁

　　Abstract：Cast iron is a very widely used material in the machinery industry. Due to various reasons, casting defects often occur in the production. Therefore, welding repair of cast iron has become a very common and important technology, and cast iron is one of the more difficult materials to weld. In this paper, five welding processes including manual arc welding, EDM surfacing, thermal welding (oxygen-acetylene welding), patch resistance welding and precision welding are used to repair nodular iron matrix castings. The macroscopic morphology, metallographic structure and mechanical properties are analyzed, which provides a practical basis for the selection of welding repair process.
　　Key words:  metallographic structure; strength of extension; weld up; ductile iron

　　对大型柴油机机体在生产加工过程中，铸件上出现了许多诸如气孔、夹渣、裂纹等的铸造缺陷，这些缺陷会明显影响到它们的可靠性和使用寿命。出于成本考虑，当缺陷出现在非重要部位时（如柴油机体外表面等部位）常对其进行焊补。铸件焊补是对缺陷铸件进行表面处理，在不影响铸件整体性能的基础上，以达到客户的要求。本文探究了几种不同的焊补方法对铸件焊补后在组织以及性能的影响。
　　1  球铁基体铸件焊补性分析
　　球墨铸铁的强度比较高，塑性及韧性比较好，焊接接头的性能需要与母材相匹配，对焊接接头的力学性能要求比铸铁高。其焊补过程的主要问题是熔合区产生白口和焊缝出现裂纹，由于焊补时的冷速大，淬硬组织及硬化相的存在很难保证焊补区与铸件基体硬度的一致性， 给机加工和使用性能造成不利的影响。因此，焊补时不仅需要选择合理的焊接方法和合适的焊接材料，还需要制订合理的焊接工艺措施和操作措施。
　　2各种焊补工艺的原理介绍：
　　随着铸件修补设备的不断创新与开发，各种修补工艺趋向于成熟，主要有手工电弧焊、电火花堆焊、热焊（氧-乙炔焊）、贴片电阻焊、精密焊补等。
　　1）手工电弧焊：
　　手工电弧焊是以手工操作的焊条和被焊接件的工件作为两个电极，利用焊条和焊件之间的电弧热量熔化金属进行焊接的方法。电弧冷焊时铸件不进行预热，焊接过程也不辅助加热。
　　2）电火花堆焊：
　　冷焊机使用细丝作为修补材料，利用精确控制的高能电弧将专用焊丝熔覆到模具及工件的破损部位，与原有基材牢固熔接，焊后只需打磨抛光的一种冷焊技术。
　　3）热焊（氧-乙炔焊）：
　　利用可燃气体与助燃气体混合燃烧生成的火焰为热源，熔化焊件和焊接材料使之达到原子间结合的一种焊接方法。本试验采用整体加热，550℃保温进行焊补，后进行退火处理。
　　4）贴片电阻焊：
　　利用电源短路时，在电阻最大值处（保险丝处）瞬间产生一个高温点（1800℃-2200℃）将保险丝熔断的原理，使补材瞬间熔化到机体上。
　　5）精密焊补：
　　将存储在电容中的电能通过脉冲电弧的形式瞬间释放于钨极和工件之间，温度极高的电弧使金属材料和焊丝迅速熔接，形成冶金结合，这种高频放电、瞬间高温的原理使得焊后的温度要小于工件散发的温度，从而达到冷焊的效果。

　　　                                             a）手工电弧焊                                              b）电火花堆焊                                                            c）热焊

   
　　d）贴片电阻焊                                                                             e）精密焊补
　　图1  各种焊补工艺现场施焊

　　3试验方案及过程
　　该实验以QT400为基材，采用手工电弧焊、电火花堆焊、热焊（氧-乙炔焊）、贴片电阻焊及精密焊补五种焊补工艺，焊补样块尺寸如下图2，所用设备及焊条如下表1。

　　a）CAD图                                                                b）试块实物图                                            c）焊补后的解剖取样图

　　图2焊补样块
　　表1 焊补工艺设备及焊条

　　4试验结果分析
　　4.1手工电弧焊
　　手工电弧焊金相试样解剖后有咬边倾向，焊缝根部出现明显的未焊透缺陷，主要由于尖角位置未打磨光滑造成，手工电弧焊母材和焊材融合情况满足要求，金相组织较好，但对技能要求较高，易出现咬边、裂纹等缺陷。见图3。
　　手工电弧焊焊接接头各区域的金相组织，母材为球墨铸铁，靠近焊缝附近的热影响区组织明显粗大，焊缝成分以镍为主。焊接接头各区域金相组织照见图4。

　　等线a）宏观形貌图            b）焊缝区域裂纹200X
　　图3手工电弧焊焊接区域宏观形貌图及焊缝区域裂纹

　　                          等线 a）母材                                        b）焊接热影响区                                            c）熔合线                                                      d）焊缝
　　                                                                                                     图4 焊接接头各区域金相组织照片100X

　　4.2电火花堆焊
　　电火花堆焊热输入小，成型良好，从宏观形貌可以看出经过堆焊后对母材几乎不产生任何影响，焊缝成分以镍为主，通过金相组织的熔合线发现母材与堆焊层界面明显，电火花堆焊层宏观形貌及金相组织见图5。在实际操作中适用于表面小缺陷的修补，速度较慢。

　　                                   a） 电火花堆焊层宏观形貌                                        b）母材                                                                   b）熔合线

图5 电火花堆焊层宏观形貌及金相组织100X

　　4.3热焊（氧-乙炔焊）
　　热焊焊接接头成型良好，且焊缝与母材颜色差异相对较小，热焊焊接接头宏观形貌见图6。热焊焊接接头金相组织可以分为熔合区与焊缝两部分，母材组织基本无变化，熔合区中可以看见细小的球状石墨；与焊缝界面处存在200μm左右的脱碳层，以铁素体为主；接头中心区域与灰铸铁组织类似，但片状石墨非常细小，焊接接头各区域金相组织见图7。
　　熔合区金相接近本体，焊接质量评估在这五种工艺中为最优的，但受限于缺陷大小、缺陷位置以及操作技能，同时无法对加工后产品进行焊补。

　　图6 热焊焊接接头宏观形貌

　　                           a）母材-熔合区界面                                   b）熔合区                                    c）熔合区-焊缝界面                                        d）焊缝

　图7焊接接头各区域金相组织照片200X

　　4.4贴片电阻焊
　　贴片电阻焊无焊接热影响区，熔合线明显，因对焊片一层层试压焊补，焊缝组织明显分层。适用于铸件表面外观焊补，主要用于加工后无强度及压力要求的铸件表面，焊接接头宏观形貌及各区域金相组织见图8。

　　                            a）贴片电阻焊接头宏观形貌                                                b）熔合线100X                                                     c）焊缝100X

图8焊接接头宏观形貌及各区域金相组织照片

　　4.5精密焊补
　　使用精密冷焊机得到的焊接接头成型良好。焊缝为镍基合金，不存在热影响区，对母材无影响，焊缝与母材存在一定程度冶金结合，焊接接头宏观形貌、各区域金相组织照片见图9。此焊补方法对人员操作无特殊要求，现场操作方便。

　　                                      a）宏观形貌                                                                             b）母材                                                                     c）熔合线
　
　　图9焊接接头宏观形貌、各区域金相组织照片100X

　 4.6焊补性能试验
　　焊补性能试验分别采用冷焊、热焊以及精密焊进行焊接，按照焊接接头拉伸试验板状试样进行焊接并加工，每种试样取两块进行抗拉性能检测。制作精密焊试样时，由于样板过深精密焊无法直接施焊，焊缝底部使用冷焊打底，所以理论上精密焊性能要略微优于目前的抗拉强度。从抗拉强度试验结果分析看出，焊缝抗拉强度热焊＞精密焊＞冷焊，因贴片电阻焊和电火花堆焊无法制样，强度最低。

　　a）二维尺寸图                              b）试棒实物图
　　图10 焊补试样尺寸
　　表2 焊补试样抗拉试验结果表（单位MPa）

　　5  结论
　　5.1观察金相组织，五种焊补工艺热焊焊缝致密，手工电弧焊与精密焊在焊缝内部均存在少量的孔洞类缺陷，母材和焊材融合情况热焊最好，其次手工电弧焊和精密焊，最差电火花焊，贴片电阻焊存在明显的组织分层现象。
　　5.2观察宏观组织，五种焊补工艺热焊色差最小，手工电弧焊和精密焊易出现咬边问题。
　　5.3从焊缝抗拉强度上对比，热焊＞精密焊＞冷焊，贴片电阻焊和电火花堆焊抗拉强度最低。
　　参考文献：略