专利名称：快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料及修复方法
技术领域：
本发明属于铸件焊接修复技术领域，涉及一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊 接材料，本发明还涉及一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法。
背景技术：
铸造是材料成形的第一道工序，由于铸造生产过程的复杂性，不可避免的造成各 种铸造缺陷。缺陷导致的铸件报废除了给生产企业带来直接的经济损失之外，废品件的后 续处理也给社会带来压力，对环境造成伤害。尤其是大型废品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。当然，这还不包括劳动力和时间成本的浪费。因此，对大型缺陷铸 件进行挽救修复是企业增资节能、提高经济效益的举措，有利于环境资源的可持续发展及 人类社会的健康。大型铸钢件缺陷焊接修复的难度在于因铸件导热过快引起的焊接区熔合不良， 或因熔敷金属量多导致热应力过大而开裂。采用电渣焊修补缺陷则易造成焊接区金属晶粒 粗大，引起焊区性能降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，实现在室 温下直接焊接修补缺陷铸件，并能有效地抑制焊区晶粒粗化，降低裂纹倾向，焊接区色泽与 铸件本体一致。本发明的另一目的在于提供一种利用上述焊接材料对大型铸钢件缺陷进行快速 焊接修复的方法。本发明所采用的技术方案是，一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，用 于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成三氧 化二铁 33%-38%、铝 24%-28%、纯碱 1. 4%-1. 6%、硼砂 4%_7%、萤石 8%_12%、氧化钙 6%_8%、中碳 锰铁4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二铬3%-5%、钼铁1%-2%，总重量为100% ；
用于大型ZG20铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成三 氧化二铁 35%-38%、铝 20%-25%、纯碱 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、萤石 8%_10%、氧化钙 10%_12%、 二氧化硅6. 5%-7. 5%、氧化锰3. 5%-5%，总重量为100%。本发明所采用的另一技术方案是，一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，该 方法按照以下步骤实施
步骤1、在缺陷铸件的缺陷部位加工出坡口 ；
步骤2、沿坡口开口上缘周边造型沿缺陷坡口上部周边修筑提坝，提坝的上缘设置点 火引信的引入槽； 步骤3、装填焊接材料针对具体牌号的铸钢件，将相应配制的焊接材料装填入坡口及 提坝形成的空间中，埋入点火引信后夯实、填满焊接材料，最后在提坝上沿压上压铁；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、放热反应后0. 5-1分钟，立即用水喷注使熔敷金属快速冷却，得到包括熔渣和 多余金属层的焊接区金属；
步骤6、待焊接区金属冷却到400°C以下，去掉压铁和提坝，去除焊接区金属高出铸件 表面的部分，即成。本发明的有益效果是，应用铸造放热冒口技术和铝热剂发热原理，焊接区机械保 护作用良好；焊接速度可控性好，环保性好；焊接温度低，对铸件本体的熔化程度小，熔合 区窄小；焊接区组织致密，通过调整焊粉材料成分，获得与不同牌号铸钢件相对应的焊缝金 属，非常适合各类大型铸钢件各种缺陷的焊接修复。
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.压铁，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铸钢件缺陷的焊接材料，按照其功能包括三部分的粉 末
第一部分为发热剂，包括Fe2O3和Al，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，Al2O3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、Na2B4O7, CaF2和CaO，其中的Na2B4O7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，针对不同种类的铸钢件需要应用不同的焊接填充粉料，以获 得与所修复铸钢件组织和性能相匹配的焊接区金属，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。上述焊接材料组分中，发热剂和造渣剂具有通用性；而针对不同牌号铸钢件的焊 接修复需要，合金剂在种类及含量方面具有一定的差别。针对大型铸钢件，具体包括以下两种方案
第一种技术方案是用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉 末按重量百分比均勻混合组成
三氧化二铁33%-38%、铝24%-28%、纯碱1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、萤石8%_12%、氧化钙6%-8%、中碳锰铁4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二铬3%-5%、钼铁1%_2%，总重量为100%。在本方案的焊接材料中，各组分及含量限定如下
为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作为发热剂。反应产生的能 量不仅能够维持放热反应的继续进行，而且还能足以熔化各种金属粉料，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 CaF2、CaO, Na2CO3^Na2B4O7等作为造渣剂和稀释剂。为减小焊接区金属的高温氧化所导致的焊缝气孔， Fe2O3加入量不宜过多。另外，在焊粉当中还添加了一定量的SiO2和Cr2O3，用来补充放热反 应、过渡合金元素Cr、并用于造渣。为了使焊缝金属获得与铸钢件相匹配的组织和性能，净化焊缝金属，减小S、P等 有害杂质元素的影响，焊接粉末中含锰量较高，且添加了 CaO。本发明所采用的第二种技术方案是用于大型ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料， 由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成
三氧化二铁35%-38%、铝20%-25%、纯碱1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、萤石8%_10%、氧化钙 10%-12%、二氧化硅 6. 5%-7. 5%、氧化锰 3. 5%_5%，总重量为 100%。在本方案的焊接材料中，各组成及含量限定理由分别叙述如下
为了使得焊接过程得以进行，加入了大量的Fe2O3和Al粉作为发热剂。反应产生的能 量不仅能够维持放热反应的继续进行，而且还能足以熔化各种金属粉料，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、 Na2B4O7, CaF2和CaO等作为造渣剂。另外，在焊粉当中还添加了一定量的SiO2，用来补充放 热反应、过渡合金元素Si、并用于造渣。为了使焊缝金属获得与铸件相匹配的组织和性能，净化焊缝金属，减小S元素的 有害影响，焊接粉末中含3. 5%-5%Mn0。本发明的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，针对不同牌号的大型铸钢件，使 用上述的焊接材料，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，如图1 ； 步骤2、沿坡口 8开口上缘周边造型。使用型砂或水泥沿缺陷坡口 8上部周边修筑造 型提坝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钢件，将相应配制的焊接材料4装填入坡口 8 及提坝2形成的空间中，埋入点火引信5后夯实、填满焊接材料，最后在提坝2上沿压上压 铁3，如图3 ；
步骤4、点燃点火引信5，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、开始反应后0. 5-1分钟，立即用水喷注到提坝及其周围的铸件上表面使熔敷金 属6快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属7 ；
步骤6、待焊接区金属7冷却到400°C以下，去掉压铁3，取掉造型提坝2，如图4，通过 机加工方法去除焊接区金属7高出铸件表面的部分，再将焊接区表面打磨光滑，形成如图5所示的焊补区域，即成。本发明的特点是，沿缺陷上缘修筑提坝造型，须预留高约3mm，宽约5mm的引信槽，注意槽的宽和高位向，以防焊接过程中熔渣与金属液的过度外流；应用高速水流对焊接区 激冷是实现快速焊接修复的关键所在。该焊接方法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，实现大型铸钢件大缺陷的高性能快 速焊接修复。实施例1
首先，配制用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量 百分比均勻混合组成
三氧化二铁36%、铝26%、纯碱1. 5%、硼砂6%、萤石8%、氧化钙6%、中碳锰铁5%、二氧化硅 6. 5%、三氧化二铬3. 5%、钼铁1. 5%，总重量为100%。然后，利用上述配制好的焊接材料，按照下述步骤具体实施 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、装填焊接材料将配制的焊接材料4装填入坡口 8及提坝2中，埋入点火引信5 后夯实、填满，最后在上面压上压铁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、开始反应后0. 5-1分钟，立即用水喷注到提坝及其周围的铸件上表面使熔敷金 属6快速冷却，得到包括熔渣和多余金属层的焊接区金属7 ；
步骤6、待焊接区金属冷却到40(TC以下，去掉压铁3，打去提坝2，再去除焊接区金属7 高出铸件表面的部分，即成。本实施例1中，焊接粉末熔敷金属的化学成分如表1示，与所修复铸钢件材料的组 成基本相同，即金相组织相同，达到了铸件的焊接修复要求。表1本发明实施例1中焊接粉末熔敷金属化学成份(重量％)
序号 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
实施例2
首先，配制用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比均勻混合组成
三氧化二铁33%、铝28%、纯碱1. 6%、硼砂4%、萤石9%、氧化钙8%、中碳锰铁4%、二氧化硅 6%、三氧化二铬5%、钼铁1. 4%，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ZG35CrMo铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成
三氧化二铁37%、铝24%、纯碱1. 4%、硼砂7%、萤石8%、氧化钙7%、中碳锰铁4%、二氧化硅7%、三氧化二铬3%、钼铁1. 6%，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ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比均勻混合组成
三氧化二铁35%、铝25%、纯碱1. 5%、硼砂6%、萤石10%、氧化钙11%、二氧化硅7. 5%、氧化 锰4%，总重量为100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。本实施例4中，焊接粉末熔敷金属的化学成分如表2示，与所修复铸钢件材料的组 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。表2本发明实施例4中焊接粉末熔敷金属化学成份(重量％) 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ZG20铸钢件焊接修复的焊接材料，由以下组分的粉末按重量百分 比均勻混合组成
三氧化二铁37%、铝24%、纯碱1. 4%、硼砂7%、萤石8%、氧化钙11%、二氧化硅6. 6%、氧化 锰5%，总重量为100%。然后，采用实施例1的步骤，实施焊修。上述其他实施例中，焊接粉末熔敷金属的化学成分与所修复铸钢件材料的组成基 本相同，即金相组织相同，基本达到了铸件的焊接修复要求。本发明的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的材料及方法，应用铸造放热冒口技术和 铝热剂发热原理，不需要电、气和其他设施实现焊接；焊接区机械保护作用良好；安全、可 靠焊接速度可控性好；无污染，环保性好；重力下补充熔池金属的凝固收缩，焊接区组织致 密，缺陷少；焊接温度低，对铸件本体的熔化程度小，熔合区窄小；焊接持续时间短；通过调 整焊粉材料成分，获得与不同牌号铸钢件相对应的焊缝金属，非常适合各类大型铸件各种 缺陷的焊接修复。
权利要求
一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，其特征在于，用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均匀混合组成三氧化二铁33%-38%、铝24%-28%、纯碱1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、萤石8%-12%、氧化钙6%-8%、中碳锰铁 4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二铬3%-5%、钼铁1%-2%，总重量为100%。
2.一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的材料，其特征在于，用于大型ZG20铸钢件焊接 修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成三氧化二铁35%-38%、铝20%-25%、纯碱1. 4%-1. 6%、硼砂5%_7%、萤石8%_10%、氧化钙 10%-12%、二氧化硅 6. 5%-7. 5%、氧化锰 3. 5%-5%，总重量为 100%。
3.一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施步骤1、在缺陷铸件(1)的缺陷部位加工出坡口(8)；步骤2、沿坡口(8)开口上缘周边造型沿缺陷坡口(8)上部周边修筑提坝(2)，提坝 (2)的上缘设置点火引信(5)的引入槽；步骤3、装填焊接材料针对具体牌号的铸钢件，将相应配制的焊接材料(4)装填入坡 口(8)及提坝(2)形成的空间中，埋入点火引信(5)后夯实、填满焊接材料，最后在提坝(2) 上沿压上压铁(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、放热反应后0. 5-1分钟，立即用水喷注使熔敷金属(6)快速冷却，得到包括熔渣 和多余金属层的焊接区金属(7)；步骤6、待焊接区金属(7)冷却到400°C以下，去掉压铁(3)和提坝(2)，去除焊接区金 属(7)高出铸件表面的部分，即成。
4.根据权利要求3所述的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，其特征在于，所述的 焊接材料4的组分及含量是当用于大型ZG35CrMo铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合 组成三氧化二铁33%-38%、铝24%-28%、纯碱1. 4%-1. 6%、硼砂4%_7%、萤石8%_12%、氧化钙 6%-8%、中碳锰铁4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二铬3%-5%、钼铁1%_2%，总重量为100% ；用于大型ZG20铸钢件焊接修复时，由以下组分的粉末按重量百分比均勻混合组成三 氧化二铁 35%-38%、铝 20%-25%、纯碱 1. 4%-1. 6%、硼砂 5%_7%、萤石 8%_10%、氧化钙 10%_12%、 二氧化硅6. 5%-7. 5%、氧化锰3. 5%-5%，总重量为100%。
全文摘要
本发明公开的快速焊接修复大型铸钢件缺陷的焊接材料，用于大型ZG35CrMo铸钢件时，由以下组分按重量百分比组成三氧化二铁33%-38%、铝24%-28%、纯碱1.4%-1.6%、硼砂4%-7%、萤石8%-12%、氧化钙6%-8%、中碳锰铁4%-5%、二氧化硅6%-8%、三氧化二铬3%-5%、钼铁1%-2%，总重量为100%；用于大型ZG20铸钢件时，由以下组分按重量百分比组成三氧化二铁35%-38%、铝20%-25%、纯碱1.4%-1.6%、硼砂5%-7%、萤石8%-10%、氧化钙10%-12%、二氧化硅6.5%-7.5%、氧化锰3.5%-5%，总重量为100%。本发明还公开了一种快速焊接修复大型铸钢件缺陷的方法，通过将焊接材料装填入坡口及堤坝中，使焊接材料发生放热反应，快速冷却后去除焊接区金属高出铸件表面的部分。本发明方法修复后的焊缝成份、组织细小致密、性能和色泽与铸件本体一致。
文档编号B23K23/00GK101862926SQ201010204149
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者徐锦锋, 翟秋亚 申请人:西安理工大学