一种灰铁焊补修复过程中焊接区组织与性能的预测及控制方法与流程

本发明属于金属材料的焊接技术领域，具体涉及一种通过灰铸铁相变双重体系计算、确定灰铸铁焊接区白口及淬硬相产生的临界条件，据此制定满足灰铸铁高质量同质焊接的工艺技术制定方法。

背景技术：

铸铁材料应用广泛，但其在加工和使用的过程中会产生各种缺陷如气孔、夹渣、缩孔、缩松、砂眼、裂缝等，需要对这些缺陷进行有效的修复以挽回因缺陷而报废所造成的经济损失，每年会有大量的缺陷铸铁件需要进行焊接修复。铸铁的焊接性较差。由于铸铁相变具有双重特性，冷速较大时按介稳定系转变，碳以渗碳体形式析出，形成白口和淬硬组织，导致焊接区硬度过高，机加性能变差，铸件使用精度降低。目前，灰铁焊接主要采用600～700℃的热态焊和350～400℃的半热态焊方法，焊接工艺通常凭借估计或经验制定，这就很可能因预热温度过高造成能源的过度浪费，有悖于当今环保节能的绿色再制造理念。因此，需要一种科学的精细化的焊接工艺制定方法，避免资源浪费和环境污染，节约缺陷铸件的修复再制造成本。

控制白口和淬硬组织、预防焊接裂纹的主要措施是减缓焊接区金属的冷却速率，包括熔池凝固冷速控制和焊接区金属的高温固态相变冷速控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种灰铁焊补修复过程中焊接区组织与性能的预测及控制方法，该方法可以根据铸件的成分、壁厚以及焊接位置选定相应的焊接工艺参数，解决了目前铸铁热态焊中存在的预热盲目性及工艺参数制定的盲目性和“经验论”。在保证焊接质量要求的前提下降低能源的消耗，同时还能根据实际情况灵活调整工艺参数。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种灰铁焊补修复过程中焊接区组织与性能的预测及控制方法，包括如下步骤：

(1)确定灰铁同质焊接组织与性能敏感区的临界冷却速率；

在铸铁的熔焊区域，熔合区冷速最大，该区在凝固过程中往往发生介稳定相变，极易形成白口组织；该区与其紧邻的过热区连续冷却过程中极易发生形成淬硬组织的固态相变。铸铁焊接过热区是白口和淬硬组织最敏感区域。因此，灰铸铁焊接区组织与性能控制主要控制熔合区凝固过程与过热区固态相变过程的冷却速率，如何控制及控制程度是灰铸铁同质焊接的关键技术环节。

根据fe-c相图和灰铸铁cct曲线，结合灰铸铁同质焊接实验，获得铸铁发生介稳定凝固相变的临界冷却速率tcr1200/1000、产生淬硬组织的临界冷却速率tcr8/5；

通过控制焊接工艺参数使熔合区凝固冷速小于临界冷速t1200/1000>tcr1200/1000、过热区固态相变冷速小于临界冷速t8/5>tcr8/5，确保灰铸铁同质焊接区不产生白口和淬硬组织。通过将既定工艺条件下所求得t1200/1000及t8/5与上述对应的两种临界冷速相比较，通过调整焊接工艺参数，做到以最经济、最节俭、最快捷的工艺条件来实现灰铸铁的高质量同质焊接修复。

(2)计算灰铸铁焊接相变敏感区的冷却速率；

根据被焊母材的尺寸、缺陷的位置及其形状、大小，建立合适的焊接温度场数值计算模型，输入焊接工艺参数计算灰铸铁焊接敏感区的凝固过程和固态相变区间的平均冷却速率t1200/1000和t8/5；

(3)确定焊接工艺；

通过对比既定工艺参数条件下计算所得的冷却时间和不产生白口及淬硬组织的临界冷却时间，若大于临界冷却时间则可避免白口组织的产生，为合格工艺，反之则不符合要求，需要增大焊接工艺参数。若所得冷却时间大于临界冷却时间较多，则可适当降低工艺参数以节约能源。

具体做法是通过控制焊接工艺参数使熔合区凝固冷速小于临界冷速t1200/1000>tcr1200/1000、过热区固态相变冷速小于临界冷速t8/5>tcr8/5，确保灰铸铁同质焊接区不产生白口和淬硬组织。通过将既定工艺条件下所求得t1200/1000及t8/5与上述对应的两种临界冷速相对比，调整焊接工艺参数。做到以最经济、最节俭、最快捷的工艺条件来实现灰铸铁的高质量同质焊接修复。

(4)施焊；

应用计算所得焊接工艺参数进行铸铁的焊补修复。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种焊接工艺参数确定的参考依据，比传统的“经验法”更为准确。通过控制焊接过程中白口化敏感区域(即冷速最快微区)在凝固及固态相变过程中的冷速小于发生介稳定转变的临界冷速，确保焊接区无白口及淬硬组织，从而避免了灰铸铁焊接工艺参数选择的盲目性，并且环保节能。

附图说明

图1是本发明焊接工艺参数确定的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

本发明提供一种灰铁同质焊补修复过程中焊接工艺参数的选定方法，如图1所示，按以下步骤进行。

1.焊接温度场数值计算；

根据被焊铸件的缺陷及其大小形状建立三维有限差分温度场模型。应用有限差分方法将热传导方程离散化，以差商代替微商，推导出有限差分方程。应用matlab软件，通过模型编程，对焊接热过程进行可视化。初始化过程是根据材料及计算区域设定建模过程中涉及各类参数，如网格尺寸、材料热物性系数、时间步长、初始温度、环境温度等。温度场的计算为加载热源对热传导方程循环计算，利用三维有限差分法获得每个时间步长内网格单元的温度值，并保存下来，最终得出其热循环曲线，通过热循环曲线求出熔合区一点在特定温度区间的冷却时间。

2.求出既定工艺参数下熔合区的t1200/1000及t8/5；

将焊接电流大小、铸件的预热温度、后热温度(焊后保温温度)带入模型中计算，求出熔合区中一点在1200℃到1000℃温度区间的冷却时间t1200/1000及800℃到500℃温度区间的冷却时间t8/5。

3.焊接工艺的确定；

根据fe-c相图和灰铸铁cct曲线，结合灰铸铁同质焊接实验，获得铸铁发生介稳定凝固相变的临界冷却时间tcr1200/1000＝7.0s、产生淬硬组织的临界冷却时间tcr8/5＝19.0s。因此，控制焊接工艺参数使得t1200/1000>7.0s，t8/5>19.0s，可确保不会出现淬硬组织。通过对比临界冷却时间和既定工艺参数下所求的t1200/1000及t8/5，若后者大于临界冷却时间则可避免白口及淬硬组织的产生，为合格工艺，反之则不符合要求，需要增加焊接工艺参数。若所得冷却时间高于临界冷却时间较多，则可适当降低工艺参数以节约能源。

4.施焊

应用计算所得焊接工艺参数进行铸铁的焊补修复。

实施例1

对150mm×150mm×20mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝250℃，焊接电流i＝240a，后热温度tp＝250℃，焊接时间t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝7s，t8/5＝24s，均略大于等于临界冷却时间(tcr1200/1000＝7.0s，t8/5＝19.0s)，为合适工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察发现焊接区基本上无白口及淬硬组织，机械加工性能较好。

实施例2

对150mm×150mm×20mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝100℃，焊接电流i＝240a，后热温度tp＝400℃，焊接时间约t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝7.0s，t8/5＝28.0s，均略大于等于临界冷却时间(tcr1200/1000＝7.0s，t8/5＝19.0s)，为合适工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察发现焊接区几乎无白口及淬硬组织，机械加工性能良好。

实施例3

对150mm×150mm×20mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝400℃，焊接电流i＝240a，后热温度tp＝100℃，焊接时间t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝7.1s，t8/5＝21.0s，均略大于等于临界冷却时间，为合适工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察发现焊接区基本上无白口及淬硬组织，机械加工性能较好。

实施例4

对150mm×150mm×20mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝25℃，焊接电流i＝280a，后热温度tp＝300℃，焊接时间t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝6.5s，t8/5＝20.0s，均接近于临界冷却时间，为临界焊接工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察发现焊接区有少量白口，基本无淬硬组织，能进行机加工，但偶有哏刀现象。

实施例5

对150mm×150mm×10mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝250℃，焊接电流i＝200a，后热温度tp＝250℃，焊接时间t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝8.5s，t8/5＝19.5s，均略大于临界冷却时间，为合适工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察无白口及淬硬组织产生，机械加工性能良好。

实施例6

对150mm×150mm×20mm的ht250灰铸铁试板，制造φ15mm×8mm的人工缺陷。将预热温度t0＝300℃，焊接电流i＝240a，后热温度tp＝300℃，焊接时间t＝30s等工艺参数带入模型，经计算所得t1200/1000＝7.3s，t8/5＝34.0s，均略大于等于临界冷却时间，为合适工艺参数。采用此焊接工艺参数进行焊接试验，焊后金相观察发现焊接区基本上无白口及淬硬组织，机械加工性能优良。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。