CO2气体保护焊修复1922级喷水塔工艺实践高党寻，姚启明，李而立（清华大学基础工业训练中心，北京100084）摘 要：采用CO2气体保护焊对清华大学1922级喷水塔进行了修复。通过对修复对象材料的确定以及焊接工艺试验，确定了合理的焊接修复方案。长期以来此塔坚固地矗立在校图书馆的院落，说明采用CO2气体保护焊修复铸铁材料是可行的。另一方面也为我国文物界在修复铸铁材料的实践方面提供些许方案参考。关键词 ： CO2焊，修复，喷水塔，文物CO2 gas shielded welding technology practice on repair of level 1922 water spray towerGao Dangxun, Yao Qiming, Li Erli(Fundamental Industry Training Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The CO2 gas shielded arc welding was adopted to repair the level 1922 water spray tower at Tsinghua University. Through the determination of object material and welding technology experiment, the reasonable welding repair scheme is determined. For a long time the repaired water spray tower has stood firmly in the yard of school library. It shows that using CO2 gas shielded welding repair of cast iron materials is feasible. On the other hand, it also provides a solution for repair of cast iron materials in the field of restoration of cultural relic in our country.Key Words: CO2 gas shielded arc welding, repair, water spray tower, cultural relic1 引言清华大学早期建筑已被列为第五批全国重点文物保护单位。1922级喷水塔（图1）原建于清华大学“四大早期建筑”之一图书馆老馆门前，这座喷水塔是1922级同学毕业时献给母校的纪念品。1922级毕业学生94人，其中有著名爱国学者闻一多先生和众多杰出人材。1922级喷水塔体现了清华大学“讲究科学，重视实干”的清华精神。这是一座极具文化保护价值的纪念品。“1922级喷水塔”造型古朴典雅，制造工艺精良，反映了20世纪20年代铸造工艺技术水平。灰铸铁在化学成分上的特点是碳的质量分数高及S、P杂质含量高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性及焊接裂纹的敏感性,在力学性能上的特点是强度低，基本无塑性。焊接过程具有冷速快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的特性,这些因素会导致焊接性不良。本文探讨了采用半自动细丝CO2气体保护焊对于铸铁基座破损处的修复工艺，通过对材料的分析、焊接工艺试验及焊接实施达到了预期的修复品质，不仅说明了CO2焊接解决铸铁补焊的可行性，也为我国文物界在采用焊接方法对铸铁材料修复方面提供了较为可靠的方法。2 CO2焊用主要设备及材料修复1922级喷水塔用焊接设备是INVERTER CO2/MAG250CX 型焊机，所用焊接材料主要是国产焊丝H08Mn2SiA（表面镀铜）f0.8mm，型号是ER50-6，CO2气体状态为液化气体，气体纯度控制不低于98。 3 1922喷水塔的状况及修复方案喷水塔基座是由灰口铸铁铸造成形为曲面回转筒体（壁厚约15mm，最小周长约950mm，最大周长约1480mm），基座上方拱托起铜质铸造成形的三部分并以不同连接分法构成喷水塔。2002年3月发现喷水塔表面涂覆材料脱落，并锈蚀现象严重，进一步检查后发现铸铁基座南向位置有长450mm的通体深度裂缝（图2）。对此状况经过多方面分析研究决定采用CO2气体保护半自动细丝焊的方法对受损部位进行铸铁补焊工艺修复。针对此塔为国家保护文物的现状，首先我们对塔身进行了前期的处理，包括：1.资料收集，数码拍照。2.塔身及重点锈蚀区域材料做了相应的分析测试。3.机械化学清洗，除锈。4.缓蚀处理。5.整体加固处理。针对塔身裂缝处材料的特点，我们采取CO2气体保护半自动焊配合高塑性材料进行修复。 图1 喷水塔全貌 图2 塔身纵向裂纹4 塔基材料分析及焊接工艺4.1塔基材料分析基座材料主要成份化学分析（表1）喷水塔基座材料成份化学分析和显微组织（图3）分析表1 喷水塔基座材料主要化学成份成分CSiMnSP含量%3.372.040.3330.1450.083图3 塔基材料金相组织250x-2结论：基座材料是珠光体为基体的灰铸铁（HT20-40）。4.2基体材料焊接性灰铸铁焊接性很差，其主要表现是焊接接头易产生白口和淬硬组织及裂纹。灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半熔化区将会产生大量的渗碳体，形成白口组织。常用方法是改变焊缝的化学成分或降低焊接冷却速度。灰铸铁焊接接头裂纹产生原因主要有以下几个方面：（1）灰铸铁本身强度低，基本无塑性，承受塑性变形的能力几乎为零，因此容易引起开裂。（2）焊接过程对焊件的局部加热和冷却，势必使焊件产生焊接应力，焊接应力是导致焊件产生裂纹的又一重要原因。（3）焊接接头的白口组织和淬硬组织又硬又脆，不能产生塑性变形，在受到应力作用时容易引起开裂，严重时会使焊缝与热影响区交界的整个界面开裂而分离。综上所述灰铸铁焊接裂纹产生的重要原因是焊接应力，避免裂纹产生主要是从降低焊接应力着手。4.3焊接修复工艺在塔身距裂纹端部35mm处钻止裂孔（58 mm）。防止应力扩散产生新的裂纹，从上至下间隔30mm钻出f8mm的孔，然后在空洞出栽入20mm的奥氏体不锈钢螺栓，之后再经焊接及打磨处理，见图4。图4 纵缝栽丝补焊具体的焊接工艺是：1） 焊前处理清除焊件及缺陷的油污（碱水、汽油擦洗，气焊火陷清除）、铁锈及其它杂质，焊补处油锈清除不干净，容易使焊缝处出现气孔等缺陷。 2） 焊接材料选用H08Mn2SiA焊丝，焊丝直径0.8mm。保证CO2气体纯度，主要是控制其气体中水分的占比。3） 工艺措施采用“短段焊”、“断续焊”等工艺措施，并及时锤击焊缝，使焊缝金属发生塑性变形，以松弛焊补区应力。另一工艺措施是采用小规范焊接，较小的焊接电流可减小热输入，从而减小焊接应力，有利于防止裂纹。CO2气体保护灰铸铁补焊焊接规范，见表2表2 CO2焊工艺参数焊接电压1820V气体流量10L/min焊接电流90100A干伸长度810mm 电弧电压1820V，焊接电流90100A，最大不超过110A，焊接速度应快,细丝CO2气体保护补焊铸铁施焊时选择工艺参数应遵守的原则：气体流量比焊碳钢时大些，焊接层次越多越好，每层焊缝应控制浅薄，在施焊过程中应使焊缝及焊缝周围铸铁基体部分的温度，保持低温状态，最高不超过60，即不烫手为宜。4）焊后处理CO2气体保护焊焊完后按照美观及文物修复的要求要对焊接接头处进行打磨处理，再经涂胶、喷漆等处理，见图5。图5 北纵缝补焊（局部已打磨）及焊后处理后的全貌修复后的1922级喷水塔达到了预期的效果，通过近几年的跟踪检查，塔身修复处没有再发现裂纹及漏水的问题，说明此次的焊接修复是成功的。5结论成功修复清华大学1922级喷水塔的实践证明，采用CO2气体保护焊可以在合理的焊接工艺下高品质地完成灰铸铁的补焊，而且不受材料结构厚度的限制。这种修复方法对传统的文物修复方法是一种补充，对提高我国铸铁件文物的修复水平有积极的意义。利用这样的方法对灰铸铁件文物进行修复，其质量可以得到较为充分的保证。参考文献1.姚启明 ，李而立等.1922及喷水塔修复小记. 清华大学图书馆文献，2.1922级喷水塔清华园风物志3.保护文化、保护感觉、保护精神北京晚报2002年3月28日作者：高党寻 男 1984.9.19 大学学历，工学学士 中国地质大学（北京）职称：技师，助理工程师通信地址：北京市海淀区 清华大学基础工业训练中心，邮编 100084单位：清华大学基础工业训练中心 联系电话：手机 18710220329 邮箱：03gaodx163.com ，gaodxmail.tsinghua.edu.cn