鑄鐵材料焊接性課件

1、鑄鐵材料焊接性課件鑄鐵材料焊接性課件 鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金。工業(yè)常用的鑄鐵為鐵碳硅合金，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%4.5%、含硅量為1.0%3.0%，同時(shí)含有一定量的錳及雜質(zhì)元素磷、硫等。為了提高鑄鐵的性能，還可以加入合金元素獲得合金鑄鐵。鑄鐵熔點(diǎn)低，液態(tài)下流動(dòng)性好，結(jié)晶收縮率小，便于鑄造生產(chǎn)形狀復(fù)雜的機(jī)械零部件。還具有成本低，耐磨性、減振性和切削加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。按質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，在汽車、農(nóng)機(jī)和機(jī)床中鑄鐵用量約占50%80%。鑄鐵焊接主要應(yīng)用于以下三方面： 鑄造缺陷的焊補(bǔ); 已損壞的鑄鐵成品件的焊補(bǔ); 零部件的生產(chǎn)。 鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11

2、%的鐵碳合金6.1 鑄鐵的種類及其焊接方法6.1.1 鑄鐵的種類 按照碳元素在鑄鐵中存在的形式和石墨形態(tài)，可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵等五大類。 白口鑄鐵中的碳絕大部分以滲碳體（Fe3C）的形式存在，斷口呈白亮色，性質(zhì)脆硬，極少單獨(dú)使用。白口鑄鐵是制造可鍛鑄鐵的中間品，表層為白口鑄鐵的冷硬鑄鐵常用作軋輥。 灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵中的碳基本以石墨形式存在，部分存在于珠光體中。這四種鑄鐵由于石墨形態(tài)不同，使得性能有較大差別。最早出現(xiàn)的灰鑄鐵，石墨呈片狀，其成本低廉，鑄造性、加工性、減振性及金屬間摩擦性均優(yōu)良，至今仍然是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鑄鐵類型。6.1

3、鑄鐵的種類及其焊接方法6.1.1 鑄鐵的種類 但是，由于片狀石墨對基體的嚴(yán)重割裂作用，灰鑄鐵強(qiáng)度低、塑性差?？慑戣T鐵是由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的，石墨呈團(tuán)絮狀，塑性比灰鑄鐵高。1947年，發(fā)明了以球化劑處理高溫鐵液使石墨球化的方法，得到了球墨鑄鐵。由于石墨呈球狀，對基體的割裂作用小，使鑄鐵的力學(xué)性能大幅度提高。而后出現(xiàn)的蠕墨鑄鐵，石墨呈蠕蟲狀，頭部較圓，具有比灰鑄鐵強(qiáng)度高、比球墨鑄鐵鑄造性能好、耐熱疲勞性能好的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到了一定的應(yīng)用。 但是，由于片狀石墨對基體的嚴(yán)重割裂作用，灰鑄鐵強(qiáng)度低1灰鑄鐵 灰鑄鐵是因斷面呈灰色而得名?；诣T鐵中的碳以片狀石墨的形式存在于珠光體或鐵素體或

4、二者混合的基體中。典型灰鑄鐵的金相組織由白色不規(guī)則塊狀的鐵素體，滲碳體與鐵素體層狀分布的珠光體，端部尖銳、灰色長條狀的片狀石墨組成，有時(shí)含有少量的磷共晶。石墨片以不同的數(shù)量和尺寸分布在基體中，對灰鑄鐵的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。石墨含量高且呈粗片狀時(shí)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度低，石墨含量低呈細(xì)片狀時(shí)，其抗拉強(qiáng)度高。基體為純鐵素體時(shí)，灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度和硬度低，以純珠光體為基體的灰鑄鐵，抗拉強(qiáng)度和硬度均較高。 2球墨鑄鐵 用球化劑對液態(tài)鑄鐵澆鑄前進(jìn)行球化處理可以得到球墨鑄鐵，其石墨呈球狀。我國常用的球化劑為稀土鎂合金。細(xì)小圓整的石墨球?qū)︿摶w的割裂作用較小，在相同基體的情況下，其力學(xué)性能1灰鑄鐵 是所有鑄鐵中最高的

5、。由于經(jīng)球化劑處理后的鐵液結(jié)晶過冷傾向變大，具有較大的白口傾向，所以，還需要進(jìn)行孕育處理，促進(jìn)石墨化過程的進(jìn)行，避免出現(xiàn)萊氏體組織。 在鑄造條件下獲得的球墨鑄鐵，基體通常為鐵素體加珠光體混合組織，要獲得純鐵素體球墨鑄鐵需經(jīng)低溫石墨化退火，使珠光體分解為鐵素體和石墨。如果鑄態(tài)組織中還有共晶滲碳體，需經(jīng)高溫石墨化和低溫石墨化二次退火才能獲得鐵素體球墨鑄鐵。牌號中QT表示球墨鑄鐵，是“球鐵”二字漢語拼音的字頭。后面第一組三位數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示伸長率。 6.1.2 鑄鐵的凝固特點(diǎn)與石墨化 鑄鐵的成分、組織及性能特點(diǎn)關(guān)鍵在于碳的存在形式。碳含量超過在鐵中的溶解度時(shí)，鑄鐵中便有高碳相析出，或

6、是滲碳體，或是自由狀態(tài)的碳-石墨（Graphite，符號為G）， 是所有鑄鐵中最高的。由于經(jīng)球化劑處理后的鐵液結(jié)晶過冷 石墨的強(qiáng)度、硬度和塑性都很低。熔融狀態(tài)的鐵液在冷卻過程中，由于化學(xué)成分和冷卻條件的不同，既可從液相中或高溫奧氏體中直接析出滲碳體（介穩(wěn)狀態(tài)），也可直接析出石墨（穩(wěn)定狀態(tài)）。同時(shí)，滲碳體加熱至高溫還可以分解出石墨。可以把表示滲碳體析出規(guī)律的Fe-Fe3C相圖和表示石墨析出規(guī)律的Fe-C (G) 相圖疊畫在一起，稱之為鐵碳合金雙重相圖，如圖6-1所示。圖中虛線表示Fe-C (G) 穩(wěn)定系相圖，實(shí)線表示Fe-Fe3C介穩(wěn)定系相圖。按照穩(wěn)定系可以將wC=4.26%的鑄鐵稱為共晶鑄鐵。

7、 石墨的強(qiáng)度、硬度和塑性都很低。熔融狀態(tài)的鐵液在冷卻過程 圖6-1 鐵-碳二元相圖 對于亞共晶鐵碳合金，冷卻到液相線以下，首先從液態(tài)鐵液中析出奧氏體，隨著溫度下降，析出奧氏體的量增多，其含碳量沿著固相線變化，不斷增高，直至E或E點(diǎn)成分；同時(shí)，剩余液相不斷減少，含碳量沿液相線變化直至C或C點(diǎn)的共晶成分。共晶反應(yīng)時(shí)，液相分解為E或E點(diǎn)成分的奧氏體加共晶滲碳體或共晶石墨（LA+Fe3C或LA+G）。溫度繼續(xù)下降，E或E點(diǎn)成分的先析奧氏體及共晶奧氏體由于含碳量超過了碳的溶解度，奧氏體的含碳量沿著E-S或E-S線變化，排出的碳以二次滲碳體（C）或二次石墨的形式存在。共析反應(yīng)時(shí)，奧氏體分解為鐵素體和共析滲

8、碳體或共析石墨。以上各階段形成的滲碳體在高溫下保溫時(shí)會(huì)分解析出石墨。此外，過共晶成分的鑄鐵可以從高溫鐵水中直接析出一次滲碳體或一次石墨。 對于亞共晶鐵碳合金，冷卻到液相線以下， 綜上分析可見，鑄鐵組織中石墨的形成過程即石墨化過程可以分為以下兩個(gè)階段：石墨化第一階段 包括從過共晶鐵液中直接析出的初生（一次）石墨；共晶轉(zhuǎn)變過程中形成的共晶石墨；奧氏體冷卻析出二次石墨；以及一次滲碳體、共晶滲碳體和二次滲碳體在高溫下分解析出的石墨。這一階段由于溫度較高，碳原子擴(kuò)散能力強(qiáng)，石墨化比較容易實(shí)現(xiàn)。 石墨化第二階段 包括共析轉(zhuǎn)變過程中形成的共析石墨；共析滲碳體分解析出的石墨。如果第二階段石墨化能充分進(jìn)行，則鑄

9、鐵的基體將完全為鐵素體，但是由于溫度較低，一般難以實(shí)現(xiàn)，因此鑄鐵在鑄態(tài)下多為鐵素體加珠光體混合組織。也可以對鑄鐵進(jìn)行專門的石墨化退火，使珠光體中的共析滲碳體分解，獲得基體 綜上分析可見，鑄鐵組織中石墨的形成過程即石 完全為鐵素體的鑄鐵。 影響鑄鐵石墨化的主要因素是鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)晶及冷卻過程中的冷卻速度。從化學(xué)成分對石墨化的影響來看，可以將合金元素分為促進(jìn)石墨化的元素和阻礙石墨化（促進(jìn)白口化）的元素，如圖6-2所示?？梢?，C、Si 、Al、Ni、Cu等為促進(jìn)石墨化的元素，而S、V、Cr、Mo、Mn等為阻礙石墨化的元素。 圖6-2 合金元素對鑄鐵石墨化的影響 從冷卻速度對石墨化的影響來看，緩慢

10、冷卻有利于石墨化。鑄鐵的冷卻速度與鑄模類型、澆注溫度、鑄件壁厚及鑄件尺寸等因素有關(guān)。例如，同一鑄件，厚壁處為灰鑄鐵，而薄壁處可能出現(xiàn)白口鑄鐵。綜合化學(xué)成分和冷卻速度對鑄鐵石墨化和基體組織的影響，可以得到圖6-3的結(jié)果 。 圖6-3 鑄件壁厚（冷卻速度）和化學(xué)成分（碳硅總量） 對鑄鐵組織的影響 從冷卻速度對石墨化的影響來看，緩慢冷卻有利于石墨化。6.1.3 鑄鐵焊接方法 鑄鐵焊接常用的方法主要有焊條電弧焊、氣焊、CO2氣體保護(hù)電弧焊、手工電渣焊、氣體火焰釬焊以及氣體火焰粉末噴焊等。近年來，直接將焊接用于零部件的生產(chǎn)在實(shí)際工作中的比例越來越大，主要是將球墨鑄鐵件之間、球墨鑄鐵與各種鋼件或有色金屬件

11、之間，采用細(xì)絲CO2焊、摩擦焊、激光焊、電子束焊、電阻對焊、擴(kuò)散焊等方法連接起來。6.2 鑄鐵焊接性分析 鑄鐵的化學(xué)成分特點(diǎn)是碳、硅含量高，硫、磷雜質(zhì)含量高，灰鑄鐵力學(xué)性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低，塑性差。由于焊接加工具有冷卻速度快，焊件受熱不均勻造成較大焊接應(yīng)力等特殊性，鑄鐵的成分和性能特點(diǎn)使得鑄鐵的焊接性較差，表現(xiàn)在焊接接頭容易出現(xiàn)白口及淬硬組織、容易產(chǎn)生裂紋。6.1.3 鑄鐵焊接方法 由于灰鑄鐵應(yīng)用廣泛，因此下面以灰鑄鐵為例對鑄鐵焊接性問題進(jìn)行分析。 6.2.1 焊接接頭白口及淬硬組織 以碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的常用灰鑄鐵為例，分析在焊條電弧焊條件下焊接接頭各區(qū)域的組織變化規(guī)

12、律。將Fe-C-Si三元合金相圖的高碳部分與鑄鐵焊接接頭各區(qū)域按溫度區(qū)域?qū)Ρ茸鲌D，得到圖6-5所示的灰鑄鐵焊接接頭組織變化與分區(qū)結(jié)果?？梢?，整個(gè)焊接接頭由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和原始組織區(qū)（母材）組成，其中熱影響區(qū)根據(jù)溫度范圍與組織變化特點(diǎn)又可以分為半熔化區(qū)、奧氏體區(qū)、部分重結(jié)晶區(qū)和碳化物石墨化與球化區(qū)。 由于灰鑄鐵應(yīng)用廣泛，因此下面以灰鑄鐵為例對鑄鐵焊接性問圖6-5 灰鑄鐵焊接接頭各區(qū)域組織變化圖1鑄鐵材料焊接性課件1焊縫區(qū) 在焊條電弧焊情況下，由于焊縫金屬的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄件在砂型中的冷卻速度，當(dāng)焊縫與灰鑄鐵鑄件成分相同時(shí)，焊縫將主要由共晶滲碳體、二次滲碳體及珠光體組成，即焊縫為具有萊氏體組織

13、的白口鑄鐵。白口鑄鐵硬而脆，硬度高達(dá)500800HB，將影響整個(gè)焊接接頭的機(jī)械加工性能，同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)生裂紋。在不預(yù)熱條件下，即使增大焊接熱輸入，仍然不能完全消除白口。因此，對于同質(zhì)鑄鐵焊縫，要求選擇合適的焊接材料，調(diào)整焊縫化學(xué)成分、增強(qiáng)焊縫金屬的石墨化能力，并配合適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦购缚p金屬緩冷，促進(jìn)碳以石墨形式析出。為了達(dá)到上述目的，焊接灰鑄鐵時(shí)可以采用熱焊或半熱焊，由于熱焊時(shí)的冷卻速度仍然高于鑄鐵鐵液在砂型中的冷卻速度，為了保證焊縫石墨化，要求同質(zhì)焊條的碳、硅含量高，使得焊縫中的碳、硅含量稍高于灰鑄鐵母材，以防止白口。1焊縫區(qū) 2半熔化區(qū) 此區(qū)溫度范圍較窄，處于固相線和液相線之間，約為11501

14、250，焊接時(shí)處于半熔化狀態(tài)，故稱之為半熔化區(qū)。高溫下半熔化區(qū)中鑄鐵母材部分熔化變?yōu)橐后w，一部分固態(tài)母材成為高碳奧氏體。冷卻時(shí)，上述液相鑄鐵金屬將在共晶溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝R氏體，即共晶滲碳體奧氏體。繼續(xù)冷卻過程中，奧氏體因碳的溶解度下降而析出二次滲碳體，在共析溫度區(qū)間奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最終得到共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體的白口鑄鐵。在快冷條件下，還會(huì)出現(xiàn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的固態(tài)相變。3奧氏體區(qū) 該區(qū)處于母材固相線與共析溫度上限之間，加熱溫度范圍約為8201150，不會(huì)出現(xiàn)液相，只有固態(tài)相變。由于加熱溫度高，鑄鐵的鋼基體 2半熔化區(qū) 被完全奧氏體化，但距離熔合線遠(yuǎn)近不同，即熱循環(huán)的最高溫度不

15、同，奧氏體化的溫度不同，使得碳在奧氏體中的含量產(chǎn)生差別?；诣T鐵中的片狀石墨作為碳庫，可以向周圍的基體組織提供碳。在奧氏體區(qū)溫度較高的地方，碳較多地向周圍奧氏體擴(kuò)散使含碳量增高，同時(shí)奧氏體晶粒長大；在奧氏體區(qū)溫度較低的地方，碳向周圍奧氏體擴(kuò)散數(shù)量較少使含碳量較低，且奧氏體晶粒較小。在隨后的冷卻過程中，首先從奧氏體中析出二次滲碳體，而后進(jìn)行共析轉(zhuǎn)變。若冷卻速度較慢時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織；若冷卻速度較快時(shí)，奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將使焊接接頭的加工性變差。 被完全奧氏體化，但距離熔合線遠(yuǎn)近不同，即熱循環(huán)的最高 4部分重結(jié)晶區(qū) 部分重結(jié)晶區(qū)很窄，加熱溫度范圍約為780820，從鐵-碳二元相圖來看

16、，該區(qū)處于奧氏體與鐵素體雙相區(qū)。在電弧焊條件下，母材中的珠光體加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，鐵素體晶粒長大。冷卻過程中，再次發(fā)生固態(tài)相變，奧氏體又轉(zhuǎn)變回珠光體類型組織，快冷時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬氏體，最終得到馬氏體鐵素體混合組織。 上述分區(qū)是依據(jù)相圖同一成分不同溫度時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析的，未考慮焊縫與母材成分不同時(shí)焊縫底部復(fù)雜的物理化學(xué)冶金反應(yīng)，而鑄鐵焊接的特點(diǎn)恰恰是焊縫金屬的多樣化而與母材成分有較大差異。對于鑄鐵同質(zhì)焊縫而言，為了避免焊縫產(chǎn)生白口總是提高C、Si等強(qiáng)石墨化元素含量，但焊縫底部母材熔化區(qū)的成分不可能產(chǎn)生突變，而是從母材半熔化區(qū)向焊縫的成分過渡。 4部分重結(jié)晶區(qū) 因此，在焊縫底部存在一個(gè)成分主要受母材控制

17、的“未完全混合區(qū)”，其物理化學(xué)冶金特性與焊縫并不相同，更接近于半熔化區(qū)。通常將未完全混合區(qū)與半熔化區(qū)合稱為“熔合區(qū)”。由于未完全混合區(qū)石墨化元素較焊縫少，冷卻時(shí)易生成白口，和半熔化區(qū)連在一起形成較寬的白口帶，可稱為“熔合區(qū)”白口。異質(zhì)焊縫的熔合區(qū)物理化學(xué)反應(yīng)更為復(fù)雜，各種元素與碳的化學(xué)親和力不同，有的可能在濃度梯度推動(dòng)下發(fā)生溶質(zhì)均勻化過程，如鋼焊縫和鎳合金焊縫的情況；當(dāng)焊縫含有較多碳化物元素時(shí)，因與碳有結(jié)合的傾向，會(huì)在化學(xué)位、活度梯度推動(dòng)下發(fā)生碳及碳化物元素的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，在熔合區(qū)形成較多碳化物，例如高釩鋼焊縫的情況。 因此，在焊縫底部存在一個(gè)成分主要受母材控制的“未完全 6.2.2 焊接裂紋

18、 鑄鐵焊接時(shí)，裂紋是很容易出現(xiàn)的一種焊接缺陷。與鋼類似，鑄鐵焊接裂紋也可以分為冷裂紋和熱裂紋兩類，但產(chǎn)生的原因及影響因素有很大差異。鑄鐵焊接接頭一旦出現(xiàn)裂紋，承載能力大大下降，整體結(jié)構(gòu)也不能滿足致密性要求，導(dǎo)致焊接失敗。因此，對鑄鐵焊接裂紋的研究具有重要意義。 1冷裂紋 由于產(chǎn)生裂紋的溫度在500以下，不是熱裂紋，故而稱之。從出現(xiàn)位置來看，焊縫及熱影響區(qū)均有較大的冷裂紋敏感性，不焊接僅局部加熱至高溫，冷卻后就可能產(chǎn)生裂紋。(1) 冷裂紋產(chǎn)生的原因 鑄鐵型同質(zhì)焊縫較長或焊補(bǔ)部位剛度較大時(shí)容易出現(xiàn)冷裂紋，即使焊縫沒有白口或馬氏體組織也可能產(chǎn)生。經(jīng)測定，出現(xiàn)裂紋的溫度一般在500以下，常伴隨脆性斷裂

19、的聲音。 6.2.2 焊接裂紋 冷裂紋很少在500以上產(chǎn)生的原因，一方面是由于鑄鐵在較高溫度下有一定塑性，另一方面是此時(shí)焊縫承受的焊接應(yīng)力也較小。研究表明，鑄鐵焊縫冷裂紋的裂紋源為片狀石墨的尖端位置。 （6-2） 式中：0為平均拉伸應(yīng)力； t為裂紋尖端的曲率半徑； a代表內(nèi)部裂紋長度的一半； m為裂紋尖端處的最大應(yīng)力。 冷裂紋很少在500以上產(chǎn)生的原因，一方面是由于鑄鐵 片狀石墨相當(dāng)于內(nèi)部裂紋，對于尖端曲率半徑小的片狀石墨而言，應(yīng)力集中系數(shù)2(a/t)1/2可以很大，這使得其尖端處的最大應(yīng)力m的值要比平均應(yīng)力0大好幾倍。500以下灰鑄鐵強(qiáng)度低、塑性差，在焊接應(yīng)力作用下，片狀石墨尖端的裂紋源將穿

20、過鐵素體與珠光體的基體窄橋向前擴(kuò)展。由于灰鑄鐵焊縫止裂能力差，往往形成尺寸較大，甚至貫穿焊縫金屬的脆性宏觀裂紋。(2) 防止冷裂紋的措施 既然灰鑄鐵焊接冷裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱應(yīng)力，那么防止冷裂紋的措施也應(yīng)從減小熱應(yīng)力入手。 片狀石墨相當(dāng)于內(nèi)部裂紋，對于尖端曲率半徑小的片 防止鑄鐵型同質(zhì)焊縫出現(xiàn)冷裂紋最有效的措施是對焊補(bǔ)工件進(jìn)行整體高溫預(yù)熱（600700），使焊縫金屬處于塑性狀態(tài)，并促進(jìn)焊縫金屬石墨化，改善組織，充分降低焊接應(yīng)力，并要求焊后在相同溫度下消除應(yīng)力。在某些情況下，采用加熱減應(yīng)區(qū)法緩解焊接區(qū)域的焊接應(yīng)力，既可以避免高溫預(yù)熱，也能有效地防止冷裂紋。 在鑄鐵型焊縫中提高碳含量，并加入一定

21、量的合金元素，如Mn（wMn=0.75%）、Mo（wMo=1.17%）、Cu（wCu=1.85%）等，使焊縫金屬在快冷條件下高溫時(shí)能析出石墨，較低溫度下基體金屬依次發(fā)生貝氏體相變和馬氏體相變，利用二次連續(xù)相變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛效應(yīng)，可以有效地防止焊縫出現(xiàn)冷裂紋。焊縫金屬二次相變產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)的原因，一是在相變過程中金屬塑性增加，稱為相變塑性，這里利用了奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w及馬氏體時(shí)有明顯的相變塑性現(xiàn)象； 防止鑄鐵型同質(zhì)焊縫出現(xiàn)冷裂紋最有效的措施是 二是貝氏體和馬氏體的比體積較奧氏體、珠光體及鐵素體的比體積都大，相變過程中的體積膨脹也有利于松弛焊接應(yīng)力。貝氏體相變的有利作用伴隨其相變從500左右開始

22、到250左右結(jié)束；馬氏體相變產(chǎn)生的焊縫金屬應(yīng)力松弛一般從200左右開始至室溫結(jié)束，因此，二次連續(xù)相變在500以下的整個(gè)溫度范圍的連續(xù)有益效應(yīng)，使熱應(yīng)力未能達(dá)到焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度而避免冷裂紋。但是焊縫金屬硬度高，相應(yīng)的焊接材料適用于灰鑄鐵非加工面焊補(bǔ)，特別是薄壁鑄鐵件的焊補(bǔ)。 對異質(zhì)焊縫而言，為了降低熱應(yīng)力，防止冷裂紋和剝離性裂紋，要求焊縫金屬應(yīng)與鑄鐵有良好的結(jié)合性，強(qiáng)度適當(dāng)，尤其是屈服強(qiáng)度低一些 二是貝氏體和馬氏體的比體積較奧氏體、珠光體及鐵素體的比 較為有利，并具有較好的塑性和較低的硬度。2熱裂紋 鑄鐵焊接的熱裂紋大多出現(xiàn)在焊縫上，為結(jié)晶裂紋。當(dāng)焊縫為鑄鐵時(shí)，由于鐵液凝固過程中析出石墨，體積

23、膨脹且流動(dòng)性好，不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。但采用低碳鋼焊條或鎳基鑄鐵焊接材料時(shí)，焊縫有較大的熱裂紋傾向。 用低碳鋼焊條焊接灰鑄鐵時(shí)，即使采用小電流，第一層焊縫碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍高達(dá)0.7%1.0%，含硫量也較高，促進(jìn)形成FeS與Fe的低熔點(diǎn)共晶物（熔點(diǎn)為988），高的焊縫含碳量會(huì)增加熱裂紋敏感性，導(dǎo)致形成焊縫底部熱裂紋甚至宏觀熱裂紋。這種熱裂紋出現(xiàn)時(shí)與冷裂紋不同，沒有開裂聲，打開斷口可以觀察到表面因?yàn)楦邷匮趸纬傻乃{(lán)紫色特征，微觀上主要為沿一次奧氏體晶界開裂的沿晶斷口形貌，并存在高溫液態(tài)薄膜拉開后回縮的皺褶。 較為有利，并具有較好的塑性和較低的硬度。 用鎳基焊接材料焊接鑄鐵時(shí)，由于鑄鐵母材中含有較多的S、P

24、等雜質(zhì)，熔入鎳基奧氏體焊縫金屬后，與奧氏體不銹鋼焊接類似，容易形成Ni-Ni3S2（熔點(diǎn)為644）和Ni-Ni3P（熔點(diǎn)為880）低熔點(diǎn)共晶，且鎳基焊縫凝固后為較粗大的單相奧氏體柱狀晶，凝固過程中容易使低熔點(diǎn)共晶在奧氏體晶間連續(xù)分布，促進(jìn)熱裂紋形成，因此，鎳基焊縫對熱裂紋有較大敏感性。 鎳基焊縫的熱裂紋沿奧氏體晶間開裂，屬于典型的結(jié)晶裂紋。影響鎳基焊縫熱裂紋傾向的冶金因素主要有：低熔點(diǎn)共晶物的數(shù)量多少及其熔點(diǎn)高低，焊縫合金系統(tǒng)及其結(jié)晶溫度區(qū)間的大小。研究表明，隨著焊縫硫、磷含量的增加，抗熱裂紋性能明顯下降；調(diào)節(jié)焊縫金屬中的碳、硅、鈷、稀土等合金元素的含量，可以得到抗熱裂紋性能較佳的合金系統(tǒng)。圖

25、6-6給出了碳對鎳鐵 用鎳基焊接材料焊接鑄鐵時(shí)，由于鑄鐵母 型焊縫金屬抗熱裂紋性能的影響規(guī)律，圖中Vbl值表示產(chǎn)生熱裂紋的臨界變形速率。Vbl值越大，焊縫金屬抗熱裂紋性能越好。 由圖可見，隨著焊縫含碳量的增加，Vbl值逐漸增大，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到2.38%時(shí)Vbl達(dá)到最大值，焊縫抗熱裂紋性能最佳。繼續(xù)增加含碳量，Vbl值則迅速下降。對照C-Fe-Ni三元合金相圖可知，當(dāng)焊縫中wC=2.38%時(shí)，合金處于共晶成分，使得凝固溫度區(qū)間最窄，焊縫金屬晶粒細(xì)小。經(jīng)電子探針分析，晶間的S、P偏析較少，因此，焊縫金屬的抗熱裂紋性能好。而當(dāng)焊縫金屬碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或大于2.38%時(shí)，焊縫金屬分別為亞共晶或過

26、共晶成分，偏離共晶成分越遠(yuǎn)，凝固溫度區(qū)間越大，奧氏體晶粒粗化，晶間S、P偏析加劇，低熔點(diǎn)共晶相對增多，抗熱裂紋性能下降。 型焊縫金屬抗熱裂紋性能的影響規(guī)律，圖中Vbl值表示產(chǎn) 圖6-6 碳對鎳鐵型焊縫金屬熱裂紋的影響6.2.3 球墨鑄鐵的焊接性特點(diǎn) 球墨鑄鐵與灰鑄鐵的差別在于液態(tài)鑄鐵在出爐澆注前是否加入球化劑，加入適量的鎂和稀土鈰進(jìn)行球化處理使石墨呈球狀，可得到力學(xué)性能良好的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵焊接性特點(diǎn)表現(xiàn)在兩個(gè)方面。鑄鐵材料焊接性課件1) 球墨鑄鐵中的球化劑有增大鐵液結(jié)晶過冷度、阻礙石墨化和促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的作用。 2) 由于球墨鑄鐵的力學(xué)性能遠(yuǎn)比灰鑄鐵好，特別是以鐵素體為基體的球墨鑄

27、鐵，塑性和韌性很好，對焊接接頭的力學(xué)性能要求相應(yīng)提高。焊接接頭中白口鑄鐵的存在將使沖擊韌度值大幅度下降，對強(qiáng)度和塑性指標(biāo)也有較大的不良影響。另外，焊接接頭出現(xiàn)白口鑄鐵的部位容易萌生裂紋，促進(jìn)形成焊接冷裂紋。 奧-貝球墨鑄鐵的焊接性比普通球墨鑄鐵更差。由于鑄鐵含硅量高，奧-貝球墨鑄鐵基體（平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.6%）中的貝氏體與鋼中的貝氏體不同，是含碳很低的單相組織，不含碳化物，故又稱之為貝氏體鐵素體，它在相變過程中排出的碳使周圍的奧氏體含碳量高達(dá)1.5%。在熔焊條件下，這種基體組織為焊接熱影響區(qū)中的1) 球墨鑄鐵中的球化劑有增大鐵液結(jié)晶過冷度、阻礙石墨化和促 奧氏體區(qū)形成高碳馬氏體提供了條件

28、。有些奧-貝球墨鑄鐵含有少量合金元素，奧氏體區(qū)的淬硬傾向更大。6.3 鑄鐵焊接工藝及材料 鑄鐵焊接目前仍然大量用于鑄鐵件缺陷的焊補(bǔ)，采用的焊接方法主要有電弧熱焊和不預(yù)熱焊、氣焊、手工電渣焊以及氣體火焰釬焊或噴焊?？晒┻x擇的焊接材料有同質(zhì)焊條、異質(zhì)焊條、銅基釬料及鎳基或鐵基噴焊粉，其中，焊條可以分為鐵基合金、鎳基合金及銅基合金三大類。下面主要討論灰鑄鐵和球墨鑄鐵的焊接材料及其工藝特點(diǎn)。 6.3.1 灰鑄鐵的焊接工藝特點(diǎn)1同質(zhì)焊縫（鑄鐵型）電弧熱焊 奧氏體區(qū)形成高碳馬氏體提供了條件。有些奧-貝球墨鑄鐵 電弧熱焊是鑄鐵焊接應(yīng)用最早的一種工藝。將鑄鐵件預(yù)熱到600700，然后在塑性狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊接

29、溫度不低于500400，為防止焊接過程中開裂，焊后立即進(jìn)行消除應(yīng)力處理及緩冷的鑄鐵焊補(bǔ)工藝稱為電弧熱焊。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜且焊補(bǔ)處拘束度大的焊件，采用整體預(yù)熱；對于結(jié)構(gòu)簡單，要焊補(bǔ)的地方拘束度較小的焊件，可以采用大范圍局部預(yù)熱。將灰鑄鐵高溫預(yù)熱，不僅減小了焊接區(qū)域的溫差，而且使母材從常溫?zé)o塑性狀態(tài)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄?，從而大大減小了熱應(yīng)力，避免開裂。另外，由于高溫預(yù)熱及焊后緩冷，可以使焊縫和半熔化區(qū)的石墨化較為充分，焊接接頭可以完全避免白口及淬硬組織的產(chǎn)生。使用合適成分的焊條，焊接接頭的硬度與母材相近，有優(yōu)良的加工性，力學(xué)性能、顏色也與母材一致，所以，電弧熱焊的焊接質(zhì)量很好。 電弧熱焊是鑄鐵焊接應(yīng)用最早的

30、一種工藝。將鑄鐵件預(yù)熱到灰鑄鐵焊接用同質(zhì)焊條及其他鑄鐵焊接材料見表6-4?；诣T鐵焊接用同質(zhì)焊條及其他鑄鐵焊接材料見表6-4。 注：字母“E”表示焊條，字母“R”表示焊絲，字母“Z”表示焊條或焊絲用于鑄鐵焊接，“EZ”或“RZ”后面為主要化學(xué)元素符號或金屬類型代號，如“EZC”表示熔敷金屬類型為鑄鐵，“EZCQ”表示熔敷金屬類型為球墨鑄鐵，后面的數(shù)字為細(xì)類編號。 注：字母“E”表示焊條，字母“R”表示焊絲，字母“Z” 焊補(bǔ)量大、要求高的大型鑄造廠，裝備有專門用于鑄鐵熱焊的煤氣加熱爐，將鑄件放在傳送帶上入爐，依次經(jīng)過低溫（200350）、中溫（350600）及高溫（600700）加熱，使焊件升溫緩

31、慢而均勻，然后出爐焊補(bǔ)。焊后再入爐，反過來從高溫到低溫出爐，以消除焊接應(yīng)力。小型鑄造車間則采用磚砌的明爐，用焦炭、木炭、煤氣火焰或氧乙炔焰加熱。鑄鐵件的預(yù)熱溫度可以用表面溫度計(jì)或紅外測溫儀檢測。 預(yù)熱溫度在300400時(shí)稱為半熱焊。較低的預(yù)熱溫度可以改善焊工的勞動(dòng)條件，降低焊補(bǔ)成本，對防止焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體及熔合區(qū)白口較有效，改善接頭加工性。但是，當(dāng)鑄鐵件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊補(bǔ)位置剛度較大時(shí)，局部半熱焊會(huì)增大熱應(yīng)力，促使產(chǎn)生裂紋。 焊補(bǔ)量大、要求高的大型鑄造廠，裝備有專門 鑄鐵電弧熱焊工藝包括焊前準(zhǔn)備、預(yù)熱、焊接、焊后緩冷及加工等過程。焊前準(zhǔn)備要求清除鑄造缺陷內(nèi)的型砂和夾渣，如果焊補(bǔ)區(qū)域有油污，可

32、用氧乙炔焰燒掉，使用扁鏟或風(fēng)鏟、角砂輪、工具磨等工具開坡口，坡口底面應(yīng)圓滑過渡。對尺寸較大或位于鑄件邊角的缺陷，焊前可以在缺陷周圍造型，如圖6-7所示。由于熱焊時(shí)熔池尺寸大，存在時(shí)間長，造型可以防止鐵液流失，增大焊補(bǔ)金屬體積，減緩焊補(bǔ)區(qū)冷卻速度。預(yù)熱溫度主要根據(jù)鑄鐵件的體積、壁厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、缺陷位置及加熱條件等因素來確定。預(yù)熱時(shí)應(yīng)注意控制加熱速度，使鑄鐵件溫度均勻，減小熱應(yīng)力，防止加熱過程中出現(xiàn)裂紋。 鑄鐵電弧熱焊工藝包括焊前準(zhǔn)備、預(yù)熱、焊 圖6-7 缺陷造型示意圖 a) 較大缺陷 b) 邊角缺陷 鑄鐵電弧熱焊及半熱焊一般選用大直徑焊條，焊接電流與直徑的經(jīng)驗(yàn)公式為： I=（4050）d 式

33、中 d焊條直徑（mm）。 焊接時(shí)，從缺陷中心引弧，逐漸向外擴(kuò)展，連續(xù)焊接將缺陷焊滿。缺陷較大時(shí)，逐層焊接直至填滿。焊接過程中，注意電弧要適當(dāng)拉長，保證藥皮中的石墨充分熔化，電弧在缺陷邊緣處停留時(shí)間不要太長，防止母材熔化過多及咬邊，鐵液表面熔渣過多時(shí)，應(yīng)及時(shí)除渣，還要注意焊補(bǔ)過程中保持預(yù)熱溫度。焊后必須采取保溫緩冷措施，可以用石棉等保溫材料覆蓋鑄件。對于重要鑄件，焊補(bǔ)后最好馬上入爐進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，保溫一段時(shí)間后隨爐冷卻。 同質(zhì)焊條不預(yù)熱焊一般采用灰鑄鐵芯焊條（如Z248），大電流、慢速、往復(fù)運(yùn)條連續(xù)焊，焊縫高出母材5mm以上，利用強(qiáng)大的電弧熱延長焊縫及熔合區(qū)1200800停留時(shí)間并減慢冷卻速

34、度，形成一個(gè)小范圍的局部熱焊。焊縫成分：wC3.0%3.8%、wSi 4.2%5.0%、wAl0.3%0.5%、wS0.04%、wP0.10%，這樣的 焊接時(shí)，從缺陷中心引弧，逐漸向外擴(kuò)展 成分有較強(qiáng)的石墨化能力，焊補(bǔ)區(qū)體積8cm20.7cm時(shí)焊縫無白口、熔合區(qū)白口輕微或無白口，焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)硬度均接近于母材，加工性好；力學(xué)性能相當(dāng)于普通灰鑄鐵，有一定的抗裂性；工藝較簡單，勞動(dòng)條件好、生產(chǎn)率較高、節(jié)能、成本較低，自20世紀(jì)70年代在全國推廣使用以來在機(jī)械行業(yè)相當(dāng)大的程度上取代了熱焊。同質(zhì)焊條不預(yù)熱焊既不像同質(zhì)焊條熱焊那樣能防止過大的熱應(yīng)力、也不像異質(zhì)焊條電弧冷焊工藝那樣能消除熱應(yīng)力，只

35、能采用分段焊或加熱減應(yīng)區(qū)法減小熱應(yīng)力，實(shí)踐證明大多數(shù)情況下甚至剛度較大時(shí)也有可能避免裂紋。 成分有較強(qiáng)的石墨化能力，焊補(bǔ)區(qū)體積8cm20.7c2氣焊 電弧熱焊及半熱焊主要適用于壁厚大于10mm鑄件上缺陷的焊補(bǔ)，薄壁件宜用氣焊。氧乙炔火焰溫度比電弧溫度低很多，而且熱量不集中，需要很長時(shí)間才能將焊補(bǔ)處加熱到熔化溫度，使得受熱面積較大，相當(dāng)于局部預(yù)熱焊接條件。采用適當(dāng)成分的鑄鐵焊絲，對薄壁鑄件上的缺陷進(jìn)行焊補(bǔ)時(shí)，由于冷卻速度慢，焊縫容易獲得灰鑄鐵組織，焊接熱影響區(qū)也容易避免白口及淬硬組織。但是，被焊件受熱面積大，焊接熱應(yīng)力較大，有一定的裂紋傾向，故氣焊適用于拘束度小的薄壁件缺陷的焊補(bǔ)。拘束度大時(shí)，宜

36、采用整體預(yù)熱的氣焊熱焊法，預(yù)熱溫度為600700，焊后緩冷。一些汽車或拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及缸蓋材質(zhì)為灰鑄鐵，其上的鑄造缺陷就是用連續(xù)式加熱爐進(jìn)行高溫預(yù)熱后，采用氣焊方法修復(fù)的。2氣焊 采用氣焊方法焊補(bǔ)灰鑄鐵缺陷時(shí)，由于硅容易被氧化生成酸性氧化物SiO2，其熔點(diǎn)高達(dá)1713，粘度較大，流動(dòng)性不好，會(huì)造成焊縫夾渣等缺陷，應(yīng)設(shè)法去除。去除的方法是加入以堿性氧化物（如Na2CO3、NaHCO3、K2CO3等）為主要組成的釬劑，互相結(jié)合成為低熔點(diǎn)熔渣，容易浮到熔池表面，便于清除。以Na2CO3為例，與SiO2的反應(yīng)如下式所示。 2 Na2CO3 + SiO2 = 2（Na2O）SiO2 + 2 CO2 （

37、6-3） 為了降低預(yù)熱溫度，并且有效地防止裂紋，可以采用加熱減應(yīng)區(qū)法焊補(bǔ)鑄鐵，適用于焊條電弧焊或氣焊焊補(bǔ)鑄鐵件上拘束度較大部位的裂紋等缺陷。加熱減應(yīng)區(qū)法是在焊件上選定一處或幾 采用氣焊方法焊補(bǔ)灰鑄鐵缺陷時(shí)，由于硅容易被氧化生成酸性 處適當(dāng)?shù)牟课?，作為所謂的“減應(yīng)區(qū)”，焊前、焊后及焊接過程中，對其進(jìn)行加熱和保溫，以降低或轉(zhuǎn)移焊接接頭拘束應(yīng)力、防止裂紋的工藝方法。采用加熱減應(yīng)區(qū)法焊補(bǔ)鑄鐵，成敗的關(guān)鍵在于正確選擇“減應(yīng)區(qū)”，以及對其加熱、保溫和冷卻的控制。選擇原則是使減應(yīng)區(qū)的主變形方向與焊縫金屬冷卻收縮方向一致。焊前對減應(yīng)區(qū)加熱能使缺陷位置獲得最大的張開位移，焊后使減應(yīng)區(qū)與焊補(bǔ)區(qū)域同步冷卻。 為了增

38、強(qiáng)減應(yīng)區(qū)的變形能力，提高該區(qū)溫度是有利的，但不應(yīng)超過鑄鐵的相變溫度，控制在600700較好。如圖6-8所示，灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋在C處出現(xiàn)裂紋，若用一般氣焊法只焊補(bǔ)該處，因拘束度較大，焊后仍可能開裂。選擇A、B 處適當(dāng)?shù)牟课?，作為所謂的“減應(yīng)區(qū)”，焊前、焊后及焊接過 兩處作為減應(yīng)區(qū)，焊前用三把氣焊炬對A、B、C三處同步加熱，溫度達(dá)到600左右時(shí)，對C處繼續(xù)加熱使之熔化并形成坡口以保證焊透。繼續(xù)提高A、B兩處減應(yīng)區(qū)溫度至650，開始對C處焊接。焊后使三處同步冷卻，可以獲得良好焊補(bǔ)質(zhì)量，不會(huì)出現(xiàn)裂紋。 兩處作為減應(yīng)區(qū)，焊前用三把氣焊炬對A、B、C三處同步加 圖6-8 加熱減應(yīng)區(qū)氣焊法修復(fù)缸蓋裂紋 鑄鐵

39、材料焊接性課件4異質(zhì)焊縫（非鑄鐵型）電弧冷焊 前面指出，鑄鐵電弧冷焊是鑄鐵焊接的發(fā)展方向。要獲得異質(zhì)焊縫，應(yīng)采用新的焊接材料。一條途徑是盡量降低焊縫含碳量獲得鋼焊縫，另一條途徑是尋求新的異質(zhì)焊接材料，改變碳的存在形式，防止出現(xiàn)淬硬組織，提高焊縫金屬的力學(xué)性能。非鑄鐵型焊縫或稱為異質(zhì)焊縫，按照成分及組織可以分為鎳基、鐵基和銅基三類（見圖6-4）。由于相應(yīng)的焊接材料與灰鑄鐵母材成分差別很大，多采用小規(guī)范電弧冷焊，但母材中的碳及雜質(zhì)元素不可避免地因熔化和擴(kuò)散進(jìn)入焊縫金屬，促進(jìn)焊接接頭形成白口及淬硬組織，進(jìn)而影響接頭的加工性和冷裂紋、熱裂紋敏感性，因此，不同的鑄鐵異質(zhì)焊接材料各有其特殊性。4異質(zhì)焊縫（

40、非鑄鐵型）電弧冷焊鐵基焊縫及焊接材料 焊接結(jié)構(gòu)鋼常用的普通低碳鋼焊條E4303、E5015或E5016用于鑄鐵焊接時(shí)，焊縫和奧氏體區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織，熔合區(qū)白口寬度較大，焊接接頭有較大的冷裂紋和熱裂紋傾向，而且氣孔傾向較大，焊接質(zhì)量不好，不能作為主要鑄鐵焊接材料。但有時(shí)可利用它與鑄鐵易結(jié)合的特性使用，因此，發(fā)展了幾種鋼基鑄鐵焊條。細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊也在鑄鐵焊補(bǔ)方面有一些應(yīng)用。 表6-4中的EZFe-1型焊條（Z100）是純鐵焊芯氧化性藥皮鑄鐵焊條，可以降低焊縫含碳量，但第一層焊縫金屬含碳量仍較高，熔合區(qū)白口較寬，焊接接頭加工性差，裂紋傾向較大，只能應(yīng)用在灰鑄鐵鋼錠模等不要求加工和致密性，鐵基

41、焊縫及焊接材料 焊接結(jié)構(gòu)鋼常用的普通低碳鋼焊條E430 受力較小部位的鑄造缺陷焊補(bǔ)。EZFe-2型焊條是低碳鋼焊芯鐵粉型鑄鐵焊條，在低氫型藥皮中加入一定量的低碳鐵粉，有助于減少母材熔化量，降低焊縫含碳量，但焊接接頭的白口、淬硬組織和裂紋問題沒有解決。EZV型焊條（Z116、Z117）是低碳鋼焊芯、低氫型藥皮高釩鑄鐵焊條。釩是急劇縮小相區(qū)、擴(kuò)大相區(qū)的元素，又是強(qiáng)烈的碳化物形成元素，當(dāng)焊縫中的wV/wC比值合適時(shí)，碳幾乎完全與釩化合生成彌散分布的碳化釩，基體組織為鐵素體。這種焊縫金屬具有很好的力學(xué)性能和抗裂性，抗拉強(qiáng)度可達(dá)558588MPa，伸長率高達(dá)2836%，還可以滿足球墨鑄鐵焊接的要求。但是

42、，由于釩從焊縫、碳從母材同時(shí)向熔合線方向擴(kuò)散，在焊縫底部形成了一條主要由碳化釩顆粒組成的高硬度帶狀組織，加上半熔化區(qū)白口較寬，使焊接接頭加工性差，這種焊條主要用于非加工面缺陷的焊補(bǔ)。 受力較小部位的鑄造缺陷焊補(bǔ)。EZFe-2型焊條是低碳鋼 采用H08Mn2SiA細(xì)絲（0.81.0mm）CO2或CO2+O2氣體保護(hù)焊焊補(bǔ)灰鑄鐵，在汽車、拖拉機(jī)修理行業(yè)得到了一定應(yīng)用。采用小電流（85A）、低電壓（1820V）和較快的焊接速度（1012m/h），可以減少母材熔化量，降低焊縫含碳量和焊接應(yīng)力，但接頭加工性不好，主要用于非加工面缺陷的焊補(bǔ)。(2) 鎳基焊縫及焊接材料 鎳是奧氏體形成元素，鎳和鐵能完全互溶

43、，鐵鎳合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，相區(qū)將擴(kuò)展到室溫，得到硬度較低的單相奧氏體組織。鎳還是較強(qiáng)的石墨化元素，且與碳不形成碳化物。鎳基焊縫高溫下可以溶解較多的碳，隨著溫度下降，部分過飽和的碳將以石墨形式析出，石墨析出伴隨著體積膨脹，有利于 采用H08Mn2SiA細(xì)絲（0.8 降低焊接應(yīng)力，防止焊接熱影響區(qū)冷裂紋。鎳基焊縫中的鎳可以向半熔化區(qū)擴(kuò)散，對縮小白口寬度、改善焊接接頭加工性非常有效。因此，盡管鎳基鑄鐵焊接材料價(jià)格貴，但在實(shí)際工作中仍然應(yīng)用廣泛。純鎳鑄鐵焊條 如EZNi-1（Z308），優(yōu)點(diǎn)是在電弧冷焊條件下焊接接頭加工性優(yōu)異。焊接工藝合適時(shí)半熔化區(qū)白口寬度僅為0.05mm左右，且呈斷續(xù)分

44、布，是所有鑄鐵異質(zhì)焊接材料中最窄的，使得熱影響區(qū)硬度較低，加工性好。焊縫為奧氏體加點(diǎn)狀石墨，硬度低，塑性較好，抗熱裂紋性能較好 。 鎳鐵鑄鐵焊條 如EZNiFe-1（Z408），熔敷金 降低焊接應(yīng)力，防止焊接熱影響區(qū)冷裂紋。鎳基焊縫中的鎳可 屬鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%55%，價(jià)格較低。由于鐵的固溶強(qiáng)化作用，其熔敷金屬力學(xué)性能較高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到390540MPa，伸長率一般大于10%，主要用于高強(qiáng)度灰鑄鐵和球墨鑄鐵的焊接。這種焊條的焊縫金屬抗熱裂紋性能優(yōu)于其他鎳基鑄鐵焊條，而且第一層焊縫金屬被母材稀釋后鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%40%。由圖6-10所示的鎳鐵合金線膨脹系數(shù)隨成分的變化規(guī)律可見，此時(shí)焊縫

45、金屬的膨脹系數(shù)較低，且與鑄鐵母材接近，有利于降低焊接應(yīng)力。由于焊縫金屬含鎳量較低，半熔化區(qū)白口層比純鎳焊條稍寬，小電流焊接時(shí)半熔化區(qū)白口寬度為0.100.15mm，熱影響區(qū)最高硬度小于300HBS，使焊接接頭的加工性比EZNi型焊條稍差。由于焊縫強(qiáng)度較高，用這種焊條焊接剛度較大部位的缺陷或焊補(bǔ)量較大時(shí)，有時(shí)在焊接接頭的熔合區(qū)出現(xiàn)剝離性裂紋。另外，鎳鐵合金焊芯電阻率高，像不銹 屬鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%55%，價(jià)格較低。由于鐵的 鋼焊條一樣，焊接時(shí)有紅尾現(xiàn)象，如果繼續(xù)焊接則因焊條 熔化速度加快而影響焊接質(zhì)量，為了解決這一問題，發(fā)展了鎳鐵銅鑄鐵焊條EZNiFeCu（Z408A）。 圖6-10 鎳鐵合

46、金的線膨脹系數(shù) 鋼焊條一樣，焊接時(shí)有紅尾現(xiàn)象，如果繼續(xù)焊接則因焊條 3) 鎳銅鑄鐵焊條 EZNiCu-1（Z508）采用Monel合金焊芯，故又稱之為蒙乃爾焊條。由于含鎳量處于純鎳鑄鐵焊條和鎳鐵鑄鐵焊條之間，使焊接接頭的半熔化區(qū)白口寬度和接頭的加工性能也介于二者之間。但鎳銅合金的收縮率較大（約為2%），容易引起較大的焊接應(yīng)力，產(chǎn)生焊接裂紋。該焊條的灰鑄鐵焊接接頭抗拉強(qiáng)度較低，為78167MPa，僅適用于強(qiáng)度要求不高的加工面缺陷的焊補(bǔ)。 鎳基焊縫的共同特點(diǎn)是含碳量較高，組織為奧氏體石墨。適當(dāng)?shù)暮剂坎粌H可以提高焊縫金屬的抗熱裂紋性能，還作為脫氧劑能防止焊縫氣孔，此外，可以防止半熔化區(qū)的碳向焊縫擴(kuò)

47、散，有利于減小白口寬度。碳以石墨形式析出時(shí)可以緩解焊接應(yīng)力，降低焊縫金屬的熱裂紋傾向。因此，這類焊條均采用石墨型藥皮，主要用于不同厚度鑄鐵件加工面上中、小缺陷的焊補(bǔ)。三種鎳基鑄鐵焊條的鑄鐵焊接接頭力學(xué)性能比較見表6-5。 3) 鎳銅鑄鐵焊條 EZNiCu-1（Z508）采用M 表6-5 三種鎳基鑄鐵焊條的鑄鐵焊接接頭力學(xué)性能比較 工業(yè)發(fā)達(dá)國家開發(fā)的鎳基細(xì)絲鑄鐵焊接材料（0.81.2mm），焊接時(shí)電流密度大，熔化速度快，可以提高焊接速度，降低焊接熱輸入，使鑄鐵焊接熱影響區(qū)變窄，白口及淬硬組織明顯減少，焊接效果比鎳基焊條更好。 表6-5 三(3) 銅基焊縫及焊接材料 除了表6-4中給出的鋼基和鎳基

48、鑄鐵焊條外，有些情況下還可以用銅基焊接材料焊補(bǔ)鑄鐵缺陷。銅與碳不形成碳化物，也不溶解碳，而且銅的強(qiáng)度低、塑性很好，銅基焊縫金屬的固相線溫度低，這些特性對防止焊接接頭冷裂紋及熔合區(qū)剝離性裂紋很有利。但純銅焊縫金屬抗拉強(qiáng)度低，粗大柱狀的單相組織對熱裂紋比較敏感?？梢约尤肷倭胯F解決上述兩個(gè)問題。 除了專用銅基鑄鐵焊條以外，還可將銅合金焊條直接用于焊接鑄鐵。如銅合金焊條ECuSn-B（T227），含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%9.0%的錫和少量磷，焊后得到以錫磷青銅為基體加富鐵相的焊縫，接頭白口較窄，可以機(jī)械加工。但銅基焊縫(3) 銅基焊縫及焊接材料 除了表6-4中給出的鋼基和鎳基 的顏色與鑄鐵母材相差較大，

49、對焊補(bǔ)區(qū)有顏色要求時(shí)不宜采用。 (4) 異質(zhì)焊縫電弧冷焊工藝 要獲得滿足技術(shù)要求的鑄鐵焊接接頭，在正確選擇焊接材料的基礎(chǔ)上，還要制定合適的焊接工藝。焊接工藝內(nèi)容包括：焊前準(zhǔn)備、焊接規(guī)范的選擇、焊接方向及焊道順序，以及采取的特殊措施。異質(zhì)焊縫電弧冷焊工藝要點(diǎn)可以歸納為四句話：“短段斷續(xù)分散焊，較小電流熔深淺，每段錘擊消應(yīng)力，退火焊道前段軟”。 焊前準(zhǔn)備是指用機(jī)械等方法將缺陷表面清理干凈，制備適當(dāng)大小的坡口等工作。焊補(bǔ)處的油污等臟物可用堿水、汽油刷洗，或用氣焊火焰清除。對于裂紋缺陷，可以用肉眼或放大鏡觀察，必要時(shí)采用滲煤油、著色等無損探傷方法檢測其兩端的終點(diǎn)，在前方35mm處鉆止裂孔（58mm），

50、防止在預(yù)熱及焊接過程中裂紋向前 的顏色與鑄鐵母材相差較大，對焊補(bǔ)區(qū)有顏色要求時(shí)不宜 擴(kuò)展?？梢杂脵C(jī)械方法開坡口，也可以直接用電弧或氧乙炔焰開坡口，應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的前提下盡量減小坡口角度，減少母材的熔化量。 使用異質(zhì)焊接材料進(jìn)行鑄鐵電弧冷焊時(shí)，在保證焊縫金屬成形及與母材熔合良好的前提下，盡量用小規(guī)格焊條和小規(guī)范施焊，并采用短弧焊、短段焊、斷續(xù)焊、分散焊及焊后立即錘擊焊縫等工藝措施，適當(dāng)提高焊接速度，不作橫向擺動(dòng)，并注意選擇合理的焊接方向及順序。目的是降低焊接應(yīng)力，減小半熔化區(qū)和熱影響區(qū)寬度，改善接頭的加工性及防止裂紋產(chǎn)生。 擴(kuò)展?？梢杂脵C(jī)械方法開坡口，也可以直接用電弧或氧乙炔焰 為了降低鑄鐵母

51、材對焊縫成分及性能的影響，焊接電流可按照經(jīng)驗(yàn)公式選擇，即： I=（2934）d 式中 d焊條直徑（mm）。 采用較低的電弧電壓（短弧焊）和較快的焊接速度進(jìn)行焊接。薄壁鑄件散熱慢，每次焊接的焊縫長度為1020mm，厚壁件可增加到3040mm。為了避免焊補(bǔ)處溫升過高、應(yīng)力增大，可采用斷續(xù)焊。待焊接區(qū)域冷卻至不燙手時(shí)（5060）再焊接下一段。每焊完一段，趁焊縫金屬高溫下塑性良好時(shí)，立即用較鈍的尖頭小錘快速錘擊焊縫，使之產(chǎn)生明顯塑性變形，以松弛焊接應(yīng)力。 對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或厚大灰鑄鐵件上的缺陷焊補(bǔ)，焊接方向和順序的合理安排非常重要，應(yīng)本著從拘束度大的部位向拘束度小的部位焊接的原則。如圖6-11所示，灰鑄鐵

52、缸體側(cè)壁有3處裂紋缺陷， 為了降低鑄鐵母材對焊縫成分及性能的影響，焊接電流可按照經(jīng) 焊前在1和2裂紋端部鉆止裂孔，適當(dāng)開坡口。焊接裂紋1時(shí)，應(yīng)從閉合的止裂孔一端向開口端方向分段焊接。裂紋2處于拘束度較大部位，由于裂紋兩端的拘束度比中心大，可采用從裂紋兩端交替向中心分段焊接工藝，有助于減小焊接應(yīng)力。還要注意，止裂孔最后焊接。 圖6-11 灰鑄鐵缸體側(cè)壁裂紋的焊補(bǔ) 焊前在1和2裂紋端部鉆止裂孔，適當(dāng)開坡口。焊接裂紋 當(dāng)鑄鐵件的缺陷尺寸較大、情況復(fù)雜、焊補(bǔ)難度大時(shí)，可以采用鑲塊焊補(bǔ)法、栽絲焊補(bǔ)法及墊板焊補(bǔ)法等特殊焊補(bǔ)技術(shù)。圖6-11中的缺陷3由多個(gè)交叉裂紋組成，如逐個(gè)焊補(bǔ)，則難以避免出現(xiàn)焊接裂紋?？?/p>

53、以將該缺陷整體加工掉，按尺寸準(zhǔn)備一塊厚度較薄的低碳鋼板。焊前將低碳鋼板沖壓成凹形，如圖6-12a所示，或者用平板在其中間切割一條窄縫，如圖6-12b所示，目的是降低拘束度。焊補(bǔ)時(shí)低碳鋼板容易變形，利于緩解焊接應(yīng)力，防止焊接裂紋，此即鑲塊焊補(bǔ)法。按圖6-12b給出的順序分段焊接，最后用結(jié)構(gòu)鋼焊條將中間的切縫焊好，保證缸體壁的水密性。 當(dāng)鑄鐵件的缺陷尺寸較大、情況復(fù)雜、焊補(bǔ)難度 厚壁鑄鐵件大尺寸缺陷焊補(bǔ)時(shí)，需要開坡口進(jìn)行多層焊，這樣將導(dǎo)致焊接應(yīng)力積累。由于焊補(bǔ)量大，為了降低成本采用鋼基焊縫時(shí)，焊縫金屬強(qiáng)度高，收縮率大，容易產(chǎn)生剝離性裂紋，使焊補(bǔ)失敗。即使焊接后不開裂，使用過程中也可能因承載能力不足

54、而失效。此時(shí)可采用栽絲焊補(bǔ)法，通過碳素鋼螺栓將焊縫金屬與鑄鐵母材連接起來，既防止焊接裂紋，又提高了焊補(bǔ)區(qū)域的承載能力。如圖6-13所示，焊前在坡口內(nèi)鉆孔，攻螺紋，螺栓直徑根據(jù)壁厚在816mm之間選擇，擰入深度約等于直徑尺寸，螺栓高出坡口表面46mm兩排均勻分布。一般而言，螺栓的總截面積可取為坡口表面積的25%35%。施焊時(shí)， 厚壁鑄鐵件大尺寸缺陷焊補(bǔ)時(shí)，需要開坡口 先圍繞每個(gè)螺栓按冷焊工藝要求焊接，最后將坡口焊滿。這種方法的不足之處是工作量很大，對焊工要求高，焊補(bǔ)工期長。坡口尺寸更大時(shí)，甚至可以在坡口內(nèi)放入低碳鋼板，用焊縫強(qiáng)度高、 抗裂性好的鑄鐵焊條（如EZNiFe、EZV焊條）將鑄鐵母材和低

55、碳鋼板焊接起來，稱之為墊板焊補(bǔ)法。這種方法可以大大減少焊縫金屬量，有利于降低焊接應(yīng)力，防止裂紋，還節(jié)省了大量焊接材料，縮短焊補(bǔ)工期。 先圍繞每個(gè)螺栓按冷焊工藝要求焊接，最后將坡口焊滿。這種 圖6-12 鑲塊焊補(bǔ)法 a)凹形低碳鋼板鑲塊 b)平板低碳鋼板鑲塊 圖6-13 栽絲焊補(bǔ)法鑄鐵材料焊接性課件5. 灰鑄鐵的釬焊與噴焊 從上述灰鑄鐵的焊接性討論來看，由于熔焊加熱和冷卻速度比鑄造條件下快，使焊接接頭存在白口及淬硬組織、焊接裂紋兩大問題。采用釬焊方法焊補(bǔ)鑄鐵缺陷，因?yàn)榧訜釡囟鹊?，將完全避免上述焊接性問題?；诣T鐵釬焊對準(zhǔn)備工作的要求較高，需將缺陷表面的氧化物、油污完全清理干凈，露出金屬光澤。使用銅

56、基釬料，氧乙炔火焰作熱源，對加工面鑄造缺陷進(jìn)行焊補(bǔ)。 灰鑄鐵釬焊可以使用工業(yè)常用的銅鋅釬料BCu62ZnNiMnSi-R（HL104），其化學(xué)成分見表6-6。少量硅在弱氧化焰作用下很快生成SiO2，與釬劑（硼酸和硼砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為1:1的混合物）成分一起形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，覆蓋在液態(tài)釬料表面，阻礙鋅的蒸發(fā)，減小對人體的危害。5. 灰鑄鐵的釬焊與噴焊 這種釬料價(jià)格較便宜，釬焊接頭抗拉強(qiáng)度一般為120150MPa，稍低于常用灰鑄鐵強(qiáng)度值。但是，金黃色釬縫硬度太低，與灰鑄鐵顏色差別大，而且釬料的固相線溫度為850，液相線溫度為875，釬焊時(shí)需要把灰鑄鐵加熱到900左右，超過了灰鑄鐵的共析上限溫度，

57、快冷條件下熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)一些馬氏體或貝氏體，影響接頭的加工性。 由于低溫下銅、鋅與鐵的固溶度很小，影響銅鋅液態(tài)釬料在灰鑄鐵表面的潤濕性和擴(kuò)散能力，因此用上述銅鋅釬料釬焊灰鑄鐵時(shí)，接頭強(qiáng)度偏低。為了改善銅鋅釬料釬焊灰鑄鐵的接頭性能，大幅度增加錳和鎳的含量，發(fā)展了一種 這種釬料價(jià)格較便宜，釬焊接頭抗拉強(qiáng)度一般為12015 Cu-Zn-Mn-Ni釬料，其成分特點(diǎn)見表6-6。在銅鋅釬料中加入較多的錳和鎳，利用這兩種元素在銅和鐵中固溶度均較大的性質(zhì)，可以提高液態(tài)釬料在灰鑄鐵表面的潤濕性，促進(jìn)釬料成分向灰鑄鐵中擴(kuò)散，從而提高接頭強(qiáng)度。另外，可以降低釬焊溫度，有助于防止熱影響區(qū)高硬度組織，還使得釬縫變?yōu)榛野?/p>

58、色，接近灰鑄鐵的顏色。Cu-Zn-Mn-Ni灰鑄鐵釬料，應(yīng)配合使用以下成分的釬劑：wH3BO3 =40%，wLi2CO3=16%，wNa2CO3=24%，wNaF=7.4%，wNaCl=12.6%。 Cu-Zn-Mn-Ni釬料，其成分特點(diǎn)見表6-6。在 氧乙炔火焰釬焊時(shí)，先用弱氧化焰預(yù)熱鑄鐵件，有助于去除焊補(bǔ)表面的石墨。添加釬劑時(shí)溫度控制在600以下，釬劑全部熔化后，鑄件溫度升高到650700時(shí)，改用中性焰，直至完成釬焊。使用Cu-Zn-Mn-Ni釬料釬焊灰鑄鐵HT200時(shí)，接頭最高硬度小于230HBS，抗拉強(qiáng)度b196MPa，拉伸試件均斷在灰鑄鐵上。而且釬焊接頭機(jī)械加工性優(yōu)異，釬縫顏色基本接

59、近灰鑄鐵。 還可以采用氧乙炔火焰粉末噴焊修復(fù)鑄鐵件在機(jī)械加工中出現(xiàn)的小缺陷。使用帶粉斗的特制噴焊槍，常用型號為SPH-2/h，根據(jù)不同硬度要求選用表6-7列出的兩種粉末。F103為鎳基噴焊粉，噴焊層硬度為2030HRC，加工性良好，顏色接近母材。F302為鐵基噴焊粉，可用于已淬火機(jī)床床身導(dǎo)軌面缺陷的修復(fù)，噴焊層與導(dǎo)軌面硬度 氧乙炔火焰釬焊時(shí)，先用弱氧化焰預(yù)熱鑄 相當(dāng)，精磨后顏色與母材相近。噴焊前把母材表面的氧化物、鐵銹及油污清除干凈，邊緣尖角處應(yīng)倒角。噴焊時(shí)先用火焰把待噴處預(yù)熱到300左右，預(yù)噴粉厚度達(dá)0.2mm左右，保護(hù)母材表面防止高溫氧化，噴焊填滿缺陷后繼續(xù)對噴焊區(qū)域加熱幾分鐘完成修復(fù)工作

60、。 相當(dāng)，精磨后顏色與母材相近。噴焊前把母材表面的氧化物、6.3.2 球墨鑄鐵的焊接工藝特點(diǎn) 球墨鑄鐵焊接主要是鐵素體球墨鑄鐵和珠光體球墨鑄鐵的焊接，奧-貝球墨鑄鐵應(yīng)用的增多也要求解決相應(yīng)的焊接材料和焊接工藝，奧-貝球墨鑄鐵焊接將在后面作簡單介紹 。 球墨鑄鐵由于含有球化劑，加劇了焊縫和半熔化區(qū)液相金屬的過冷傾向，促進(jìn)形成白口鑄鐵。球化劑元素還增加奧氏體的穩(wěn)定性，促進(jìn)奧氏體區(qū)形成馬氏體組織。因此，球墨鑄鐵的焊接性比鑄鐵材料焊接性課件 灰鑄鐵差。鐵素體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度為400500MPa，伸長率高達(dá)10%18%；珠光體球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度提高到600800MPa，伸長率下降到2%3%；鐵素體珠光體