8焊接工艺 铸铁的焊接

1、 第十一章第十一章 铸铁的焊接铸铁的焊接 主讲老师：吴新华 第一节第一节 铸铁的分类铸铁的分类 一 铸铁通常按石墨化程度或石墨形态两种方法进行分类 按按 石石 墨墨 化化 程程 度度 分分 灰口铸铁灰口铸铁 第一阶段石墨化充分进行，C主要以G 形式存在，断口呈灰暗色，应用广。 石墨化过程完全被抑制， C主要以渗碳 体存在，断口呈银白色，性能脆硬，主 要做炼钢原料。 白口铸铁白口铸铁 灰铸铁灰铸铁 石墨呈片状，生产工艺简单，价格低，应 用最广。 按按 石石 墨墨 形形 态态 分分 可锻铸铁可锻铸铁 石墨呈团絮状，生产周期长，成本高。 石墨呈球状，生产工艺比可锻铸铁简单，力学性能 好，应用较广。它

2、是在铁液中加入稀士金属、镁合 金及硅铁等球化剂处理后使石墨球化而成。 球墨铸铁球墨铸铁 石墨呈蠕虫状，是一种新型铸铁，有大的 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 应用前景。 铸铁的性能主要取决于石墨的形状、大小、数量及分布特点 由于石墨存在形式不同，因而对基体的性能影响有很大差异。在相同基 体组织的情况下，铸铁的强度： 球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁灰口铸铁 二、铸铁的石墨化 ?铸铁组织中析出碳原子形成石墨的过程称石墨化过 程。 ?石墨化过程的三个阶段 为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。 此种合二为一的相图称铁碳双重相图 第一阶段石第一阶段石 墨化墨化 A N H J B L L+? ? E 2.08 1154

3、 E C C 4.26 A+G 738 F+G L+G 第第 二二 阶阶 段段 D 石石 墨墨 化化 F G S 0.68 P S Q K 第三阶段石第三阶段石 墨化墨化 各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织 铸铁类型 第一阶段 灰口铸铁 麻口铸铁 亚共晶白口 共晶白口 过共晶白口 不进行 充分进行 充分进行 充分进行 部分进行 不进行 石墨化程度 第二阶段 充分进行 充分进行 充分进行 部分进行 不进行 第三阶段 充分进行 部分进行 不进行 不进行 F+G F+P+G P+G L d+P+G+Fe 3C L d+P+Fe3C L d L d+Fe3C 显微组织 三、影响石墨化的因素 1、化学

4、成分、化学成分 ? ? ? ? ? wC有利于石墨形核；有利于石墨形核； Si可削弱铁原子间的结合力，并使共晶温度提高、共 晶点左移，故有利于石墨形核； 生产中，通过调整(wC+1/3wSi)来控制铸铁的组织； 除C、Si外，P、Al、Cu、Ni、Co也为石墨化元素； S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素为白口化元素。 2 2、冷却速度、冷却速度 渗碳体的成分（碳含量）更接近于液 态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时 易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷 时易得到G。 7.0 w C + 1 / 3 w S i % 6.0 F灰 P+F灰 5.0 P灰 4.0 白麻 口 口 20 4

5、0 60 铸件壁厚 mm 冷却速度 四、铸铁焊接性分析 问题： 白口及淬硬组织 热裂纹 冷裂纹 1、白口及淬硬组织 白口组织是指灰口铸铁组织中出现了渗碳体或莱氏体组织。 整个焊接接头分为六个区域 A、焊缝区 当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，在一般电弧焊情况下，由于焊 缝冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体+ 二次渗碳铁+珠光体，即焊缝基本为白口铸铁组织。 增大线能量，白口组织难以消除，若采用低碳钢焊条，因母材的熔入， 使焊缝相当于高碳钢，在焊接快冷的条件下，得到脆硬的M。 防止措施： 焊缝为铸铁： 采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度；调整焊 缝化学成分来增强焊缝的

6、石墨化能力。 异质焊缝：设法防止或减弱母材过渡到焊缝中的碳产生高硬度组织的有 害作用；改变C的存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性， 例如使焊缝分别成为奥氏体、铁素体及有色金属是一些有效的途径。 B、半熔化区 该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围1150 1250，处于液固状态，一部分铸铁已熔化成为液体，其它未熔部分在高，处于液固状态，一部分铸铁已熔化成为液体，其它未熔部分在高 温作用下已转变为奥氏体。 冷却速度对半熔化区白口铸铁的影响 V冷很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体（即共晶 Fe3C+A）。继续冷却则从C所饱和的A析出二次Fe3C。在共析转变温度区

7、间，A转变为P。这就是该区形成白口的过程。由于该区冷速很快，在共析 转变温度区间，可出现转变温度区间，可出现AM的过程，并产生少量残余的过程，并产生少量残余A。 当V冷很小时，其共晶转变按稳定相图转变，最后其室温组织由石墨+F 组织组成。 当冷却速度介于以上两种冷却速度之间时，随着冷却速度由快到慢，或 为麻口铸铁，或为珠光体铸铁，或为珠光体加铁素体铸铁。 影响冷却速度的因素：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等。 化学成分对半熔化区白口铸铁的影响 提高熔池金属中促进石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量对消除或减弱 半熔化区白口的形成有利。 C、奥氏体区 该区被加热到固相线与共析转变上限温

8、度之间，温度约为8201150， 无液相。在共析温度区间以上，其基体已A化，组织为A+G。加热温度较 高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳较多地向周围A扩散，A中 含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围A扩散，A中 含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从A中析出一些二次Fe3C ， 其析出量的多少与A中含碳量成直线关系。在共析转变快时，A转变为P类 型组织。冷却更快时，会产生M与残余A。该区硬度比母材有一定提高。 熔焊时，采用适当工艺使该区缓冷，可使A直接析出G而避免二次Fe3 C析 出，同时防止M形成。 D D、重结晶区、重结晶区 很窄，加热温度范围780820。由

9、于电弧焊时该区加热速度很。由于电弧焊时该区加热速度很 快，只有母材中的部分原始组织可转变为A。在随后冷却过程中，A 转变为P，冷却很快时也可能出现一些M，最终得到M+F组织。 2、裂纹 铸铁裂纹的倾向比钢大的多、严重的多。 （1）冷裂纹 可发生在焊缝或热影响区上 A、焊缝处冷裂纹 产生部位：铸铁型焊缝 启裂温度：一般在一般在400以下。以下。 产生原因： 焊接过程中由于工件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中会产生很大的拉 应力，这种拉应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时，石墨呈 片状存在。当片状石墨方向与外加应力方向基本垂直，且两个片状石墨的尖 端又靠得很近，在外加应力增加时，石墨尖端

10、形成较大的应力集中。铸铁强 度低，度低，400以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生 焊缝裂纹。 当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁收缩率大，加 以其中渗碳体性能更脆，故焊缝更易出现裂纹。 影响因素： 与焊缝基体组织有关。 与焊缝石墨形状有关。 与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关。 防止措施： 对焊补件进行整体预热（600700）能降低焊接应力。）能降低焊接应力。 向铸铁型焊缝加入一定量的合金元素（Mn、Ni、Cu等）使焊缝 金属先发生一定量的B相变，接着又发生一定量的M相变，则利用这二 次连续相变

11、产生的焊缝应力松弛效应，可较有效地防止焊缝出现冷裂纹。 加入既能改变石墨形态又能促使石墨化的元素。 B、发生在HAZ的冷裂纹 发生部位： 含有较多渗碳体及马氏体的HAZ，也可能发生在离熔合线稍远的HAZ。 原因： 在电弧冷焊情况下，在半熔化区及A区产生Fe3C及M等脆硬组织（白口 铸铁的抗拉强度为107.8166.8Mpa，M铸铁的抗拉强度也不超过 147Mpa）。当焊接拉应力超过某区的强度时，就会在该区发生裂纹。 半熔化区上白口铸铁的收缩率（1.6%2.3%）比其相应的A的收缩率 （0.9%1.3%）大得多。在该二区间产生一定的切应力。 在焊接薄壁铸铁件（510mm）导热程度比厚壁铸件大的多

12、，加剧了 焊接接头的拉应力。使冷裂纹可能发生在离熔合线稍远的HAZ上。 防止措施： 采取工艺措施来减弱焊接接头的应力及防止焊接接头出现渗碳体及M。如 采用预热焊。 采用屈服点较低而且有良好塑性的焊接材料焊接，通过焊缝的塑性变形松 弛焊接接头的部分应力。 在修复厚大件的裂纹缺陷时，可在坡口两侧进行栽丝法焊接（坡口大、焊 层多、积累焊接应力大。为防止HAZ冷裂发展成剥离性裂纹。） C、剥离性裂纹 异质材料（低碳钢、镍基合金）焊接灰铸铁时，由于钢焊 缝和镍基合金焊缝金属比灰铸铁力学性能好，但收缩率大， 当焊缝金属体积较大或焊接工艺不当，容易造成焊缝底部或 HAZ裂纹，严重时导致焊缝金属部分或全部与灰

13、铸铁母材分 离。 产生区域：熔合区、HAZ 与钢焊接冷裂纹影响因素相比，铸铁焊接冷裂纹主要受热 应力影响，与H无关。 （2）热裂纹 产生材质：采用低碳钢焊条与镍基铸铁焊条冷焊时，焊缝较易出现属于热裂 纹的结晶裂纹。 铸铁型焊缝对热裂不敏感，原因：高温时石墨析出过程中有体积增加，有助 于减低应力。 产生原因：当用低碳钢焊条焊铸铁时，即使采用小电流，第一层焊缝中的熔 合比也在1/31/4，焊缝平均含碳量可达0.71.0%，铸铁含S、P量 高，焊缝平均含S、P也较高，越靠近熔合线，焊缝含C及S、P越高。C 与S、P是促使碳钢发生结晶裂纹的有害元素，故用低碳钢焊条焊接铸 铁时，第一层焊缝容易发生热裂纹

14、。这种热裂纹往往隐藏在焊缝下部， 从焊缝表面不易发觉。 利用镍基铸铁焊条焊接铸铁时，由于铸铁中含有较多的S、P，焊缝易 生成低熔点共晶，如Ni-Ni3S2,644,Ni-Ni3P,880,故焊缝对热裂纹故焊缝对热裂纹 有较大的敏感性。另一方面单相奥氏体焊缝晶粒粗大，晶界易于富集较 多的低熔共晶。 解决措施： 冶金方面：调整焊缝化学成分，使其脆性温度区间缩小，加入稀土 元素，增强脱S、P反应，使晶粒细化，以提高抗热裂性能。 采用正确的冷焊工艺，使焊接应力减低，以及使母材是的有害杂质 较少熔入焊缝。 除了容易产生白口组织和裂纹外，铸铁焊接时焊缝还可能产生CO气 孔和夹渣等缺陷。所以，铸铁补焊时应采

15、取一些措施，比如尽量减小焊 件各处的温度差，采用不同的焊条控制焊缝成分，降低焊后冷速等等。 五、灰铸铁焊接工艺五、灰铸铁焊接工艺 依据： 被焊铸件的具体状况（大小、厚薄、复杂程度、缺陷大小，刚性等）； 焊接质量要求（硬度、强度、焊缝颜色、切削加工性、密封性等）； 设备条件及经济性。 1、灰铸铁同质（铸铁型）焊缝 （1）电弧热焊 将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700（暗红色），然（暗红色），然 后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，称后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，称“热焊热焊”。 预热温度到300400，称为半热焊。，称为半热焊。 A、优点： 有效减少焊接接头上的温差，

16、而且铸铁由常温完全无塑性改变为有一定 塑性，灰铸铁在600700时，伸长率可达时，伸长率可达23%，再加以焊后缓慢冷 却，焊接应力状态大为改善。 600700预热，石墨化过程进行比较充分，焊接接头有完全防止白预热，石墨化过程进行比较充分，焊接接头有完全防止白 口及淬硬组织的产生，从而有效地防止了裂纹。 B、缺点： 预热温度高，劳动条件很差。 将焊件加热到600700需消耗很多燃料，焊补成本高，工艺复杂，需消耗很多燃料，焊补成本高，工艺复杂， 生产率低。 C、预热的选择： 预热温度不能超过共析温度下限，否则焊后焊件因相变的结果，会引 起焊件基体组织的变化，从而引起焊件力学性能的变化。同时在石墨析

17、出 时，还伴随着体积长大，使铸件的变形增加。 D、焊接材料： 我国目前采用的电弧热焊焊条有两种： 采用铸铁芯加石墨型药皮，铸Z248，直径6-12mm，主要用于焊补 厚大铸件的缺陷，多由单位自制。 采用低碳钢芯加石墨型药皮，铸Z208，直径5mm以下。 焊条的碳硅总量一般高于母材，wC+Si6-8，其中wC3-3.8 ，wSi3-3.8。 E、热焊工艺 a、预热: 对结构复杂的铸件（如柴油机缸盖），由于焊补区刚性大，焊缝无自 由膨胀收缩的余地，故宜采用整体预热；而结构简单的铸件，焊补 处刚性小、焊缝有一定膨胀收缩的余地，例如铸件边缘的缺陷及小 块断裂，则可采用局部预热 ; b、焊前清理： 在进

18、行电弧热焊之前，首先应对铸件的待焊部位进行清理，并制好坡 口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰除净，然后根据缺陷的 情况，可采用手砂轮、扁铲、风铲等工具进行加工（铲、磨）。制作坡 口时应铲（磨）到无缺陷后再开坡口，开出的坡口应是底部圆滑、上口 稍大，以便于操作和保证焊接质量。 C、造型： 对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证一定的焊 缝成形，还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图所示。 造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置耐高温的石墨片， 以防止造型材料受热熔化或下塌，并在焊前应进行烘干。 d、焊接： 焊接时，为了保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内 焊

19、完，故宜采用大电流、长弧、连续焊。焊接电流I0（A）可根据经验公式： I0（40-50）d（d表示焊条直径mm）。因铸铁焊条药皮中含有较多的 高熔点难熔物质石墨，采用适当的长弧焊将有利于药皮的熔化以及石墨向 焊缝中过渡。 e、焊后缓冷： 焊后要采取缓冷措施，常用保温材料（如石棉灰等）覆盖，最好随炉冷 却。 电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本与母材相同，颜色与母材 一样，具有良好的切削加工性，焊后残余应力小，接头质量高。适用于中厚 （10mm以上）铸件的大缺陷焊补。对于8mm以下的薄壁铸件焊补时， 因容易烧穿，故不宜使用。 （2）电弧冷焊 铸铁型焊条电弧冷焊，是在提高焊缝石墨化能力的基础上

20、，采用大直 径焊条、大焊接线能量的连续焊工艺，以增加熔池存在时间，达到降低 接头冷却速度，防止白口组织产生的目的。 A、优点： 焊前对被焊补的工件不预热，焊工劳动条件好，焊补成本低，焊补过 程短，焊补效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的已加工面 等情况更适于采用。 B、焊接材料 也是Z248和Z208 ，由于冷焊时的冷却速度较大，同质焊缝冷焊焊 条的碳、硅含量应比热焊焊条高。其焊缝wC4.0-5.5，wSi3.5 -4.5，碳硅总量可达7.5-10。 C、电弧冷焊工艺要点 a、坡口制备 焊接前，应对焊补区进行清理并制好坡口。为防止冷焊时因熔池体积过小 而使冷速增大，焊补区的面积须大于8

21、cm2，深度应大于7mm。铲挖出的型 槽形状应光滑，并为上大下小呈一定的角度，其形状、尺寸如图所示. b、造型 坡口制好后，为防止焊缝液态铁液流失和保证焊缝高于母材，还应在待焊 部位造型。造型方法和材料与热焊造型基本相同； c、焊接。 焊接时，要采用大直径焊条，使用直流反接电源（也可试用交流电 源）进行大电流、长弧、连续施焊。 d、焊后应立即覆盖熔池，以保温缓冷。 缺点： 因焊缝为灰铸铁组织，强度低而塑性差；当采用大电流 连续焊工艺时，使铸件局部受热严重，在焊接大刚度铸件 缺陷时焊接区产生的应力较大，故容易产生裂纹。另外， 这种方法也不能用于中小缺陷，否则，也将会因热应力大 而使裂纹倾向增加。

22、 （3）气焊 氧乙炔火焰温度（氧乙炔火焰温度（3400）比电弧温度（）比电弧温度（60008000）低很多，）低很多， 而且热量不集中，很适于薄壁铸件的焊补。 A、优点： a、气焊时需用较长时间才能将焊补处加热到焊补温度，而且其加热面积 又较大，实际上相当于焊补处先局部预热再进行焊接的过程。 b、由于冷速较慢，有利于石墨化过程的进行。焊缝易得到灰铸铁组织， 而HAZ也不易产生白口或其他淬硬组织。 B、缺点： 工件受热面积大，焊接热应力较大，焊补刚度较大的缺陷时比热焊更 易产生冷裂纹。 C、焊接材料 1号焊丝的碳硅含量较低，适用于热焊；2号焊丝碳硅含量较高，适用于 冷焊。铸铁气焊丝规格一般为直径

23、直径6-8mm，长度350-400mm。 铸铁在气焊时，因其含硅量较高，熔池冶金反应过程中硅容易被氧化， 会形成难熔的酸性氧化物SiO2（熔点约为（熔点约为1713），使熔渣粘度增大而流），使熔渣粘度增大而流 动性变差，不仅影响焊接过程的正常进行，还容易造成焊缝产生夹渣等缺 陷。因此，气焊铸铁时一般要在熔池中加入适量的碱性溶剂，如Na2CO3、 NaHCO3、NaNO3、 K2CO3、Na2B4O7（硼砂）等。它们与熔池中的 SiO2形成熔点较低的熔渣，浮于熔池表面而被清除。 D、气焊工艺 a、铸件清理，基本与焊条电弧焊相同； b、根据铸件厚度适当选用较大号码的焊矩及焊嘴，以提高火焰能率， 增

24、大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化 焰。因为，氧化气氛会使熔池中碳、硅等元素烧损增加，影响焊缝的 石墨化过程。为防止熔池金属流失，在焊接中应尽量保持水平位置。 c、焊后可自然冷却，不能放在空气流通的地方加速冷却，否则会促使 白口及裂纹产生； d、较小的铸件气焊时，缺陷位于边角和刚度较小的地方，可用冷焊方 法，缺陷位于铸件中央、接头刚度较大或铸件形状较复杂时，应采用 预热温度为600-700的热焊法，或者是的热焊法，或者是“加热减应区加热减应区”法焊接法焊接 。 2、灰铸铁异质焊缝的电弧冷焊 铸铁型焊缝电弧冷焊的局限： a、焊缝强度低、塑性差，焊补较大刚度缺陷时易出现裂纹

25、。 b、焊缝为铸铁型，由于冷速快，焊缝易出现白口。 c、由于工艺要求采用大电流、连续焊，对于薄壁件缺陷的焊补有困难。 （1）异质焊缝电弧冷焊材料 A、镍基焊条及焊接材料 Ni是扩大奥氏体的元素，当Fe-Ni合金中含Ni量超过30%时，合金凝 固后一直到室温都保持硬度较低的奥氏体组织，不发生相变。 Ni为促使石墨化元素，对减弱半熔化区白口的宽度很有利。 我国目前应用的镍基铸铁焊条所用焊芯有纯镍焊芯、镍铁焊芯 （WNi=55%，其余为Fe）、镍铜焊芯（WNi=70%，其余为Cu）三种 纯镍焊芯：如Z308，特点：接头加工性优异，半熔化区白口宽度小 （0.05mm），但价格高，主要用于焊补后加工性要

26、求高的缺陷焊补，或 用做打底焊； 镍铁焊芯：如Z408，特点：力学性能高，抗热裂性能好，价格较低，主 要用于高强度灰铸铁和球墨铸铁的焊接； 镍铜焊芯：如Z508（又称蒙乃尔焊条），性能介于前两者之间，由于镍 铜合金的收缩率大，容易引起较大焊接应力从而导致焊接裂纹，适用于强 度要求不高的加工面缺陷的焊补。 B、铜基焊条及焊接材料 特点：a、焊缝中的Cu与Fe是以机械混合物形式存在，焊缝以Cu为基础， 在其中机械地混合着少量钢或铸铁的高硬度组织。第一层焊缝时，铸 铁中的C较多地熔入焊缝中，由于Cu不溶解C，也不与C形成碳化物， C全部与焊条及母材熔化后的Fe结合，在焊缝快冷情况下，形成M、 Fe3

27、C等高硬度组织，整个焊缝还是有较高的塑性，有较好的抗裂性。 b、Cu是弱石墨化元素，而且其扩散能力较弱，焊缝接头上白口区较宽。 c、焊接接头加工性不良（焊缝的Cu基很软，M、Fe3C很硬）。 d、Cu钢焊条所焊焊缝顔色与母材差别较大。 C、H08Mn2Si细丝CO2保护焊 采用H08Mn2Si细丝（0.61.0mm）CO2或CO2+O2气体保护焊焊补 灰铸铁在我国汽车、拖拉机修理行动中获得了一定的应用。原理： a、细丝CO2气体保护焊采用小电流，低电压焊接，有利于减少母材熔深， 降低焊缝含碳量； b、短路过渡时，热输入小，有利于降低焊接应力，母材在第一层焊缝的 熔合比也有所减少； c、CO2保

28、护焊有一定的氧化性，对焊缝中的C的氧化烧损也能起一些作 用，这些都可使焊缝含C量降低。 焊接规范的选择： 焊接电压：1820V为宜，小于此限电弧过程不稳，大于此限焊缝变 宽，焊缝含C、S、P量上升，出现裂纹。 焊速：以1012m/h为宜，1820m/h时焊缝组织变坏，马氏体增 加，34m/h时HAZ白口明显小。 焊接电流：85A，电流大于85A以上时，焊缝易出现裂纹。原因：焊 接电流密度大，熔深大，母材中C、S、P向焊缝过渡多，半熔化区白 口层随电流减小而减薄。 （2）异质（非铸铁型）焊缝的电弧冷焊工艺要点 A、焊前工作 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，同时将缺陷预先制成适当的坡口。对裂纹缺陷应设法找出裂 纹两端的终