灰铸铁手工电弧焊工艺分析

1、1.绪 论工业中应用最早的铸铁就是以片状石墨存在于金属基体中的灰铸铁。由于其成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减振性均优良的特点。迄今是工业中应用最广泛的一种铸铁。20世纪80年代初，铸铁材料发展进入了顶峰期，随后，世界的铸铁产量便出现急剧递减，然而铸铁仍是当今金属材料中应用最为广泛的基础材料。灰铸铁在结晶过程中，约有w（C）为80%的碳以石墨的形式析出，这就给灰铸铁带来两方面的特点：一方面，由于石墨强度较低（Rm20N/mm2），且以片状的形态存在，割裂了基体的连续性，因此灰铸铁的强度不高，脆性较大。另一方面，由于石墨的存在，灰铸铁具有良好的减震性、耐磨性、切削加工性和缺口敏感性。由

2、于共晶结晶过程中石墨化膨胀，还有减少缩松、缩孔的倾向。同时，灰铸铁还有较高的抗压强度。灰铸铁传统的化学成分中Si/C比较低（0.400.55）。适当提高Si/C比（0.650.85），是提高铸铁内在质量的重要途径之一。提高Si/C比的作用是：可使连续的初析奥氏体枝晶增加，这就像混凝土中的钢筋一样，对灰铸铁起到加固的作用，可扩大稳定系和介稳定系的温度差，增加过冷度T，从而细化石墨，有效地扩大集体组织的利用率；还可降低灰铸铁的白口倾向，减小断面敏感性，提高弹性模量和形变抗力。当然，Si/C比较高，会使铁素体增加，强度和硬度有所降低。我国各种铸铁的年产量现约为800万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁

3、年产量的10%15%，即通常所说的废品率为10%15%，若这些铸件工报废,将是极大的浪费。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁件，由于焊接成本低，不仅可获得巨大的经济效益，而且有利于及时完成生产任务。常用的焊既接方法有气焊、钎焊、电弧焊等,其中手工电弧焊应用最多。但是铸铁件的焊补极易产生白口和裂缝，其中产生白口的主要原因是冷却速度过快和石墨元素不足;而产生裂缝的原因主要是焊接应力。焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和

4、寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊接材料

5、行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂制造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。目前我国微电子及IT行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出了很多

6、新的要求，因而得到了相应发展。      2.灰铸铁铸铁是含碳量在2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为24。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。在铸铁焊接中，应用得最多的是灰铸铁的焊接，球墨铸铁次之，可锻铸铁最少。2.1.灰铸铁的化学成分灰铸铁以片状石墨的形态存在于珠光体、铁素体或二者按不同比例混合的基体组织中。其断口呈灰色，且因此得名。石墨的力学性能比较低，使金属基体承受负荷的有效截

7、面积减少，而且片状石墨使应力集中严重，因而使灰铸铁的力学性能不高，灰铸铁的石墨形式是以不同的数量、长短及粗细分布于基体中，因而对灰铸铁的力学性能产生很大的影响。灰铸铁分HT250与HT220，其密度分别为7.35g/cm;与7.2g/m灰铸铁按其组织可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁、铁素体珠光体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁（F基体灰铸铁、F+P基灰铸铁、P基体灰铸铁）。常用灰铸铁的化学成分为C2.6%3.8%，Si1.2%3.0%，Mn0.4%1.2%，P0.4%，S0.15%。同一牌号的灰铸铁，薄壁件（壁厚<10mm）的C,Si量高于厚壁件

8、。2.2灰铸铁的物理性能、力学性能灰铸铁的牌号是由“HT”（“灰铁”两字汉语拼音字首）和最小抗拉强度b 值（用30mm试棒的搞拉强度）表示。例如牌号HT250表示30mm试棒的最小抗拉强度值为250MPa的灰铸铁。设计铸件时，应根据铸件受力处的主要壁厚或平均壁厚选择铸铁牌号。灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰

9、铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。灰铸铁几乎无塑性及韧性。 表2-1 灰铸铁单铸试棒的抗拉强度（摘自GB/T 94391988）牌号铸件壁厚/mmMPa(kgf/mHT1002.510203010203050130(13.3)100(10.2)90(9.2)80(8.2)HT1502.510203010203050175(17.8)145(14.8)130(13.3)120(12.2)HT2002.510203010203050220(22.

10、4)195(19.9)170(17.3)160(16.3)HT2504.010203010203050270(27.5)240(24.5)220(22.4)200(20.4)HT300102030203050290(29.6)250(25.5)230(23.5)HT350102030203050340（24.7）290（29.6）260（26.5）注 1：硬度分级是规定位置的平均值。2：H235和H255所预计的硬度值相当于质量200Kg，且壁厚20mm的铸件硬度2.3灰铸铁的使用性能及其所对应用途灰铸铁的使用性能与其化学成分和组织有密切的联系。其主要有分为以下几种：1.优良的铸造性能 由于灰

11、铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件。另外，由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少，可简化工艺，减轻铸件的应力并可得到致密的组织。2.优良的耐磨性和消震性石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性。此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一步提高，这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。石墨可以阻止后动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的10倍，常用来制作承受振动的机床底座。3.较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性，因此，表面

12、的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低。由于铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所以其可切削加工性能是优良的。4.灰铸铁的机械性能灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素钢，如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍，这是灰铸铁的一种特性。因此，与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。灰铸铁的牌号所对应的特性及应用条件如下表表2-2所示：表2-2 灰铸铁的牌号所对应的特性及应用条件牌号特性工作条件应用举例HT1001.  减振性优良2.

13、0; 铸造性能好3.  无需热实效1. 小载荷2. 不要求耐磨形状简单，不需要零件，如手柄、手轮、盖、油盘、底板、支架等，不加工或简单加工HT1501. 有一定强度2. 减振性良好3  .铸造性能好4. 铸造应力小，无需热实效1. 中等载荷2. 摩擦面的压力490kPa3. 较弱腐蚀介质1. 一般机械零件，如支柱、轴承座容器等2. 发动机的进、排气管、机油壳等3. 较轻的薄壁零件，工作压力不大的管件4. 圆周速度6-12ms的带轮HT200HT2501. 强度、耐磨性、耐热性良好2. 减振性良好3.

14、60;铸造性能较好4. 一般需热实效1. 较大载荷2. 摩擦压力/490kPa3. 要求韧性、抗胀性4. 要求较高气密性5. 较弱腐蚀介质1.较重要机械零件，如气缸，衬套，齿轮，棘轮、链轮、飞轮，机床床身，泵壳，容器。2. 发动机缸体、缸盖、活塞、活塞环、齿轮、齿轮室盖等3. 汽车、拖拉机的离合器壳、左右半轴壳、刹车毂等4. 中压油缸、阀体、泵体等5圆周速度12-15ms的带轮HT300HT350(HT400)1.强度高，耐磨2.铸造性能差。3.白口倾向大，需热时效。1.高拉力和高弯曲力2. 摩擦面压力>1960KPa，或需表面

15、淬火3. 要求高气密性1. 重要机械零件，如齿轮、凸轮、衬套等2.机床导轨，冲床、剪床、压力机、车床和重型机床的床身、机座、主轴箱、卡盘等3.大型发动机缸体、缸盖、缸套等4. 高压油缸、水缸、泵体、阀体等5. 圆周速度20-25ms 的带轮  3.灰铸铁的焊接性铸铁焊接中灰铸铁的焊接最为常见。灰铸铁在化学成分上的特点是碳高及S、P杂质高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性及冷热裂纹的敏感性。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殊性。这些因素导致焊接性不良。主要问题两方面：一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织。

16、另一方面焊接接头易出现裂纹。3.1焊接接头的白口组织灰铸铁焊接时，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，形成白口铸铁组织。焊接接头中产生白口组织的区域主要是焊缝区、半熔化区和奥氏体区。现在分别予以讨论。3.1.1焊缝区当焊缝成分与灰铸铁铸件（即同质焊缝）成分相同时，则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。焊缝为铸铁时我们一般采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度（如：增大

17、线能量）或调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。若采用低碳钢焊条（即异质焊缝中）进行焊接，常用铸铁含碳为3%左右，就是采用较小焊接电流，母材在第一层焊缝中所占百分比也将为1314，其焊缝平均含碳量将为0.7%1.0%,属于高碳钢（C0.6%）。这种高碳钢焊缝在快冷却后将出现很多脆硬的马氏体。采用异质金属材料焊接时，必须要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。思路是：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。3.1.2半熔化区半熔化区的特点是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

18、1250。该区处于液固状态，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。其在半熔化区对白口铸铁有影响的有：冷却速度及化学成分对半熔化区白口铸铁的影响冷却很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体，即共晶渗碳体加奥氏体。继续冷却则为碳所饱和的奥氏体析出二次渗碳体。在共析转变温度区间，奥氏体转变为珠光体。由于该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。当半熔化区的液态金属以很慢的冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。最后其室温组织由石墨+铁素体组织组成。当该区液态铸铁的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

19、口铸铁，或为珠光体铸铁，或为珠光体加铁素体铸铁。影响半熔化区冷却速度的因素有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等因素。铸铁焊接半熔化区的化学成分对其白口组织的形成同样有重大影响。该区的化学成分不仅取决于铸铁本身的化学成分，而且焊逢的化学成分对该区也有重大影响。这是因为焊逢区与半熔化区紧密相连，且同时处于熔融的高温状态，为该两区之间进行元素扩散提供了非常有利的条件。某元素在两区之间向哪个方向扩散首先决定于该元素在两区之间的含量梯度（含量变化）。元素总是从高含量区域向低含量区域扩散，其含量梯度越大，越有利于扩散的进行。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

20、区白口的形成是有利的。用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区的白口带往往较宽。这是因为半熔化区含C、Si量高于熔池，故半熔化区的C、Si反而向熔池扩散，使半熔化区C、Si有所下降，增大了该区形成较宽白口的倾向。3.1.3奥氏体区奥氏体区被加热到共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间。该区温度范围约为8201150，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，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奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量

21、的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。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，可使奥氏体直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体形成。3.2 焊接接头裂纹灰铸铁属脆性金属，抗裂性能差，在焊接应力的作用焊接接头很容易开裂。灰铸铁在焊补时，接头所产生的裂纹多为低温裂纹，属冷裂纹范畴；而在某些焊接条件下也能产生热裂纹，下面分别予以分析。可发生在焊缝或热影响区上，其分为焊缝处冷裂纹、发生在HAZ的冷裂纹。3.2.1冷裂纹 焊缝处冷裂纹一般产生部位铸铁型焊缝当采用异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、

22、铁素体，铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。启裂温度一般在400以下。原因有两方面，一方面是铸铁在400以上时有一定塑性；另一方面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。在400以上时焊缝所承受的拉应力较小。由于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，石墨尖端形成较大的应力集中。铸铁强度低，400以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生焊缝裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时

23、，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。其影响因素主要与焊缝基体组织、石墨形状或焊补处刚度、体积大小及其长短有关。焊缝中渗碳体越多，焊缝中出现裂纹数量越多。当焊缝基体全为珠光体与铁素体组成，而石墨化过程又进行得较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀过程，可以松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝的抗裂性。粗而长的片状石墨容易引起应力集中，会减小抗裂性。石墨以细片状存在时，可改善抗裂性。石墨以团絮状存在时，焊缝具有较好的抗裂性能。焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长都将增大应力状态，促使裂纹产生。而防止冷裂纹产生的措施有两条，一是对焊件进行整体预热（55070

24、0）能降低焊接应力。二是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贝氏体相变，接着又发生一定量的马氏体相变，则利用这二次连续相变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。在其的同时还要防止焊缝二次相变产生焊缝应力松弛。金属及合金在相变过程中塑性增加，这种特性称相变塑性。贝氏体与马氏体的比容较奥氏体、珠光体及铁素体都大，相变过程中的体积膨胀也有利于松弛焊缝应力。还有就是加入既能改变石墨形态又能促使石墨化的元素。例如：Ca电弧冷焊时，发现焊缝含一定量Ca时，既能促使焊缝石墨化，又能改变焊缝石墨状态。焊缝中Ca为0.0027%时焊缝中C=3.89%、S

25、i=2.85%，焊缝部分球化，另有部分蠕虫状石墨及少量片状石墨，焊缝中无白口铸铁组织。在焊条中加入一定量Ca能改善抗冷裂性能。3.2.2发生在HAZ的冷裂纹主要发生在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。其原因有三方面：一在电弧冷焊情况下，在半熔化区及奥氏体区产生铁素体及马氏体等脆硬组织（白口铸铁的抗拉强度为107.8166.8Mpa，马氏体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：二在半熔化区上白口铸铁的收缩率（1.6%2.3%）比其相应的奥氏体的收缩率（0.9%1.3%）大得多。在该二区间产生一定的切应力：三是在焊接

26、薄壁铸铁件（510mm）导热程度比厚壁铸件差的多，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。发生HAZ的冷裂纹的防止措施主要有以下三条：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马氏体。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。3.2.3热裂纹 一般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，高温时石墨析出过程中有体积增加，有助于

27、减低应力。产生原因是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1314，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，焊接表层含C及S、P较低，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。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,故焊缝对热裂纹有较大的敏感性。解决措施主要从两方面着手:一冶金方面：调整焊缝化学成分，使其脆

28、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。二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。 4.灰铸铁的手工电弧焊焊接性分析由于灰铸铁的焊接性可知，灰铸铁在焊接中主要是容易产生白口组织和出现裂纹，故应从防止上述缺陷入手，从多方面考虑来选择和制定合理的焊接方法及工艺。4.1 同质焊缝（铸铁型）的熔焊工艺与焊接材料同质焊缝就是铸铁型焊缝。它的焊条电弧焊工艺可分为热焊（包括半热焊）和冷焊（又称不予热焊）两种。4.1.1 电弧热焊与半热焊铸铁焊接时，白口组织和冷裂纹的产生，主要由于熔池体积小而使冷却速度过大造成的。针对这一问题，人

29、们在铸铁焊接时就最先应用了热焊工艺，以达到减小铸件温差，降低冷却速度的目的。将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700（暗红色），称为热焊，预热温度300400称为半热焊对结构复杂而焊补处拘束度又大的工件，宜采用整体预热。若对这种件采用局部预热焊接，可能会增大应力，有时会在焊补处再出现裂纹，甚至会在离焊补处有一定距离的位置上又出现新的裂纹。对于结构简单而焊补处拘束度又小的工件可采用局部预热。灰铸铁工件预热到600-700，不仅有效地减少了焊接接头上的温差，而且铸铁有常温完全无塑性改变位有一定塑性，其伸长率达2%-3%,再加以焊后缓慢冷却，故焊接接头应力状态大为改善。此外由于600-700预

30、热及焊后缓冷，可使石墨化过程进行充分，焊接接头可完全防止白口铸铁，缓冷又可防止淬硬组织的产生，从而有效的防止裂纹的产生，并改善了其加工性。在合适成分的焊条配合下，焊接接头的硬度与母材很相近，有优良的加工性，有与母材的基本相同的力学性能，颜色与母材一致。焊后焊接接头残余应力很小，故热焊的焊接质量是非常满意。其缺点是能源消耗大，劳动条件差，生产率低。预热温度在300-400时，人们称之为“半热焊”。300-400可有效防止热影响区产生马氏体，改善焊接接头的加工性。由于预热温度低，焊接接头各部分温差较大，焊接接头已形成较大拉伸应力，对结构复杂，且焊补处拘束度大的工件来说，焊后发生冷裂纹的可能性增大。

31、铸铁热焊时虽采取了预热缓冷的措施，但焊缝的冷速一般大于铸铁铁液在砂型中的冷速，故为了保证焊缝石墨化，不产生白口组织且硬度合适，焊缝的C+Si总量还应大于母材。热焊时采用大直径铸铁芯焊条（6mm）配合采用大电流可加快焊补速度，缩短焊工从事热焊时间。焊前应清除铸件缺陷内砂子及夹渣，并用风铲开坡口，坡口要有一定的角度，上口稍大，底面应圆滑过渡。对边角较大缺陷的焊补常需要在缺陷周围造型，其目的是防止焊接熔池的铁液流出及保证焊补区焊缝的成形。热焊法系同质铸铁焊接工艺。焊前对铸件缺陷稍加修整, 再将铸件置于炉中垫平, 整体缓慢加热至600 650 (此时铸件产生足够大的塑性, 由于要照顾到硬度要求, 预热

32、温度不得超过700) , 保温一定时间,铸件出炉后立即施焊, 须保持铸件在400以上焊接,填充材料为同质铸铁材料。常规焊接操作, 不锤击焊道, 焊后及时修整焊缝并须保温缓冷(重新回炉或表面加煤粉等)。该工艺本质上是在铸件缺陷处用焊接热造一汪铁水“重新铸造”。为补充有益元素烧损和促进石墨化, 要在填充材料中加入较母材内多量的合金(如碳、硅、锰及稀土等)。这种工艺较易操作, 焊接质量容易保证是其突出优点。其缺点是劳动条件差, 焊修周期长, 设备投资大。较适合于大批量中小件铸铁焊接。热焊用铸铁焊条典型的有“铸248”和“铸238”, 是较早用于生产中的两种焊条。铸248 是在母材成分基础上添加大剂量

33、石墨化元素(如碳硅) , 多用于灰口铸铁焊接。铸238 焊条是在铸248 焊条基础上再添加大剂量球化剂(如镁等元素) , 适合于球墨铸铁件的焊接。气焊用焊丝典型产品为“丝401”和“丝402”。两者仅因石墨化元素多少分别用于灰口铸铁的热气焊和冷气焊。以上焊接材料的不断改进常借鉴铸铁熔炼原理, 主要是调整焊接材料的化学成分, 改变焊缝的石墨片形态、数量及基体类型, 不断推出实用新型焊接材料, 如电焊条铸238F、气焊用钇基重稀土焊丝等。为保证“重新铸造”顺利进行, 热焊铸铁在工艺上要求采用大功率焊接(如采用大电流、慢焊速, 连续焊) 。4.1.2 电弧冷焊电弧冷焊是指焊前对被焊铸铁件不预热的电弧

34、焊，所以电弧冷焊可节省能源的消耗，改善劳动条件，降低焊补成本，缩短焊补周期，成为发展的主要方向。但正如前面所分析过的那样，但焊缝为铸铁型时，冷焊焊接接头易产生白口铸铁及淬硬组织，还易发冷裂纹。在冷焊条件下，首先要解决的问题是防止焊接接头出现白口铸铁。解决途径可从两方面着手：一是进一步提高焊缝石墨化元素的含量，并加强孕育处理；二是提高焊接热输入量，如采用大直径焊条、大电流连续焊工艺，以缓慢焊接接头的冷速。这种工艺有助于消除或减少热影响区出现马氏体组织。焊缝的石墨化元素含量可以通过药芯焊丝或焊条药皮成分的变化在较大范围内调整，在提高焊接热输入的配合下，使焊缝较容易避免白口铸铁的出现。而半熔化区原为

35、母材的成分，含碳、硅量都不高，而该区的一侧紧靠冷金属工件，冷速最快，故半熔化区形成白口铸铁的敏感性比焊缝更大。碳、硅都是强石墨化元素，研究工作表明，在冷焊条件下，焊缝含碳4.0%-5.5%、含硅3.5%-4.5%较理想。可以看出，冷焊时焊缝的（C+Si）比热焊及半热焊时明显的提高了，达到7.5%-10%。过去一般都趋向于提高焊缝中含硅量，使其达到4.5%-7%，而把碳含量在3%左右。对于适当提高焊缝含碳量及适当保持焊缝含硅量较为理想。这是因为提高焊缝含碳量对减弱与消除半熔化区白口铸铁作用比提高硅有效，因为在液态时碳的扩散能力比硅强十倍左右。提高焊缝含碳量及延长半熔化区存在时间，通过扩散可大大提

36、高半熔化区含碳量，对减弱或消除半熔化区白口铸铁的形成非常有利。在碳、硅总量一定时，提高焊缝含碳量比提高焊缝含硅量更能减少焊缝收缩量，从而对降低焊缝裂纹敏感性有好处。焊缝的含硅量大于5%左右以后，由于硅对铁素体固溶强化的结果，反而使焊缝硬度升高，而对碳来说不存在这个问题。在电弧冷焊时，仅靠调整焊缝碳与硅的含量，来提高焊缝石墨化能力，往往还不足以防止焊缝因快冷而产生白口铸铁。还必须对焊缝进行孕育处理，以加强其石墨化过程，使焊接熔池中生成适量的Ca、Ba、Al、Ti等高熔点硫化物或氧化物，它们能为异质的石墨晶核，从而促进更多石墨的生长，有助于减弱甚至消除焊缝的白口倾向。为减慢电弧冷焊时焊缝的冷速，以

37、防止焊接接头产生白口铸铁组织，必须采用大电流、连续焊工艺。焊条直径越粗，越有利于采用大电流。这种工艺有利于增大总的焊接热输入，以减慢焊缝及其热影响区的冷速。除焊接工艺外，板厚及所焊补缺陷的体积都是影响焊接接头冷速的重要原因。被焊补的铸件越厚，液体焊缝及焊接热影响区的冷速越快，焊接接头形成白口铸铁及马氏体的倾向越高。缩孔是铸铁件制造中常见的缺陷。对这种缩孔的焊补，即使采用大电流连续焊工艺，若缩孔体积很小，则总的焊接热输入不足，焊缝及热影响区冷速很快，焊缝及半熔化区产生白口铸铁，热影响区易出现马氏体。随着缩孔体积增大，总的焊接热输入量增多，焊缝及热影响区冷速减慢，可使焊缝及热影响区完全消除白口铸铁

38、及马氏体。铸铁焊接热影响区是否产生马氏体，主要决定于该区加热温度最高区域，在800-500冷却时10/s，可防止珠光体灰铸铁焊接热影响区产生马氏体。应该指出的是，该值将随灰铸铁的化学成分及基体组织变化而有些变化。过去焊接灰铸铁时，习惯于仍使焊缝成为片状石墨的灰铸铁，但片状石墨尖端会形成严重的应力集中，使焊缝强度较低，且基本无塑性变形能力，故在焊接拉伸应力作用下，焊缝易出现冷裂纹。这种使焊缝成为灰铸铁的焊条，在电弧冷焊情况下，只适用于缺陷处于拘束度较小的情况下的焊补。若焊补处于拘束度较大的缺陷，则焊缝易出现冷裂纹。4.1.3 影响灰铸铁焊缝组织的因素1.焊缝的冷却速度当焊缝的冷却速度很快且石墨化

39、能力不足时，液态铸铁焊缝按介稳定系恭敬转变后的组织为共晶渗碳体+奥氏体，继续冷却后，从奥氏体析出二次渗碳体，在共析转变后，余下的奥氏体转变为渗碳体故快冷后最后形成的组织为共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体，这就是通常所说的白口铸铁。这种白口铸铁不仅硬度高，难以进行机械加工，且收缩率大又性脆，在焊接拉应力作用下，很容易形成冷裂纹，故必须防止焊缝形成白口铸铁。当焊缝冷却速度很慢时，则液态焊缝按稳定系共晶转变后的组装为共晶石墨+奥氏体。随后的慢冷过程中从奥氏体析出二次石墨，在共析转变时析出共析石墨+铁素体，故其最后组织为石墨+铁素体。当焊缝冷速介于以上两种冷速之间时，其组织可分别为麻口铸铁，珠光体铸铁或

40、珠光体+铁素体铸铁。麻口铸铁是一种白口铸铁到灰铸铁的过渡组织，既有共晶渗碳体，又有石墨，这是由于液态焊缝的共晶石墨化过程进行不充分所致。当焊缝冷却速度减慢到足以使焊缝共晶转变完全按稳定系进行，则共晶石墨化过程得以充分进行，可消除共晶渗碳体。其随后的工析转变时的冷速，若不能使共析石墨化过程充分进行，得到珠光体+铁素体的灰铸铁焊缝。若共析石墨化过程被抑制，则得到珠光体灰铸铁焊缝。2.焊缝的化学成分凡是促进液态铸铁共晶转变石墨化的元素，均使铸铁稳定系共晶温度与介稳定系共晶温度的温差扩大；而使这两者温差缩小的元素，则是促进共晶转变白口化的。Fe-C相图上稳定系共晶温度只比介稳定系共晶温度高6度，这样小

41、的两种共晶温度差，很容易使铸铁铁液按介稳定系共晶转变进行而形成白口铸铁。3 焊缝的孕育处理在焊条药皮或药芯焊丝的焊芯中加入少量具有强烈脱硫或脱氧作用的元素（Ca，Ba，Al等）通过焊接冶金反应，使焊接熔池的铸铁铁液中形成较多而细小的高熔点的氧化物或硫化物，它们可作为铸铁铁液的异质石墨晶核，促进焊缝石墨化过程，这就是通常所说的孕育处理。异质焊缝又称为非铸铁焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常用的方法。因铸件在焊接中不需要预热，使焊接工艺过程大大简化，不仅降低了焊接成本，而且是焊接操作者的工作条件得到改善。非铸铁型焊缝或异质焊缝，按其焊缝金属的性质可分为钢基、铜基及镍基。灰铸铁含碳及有害杂质S、P高，在

42、与母材接触的第一、二层异质焊缝金属中，必然会有铸铁母材过度进去一定的C、S、P，从而易使焊缝产生热裂纹、冷裂纹及淬硬组织。另外，通过扩散过程，焊缝金属的成分对木材办融化渠道白口带宽度有很大影响，进而影响焊接接头的可加工性。由于灰铸铁的强度低塑性差，异质焊缝金属的收缩率、膨胀系数、抗拉强度、屈服强度及塑性的高低，对裂纹的发生都有重要影响。下面分别介绍钢基、铜基、镍基三种焊缝的灰铸铁电弧冷汗焊接材料。4.2 异质（非铸铁型）焊缝的电弧焊焊接材料与工艺4.2.1 异质焊缝的电弧焊焊接材料1 钢基焊缝中的电弧焊焊接材料 利用普通低碳钢焊条焊接铸铁时，寒风出现热裂纹、冷裂纹及淬硬组织，办熔化区的白口宽度

43、较大，基于这种情况，普通低碳钢焊条虽便宜易得，但用于焊接铸铁时，其焊接质量是难能令人满意的。人们又是用于焊补质量要求不高的场合。另外在焊补厚大件裂纹时，先在坡口两侧用镍基铸铁焊条（焊接接头需加工）或高钒铸铁焊条（焊接接头不加工）预堆二层，然后用较便宜的低碳钢焊条分层焊接，在工业上有一定的应用，但应注意防止剥离性裂纹的发生。 EZFe-1纯铁焊条。该型号焊条（市售牌号Z100）是纯铁芯w(C)0.04%氧化性药皮铸铁焊条，药皮中含有较多赤铁矿、大理石等强氧化性物质。其目的是通过碳的氧化反应来降低焊缝中的含碳量。但焊接冶金反应主要是在熔滴过渡过程中进行，在焊接熔池中反应较弱。而碳主要来自铸铁母材，

44、纯铁芯含碳量甚低。且在熔池中进行碳的氧化反应是放热反应，易使熔深有所增加。故采用此种焊条焊接铸铁时，第一层焊缝含碳量虽有所降低，在小热输入焊接时w（C）平均为0.7%左右，焊缝仍属于高碳钢，第一层焊缝硬度可达4050HRC。半熔化白口较宽，一般为0.2mm，故焊接接头无法加工。焊缝仍以发生热裂纹及冷裂纹。该焊条多层焊时脱渣困难。这种焊条在修复经常在高温工作的灰铸铁钢锭模出现的缺陷上有所应用，有时也用于不要求加工、致密性及受力较低的缺陷部位焊补。 EZFe-2碳钢焊条。该型号焊条（市售牌号Z122Fe）是低碳钢芯铁粉型焊条，药皮为低氢型。药皮中加入了一定的低碳铁粉。加入铁粉的目的，仍然是为了降低

45、焊缝的含碳量。通过药皮加入一定的低碳铁粉，不仅可使第一层寒风中焊条融入量相对增加，有利于降低焊缝平均含碳量，而且使电弧热更多地用于熔化焊条，用于熔化铸铁母材的热量相对有所减少，加之焊条药皮含一定铁粉量后，药皮也能导电，并与工件间产生电弧，使电弧热比较分散，这二点均为减少母材熔深有一定作用。利用此种焊条焊接灰铸铁，在采用小焊接热输入情况下，可使单层焊缝的w（C）=0.46%0.56%，属于中碳钢上限范围。焊缝硬度仍高，母材半熔化区白口层较宽，难于加工。故该种焊条只能用于铸铁件非加工面焊补。虽焊缝含碳量有所降低，但消除裂纹仍然是困难的。 EZV型高钒焊条。该型号焊条（市售牌号有Z116、Z117）

46、是低碳钢芯、低氢型药皮的高钒铸铁焊条。焊条的熔敷金属中含w（V）为11%左右，加入钒的目的仍然是为了消除焊缝中碳的有害作用。钒是强烈碳化物形成元素，与碳结合后生成碳化物。当VC比例合适时，焊缝中的碳几乎完全与钒结合而生成弥散状分布的碳化钒，焊缝基体组织则为铁素体。这种焊条的最大优点是焊缝具有优越的抗热裂纹及冷裂纹性能。单层焊缝的硬度低（230HBS），焊缝金属具有很高的塑性性能，其伸缩率可达28%36%，其焊缝抗拉强度可达558MPa左右。其焊缝屈服强度也高，可达343MPa，比灰铸铁焊接强度高很多。当焊补面积较大时，往往在焊缝与母材交界处出现裂纹。由于钒是强烈碳化物形成元素，故钒从焊缝一侧而

47、碳从焊缝一侧各自向熔合线扩散过来，形成了主要由碳化钒颗粒组成的一条非常窄的带，该带硬度较高，加之利用该种焊条焊接灰铸铁时，半熔化区的白口带仍较宽，故焊接接头加工性不及镍基焊条。多层焊时，接头加工性有一定改善，这种焊条仍主要用于铸铁非加工面焊补。Z117需用直流焊接电源，Z116可用交、直流焊接电源，用交流时，空载电压要高一些。2 铜基焊缝的电弧焊焊条铜与碳不形成碳化物，也不溶解碳，彼此之间不形成高硬度组织，铜的Ts及屈服极限低，且塑性特别好，在灰铸铁焊接时铜基焊缝对防止焊缝发生冷裂纹及防治焊接接头发生剥离性裂纹会起着有利的作用。铁在铜中的溶解度情况如下：1083（铜的熔点）时为4%，650为0

48、.2%，室温时溶解度更低，故室温时，铜与铁形成机械混合物。用纯铜电焊条焊接灰铸铁的结果并不理想，主要存在下列两个问题。一是焊接头抗拉强度低，一般只达到7898MPa，相当于灰铸铁的一半；二是纯铜焊缝为单相组织，形成粗大柱晶，焊缝对热裂纹较敏感，在铜基焊缝中含有一定量的铁有利于上述二个问题的解决。例如当铜基焊缝中的铜铁比为80：20时，灰铸铁焊接接头的抗拉强度可达147196 MPa，基本与母材接近。纯铜焊缝的抗热裂纹性能差，发生热裂纹的临界变形速度为10mmmin，而当焊缝金属的铜铁比为80：20时，发生热烈纹的临界变形速度可提高到745 mmmin。但若进一步增大焊缝的铁含量，焊缝塑性下降，

49、易发生冷裂纹。基于上述的原因，我国目前生产的铜铁铸铁焊条的铜铁比一般均为80：20。铜基焊缝加入一定量的铁能提高焊缝抗热裂纹性能的原因是因为铜的熔点低（1083），而铁的熔点高（1530），故熔池结晶时先析出铁的相，这样当温度下降铜开始结晶时，焊缝为双相组织，故有利于提高其抗热裂纹性能。铜基焊缝中机械混合着一定量的高硬度富铁相，增大了焊缝变形抗力，故抗拉强度有所上升，我国目前生产的铜铁铸铁焊条有下列三种。虽国标GBT 100442006新标准未将它们列入，但生产上一直在应用，应予以介绍，故只能用市售牌号予以介绍。 Z607焊条。Z607是以纯铜为焊芯，药皮为低氢型，药皮中含有较多的低碳铁粉，所

50、以有时简称铜芯铁粉焊条。熔敷金属中铜铁比一般为80：20。该焊条具有较高的抗热裂纹及抗冷裂纹性能。由于铜基焊缝的Ts低于灰铸铁的Ts，故焊补较大缺陷时也不易在焊接接头融合区出现剥离性裂纹。由于在常温下铁在铜中的溶解度极小，故焊缝中铜与铁是以机械混合物存在。在第一层焊缝中，即使采用小电流，铸铁母材在焊缝中所占比例也在13左右，母材中的铁及碳较多地熔入焊缝中。由于铜不溶解碳，也不与碳形成碳化物，故碳全部与母材及焊条熔化后的铁结合，在焊接快速冷却下，形成了铜基焊缝中机械混合着马氏体，托氏体等高硬度组织。焊缝加工性不良。由于铜是弱石墨化元素，半熔化区白口仍较宽，故整个焊接接头加工性不良，主要用于拘束度

51、较大部位的缺陷焊补，例如透孔焊补等。 Z612焊条。Z612系铜包钢芯，钛钙型药皮铸铁焊条，熔敷金属中含铜大于70%，余为铁。该焊条特性基本如上述的Z607焊条。主要用于非加工面焊补。基于上述概念，有的工厂简单地自制铜钢焊条，即将一定厚度及宽度的纯铜带螺旋式递进紧紧缠在E5015或E5016低碳钢焊条上，并使该种焊条的铜钢比保证在70%以上。 T227焊条。T227焊条是锡磷青铜为焊芯、药皮为低氢型的铜合金电焊条，该焊条原来主要用于堆焊磷青铜耐磨件。熔敷金属的化学成为（Sn）=7.0%9.0%，（P）0.3%，余量为铜，熔敷金属的抗拉强度270 MPa，伸长率20%。该焊条的特点是熔点低（10

52、27），焊接工艺适当时，母材熔深较浅，焊缝是由锡青铜为基体，其中机械混合少量硬度较高的富铁相组成，白口区较窄，焊接接头可以进行加工，但仍不如镍基焊条，焊缝有较高的抗裂纹性能。铜基焊缝的颜色与灰铸铁相差很大，故对焊补区有颜色一致或相近要求时，不宜采用。3 镍基焊缝的电弧焊焊条镍是奥氏体形成元素，它扩大相区，镍和铁能以任何比例相互固溶。当铁镍合金中（Ni）30%时，相区可以扩展到室温而不发生相变，从高温到室温一直保持相（奥氏体）组织，且硬度较低，镍和碳不形成碳化物。在高温时，镍及镍基合金可以溶解一定量的碳，随温度下降，一部分过饱和碳以石墨析出，碳的析出过程伴随着体积膨胀，有利于降低焊接应力。镍是较

53、强的石墨化元素，而且高温时，扩散系数大，高温时镍的扩散系数随镍基合金中含镍量增加而增大，这对镍基焊缝中的镍向铸铁母材半熔化区扩散，缩小白口区宽度，改善焊接接头加工性会起着非常有利的作用。焊缝含镍量越高，白口宽度越窄，因此对镍基铸铁焊接材料的应用受到人们的重视。 我国新修订的国家标准GBT 100442006铸铁焊条及焊丝，参考美国ANSIAWSA5.151990铸铁焊接用焊条和焊丝规程，增加了铸铁焊接用镍基焊条的品种，.按熔敷金属中主要元素分类，可分为EZNi、EZNiFe、EZNiFeCu、EZNiCu及EZNiFeMn五种类型，有些类型的焊条最后还用数字表示细分类，如EZNi-1、EZNi

54、-2及EZNi-3等，其熔敷金属化学成分有一些变化，但上述我国新标准与美国规程均未对熔敷金属化学成分一些变化的目的加以说明，使用户选用带来困难。参考其他国家资料，其目的主要是调整熔敷金属的力学性能。所有镍基铸铁焊条均采用石墨型药皮，也就是说，药皮中含有较多的石墨，镍基铸铁焊条采用石墨型药皮是基于以下几点理由： 石墨是强脱氧剂，药皮中含有适量石墨，可防止焊缝发生气孔。 析Ni-Fe-C相图可知，在Ni-Fe-C三元合金中，适当的碳可以缩小液-固线结晶区间，也就是缩小高温脆性温度区间，从而有利于提高焊缝抗裂纹能力。 碳的析出，降低了焊缝的收缩应力，有利于降低热影响区熔合线附近发生冷裂纹的倾向。 有

55、利于降低半熔化区中的碳向焊缝扩散程度，进一步降低该区白口宽度。镍基铸铁焊条的最大特点是焊缝硬度较低，半熔化区白口层薄，且呈断续分布故适用于加工面焊补，镍基焊缝的颜色与灰铸铁母材相接近，是其另一特点。基铸铁焊条对热裂纹较敏感。当镍基焊缝中含有适量的碳、稀土及细化晶粒时，可明显提案高其抗裂纹能力。要使镍基铸铁焊条的熔敷金属的石墨不成片状，而成球状才能使熔敷金属的力学性能大为提高，也需要熔敷金属中含有微量稀土作为石墨球化剂。镍基焊条价格贵，应主要用于加工面焊补。工件厚时或缺陷面积较大时，可先用镍基焊条在坡口上堆焊二层作过渡层，中间熔敷金属可采用其他较便宜的焊条，以节约焊补费用。我国目前生产的镍基铸铁

56、焊条主要有以下几种， EZNi型焊条：该号焊条（市售牌号为Z308）是纯镍（Ni） 85%焊芯、石墨型药皮的铸铁焊条。这种焊条的最大特点是其电弧冷焊焊接接头的可加共性优异，焊接工艺正确时其铸铁母材上半熔化区的白口带宽度一般为 0.05mm左右，比所有其他铸铁焊条都窄，并呈断续分布，热影响区的硬度 250HBW，硬度焊缝一般为130170 HBW。焊缝金属抗拉强度240MPa，并具有一定的塑性性能，其灰铸铁焊接接头的抗拉强度可达147196 MPa，与灰铸铁HT150及HT200相当，焊缝颜色基本与母材接近，配合适当焊接工艺，焊条抗裂性能好。适当调整焊缝化学成分，可使熔敷金属抗拉强度达426 M

57、Pa，伸长率可达12.4%，可以满足铸态铁素体球铁焊接的要求，但这种焊条也是铸铁焊条中最贵的焊条，应该在其他铸铁焊条不能满足要求时才选用。主要用于对焊补后加工性要求高的加工面焊补。 EZNiFe型焊条：该型号焊条市售牌号为Z408，是镍铁合金（Ni）=45%60%焊芯、石墨型药皮的铸铁焊条。由于铁的固溶强化作用，故该焊条的熔敷金属力学性能较高，其抗拉强度可达390540 MPa，伸长率一般大于10%。焊接灰铸铁时，焊接接头均断在母材上，焊接球铁时焊接接头抗拉强度可达400 MPa左右。故该焊条主要用于高强度灰铸铁及铁素体或铁素体加珠光体基体球墨铸铁焊接。通过对焊缝加入微量Nb、Ti等，形成NbC、TiC等对焊缝金属的弥散强化及细晶强化，可使焊缝金属的抗拉强度达632 MPa，屈服强度达415 MPa，伸长率达7.35%。可满足以珠光体加铁素体为基体的QT600-3球铁力学性能的要求。该焊条焊缝金属抗裂性能优于纯镍及镍铜铸铁焊条。这是由于NI55、Fe45的镍铁合金的膨胀系数与铸铁相近，有利于降低焊接应力，焊缝的硬度为160210 HBW。由于焊缝金属含镍量不及纯镍焊条高，在合适焊接工艺下，其半熔化区白口宽度一般为0.1mm左右，热影响区最高硬度300 HBW，故焊接接头