毕业设计(灰铸铁焊接)

1、安徽机电职业技术学院毕 业 设 计灰铸铁的焊接性及焊接工艺研究系 别 机械工程系 专 业 焊接技术及自动化 班 级 焊接3112班 姓 名 王委托 学 号 1203113048 20132014学年第一学期第一章 摘要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

2、点：一方面，由于石墨强度较低，且以片状的形态存在，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。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

3、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年产量的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。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。焊接结构已有日新月异的发展，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

4、，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新的要求，因而得到了相应发展。第二章 灰铸铁的分类及其性能一、 铸铁分类根据碳在铸铁中存在的形态，可将铸铁分为：灰铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。灰铸铁中的碳全部或大部以片状石墨形态存在，因其断口呈灰色而得名。它具有一定的力学性能和良好的加工性能，是目前使用得最多的一种铸铁。白口铸铁简称白口铁，其中碳除极少量溶于铁素体外，其余都以渗碳体（Fe3C）的形态存在，断口呈白亮色，故称“白口”。这种铸铁的组织为渗碳体和共晶莱氏体，均属脆硬相，不能进行切削加工，故在机械工业中极少用来直接制造及其零部件，主要用

5、作炼钢的原料或作为可锻铸铁件的毛坯。球墨铸铁简称球铁，其中碳全部或大部以球状石墨的形态存在。由于石墨呈球状分布，就大大降低了石墨割裂金属基体组织的作用，因此球墨铸铁具有较高的强度和一定的韧性，能通过热处理（如正火、淬火、退火等）显著改善其力学性能，可以用来制造力学性能要求较高的铸件，并可在一定范围内代替碳钢或合金钢来制造某些强度要求较高或形状较为复杂的铸件。可锻铸铁是因其具有较高的韧性而得名，实际并不可锻。其中碳大部分以团絮状石墨的形态存在，它是由一定成分的白口铸铁经长时间的石墨化退火而得到的。因团絮状石墨对金属基体组织破坏作用小，故具有较高的强度和韧性，适于制造形状复杂、受冲击载荷的薄壁铸件

6、。我国上述各类逐渐的化学成分大致范围见表2-1。由表2-1中对比可看出：灰铸铁中硫、磷杂质含量最高，碳、硅含量适中，锰含量较高；球墨铸铁中硫、磷含量最低，有较高的碳硅含量和一定的含锰量，并且含有球化元素镁、稀土（RE）等；可锻铸铁中碳、硅、硫、磷等含量均低于灰铸铁。在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁的力学性能（强度、塑性、韧性）为最高，可锻铸铁次之，蠕墨铸铁又次之，灰铸铁最差。但由于灰铸铁成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减震性均优良的特点，是工业中应用最广泛的一种铸铁。表2-1 常用铸铁的化学成分铸铁类别化学成分(%)C SiMnSP其它灰铸铁2.7 3.61.02.20.51.3

7、0.150.3球墨铸铁3.63.92.03.20.30.80.030.1Mg残0.030.06RE残0.020.05可锻铸铁2.42.71.41.80.50.70.10.2Cr0.06二、灰铸铁的性能性能灰铸铁中的碳以片状石墨的形态存在于球光体或铁素体中，或二者按不同比例混合的基体组织中，其断口呈灰色，因此而得名。石墨的力学能力很低，使金属基本承受负荷的有效截面积减小，而且片状石墨使应力严重集中(影 响很大的是石墨片的数量、长短、粗细)，因而使灰铸铁的力学性能不高。普通灰铸铁的金属基体是由珠光体与铁索体按不同比例组成，珠光体含量越高的灰铸铁，其抗拉强度也越高，其硬度也相应有所提高，常见灰铸铁的

8、力学性能见表 2-2。 表2-2 灰铸铁牌号与力学性能铸铁类型牌号b/MPaHBS不小于铁素体灰铸铁HT100100175铁素体-珠光体灰铸铁HT150150150200珠光体铁素体HT200200170220HT250250190240孕育铸铁HT300300210260HT350350230280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

9、，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，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。三、灰铸铁的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

10、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

11、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2-3所示：表2-3 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.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

12、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612ms的带轮HT200HT2501.强度、耐磨性、耐热性良好2.减振性良好3.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1215ms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

13、。1.高拉力和高弯曲力2.摩擦面压力>1960KPa，或需表面淬火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2025ms 的带轮第三章 灰铸铁的焊接性及焊接工艺特点一、 铸铁焊接性分析 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，塑性差。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

14、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，另一方面焊接接头易出现裂纹。二、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。c为3.0%、si为2.5%的灰铸铁在电弧焊后其接头的组织变化情况如图3-1所示。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。1.焊缝区该区域在加热过程中处于液相温度以上。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

15、，由于焊缝冷却速度很大，形成的焊缝组织为共晶渗碳体加二次渗碳铁加珠光体，基本上为白口组织。防止措施： 焊缝为铸铁：一般采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度（如：增大线能量）或调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。铸铁中的元素按其对石墨化的影响程度排列如下： 异质焊缝：若采用低碳钢焊条进行焊接，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

16、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。2.半熔化区特点：该区域很窄，温度处于液相线和固相线之间，其范围为11501250，是固相奥氏体与部分液相并存的区域。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。（1）冷却速度对半熔化区白口铸铁的影响当按界稳定系转变时，在共晶温度区间（约1150）开始共晶转变，析出共晶渗碳体；因共晶区间很窄，转变很快完毕，得到莱氏体组织(即共晶渗碳体加奥氏体组织)。随着温度继续降低，奥氏体会析出二次渗碳体，并在共析转变温度区间形成珠光体。这样，在熔化区得到的

17、基本组织是，共晶渗碳体加二次渗碳体加珠光体。碳在铸铁中将全部以渗碳体的形式存在，为白口组织，若冷却速度更快时，奥氏体还会转变成为马氏体的可能性，其塑性将会更差。其左侧为亚共晶白口铸铁，其中白色条状物为渗碳体，黑色点、条状物及较大的黑色物为奥氏体转变后形成的珠光体。右侧为奥氏体快冷转变成的竹叶状高碳马氏体，白色为残余奥氏体。还可看到一些未熔化的片状石墨。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

18、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。（2）化学成分对半熔化区白口铸铁的影响半熔化区与焊缝紧密相连，焊缝的化学成分对其白口层宽度也有一定的影响。高温时，半熔化区与焊接熔池中的原子之间相互都能进行一定程度的扩散。焊缝中含有促进石墨化元素较多时，相互间原子的扩散，将有利于减少或消除半熔化区白口层；反之，当焊缝中含有促进石墨化元素较少（或阻碍石墨化元素较多）时，由于扩散将会加剧半熔化区中白口组织的形成，使半熔化区的白口层增宽。3.奥氏体区该区是固态区域，其温度范围约为8001100。当温度下降时，若冷却速度较大，奥氏体中会析出渗碳奥氏体，共析转变时奥氏体转变为珠光体组织

19、。若焊前铸铁的原始组织为片状石墨加珠光体加铁素体，因加热温度超过共析转变温度，珠光体加铁素体就会转变成奥氏体，并且随着温度的升高，石墨中也会有一部分碳溶入奥氏体。在冷却速度较大时，该区域焊后的组织是片状石墨加二次渗碳体加珠光体组织。因此，焊后是一种不完全石墨化的组织形态。在奥氏体区中，因其距焊缝的位置不同，各点的焊接热循环也不相同，故各点奥氏体中碳的含量也是不一样的；距半熔化区近的奥氏体碳的含量就高，而离半熔化区稍远的奥氏体中碳的含量低，所有其组织也是很不均匀。当冷却速度更快时，在该区域还可能出现马氏体淬硬组织。该区焊后将比母材的硬度有一定的提高。熔焊时，采用适当工艺使该区焊接冷却速度减慢，延

20、长半熔化区处于红热状态的时间，有利于石墨的充分析出，故可实现半熔化区的石墨化过程。通常采用的措施是焊前预热和焊后保温缓冷。为了确保接头（尤其是半熔化区）充分石墨化，焊接时预热的温度都比较高，一般为400700，同时还要保温缓冷，方可完全避免白口组织的产生。4.重结晶区部分重结晶区很窄，加热温度范围约为780820，从铁-碳二元相图来看，该区处于奥氏体与铁素体双相区。在电弧焊条件下，母材中的珠光体加热时转变为奥氏体，铁素体晶粒长大。冷却过程中，再次发生固态相变，奥氏体又转变回珠光体类型组织，快冷时会出现马氏体，最终得到马氏体铁素体混合组织。三、灰铸铁的焊接工艺性铸铁的化学成分特点是碳、硅含量高，

21、硫、磷杂质含量高，灰铸铁力学性能特点是强度低，塑性差。由于焊接加工具有冷却速度快，焊件受热不均匀造成较大焊接应力等特殊性，铸铁的成分和性能特点使得铸铁的焊接性较差，表现在焊接接头容易出现白口及淬硬组织、容易产生裂纹。所以，在铸造过程中也极容易出现缺陷，补焊是铸铁业时常要做的工作。由于灰铸铁的化学成份和物理性质的特殊性，在实施补焊时也就不同于一般钢材的焊接工艺。本文从分析灰铸铁化学成份和物理性质入手，进而介绍灰铸铁常用的补焊方法和补焊缺陷的预防。目前国内生产的灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT260、HT300、 HT350及HT400。灰铸铁的焊接性能较差，如果焊接材料和工艺

22、措施选用不当，会在焊缝和热影响区产生白口、淬硬组织和裂纹三种种严重缺陷，影响补焊的质量。对于灰铸铁的补焊有电弧热焊、半热焊和冷焊三种工艺。第四章 灰铸铁的常用焊接方法一、 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。二、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。预热温度到600700称为热焊，预热温度300400称为半热焊。1.热焊及半热焊焊条电弧热焊及半热焊的焊条

23、均有两种类型，一种为铸铁芯石墨化铸铁焊条（Z248）；另一种为钢芯石墨化铸铁焊条(Z208)。为了使填充金属为铸铁成分，以保证焊缝充分石墨化，同时补充烧损，这类焊条的碳硅总量一般高于母材，w(C+Si)=6%8%,其中w(C)=3%3.8%,w(Si) =3%3.8%。“Z208”主要用于补焊厚大铸件的缺陷,这类焊条所用焊芯为6 12mm铸铁棒,外涂石墨化药皮,这种焊条多由使用单位自制,专业焊条厂很少生产。铸铁芯焊条直径大，可配合使用大焊接电流，以加快焊接速度，缩短工人从事热焊的时间，有利于降低焊工的劳动强度。由于铸铁芯焊条制造工艺较钢芯焊条复杂，故成本高于“Z208”。“Z208”焊条采用低

24、碳钢焊芯，外涂强石墨化药皮，焊缝为铸铁型。由于焊条药皮加入了较多的强促进石墨化的物质，如硅铁，石墨，铝粉等，虽焊芯为低碳钢，在热焊及半热焊条件下仍可保证获得成分与组织为灰铸铁的焊缝。这类焊条原材料来源丰富，生产制造方便，成本也较低，一般专业焊条厂均可生产。2.热焊工艺电弧热焊时，一般将铸件整体或补焊区局部预热到600700，然后再进行焊接，焊后保温缓冷。热焊预热温度一般在700以下，不超过铸铁的共析转变温度。因为，超过共析转变温度时，焊后会引起铸铁的基体组织变化，珠光体基体中的渗碳体会在共析转变时分解并形成石墨，使铸件的硬度和耐磨性降；而且在石墨析出时，还伴随着体积长大，使铸件的变形增加。再者

25、，铸铁在600700预热温度下焊接，不仅有效地减小的接头的温差，而且铸铁由常温时完全无塑性变为有一定的塑性（其伸长率=2%3%）, 加之焊后缓慢冷却, 使接头的应力状态大为改善, 从而有效地防止了冷裂纹的产生。由于热焊预热温度高及缓慢冷却，焊接接头石墨化充分，故也能完全防止白口及淬硬组织产生。热焊工艺具体如下：（1）预热 对结构复杂的铸件，由于补焊区刚性大，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，补焊处刚性小，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。整体预热的方法一般是将铸件整体用地炉或砖砌明炉加热，局部预热可用气焊或煤气火焰加热。大型工

26、厂中铸件补焊批量大时，常装备有专门进行预热的连续式煤气加热炉。铸件补焊前，进行装有传送带的煤气加热炉，依次经过低温，中温及高温加热，使焊件升温缓慢而均匀，然后出炉补焊。补焊后再把焊件送入另一传送带，反过来由高温区到低温区出炉，以消除补焊后的残余应力。（2）焊前清理 在进行电弧热焊之前，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加热除净，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。（3）造型 对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金

27、属流失，保证原定的焊缝成形， 还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图4-1所示。造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置高温的石墨片，以防止造型材料受热溶化或下塌，并应在焊前进行烘干。图4-1 热焊补焊区造型示意图a)中间缺陷焊补 b)边角缺陷焊补（4）焊接 焊接时，为保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流，长弧，连续焊。焊接电流I的确定，可根据经验公式: I=（4060）d。式中d表示焊条直径。因铸铁焊条药皮中含又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。（5）焊后缓冷 焊后要采取缓冷措施，常用保温材料覆盖（如石棉灰

28、等），最好随炉冷却，电弧热焊适用于中厚（10以上）铸件的大缺陷补焊。对于8以下的薄壁铸件补焊理时，因容易烧穿，故不宜使用。采用电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本于母材相同，颜色与母材一样，具有良好的切削加工性，焊后残佘应用力小，接头质量高。但是，由于铸件的预热的温度高，使操作者的工作条件恶化；同时加热消耗燃料多，会使补焊成本增高；另外，焊接工艺复杂化，增加了生产周期，使生产效率降低。因此，电弧热焊工艺的应用和发展都受到了较大的限制。3.半热焊工艺 为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当的提高焊缝的石墨化能力，采用300400的整体或局部的预热，用于钢度较小的铸件焊接，也以

29、收到较好的效果。由于预热温度有一定程度的降低，与前述热焊相比，可以使劳动条件有所改善，并可降低补焊成本，当预热温度在400左右时，铸铁的弹性变形能力略有增加，故在铸件补焊处应较小时，往往采用这种半热焊工艺。半热焊预热温度较低，铸件在焊接时的温度差要比热焊条件不大，故焊接区冷焊速度将加快。因此，为了防止产生白口组织和裂纹，保证焊缝石墨化，焊缝中的石墨化元素含量一般时应高于热焊时的含量，其碳、硅总量为W（C+Si）=6.5%8.3%，其中W（C）=3.5%4.5%，W（Si）=3%3.8%。一般情况下可采用“Z208”或“Z248”铸铁焊条。半热焊工艺过程基本与热焊时相同，即大电流、长弧、连续焊，

30、焊后保温缓冷。 由于半热焊预热温度比热焊低，在加热时铸件的塑性变形不明显，因而在补焊区刚性较大时，不易产生变形，内应力增大而导致接头产生裂纹等缺陷。因此，电弧半热焊只能用于焊补区刚度较小或铸件形状简单的情况下。三、焊缝为铸铁型的电弧冷焊电弧冷焊的特点是焊前对被补焊的焊件不预热。所以电弧冷焊有很多优点，焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过程短，补焊效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的以加工面等情况更适于采用冷焊。所以冷焊是一个发展方向。1.铸铁型焊条电弧冷焊的工艺要点在冷焊条件下，为了防止焊接接头上出现白口及淬硬组织，还应从减慢焊接接头的冷却速度着手。为此应采用大直径焊条，大电流连续焊工艺

31、。同质焊缝时若采用小电流断续焊工艺，由于冷却速度快，焊缝易出现白口组织，焊缝易裂，且无法加工。但当补焊缺陷面积小时,因熔池体积过小，冷却快，焊接接头仍易出现白口组织。如果情况允许，可把缺陷面积适当扩大，则可消除白口组织。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。其焊接电流的选择可参照表4-1.电弧长度约810，由中心向边缘连续焊接。当坡口焊满后不要停弧，用电弧沿熔池边缘靠近砂型移动（图4-2a），使焊缝堆高。由于电弧热通过上层焊缝传入半熔化区，使其在红热状态延续一段时间，不仅减慢冷却速度，有利于石墨充分析出；并且延长了焊缝上部半熔化区的存在时间

32、，有利于焊缝中碳的扩散，使白口组织减小或消除。此外，同质焊缝冷焊时，一般焊缝的高度要超出工件表面58mm，其焊后焊面形状如图4-2b所示。焊后电弧应立即覆盖熔池，以保温缓慢冷却。表4-1 铸铁型焊条冷焊电流选择焊条直径/58焊接电流/A250350380600铸铁型焊条电弧冷焊较电弧热焊工艺简便，焊接成本交低，在补焊较大缺陷时，只要运用工艺适当，焊后焊缝加工性能好，其最高硬度不超过250HBS。当补焊区的刚性较小时，由于焊缝能自由收缩，焊后一般都不会产生裂纹，而且性能、颜色与母材一致。但是，由于焊缝仍为灰铸铁组织，强度低而无塑性；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

33、陷时焊接区产生的应力较大，故容易产生裂纹。但对一些大中型铸件端部缺陷的补焊，收到了很好的效果。该法在一些机床厂及铸造厂中得到一定的推广应用。4.异质（非铸铁）焊缝的焊条电弧冷焊异质焊缝又称为非铸铁型焊缝。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，而且使焊接操作者的工作条件得到改善。此外，它还具有适应范围广、可进行全位置焊接及焊接效率高等特点，所以异质焊缝电弧冷焊是一种很有发展前途的焊接工艺方法。（1）镍基焊缝手弧焊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

34、变。Ni、Cu为非C化物形成元素，不会与C 形成高硬度的碳化物。以Ni为主要成分的奥氏体，及a相均能溶解较高的C。例：纯Ni，1300，溶解2% 的C,温度下降后会有少量C由于过饱的而以细小的石墨析出，故焊缝有一定的塑性与强度，且硬度较低。另外，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W(Ni)=55%,余为Fe、镍铜焊芯W(Ni)=70%,余为Cu三种，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，可防止焊缝产生气孔。适量C

35、可以缩小液固相线结晶区间，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的能力。有利于降低半熔化区中的C向焊缝扩散的程度，进一步降低该区白口宽度。镍基焊条的最大特点是焊缝硬度较低，半熔化区白口层薄，适用于加工面焊补，而且镍基焊缝的顔色与灰铸铁母材相接近，更利于加工面焊补。镍基铸铁焊条价格贵，应主要用于加工面的焊补，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两层过渡层，中间熔敷金属可采用其它较便宜的焊条。（2）铜基焊条手弧焊镍基焊条的确适应性高，但Ni价格昂贵，焊接工作者研究Cu与C不生成碳化物，也不溶解C，C以石墨形态析出，Cu有很好的塑性，Cu又是弱石墨化元素，对减少半熔化区

36、白口也有些作用。但纯Cu焊缝对热裂纹很敏感，抗拉强度低，在焊缝中加入一定量的Fe,可大大提高焊缝的抗热裂性能。原因：铜的熔点低（1083）而铁的熔点高（1530），故熔池结晶时先析出Fe的相，当铜开始结晶时，焊缝为双相组织。但Cu基铸铁焊条中含Fe量超过30%后，则焊缝的脆性增大，容易出现低温裂纹。故目前铜基铸铁焊条中的Cu、Fe比80：20为宜.铜基铸铁焊条的特点：（在常温下铁在Cu中的溶解度很小）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

37、及母材熔化后的Fe结合，在焊缝快冷情况下，形成M、Fe3C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。（3）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。细丝CO2气体保护焊采用小电流，低电压焊接且属于短路过渡过程，故有利于减少母材熔深，降低焊缝含碳量，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。此外，CO2保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

38、，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。（4）冷焊工艺要点要获得好的焊接质量，不仅取决于正确选择焊接材料，而且要掌握正确的工艺措施。因为不预热，采用异质焊条进行电弧冷焊的主要工艺特点是：采用小焊接电流“短断、分散、断续” 焊接。并且注意焊接顺序，在焊后及时锤击焊道，以减小应力防止裂纹。采用较小的焊接电流，

39、可减小溶深，使母材中的碳、硫、磷等杂质进入熔池数量减少，而减小了焊缝的热裂倾向，也有利于防止冷裂纹的产生，改善接头加工性能。在焊接过程中，每次熄弧后，应立即用带球面的小锤锤击焊道，使焊缝表面出现小麻坑，产生局部塑性变形，可松弛焊补区产生的应力。五、气焊气焊火焰温度比电弧焊低得多，其加热速度缓慢，加热范围较宽，焊缝的冷却速度也较低，因此，进行气焊，实际上相当于局部预热，接近于电弧热焊或半热焊情况，有利于石墨化过程。但是，由于加热速度缓慢且加热时间长。使焊接效率降低，同时也使焊接应力增大，故用气焊焊接刚性较大的铸件时，接头产生裂纹的倾向增大。所以铸铁的气焊一般只用刚度较小的薄壁铸件焊接时可不预热。

40、对刚度大的铸件，宜采用整体或局部预热的热焊法。而有些刚性较大的铸件，可用“加热减应区”的气焊方法。1.气焊焊接材料 灰铸铁气焊时，所用的气焊焊丝成分见表4-2。其中1号焊丝的碳硅含量较低，适用于热焊；2号焊焊丝碳硅含量较高，适用于冷焊。铸铁在气焊时，因其硅量较高，熔池冶金反应过程中硅容易被氧化，会形成难溶的酸性氧化SiO2，其熔点约为1713，使熔渣粘度增大而流动性变差，影响焊接过程的正常进行，还容易造成焊缝夹渣等缺陷。因此，气焊铸铁时一般要在熔池中加入适量的碱形成熔点较低的熔渣，浮于熔池表面而被清除。我国焊接铸铁所有气焊溶剂的统一牌号为“CJ201”，其主要成分为Na2CO3,NaHCO3,

41、H3BO3呈碱性，熔点较低，易潮解。除外购外，气焊熔剂也可按表4-3自制（1号为CJ201配方）。2.灰铸铁气焊工艺气焊前要对铸件进行清理，其焊前清理和准备工作基本与焊条电弧焊相同。制备坡口一般可采用机械方法。当铸件断面很小或不能用机械方法开坡口时，也可用氧气切割直接开出坡口。气焊时，应根据铸件厚度适当选用较大焊码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能率，增大加热速度。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。铸件焊后可自然冷却，但注意不要放在空气流通的地方加速冷却，否则会促使白口及

42、裂纹产生。一般较小的铸件气焊时，凡是缺陷位于边角和刚度较小的地方，可用冷焊方法。其特点是不用单独预热，仅依靠焊炬的火焰在坡口周围进行预热后即可熔化施焊，焊后自然缓冷一般就可得到无裂纹缺陷的接头。但是，当缺陷位于铸铁中央，接头刚度较大或铸件形状较复杂时，采用冷焊的效果往往不好，应采用预热温度为600700的热焊法，或者是“加热减应区”法焊接。采用加热减应区法是气焊铸铁的常用方法，这种方法又叫“对称加热焊”，用这种方法在焊接前，要在铸件上选定加热后可使接头应力减小的部位，该部位称为“减应区”，减应区一般是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。如图66所示，在焊接时，先将减应区加热到一定的温度，便其膨胀伸长；

43、要补焊的裂纹处宽度也将会随之增大；这时对补焊处进行焊接，并应保持减应区处于较高的温度。焊接后减应区与焊缝同时缓冷，接头和减应区将沿同一方向自由收缩，故使焊接应力减小，降低了其产生裂纹的倾向。由以上分析可见，加热减应区焊接的关键是选取减应区。在选取减应区时还应注意，该区的变形应对铸件其他部位无不良影响。根据铸件的状态和需要，加热减应区可选择一处，也可选择两处或多处。减应区的加热，应根据铸件的状态灵活运用。例如，补焊薄壁铸件，接头冷却速度较快时，应首先对减应区加热，并在焊接中保持加热温度；而有些铸件形态不太复杂，接头焊后不会马上出现裂纹，为保证减应区与焊接区同时收缩，可在焊接接近终了时才对减应区进

44、行加热。有时为了方便操作及加热，可使用两把焊炬，一把用于焊接，另一把则用于加热减应区，其效果会更好。采用加热减应区法焊接铸件，具有热焊的特点。与热焊相比，该法焊接效率高，劳动条件好，其焊接成本也较低。但是，这种气焊方法对工艺要求也比较严格，减应区的选择也颇为麻烦，故对焊接操作者要求很高。另外，这种方法也不适于全位置焊接。随着加热减应区法的发展与完善，使过去某些采用整体预热方可补焊的铸件，可用较简便的加热减应区法所代替。所以，这种方法在农机、汽车修理、制造部门得到了推广应用。加热减应区法，有时也可和焊条电弧焊联用，采取氧乙炔焰加热减应区与电弧冷焊相配合，也能收到满意的效果。六、灰铸铁的钎焊铸铁钎

45、焊时，母材本身不熔化，可避免接头产生白口组织；并且由于钎料熔点较低，加热温度也随之降低，使焊接应力减小，故不容易产生裂纹。因此，钎焊接头加 工优良，产生缺陷倾向小，用于铸铁焊接有一定的优越性。铸铁常用的是氧乙炔钎焊。最常用的钎料是铜锌钎料“HL103”，他的含铜量wcu53%55%（余量为锌），熔点为885890。钎料一般采用硼砂，也可用硼砂50%加 50%硼酸（质量分数）。由于铸铁中有石墨存在，并且含硅量高以及铸件表面常有夹 砂，故其钎焊性比钢差。铸铁钎焊时，除了要清理油污、杂质外，还应采用弱氧化焰，在钎焊前将铸件坡口表面的石墨烧去，以形成大量的孔隙。在钎焊中采用弱氧化焰，还可在钎料熔池表面

46、形成一层氧化锌膜，以减少熔池中锌的氧化和蒸发。近年来，我国已经在研制出新型的锰镍铜锌钎料及相应的钎剂（见表4-4和表4-5），用于铸铁的钎焊取得较好的效果。第五章 灰铸铁的焊接裂纹及预防灰铸铁属脆性金属材料，抗裂能力差，在焊接应力的作用下焊接接头很容易开裂。灰铸铁在补焊时，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可能产生热裂纹。一、冷裂纹焊接时产生这种裂纹的温度一般在400以下，多发生在焊缝和热影响区影响区以上。1.冷裂纹产生的主要因素a.灰铸铁强度低，塑性几乎为零，无塑性变形能力；b.焊件上受到不均匀的加热和冷却，产生热应力和收缩应力。焊件上温差大，这些应力也愈大。、

47、c.焊接接头上产生了白口组织和淬硬组织，这些组织比灰铸铁还脆，尤其白口组织，不能塑性变形，最易开裂。2.焊缝上的冷裂纹主要决定于焊缝金属的性质（1）铸铁型（同质）焊缝是否产生冷裂纹决定于焊缝的组织。当焊缝中有白口铸铁时容易开裂，因白口铸铁的收缩率大于母材的收缩率，憨厚产生较大的收缩应力，白口铸铁无法承受大的收缩应力。焊缝中渗碳体量越多，越容易产生裂纹；但焊缝的基体为铁索体或珠光体，而石墨化过程进行的较充分时，焊缝就不易产生裂纹。因为石墨化过程伴随着体积膨胀，可以松弛部分收缩应力。这是能导致开裂的原因主要是石墨的形态及其分布，粗而长的片状石墨笔细而短的片状石墨容易开裂，如果焊缝中的石墨呈团絮状或

48、球状，则具有较好的抗裂性能。（2）非铸铁型（异质）焊缝是否产生冷裂纹决定于焊缝金属的塑性和焊接工艺的合理配合。当焊缝为奥氏体、铁素体或镍基、铜基的焊缝时，由于较好的塑形而不易产生冷裂纹；当采用低碳钢或其他合金焊条做铸铁电弧冷汗时，第一层焊缝因母材（灰铸铁）的熔入而变成高碳钢，快速冷却时就会产生淬硬组织高低马氏体，容易产生冷裂纹。3.热影响区上的冷裂纹在电弧冷焊灰铸铁时，影响区上容易产生冷裂纹。前已述及热影响区内的半熔化区（温度范围为1150-1250）及奥氏体区（温度范围为820-1150）在快速冷却时就容易产生渗碳体和马氏体淬硬组织，当焊接应力超过了它们的强度时就会产生裂纹。裂纹多为纵向分布

49、，且常出现在半熔化区与奥氏体交界处，沿界面开裂，会造成整个焊缝金属剥离下来。焊缝为碳钢时，半熔合区为白口组织，奥氏体区位石墨化不完全的半白口组织或马氏体组织。焊缝的收速率约为2.17%，半熔化区约为2.3%，奥氏体区约为1.1%，冷却过程中收缩率不同的三个部分之间，必然产生很大的剪切应力，当超过材料的抗剪强的时，就会沿界面裂开，严重时发生整个焊缝剥离。厚壁铸件冷却时，由于坡口深，须多层焊，积累的焊接应力也容易产生焊缝剥离；对于同质焊缝，如果焊缝强度高，如采用高钒铸铁焊条，焊接时不采取减少焊接应力的措施的话，也容易产生焊缝的剥离。4.防止冷裂纹的措施减小焊接接头的应力和避免焊接接头出现渗碳体和马

50、氏体是防止灰铸铁冷裂纹的基本措施。a铸铁型焊缝时，焊前预热，焊后缓冷。这样既可减小焊接应力又能避免白口等脆性组织的产生。b非铸铁型焊缝时，选用好焊缝具有良好塑性的焊接材料，这样可以松弛焊接应力。c再焊补厚大铸铁件时，采取开窄坡口、内填板等措施以减小焊缝体积，减小焊接应力；也可以焊前在坡口内载丝，以分散焊接应力。d在工艺上采用短段焊、断续分散焊和焊后锤击焊缝等手段可以减小焊接应力。二、热裂纹灰铸铁的焊接热裂纹主要出现在焊缝上。铸铁型焊缝对热裂纹不敏感，因为焊缝高温时石墨析出，使体积增加，有助于减小焊接应力，在非铸铁型焊缝中，如果用碳钢焊条，则焊缝极易产生热裂纹，用镍基焊条时也有一定的热裂倾向。1

51、.产生热裂纹的主要因素用低碳钢焊条焊接灰铸铁的第一层焊缝最容易发生热裂纹，因为作为母材的灰铸铁其碳、硫和磷含量高，熔入第一层焊缝的量较多使钢质焊缝平均含碳、硫和磷增加，而碳、硫和磷是碳钢发生结晶裂纹的有害元素。所以第一层焊缝产生热裂纹机率最大。用镍基焊条焊接时，也因母材熔入焊缝使硫、磷有害元素增加，易生成低熔共晶物，如NiNi3S5的共晶温度为644，NiNi3P的共晶温度为880，故镍基焊缝也有热裂倾向。2.热裂纹的防止防止焊缝金属产生热裂纹的途径是从冶金处理和焊接工艺两方面采取措施。在冶金方面，通过调整焊缝化学成分，使其脆性温度区间缩小；加入稀土元素，增强脱硫、去磷能力以减少晶间低溶物质；

52、是晶粒细化等。在工艺方面要正确制定冷焊操作工艺使焊接应力降低和使母材熔入焊缝中的比例（既熔合比）尽可能小。第六章 灰铸铁的焊接检验焊接质量检验贯穿整个焊接过程，包括焊前、焊接过程中和焊后成品检验三个阶段。一、 焊接质量检验的内容和要求 1.焊前检验 焊前检验是指焊件投产前应进行的检验工作，是焊接检验的第一阶段，其目的是预先防止和减少焊接时产生缺陷的可能性。包括的项目有： 检验焊接基本金属、焊丝、焊条的型号和材质是否符合设计或规定的要求； 检验其他焊接材料，如埋弧自动焊剂的牌号、气体保护焊保护气体的纯度和配比等是否符合工艺规程的要求 对焊接工艺措施进行检验，以保证焊接能顺利进行； 检验焊接坡口的

53、加工质量和焊接接头的装配质量是否符合图样要求； 检验焊接设备及其辅助工具是否完好，接线和管道联接是否合乎要求； 检验焊接材料是否按照工艺要求进行去锈、烘干、预热等； 对焊工操作技术水平进行鉴定； 检验焊接产品图样和焊接工艺规程等技术文件是否齐备。 2.焊接生产过程中的检验焊接过程中的检验是焊接检验的第二阶段，由焊工在操作过程中，其目的是为了防止由于操作原因或其他特殊因索的影响而产生的焊接缺陷，便于及时发现问题并加以解决。包括：检验在焊接过程中焊接设备的运行情况是否正常；对焊接工艺规程和规范规定的执行情况； 焊接夹具在焊接过程中的夹紧情况是否牢固； 操作过程中可能出现的未焊透、夹渣、气孔、烧穿等焊接缺陷等； 焊接接头质量的中间检验，如厚壁焊件的中间检验等。焊前检验和焊接过程中检验，是防止产生缺陷、避免返修的重要环节。尽管多数焊接缺陷可以通过返修来消除，但返修要消耗材料、能源、工时、增加产品成本。通常返修要求采取更严格的工艺措施，造成工作的麻烦，而返修处可能产生更为复杂的