再次修改——异质材料焊接55

1、目 录引 言1第一章 试验材料、方法及设备21.1 实验材料及设备21.2 试验方法3第二章 主要问题，本次试验结果及对比分析52.1 灰口铸铁可焊性分析52.1.1焊接接头易出现白口及淬硬组织52.1.2整个焊接接头可分为六个区域62.2白口及淬硬组织对机械加工性能的影响82.3 焊接电流对焊接接口的影响82.4异质材料对铸铁焊接的影响13结 论16致 谢17参考文献18引 言铸铁具有成本低，铸造性能好，容易进行切削加工等优点，而且熔化设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用。特别在近代，球墨铸铁问世以来，由于其机械性能接近于铸钢，原先不少的铸钢及锻钢件现已为球墨铸铁所替代。铸铁的应

2、用范围日益广泛。铸铁焊接主要用在：1.铸造缺陷的焊补。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%，即通常所说的废品率为10%15%，若这些铸件工报废，以现今铸铁平均价格计算 ，其损失每年高达10亿元以上。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。2.已损坏铸铁件的焊补。由于各种原因，铸铁件（如气缸、空气锤等）在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，试产品报废。若要更换的，有的新铸件一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机加工的，价格也往往很贵。若能及时用焊接方法修复

3、，不仅有利于生产任务的及时完成，而且可以节约大批资金。 例如某燃气厂一加压站7号煤气加压机的电机端盖部位。该电机为原苏联产450kW电机，设备老旧，没有配件，在使用年限长，振动较大的情况下，使它的端盖油槽部位破损， 导致该设备无法使用，对其采用上述方法进行修复，仅用一天时间就修复完毕，解决了没有配件的问题，即节约了时间又节约了资金，保证了设备的正常投运。3.零件的生产。即把铸铁件与钢件或其它金属件焊接起来做成零部件。这种技术国外已经在采用，而国内也逐步在采用。铸铁是含碳量大于2%的铁碳合金，其中还含有一定量的硅、锰元素及硫磷杂质。球铁中还含有一定量的球化剂，如镁等。特种铸铁则还含有一

4、定量的其他合金元素，如铬、钼等。而传统的铸铁焊接方法是把铸铁件整体或有缺陷的部分预热到600700，然后进行焊接，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，人们称之为热焊。热焊法预热温度高，工人劳动条件很坏，焊补时焊工胸前高温烤，背后凉风吹，身体前后温差大，工人容易得病。因此我们这次主要采用不预热焊。由于低碳钢焊条是一种便宜易得的材料，而二氧化碳保护焊具有焊接焊接效率高等特点。我们对它们在不同电流下焊接灰铸铁的性能进行了验证与对比。研究低碳钢焊条及二氧化碳保护焊焊接灰铸铁性能究竟如何。如不合格我们又对其他几种异质材料焊接灰铸铁与铸铁焊条焊接灰铸铁的性能进行了对比。18第一章 试验材料、方法及设备1.1 实

5、验材料按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁四类。白口铸铁中的碳全部以渗碳体状态存在，端口呈白亮色，故称之为白口铸铁。渗碳体性硬而脆，其硬度为HB800左右，无法机加工，故白口铸铁在机械制造上很少应用。焊接这种铸铁的机会是很少的。灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中的碳基本以石墨状态存在，部分存在于珠光体中。但在这三种铸铁中，石墨存在的形式是不同的，灰口铸铁中的石墨一片状存在；可锻铸铁（有白口铸铁经石墨化退火而得）中的石墨以团絮状存在；而球墨铸铁（铁水经球化剂处理）中的石墨以圆球状存在。由于石墨存在形式的不同，对基体性能削弱的作用有很大差异，故三种铸铁

6、的机械性能有明显差别。在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁机械性能（强度及塑性）为最高，可锻铸铁次之，灰口铸铁较差。目前以灰口铸铁应用最广，球铁次之，可锻铸铁的石墨化退火处理时间长，费用贵，故许多地方已为球铁所代替。常用灰口铸铁的化学成分如下：C 2.73.5%，Si 12.7%，Mn 0.51.2%，P0.3%，Si0.15。其机械性能见表1-1。表1-1 常用灰口铸铁的化学成分的机械性能牌 号抗拉强度Kgf/mm2抗弯强度Kgf/ mm2硬度 HBHT10-261026143229HT15-331533163229HT20-402040170241HT25-472547170241HT30

7、-543054170241HT35-613561197269HT40-684068207269灰铸铁几乎没有塑性及韧性，其延伸率0.5%，其冲击值8J/cm²。表1-1中灰铸铁抗拉强度及硬度的变化是由于基体组织及石墨大小、数量不同的结果。以纯铁素体为基体的灰铁，其强度最低，其硬度也最低。以纯珠光体为基体的灰铸铁其强度较高，其硬度也较高。改变基体中铁素体及珠光体相对含量，可得到不同的抗拉强度及硬度的灰铁。石墨呈粗片状的灰铁，其抗拉强度较低，石墨呈细片状的灰铁，其抗拉强度较高。本次试验所选用的铸铁的金相如下图1-1。图1-1本次试验所选用的铸铁其组织主要为：片状石墨、珠光体、铁素体。铁板

8、尺寸为：250×100×18（mm）焊条主要为：J422焊条、二氧化碳保护焊焊丝H08Mn2Si、铸铁焊条、氩弧焊焊丝。试验设备：BX1-315 380/220交流弧焊机、逆变式CO气体保护焊机NBC-250、氩弧焊焊机、金相抛光机、砂轮机、金相显微镜、洛氏硬度机。1.3试验方法在焊接之前，J422焊条要在焊接之前要在250保温箱里烘干1小时，从保温箱里取出之后要立即取用或放在保温、密封的地方，以防焊条再受潮。铸铁板也要首先把焊接面的铁锈和水油等杂质处理磨掉。接着在BX1-315 380/220交流弧焊机上进行焊接，焊接时要注意必须间隔着焊接，以免相邻的两个焊缝的焊接热影响

9、区相互影响。焊接电流分别为：70A、80A、90A、100A、110A。每层焊缝都要重复焊接三层。二氧化碳保护焊的焊接方法基本同J422焊接方法。唯一不同的是焊接电流分别为：70A、80A、85A、90A、100A。也用三层焊接。在异质材料焊接灰铸铁对比试验中，各种材料都采用单层焊接。其中二氧化碳保护焊焊接电流为70A，J422焊接电流为125A，碱性焊条焊接电流为100A；铸铁焊条焊接电流为125A；氩弧焊铝丝电流为160A，气流量为59L/Min；氩弧焊铸铁丝为160A，气流量为59L/Min。J422焊条和碱性焊条要分别加热并保温1小时，以去除焊条要皮中的水分。各种焊缝的长度为8090m

10、m，宽度为58mm。这样的焊缝的组织比较大，以方便打硬度、观察组织。第二章 主要问题，本次试验结果及对比分析2.1 灰口铸铁可焊性分析灰口铸铁在凝固冷却过程中对冷却速度很敏感，而且强度低，塑性性能很差，一般常用的电弧焊过程又具有冷速快及工件受热不均匀，焊接应力较大的特点，故焊接灰口铸铁的主要问题是白口化及裂纹等问题。现分别进行具体分析。2.1.1焊接接头易出现白口及淬硬组织现在我们以含碳3%,含硅量为2.5的常用灰口铸铁为例，分析电弧焊（最常用的方法）焊后在焊接接头上组织变化规律如图2-1。图2-1 FeCSi三元合金（Si22.5）状态图首先让我们来看看当Si为22.5的FeCSi三元合金状

11、态图。对含碳量大于2的铸铁来说，该图与FeC二元合金状态图之间最主要的区别为：前者共晶转变与共析转变是在某一温度区间内进行；后者的共晶转变与共析转变是在某一定温度下进行。前者在共晶转变温度区间进行L+G（稳态)或LC（介稳态）转变，在共析转变温度区间进行G（稳态）或C（介稳态）转变。其中L表示液相，表示奥氏体，G表示石墨，C表示渗碳体，表示铁素体。2.1.2整个焊接接头可分为六个区域在异质材料焊接灰铸铁对比试验中，各种材料都采用单层焊接。其中二氧化碳保护焊焊接电流为70A，J422焊接电流为125A，碱性焊条焊接电流为100A；铸铁焊条焊接电流为125A；氩弧焊铝丝电流为160A，气流量为59

12、L/Min；氩弧焊铸铁丝为160A，气流量为59L/Min。J422焊条和碱性焊条要分别加热并保温1小时，以去除焊条要皮中的水分。各种焊缝的长度为8090mm，宽度为58mm。这样的焊缝的组织比较大，以方便打硬度、观察组织。从而看到整个焊接接头可分为六个区域，分别如下：1.焊缝区 当焊缝成分与灰铸铁件成分相同时，则在一般电弧焊情况下，由于焊缝冷却速度远远大于逐渐在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体所组成，焊缝基本为白口铸铁组织。增大焊接线能量，焊缝中可出现一定量的灰口铸铁，但不能完全消除白口。采用一般常用的低碳钢焊条焊接铸铁将出现什么结果呢？因为用一般低碳钢焊条焊补铸铁

13、是采用异质材料焊补铸铁的最初尝试，分析其存在的问题，对理解以后发展其他异质材料焊接铸铁是有益的。一般铸铁含碳为3，就是采用较小焊接电流，木材在第一层焊缝中所占百分比以将为1/31/4，其焊缝平均含碳量将为0.71.0，属于高碳钢（碳>0.6）。这种高碳钢焊缝在快冷后将出现很多脆硬的马氏体，其硬度高达HB500左右。图2-2 灰口铸铁焊接接头组织变化图 关于防止灰口铸铁焊缝出校白口的途径，若焊缝仍为铸铁，则应采用适当的公益措施，减慢焊缝的冷速，调整焊缝化学成分，增强焊缝的石墨化能力，并使二者适当配合。采用异质金属进行铸铁焊接，使焊缝组织不是铸铁，自然可防止焊缝白口的产生。但正如前面分析过的

14、情况，若采用低碳钢焊条进行铸铁焊接，则由于母材融化而过渡到焊缝中的碳较高，又产生另一种高硬度组织马氏体。所以在采用异质金属材料焊接时，必须要能防止或减弱从母材过渡到焊缝中的碳产生高硬组织的有害作用。焊接工作者在这方面做了大量的研究工作。其方向是改变碳的存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性，这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.半熔化区此区较窄，处于液相线与固相线之间，其温度范围约为11501250。焊接时，此区处在半融化状态，即液固状态，其中一部分铸铁已重新融化变成液体，另一部分铸铁也已转变为被碳所饱和的奥氏体。由于一般电弧焊过程中，该区加热即冷却非常快，该区

15、可能有些石墨（碳）未能向四周扩散完毕而残留一些。在焊接接头上，此区冷速最快，故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，奥氏体转为珠光体。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，甚至可能出现奥氏体转变成马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。在采用熔化焊时，除冷却速度对该区焊后组织有重要影响外，焊缝金属的化学成分对半熔化区的组织及宽度也有重要影响。因该二区都曾处于高温且紧密相连，能进行一定的扩散。提高熔池金属中促进石墨化元素的含量对消除或减弱半熔化区白口的形成是有利的。相反，若提高熔池金属中

16、阻碍石墨化元素的含量，将加剧半熔化区白口的形成。用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区的白口往往较厚，这可能与熔池含碳、硅量低，而半熔化区含碳、硅量高于熔池，故半熔化区的碳、硅反而向熔池扩散，使半熔化区碳、硅有所下降，增大了该区形成白口倾向有关。采取钎焊时，母材不熔化，将根本避免半熔化区白口的形成。如果钎焊温度控制在共析温度以下，则加热时相变过程也不会发生，冷却厚连马氏体都不会产生。3.奥氏体区该区处于固相线与共析温度上限之间，加热温度范围约为8001150，此区无液体出现。该区在共析温度区间以上，故其组织已奥氏体化，其组织为奥氏体加石墨。碳在奥氏体中的浓度是不一样的，加热温度较高的部分（靠近半熔化区

17、），奥氏体中含碳量较高，加热较低的部分（离半熔化区稍远），奥氏体中的含碳量较低。随后冷却时，如果冷速较快（如电弧冷焊），会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量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。冷却更快时，会产生一些马氏体。由于以上的原因，该区硬度比母材有一定提高。熔焊时，采用适当工艺措施使该区缓冷，可使二次渗碳体分解并析出石墨，同时防止马氏体的形成。4.重结晶区其余的重结晶区，碳化物石墨化及球化区，焊后组织变化不明显，就不加讨论了。2.2白口及淬硬组织对机械加工性能的影响铸铁件焊后，很多要再经过机械加工，如车、铣、刨、磨、钳、钻孔等。灰口铸铁本身一般为珠光

18、体或珠光体加铁素体基体，其硬度约为HB160240，具有良好的加工性能。但焊接接头上局部地区出现高硬度的白口铸铁（HB600800）及马氏体组织（HB500左右）会给机械加工带来很大的困难，用碳钢或高速钢刀具往往加工不动，用硬质合金刀具虽勉强可以加工，但“打刀”的危险性也很大。刀具从硬度较低的灰铁上切削过来，突然碰上高硬度的白口带，容易“打刀”。即或不“打刀”也会发生“让刀”现象，并加剧刀具的磨损。在“让刀”的地方会出现凸台（局部突起的现象），这对要求很高的滑动摩擦工件来说是不允许的。现在用的钻头一般为碳钢或高速钢制造，故用钻头对有白口带的灰铸铁焊接接头进行加工也是非常困难的，难于通过白口区。

19、用磨削对焊接接头高硬度区虽可进行加工，但磨削加工非常费时，在铸件生产厂焊补铸铁时，在焊后加工过程中事实上是不允许用磨削代替车、铣、刨加工的。一般认为焊接接头的硬度在HB300以下，进行机械加工是比较顺利的。用布氏硬度（HB）机测量硬度时是采用钢球压痕面积衡量的，若压痕面积较大，而焊接接头上白口区及马氏体区非常窄，只占压痕的很小一部分，周围金属较软，则其所测得的布氏硬度事实上为压痕面积内的平均硬度，若该平均硬度在HB300以下一般对加工性影响不严重。2.3 焊接电流对焊接接口的影响二氧化碳保护焊焊接不同电流对焊接过程的影响不大，只表现在电流越大，焊接飞溅越大。二氧化碳焊接焊缝金相组织如表2-1。

20、由表2-1中数据可知，焊缝中的组织变化不大而熔合区的组织受电流影响比较大。电流对热影响区也有一定的影响。马氏体随着电流的增大而增多，白口组织随电流的增多而减少。热影响区随着电流的增大，产生的热量也越多，热影响区的厚度要大一些，并且热影响区与母材相接处，散热快，因此电流越大热影响区中的马氏体也越多。下边打的硬度值也与上表中的数据相互印证。表2-1：二氧化碳焊接焊缝金相组织电流70A80A85A90A100A第一层组织屈氏体+铁素体，屈氏体块较大，铁素体填充在屈氏体之间，铁素体很少，屈氏体几乎连接在一起同70A同70A同70A同70A第二层组织铁素体+屈氏体，铁素体稍多，白色铁素体线稍粗同70A同

21、70A同70A同70A第三层组织几乎全部的屈氏体同70A同70A同70A同70A熔合区白口较窄，但连续，白口上有厚度大的马氏体，马氏体从上到下由粗大到细有白口，白口不连续，但白口厚度稍厚，白口上方有马氏体，马氏体连续，无白口的地方马氏体厚度大。有白口，白口厚度稍厚，白口不连续，白口上方马氏体特别粗大，由上到下逐渐粗大，无白口马氏体特粗大，而且厚度大白口较窄且不连续，马氏体厚度大，马氏体中间较厚两边稍薄很少有白口，马氏体很厚，中部马氏体特厚，晶粒也比较粗大，两边晶粒小一些，厚度稍薄热影响区有马氏体且连续，由上到下逐渐变得粗大有马氏体，焊缝中间厚两边薄有马氏体，马氏体颗粒较细小有马氏体，马氏体厚度

22、稍大，晶粒从上到下逐渐粗大有马氏体，厚度稍厚，晶粒从上到下逐渐粗大图2-3 二氧化碳保护焊焊缝顶部HRB硬度值图2-4 二氧化碳保护焊焊缝中部HRB硬度值图2-5 二氧化碳保护焊焊缝熔合区HRB硬度值J422焊条焊接过程数据如表2-2。表2-2 J422焊条焊接过程数据电流70A80A90A100A110A第一层焊接现象有大量气孔有大量气孔有大量气孔有大量气孔有大量气孔第二层焊接现象无气孔渣壳需敲掉无气孔渣壳成型较好无气孔 渣壳成型好，焊完渣壳翘起无气孔渣壳成型较好无气孔渣壳成型较好第三层焊接焊接现象无气孔，焊缝成形好，熔池较短无气孔，焊缝成形好，熔池稍长无气孔，焊缝成形好，熔池长一些无气孔，

23、焊缝成形好，熔池稍长无气孔，焊缝成型好，熔池较长每层所用时间59s51s45s 37s32sJ422焊条在不同电流状况下，焊缝产生的组织基本成分都相同，都是由铁素体加珠光体组成，但各个焊缝中两种相的比例不同，因此焊缝的硬度也不相同。在熔合区的上部有细小的马氏体，熔合区有白口组织，但白口组织有些连续有些不连续，但在不连续的的位置有马氏体代替。在下部的热影响区里有细小的马氏体存在。不同电流下的各位置的硬度值如图2-5。图2-6J422焊缝顶部HRB硬度值图2-7 422焊缝中部HRB硬度值图2-8 J422熔合区HRB硬度值2.4异质材料对铸铁焊接的影响表2-3 异质材料对铸铁焊接所引起的现象70

24、A二氧化碳保护焊100A碱性焊条焊接125A铸铁焊条焊接160A氩弧焊氩弧焊丝160A 氩弧焊铸铁焊芯125A J422焊条焊接现象单层焊接焊接有飞溅，无渣壳焊缝成形较好，渣壳易去除焊缝熔合好，焊缝美观，渣壳易去除焊接无烟尘，无飞溅，融合较好，焊后有裂纹焊缝成形美观，熔合好，无烟尘，无渣壳渣壳连续，焊缝气孔多，有烟尘由于本次焊接都为单层焊接，焊缝都为经过热处理焊缝组织较为单一，焊缝及其周围组织如表2-4。表2-4 焊缝及其周围组织70A二氧化碳保护焊100A碱性焊条焊接125A铸铁焊条焊接160A氩弧焊氩弧焊丝160A 氩弧焊铸铁焊芯125A J422焊条焊缝区大量的粗大的针状马氏体，中间夹杂

25、一些球状石墨，下部马氏体要稍微小一些上部为屈氏体+铁素体,下部几乎全为屈氏体奥氏体+共晶体+不规则的碳，碳较细小奥氏体+大量的石墨，上部还偶尔有一些共晶体奥氏体+细小的球状石墨，有少量的铁硅共晶体上部全部为马氏体，偶尔有些屈氏体，屈氏体很小熔合区上部是一些残余奥氏体与很少量的马氏体，下部是厚度很均匀的白口组织，白口厚度较大有马氏体及白口，马氏体很薄，白口较厚，但两者都连续上部有白口组织，白口较薄，并且不连续，并且在断口连续处有共晶体无白口，但有少量的共晶体有白口组织，但不连续，且白口较薄，有一定量的共晶体有很少的马氏体，并且不连续，但有白口组织连续且厚度大热影响区有马氏体从上到下由细小变粗大，

26、但厚度不是很厚由粗大到细小的马氏体，厚度较厚有细小的马氏体，厚度较薄无白口及马氏体的存在有很薄的马氏体区，并且马氏体晶粒较细小有马氏体图2-9多种异质金属焊接灰铸铁焊缝HRB硬度值图2-10异质材料焊接焊缝熔合区HRB硬度值结 论二氧化碳多层焊接铸铁，虽未出现焊接裂纹，但电流只影响了焊接过程中飞溅的大小，而焊缝及周围的组织硬度都较大，无法进行机械加工，不适合焊接铸铁。J422焊条多层焊焊接灰铸铁，焊接过程中未出现焊接裂纹，由实验数据可知80A电流焊接出来的焊缝组织硬度稍小一些，但焊缝中白口及马氏体较多，只能用来焊接一些要求不太高的铸铁件。二氧化碳保护焊及J422焊条单层焊接，没有后来焊接的热处

27、理效应。焊缝中几乎全部为粗大的马氏体，硬度较高，其中J422焊接气孔还很多，所以它们不能用来焊接灰铸铁。铸铁焊条中含氢量较小，焊缝较美观，成形也可以，可以焊接一些要求不是很严格的铸件。铸铁焊条由于焊芯采用铸铁，属于同质焊接，焊缝熔合好，成形美观，焊接后寒风强度也不高，是焊接灰铸铁现阶段最好的材料。但焊条成本高。氩弧焊焊接后的组织无白口组织和马氏体组织，但焊缝强度不够，容易产生裂纹。今后可以在加强焊缝强度方向发展，采用其他技术将焊缝强度提高，焊缝中的碳尽量转化为球状。致 谢在这两个月的毕业设计中感谢刘老师对我的悉心关怀和指导。在刘老师指导下我学会了做研究的基本方法与技能。在这些试验中我学到了很多

28、在书本上学不到的知识，锻炼了我的实际与人交往能力。刘老师对工作的勤奋，一丝不苟的研究态度，是我学习的榜样。刘老师的言传身教，对我有莫大的鼓舞。在此我祝愿刘老师工作顺利、阖家欢乐。再次要感谢在做铸铁实验期间悉心指导过我的老师，她在我们做实验期间为我们提供了实验室和实验设备，还给我们提出了好多宝贵意见。我还要感谢刘艳超、丁韦昀、孟令彬等十余位同学的帮助。由于我在工厂实习，很多试验技巧都是他们教会我的。最后感谢公司里帮助我进行试验的师傅们，没有他们的帮助我的试验不可能进行的这么顺利。祝愿师傅们步步高升。参考文献：1 陈祝年.焊接工程师手册.北京：机械工业出版社，2002 2 赵家瑞.焊接自动控制基础.北京：机械工业出版社，1990 3 洪渊.简明钎焊工手册.北京：机械工业出版社，2001 4 张子荣.