8焊接工艺-铸铁的焊接

第十一章铸铁的焊接主讲老师：吴新华一铸铁通常按石墨化程度或石墨形态两种方法进行分类第一节铸铁的分类按石墨化程度分灰口铸铁白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。按石墨形态分灰铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁石墨呈片状，生产工艺简单，价格低，应用最广。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。石墨呈蠕虫状，是一种新型铸铁，有大的应用前景。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0.682.081154℃738℃L+GA+GF+GE’C’4.26S’ABCDFGHJNKPPSQLEL+第一阶段石墨化第二阶段石墨化第三阶段石墨化各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织铸铁类型石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G麻口铸铁部分进行部分进行不进行L’d+P+G+Fe3C亚共晶白口共晶白口过共晶白口不进行不进行不进行L’d+P+Fe3CL’dL’d+Fe3C三、影响石墨化的因素•wC↑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；1、化学成分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、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。铸件壁厚mmwC+1/3wSi%2040604.05.06.07.0白口麻口P灰P+F灰F灰冷却速度四、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：①采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度；②调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。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A→M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。②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度之间，温度约为820～1150℃，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Fe3C析出，同时防止M形成。D、重结晶区很窄，加热温度范围780～820℃。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400℃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，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：①与焊缝基体组织有关。②与焊缝石墨形状有关。③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：①对焊补件进行整体预热（600～700℃）能降低焊接应力。②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。③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：①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107.8～166.8Mpa，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。②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。③在焊接薄壁铸铁件（5～10mm）导热程度比厚壁铸件大的多，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。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1/3～1/4，焊缝平均含碳量可达0.7～1.0%，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。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。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600～700℃（暗红色），然后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，称“热焊”。预热温度到300～400℃，称为半热焊。A、优点：①有效减少焊接接头上的温差，而且铸铁由常温完全无塑性改变为有一定塑性，灰铸铁在600～700℃时，伸长率可达2～3%，再加以焊后缓慢冷却，焊接应力状态大为改善。②600～700℃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：①预热温度高，劳动条件很差。②将焊件加热到600～700℃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+Si＝6％-8％，其中wC＝3％-3.8％，wSi＝3％-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