材料焊接性第6章 铸铁焊接

第6章铸铁焊接铸铁铸铁焊接的应用碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金工业常用的铸铁为铁碳硅合金铸造缺陷的焊补零部件的生产已损坏的铸铁成品件的焊补6.1铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁白口铸铁断口呈白亮色断面呈灰色石墨呈团絮状石墨呈球状石墨呈蠕虫状6.1.1铸铁的种类显微组织牌号基体石墨抗拉强度/MPa硬度HB特点及用途举例HT100铁素体粗片状≥100≤175强度低,用于制造对强度及组织无要求的不重要铸件,如油底壳、盖、镶装导轨的支柱等HT150铁素体+珠光体较粗片状≥150150～200强度中等,用于制造承受中等载荷的铸件,如机床底座、工作台等HT200珠光体中等片状≥200170～220HT250细片状珠光体较细片状≥250190～240强度较高,用于制造承受较高载荷的耐磨铸件,如发动机的气缸体、液压泵、阀门壳体、机床机身、气缸盖、中等压力的液压筒等HT300细片状珠光体细小片状≥300210～260HT350细片状珠光体细小片状≥350230～280强度高，基体组织为珠光体，用于承受高载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车床卡盘、导板、齿轮、液压筒等表6-1灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途（GB/T9439—1988）抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率(%)牌号最小值布氏硬度HBS显微组织QT400-1840025018130～180铁素体QT400-1540025015130～180铁素体QT450-1045031010160～210铁素体QT500-75003207170～230铁素体+珠光体QT600-36003703190～270珠光体+铁素体QT700-27004202225～305珠光体QT800-28004802245～335珠光体或回火组织QT900-29006002280～360贝氏体或回火马氏体表6-2球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织（GB/T1348—1988）6.1.2铸铁的凝固特点与石墨化石墨化两个阶段石墨化第一阶段石墨化第二阶段从过共晶铁液中直接析出的初生石墨共晶转变过程中形成的共晶石墨奥氏体冷却析出二次石墨以及一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体在高温下分解析出的石墨包括共析转变过程中形成的共析石墨；共析渗碳体分解析出的石墨如果第二阶段石墨化能充分进行，则铸铁的基体将完全为铁素体，但是由于温度较低，一般难以实现，因此铸铁在铸态下多为铁素体加珠光体混合组织。图6-1铁碳合金双重相图图6-2合金元素对铸铁石墨化的影响C、Si、Al、Ni、Cu等为促进石墨化的元素，而S、V、Cr、Mo、Mn等为阻碍石墨化的元素。图6-3铸件壁厚（冷却速度）和化学成分（碳硅总量）对铸铁组织的影响化学成分和冷却速度是影响铸铁石墨化的主要因素,从冷却速度对石墨化的影响来看，缓慢冷却有利于石墨化。铸铁的冷却速度与铸模类型、浇注温度、铸件壁厚及铸件尺寸等因素有关。6.1.3铸铁焊接方法焊条电弧焊、气焊、CO2气体保护电弧焊、手工电渣焊、气体火焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等球墨铸铁件之间、球墨铸铁与各种钢件或有色金属件之间，采用细丝CO2焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、电阻对焊、扩散焊等铸铁焊接方法图6-4铸铁电弧焊的焊缝金属分类6.2铸铁焊接性分析6.2.1焊接接头白口及淬硬组织焊接接头焊缝区热影响区原始组织区(母材）半熔化区奥氏体区部分重结晶区碳化物石墨化与球化区焊缝将主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体组成，即焊缝为具有莱氏体组织的白口铸铁。冷却时:A→高温L(共晶Fe3C+A)继续冷却：共晶Fe3C+Fe3CⅡ+P的白口铸铁；快冷时：A→M冷速较慢时：A→P冷速较快时：A→M冷却时：A→P冷速较快时：A→M+F混合组织图6-5灰铸铁焊接接头各区域组织变化未完全混合区其物理化学冶金特性与焊缝并不相同，更接近于半熔化区。未完全混合区半熔化区熔合区6.2.2焊接裂纹铸铁型同质焊缝较长或焊补部位刚度较大时容易出现冷裂纹铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源为片状石墨的尖端位置当冶金或工艺因素控制不当，铸铁焊缝出现白口时异质焊条焊接灰铸铁，连续焊长焊缝也会产生横向冷裂纹主要受焊接应力即热应力的影响，只要热应力不超过焊缝及热影响区金属的塑性变形能力就不会开裂。冷裂纹产生的原因冷裂纹的防止措施既然灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要原因是热应力，那么防止冷裂纹的措施也应从减小热应力入手。防止铸铁型同质焊缝出现冷裂纹最有效的措施是对焊补工件进行整体高温预热（600～700℃）在铸铁型焊缝中提高碳含量，并加入一定量的合金元素，如Mn（wMn=0.75%）、Mo（wMn=1.17%）、Cu（wCu=1.85%）等钢焊缝冷裂纹主要受母材高含碳量的影响。为了消除或减轻碳的有害作用，提高铸铁焊接时钢焊缝的抗冷裂纹能力，可以采取冶金措施。白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影响可以从冶金和工艺因素两方面入手加以解决。热裂纹大多数出现在焊缝上：为结晶裂纹用低碳钢焊条焊接灰铸铁时用镍基焊接材料焊接灰铸铁时形成FeS与Fe的低熔点共晶物（熔点为988℃），高的焊缝含碳量会增加热裂纹敏感性，导致形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹。容易形成Ni-Ni3S2（熔点为644℃）和Ni-Ni3P（熔点为880℃）低熔点共晶，且镍基焊缝凝固后为较粗大的单相奥氏体柱状晶，凝固过程中容易使低熔点共晶在奥氏体晶间连续分布，促进热裂纹形成。向焊缝加入适量稀土能使抗热裂纹性能提高；但过量加入稀土反而使焊缝的抗热裂纹性能下降。6.2.3球墨铸铁的焊接性特点焊接性特点球墨铸铁中的球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍石墨化和促进奥氏体转变为马氏体的作用。由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以铁素体为基体的球墨铸铁，塑性和韧性很好，对焊接接头的力学性能要求相应提高。6.3铸铁焊接工艺及材料6.3.1灰铸铁的焊接工艺特点同质焊缝（铸铁型）电弧热焊电弧热焊是铸铁焊接应用最早的一种工艺。将铸铁件预热到600～700℃，然后在塑性状态下进行焊接，焊接温度不低于500～400℃，为防止焊接过程中开裂，焊后立即进行消除应力处理及缓冷的铸铁焊补工艺称为电弧热焊。预热温度在300～400℃时称为半热焊。铸铁电弧热焊工艺包括焊前准备、预热、焊接、焊后缓冷及加工等过程。气焊电弧热焊及半热焊主要适用于壁厚大于10mm铸件上缺陷的焊补，薄壁件宜用气焊。电渣焊具有加热与冷却缓慢的特点，适合铸铁焊补要求，手工电渣焊设备简单，应用灵活，对重型机器厂、机床厂灰铸铁厚件较大缺陷的焊接修复是比较合适的。手工电渣焊图6-9手工电渣焊示意图1—电极2—石墨型3—铸造型砂4—渣池5—金属熔池6—铸铁件异质焊缝（非铸铁型）电弧冷焊铁基焊缝及焊接材料镍基焊缝及焊接材料纯镍铸铁焊条如EZNi-1（Z308）镍铁铸铁焊条如EZNiFe-1（Z408）铜基焊缝及焊接材料异质焊缝电弧冷焊工艺镍铜铸铁焊条EZNiCu-1（Z508）短段断续分散焊，较小电流熔深浅，每段锤击消应力，退火焊道前段软灰铸铁的钎焊与喷焊灰铸铁钎焊可以使用工业常用的铜锌钎料BCu62ZnNiMnSi-R（HL104），其化学成分见表6-6。可以采用氧乙炔火焰粉末喷焊修复铸铁件在机械加工中出现的小缺陷。钎料wCuwSnwSiwNiwMnwAlwZn备注BCu62ZnNiMnSi-R61.0~63.00.10.1~0.30.3~0.50.1~0.3—余量GB/T6418-93Cu-Zn-Mn-Ni钎料48.0~52.00.3~0.8—3.0~4.08.5~9.50.2~0.6余量—表6-6铜锌钎料的化学成分6.3.2球墨铸铁的焊接工艺特点气焊由于气焊具有火焰温度低、焊接区加热及冷却缓慢的特点，对降低焊接接头的白口及淬硬组织形成倾向有利。另外，可以减少球化剂的蒸发，有利于保证焊缝获得球墨铸铁组织。气焊球墨铸铁焊态下组织为珠光体+铁素体+球状石墨，工艺合适时半熔化区无白口。气焊的缺点主要是焊接生产率较低。同质焊缝（球墨铸铁型）电弧焊国内采用的球墨铸铁焊条型号为EZCQ，制造方法有两种：一是采用铸铁焊芯外涂强石墨化药皮（Z258），二是采用低碳钢焊芯外涂强石墨化药皮（Z238），药皮中加入适量球化剂。球墨铸铁焊条在使用时，要求将母材预热到500℃以上，焊后保温缓冷。球墨铸铁电弧焊的困难在于：1)很难获得石墨稳定球化的焊缝；2)已知的球化元素都增大白口倾向，在石墨球化的同时促进焊缝白口。异质焊缝（非球墨铸铁型）电弧焊球墨铸铁异质焊接材料主要采用镍铁铸铁焊条（EZNiFe型），第一层焊缝金属镍的质量分数约为40%，膨胀系数较小，有利于降低焊接应力防止裂纹。工业发达国家发展了适用于自动焊接的药芯焊丝和实芯焊丝。熔敷金属的主要成分为Ni（wNi=50%），其余为Fe。药芯焊丝直径多为2.4mm，实芯焊丝常用直径为0.8～1.2mm。药芯焊丝可以用CO2气体保护或自保护，焊接电流为330～380A，熔敷效率较高，但半熔化区白口较宽。实芯焊丝用氩气保护，常用电流在100A左右，焊接熔滴为短路过渡，焊接热影响区很窄，接头加工性良好。6.3.3其他铸铁的焊接特点奥-贝球墨铸铁蠕墨铸铁焊接白口铸铁焊接使用前面介绍的球墨铸铁同质焊条，在热焊或冷焊条件下进行焊补，焊后进行热处理。较好的焊补工艺是：铸造后焊补，然后整体热处理。可以采用与球墨铸铁焊接时成分相近的焊接材料焊接蠕墨铸铁，焊接方法有气焊、同质焊条电弧热焊及不预热焊，以及用镍基铸铁焊条进行电弧冷焊。首先用与镍铁铸铁焊条相近的BT-1焊条打底，焊缝为奥氏体＋球状石墨组织，塑性较好，与母材熔合良好。工作层采用合金系为C-Cr-Mo-Ni-W-V的BT-2焊条，焊缝组织为M+BL+A残+碳化物1.工业上常用的铸铁有哪几种？简述碳在每种铸铁中的存在形式和石墨形态有何不同,对力学性能各有什么影响？2.影响铸铁型焊缝组织的主要因素有那些？3.分析灰铸铁电弧焊焊接接头形成白口与淬硬组织的区域特点、原因及危害。4.分析灰铸铁同质焊缝产生冷裂纹（热应力裂纹）的原因及防止措施。铸铁冷裂纹与钢的焊接冷裂纹相同吗？5.说明用镍基铸铁焊条电弧冷焊铸铁时，焊缝易产生热裂纹的原因及防止措施？6.分析比较三种镍基铸铁焊条的特点。7.球墨铸铁焊接性特点是什么？焊接过程中应采用什么样的工艺措施？8.简述采用铸铁同质焊条对焊接工艺有何要求？9.说明铸铁异质焊缝焊条电弧冷焊工艺要点“短段断续分散焊，较小电流熔深浅，每段锤击消应力，退火焊道前段软”的具体内容。10.某汽缸题侧壁（非加工面）在使用过程中出现6条裂纹，如图6-11所示，图中3所标示的4条小裂纹比较密集。缸体材料为灰铸铁，壁厚为12mm，请拟定焊修方案（包括焊接材料选择与焊接工艺制定）。