[工学]灰铸铁 焊接 毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）题 目： 灰铸铁的焊接性及焊接工艺研究 学生姓名： 骆东旭 系 别： 机械与电气工程系 专业年级： 2008级材料成型及控制工程专业 指导教师： 李春明 2012年 5 月 17 日摘要灰铸铁有良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。在工业使用是很广泛的，研究灰铸铁的焊接可以产生巨大的效益。由于条件限制，在这里主要给出了灰铸铁的性能、灰铸铁的焊接性其缺陷及防治、灰铸铁同质焊缝的熔焊、以及异质焊材焊接灰铸铁。最后又论述了灰铸铁带轮轮辐及空气压缩机外壳裂纹的补焊以帮助大家更好的理解灰铸铁的焊接。灰铸铁的焊接工艺的制定主要是依据灰铸铁的成分、冷却条件来确定的。一般灰铸铁的同质、异质焊接及补焊都可以参考本文。关键字：灰铸铁，焊接性能，焊接缺陷，补焊，焊接工艺ABSTRACTBecause of good casting properties, good vibration damping, good abrasion resistance, good machinability, low notch sensitivity，gray cast iron is used very broad in industrial.The study of gray cast iron welding can produce huge benefits.Because of certain constrains,here gives the performance of gray cast iron, gray cast iron welding defects and prevention, homogenous weld welding of gray cast iron, as well as the heterogeneous welding consumables welding gray cast iron. And finally discusses the crack repair welding of gray cast iron pulley spokes and air compressor housing to help people better understand the welding of gray cast iron.The formulation of the gray cast iron welding process is determined based on the composition of gray cast iron, cooling conditions.Homogeneous, heterogeneous welding and repair welding of gray cast iron in general can refer to this article.Key words: gray cast iron, welding performance, weld defects,repair welding, welding process目录第一章 绪论1第二章 灰铸铁的分类及其性能22.1 铸铁分类22.2 灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度42.3 灰铸铁的性能42.4 小结5第三章 灰铸铁的焊性及接接焊缺陷63.1 灰铸铁焊接性分析63.2 焊接接头易出现白口及淬硬组织63.2.1 焊缝区63.2.2 半熔化区73.2.3 奥氏体区83.2.4 重结晶区93.3 裂纹是易出现的缺陷93.3.1 冷裂纹可发生在焊缝区或热影响区上93.3.2 热裂纹113.4 小结11第四章 灰铸铁同质（铸铁型）焊缝的熔焊124.1 电弧热焊124.2 气焊134.3 焊缝为铸铁型的电弧冷焊144.4 灰铸铁的钎焊154.5 细丝CO2气体保护焊164.6 小结16第五章 异质焊材焊接灰铸铁175.1 异质焊缝电弧冷焊材料175.1.1 镍基焊缝手弧焊175.1.2 铜基焊条手弧焊185.1.3 H08Mn2Si细丝CO2保护焊195.2 异质（非铸铁型）焊缝的电弧冷焊工艺要点195.3 小结20第六章 灰铸铁补焊的工程实例226.1 灰铸铁带轮轮辐的补焊226.2 空气压缩机外壳裂纹的补焊226.3 小结23第七章 总结24参考文献25致谢26第一章 绪论铸铁是一个庞大的家族，是W (C )> 214 的铁碳合金。工业用铸铁是 以 Fe，C ，S 为主的多元铁合金，它的种类也很多，应用最早的铸铁是碳以片状石墨存在于金属基体中的灰铸铁，它的成本低廉，并且其具有铸造性、可加工性、耐磨性及减振性均良好的特点，迄今为止仍是工业中应用最为广泛的一种铸铁，但灰铸铁也有它的缺点，主要是力学性能不高。由于各种原因，铸铁成品件在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使其报废。若要更换新的，用铸铁成品件都经过各种机械加工，价格往往较贵。特别是一些重型铸铁成品件，如锻造设备的铸铁机座一旦使用不当而出现裂纹，就得停止生产，若要更换新的锻造设备，不仅价格昂贵，且从订货、运货到安装调试往往需要很长时间，所要很长时间处于停产状态。这方面的损失是巨大的。若能用焊接方法及时修复出现的裂纹，所产生的效益是无法估量的，如何采取适当的工艺措施，用焊接对其进行修复，这就需要了解灰铸铁的本身特性及其焊接性能。其焊接主要应用于以下方面：（1）铸造缺陷的补焊 很多工厂都有铸造车间，一般铸件废品率都很高，采用焊接方法修复这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且还可大大降低铸件成本。（2）损坏铸铁件的补焊 由于各种原因，使铸铁在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使产品报废。要更换新的，有的一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机械加工的，价格往往也很贵。若能及时用焊接方法修补，不仅有利于生产任务的完成，而且可以节约大批资金。（3） 零件的生产 即把铸铁件与刚件或其他金属件焊接起来成零部件。灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向是比较大的，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及化学成分有关。为防止焊接时产生裂纹，在生产中主要时采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。第二章 灰铸铁的分类及其性能2.1 铸铁分类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：碳绝大部分以碳化物存在，断口亮白色，铁素体硬而脆，很少在机械零件中应用。灰铸铁：碳以石墨片状形式存在可锻铸铁：碳以石墨团絮状形式存在球墨铸铁：碳以石墨圆球状形式存在蠕墨铸铁：碳以石墨蠕虫状形式存在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。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 3.61.02.20.51.30.150.3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灰铸铁抗拉强度及硬度的变化是由于机体组织及石墨大小、数量不同的结果。纯铁素体为基体的灰铸铁：强度、硬度最低纯珠光体为基体的灰铸铁：强度、硬度较高组织成分： 铁碳合金双重相图以铸铁中c=3.5%的亚共晶合金为例。c=3.5%的液态合金在缓慢冷却条件下，当冷却至液相线的温度首先结晶出奥氏体，由于含碳量较低的奥氏体不断析出，促使液相成分不断沿含碳量增加的BC线变化，到共晶温度(1154)时，达到共晶成分剩余液相发生共晶转变，形成奥氏体和共晶石墨 LCAE+G (石墨)共晶转变后，随温度下降，奥氏体的成分沿ES线逐渐变化，同时析出二次石墨，这些石墨沉积于共晶石墨的表面，使共晶石墨不断长大。继续冷却至共析温度(738)时，剩余奥氏体成分达到共析成分，相当于S点(c=0.68% )，于是发生共析转变，形成铁素体和共析石墨ASFP+G (石墨)共析石墨一般沉积于共晶石墨的表面而使其生长，最后得到组织是在铁素体基体上分布着片状石墨。2.2 灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度铁水以很快速度冷却时，第一阶段石墨化过程（共析温度以上）及第二阶段石墨化过程（共析温度下）完全被抑止将得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组织，即白口铸铁组织。铁碳相图：铁水当温度冷却到液相时，开始从液相析出（）。1147共析温度。L+Fe3C（共晶渗碳体） 温度下降，A的饱和固溶碳量随温度下降而降低，因而析出二次渗碳体，此反应持续到共析温度。在共析反应中，A转变为珠光体。冷却到室温后，组织由共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组成。铁水以很慢的速度冷却时由于渗C体是不稳定相，而石墨是稳定相。第一阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分，最后得纯铁素体的灰铸铁组织。若石墨化的第一阶段进行很完全，第二阶段石墨化过程进行得不完全，则得珠光体+铁素体、灰铸铁。不同元素对铸铁石墨化及白口化的影响。2.3 灰铸铁的性能 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，常见灰铸铁的力学性能见表 1。 表 1 灰铸铁力学性能（GB 943988）序号牌号抗拉强度（MPa）1HT1001002HT1501503HT300300其化学成分的质量百分数()：C：2.638；Si：1.23.0；M n：0412；P：不大于0.4；S：不大于 0 15 。这样的化学成分及石墨在基体中存在的形成，决定了灰铸铁几乎无塑性及韧性。2.4 小结按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度。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。石墨在基体中存在的形成，决定了灰铸铁几乎无塑性及韧性。第三章 灰铸铁的焊性及接接焊缺陷3.1 灰铸铁焊接性分析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。 另一方面焊接接头易出现裂纹。3.2 焊接接头易出现白口及淬硬组织以含碳3%，含2.5%的常用灰铸铁为例，分析电弧焊焊后在焊接接头上组织变化的规律。 3.2.1 焊缝区当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，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。防止措施： 焊缝为铸铁 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。采用预热或者炉中缓冷。调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。可增加C、Si、Ni等元素促进石墨化。 对焊缝石墨影响元素异质焊缝：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。3.2.2 半熔化区特点：该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围11501250。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C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。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。例：电渣焊时，渣池对灰铸铁焊接热影响区先进行预热，而且电渣焊熔池体积大，焊接速度较慢，使焊接热影响区冷却缓慢，为防止半熔化区出现白口铸铁焊件预热到650700再进行焊接的过程称热焊。这种热焊工艺使焊接熔池与HAZ很缓慢地冷却，从而为防止焊接接头白口铸铁及高碳马氏体的产生提供了很好的条件。研究灰铸铁试板焊件、热输入相同时，随板厚的增加，半熔化区冷却速度加快。白口淬硬倾向增大。2）化学成分对半熔化区白口铸铁的影响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。3.2.3 奥氏体区该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A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。3.2.4 重结晶区很窄，加热温度范围780820。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奥氏体。在随后冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类组织。冷却很快时也可能出现一些马氏体。3.3 裂纹是易出现的缺陷3.3.1 冷裂纹可发生在焊缝区或热影响区上1）焊缝处冷裂纹产生部位：铸铁型焊缝当采用异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、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。起裂温度：一般在400以下。原因：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。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： 与焊缝基体组织有关，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。 与焊缝石墨形状有关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。 与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长都将增大应力状态，促使裂纹产生。防止措施：对焊补件进行整体预热（550700）能降低焊接应力。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。焊缝二次相变产生焊缝应力松弛的原因：其一、金属及合金在相变过程中塑性增加，这种特性称相变塑性。其二、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。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%、Si=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。2）发生在焊缝热影响区的冷裂纹发生部位：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：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。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。在焊接薄壁铸铁件（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热影响区上。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。）3.3.2 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，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： 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。3.4 小结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。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。焊接接头如：焊缝区、半融化区、奥氏体区、重结晶区易出现白口及淬硬组织。焊缝是易出现的缺陷，如可发生在焊缝区或热影响区上的冷裂纹和热裂纹。第四章 灰铸铁同质（铸铁型）焊缝的熔焊4.1 电弧热焊从有关焊接历史文献中可以知道，金属极电弧焊发时后，首先是应用于铸铁件的焊补。当时焊接冶金还未开始系统研究，人们就用与灰铸铁件成分基相同的铸铁圆棒（没有药皮）作为焊接材料进行铸铁件缺陷的焊补尝试，发现焊后焊缝易出现裂纹，焊缝白口严重，为了解决上述问题，于是人们采取了对工件进行整体预热焊接的尝试，发现这样做有助于问题的解决，所以热焊是铸铁焊接应用最早的一种工艺，以后焊接工作者又不断地完善热焊工艺。将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700（暗红色），然后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，人们称“热焊”。预热的选择：对结构复杂（如缸体）且焊补处拘束度很大的焊件，宜采用整体预热，采用局部预热焊，会在焊补处产生高拉应力，而不再出现裂纹。对结构简单而焊补的地方拘束度较小的焊件，可采用局部预热拘束度大，是指焊缝处于高拉应力状态中，故易裂，拘束度小，是指焊补的地方有一定的自由膨胀及收缩的余地，焊缝受应力小。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。电弧热焊的优点：有效地减少了焊接接头上的温差，而且铸铁由常温完全无塑性改变为有一定塑性，灰铸铁在600700时，伸长率可达23%，再加以焊后缓慢冷却，焊接应力状态大为改善。600700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。缺点：预热温度高，劳动条件很坏，焊补时焊工胸前高温烤，背后凉风吹（电扇），身体前后温差很大，工人容易得病。将焊件加热到600700需消耗很多燃料，焊补成本高，工艺复杂，生产率低。预热方法：一些大型拖拉机厂，汽车厂生产铸件多，焊补量大，焊补要求高，常装备有专门进行铸铁热焊的连续式煤气加热炉。铸铁焊补前，进入装有传送带的煤气加热炉，依次经过低温（200350）、中温（350600）及高温（600700）加热，使焊件升温缓慢而均匀，然后出炉焊补，焊补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，以消除焊接应力。一般中，小型铸造车间及修配厂常采用地炉或砖砌的明炉加热，燃料常用焦炭、木炭，也可用煤气火焰及氧乙炔焰加热。焊接材料：铸铁热焊时虽采取了预热缓冷的措施，但焊缝一般还是快于铸铁铁液在砂型中的冷却速度，为了保证焊缝石墨化，不产生白口组织且硬度合适，焊缝中总的C、Si含量还应稍大于母材。经研究认为电弧热焊时焊缝中W（C）=3%3.8%，W（Si）=3%3.8%,W(C+Si)=6%7.6%为宜。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248，直径6mm以上。 采用低碳钢芯加石墨型药皮，铸208，直径5mm以下。新国际标准这两种焊条均属E2C型焊条。热焊时采用大直径铸铁芯焊条，配合采用大电流，可加快焊补速度，缩短焊工从事热焊的时间，热焊时工人愿意采用大直径铸铁芯焊条。电弧热焊主要适用于厚度大于10mm以上工件缺陷的焊补，若对10mm以下薄件的焊补，则易发生烧穿等问题。适用于铸铁焊接电弧焊用的药芯焊丝。外皮由低碳钢带制成，内装有石墨、硅铁、铝粉等石墨化剂。优点：可以用较大焊接电流，熔敷率达519kg/h，15mm以上大中厚型缺陷焊接修复。4.2 气焊应用：氧乙炔火焰温度（<3400）比电弧温度（60008000）低很多，而且热量不集中，很适于薄壁铸件的焊补。优点：气焊时需用较长时间才能将焊补处加热到焊补温度，而且其加热面积又较大，实际上相当于焊补处先局部预热再进行焊接的过程。在采用适当成分的铸铁焊芯对薄壁件的缺陷进行气焊焊补时，由于冷速较慢，有利于石墨化过程的进行。焊缝易得到灰铸铁组织，而HAZ也不易产生白口或其他淬硬组织。缺点：工件受热面积大，焊接热应力较大，焊补刚度较大的缺陷时比热焊更生冷裂纹。4.3 焊缝为铸铁型的电弧冷焊电弧冷焊优点：焊前对被焊补的工件不预热，焊工劳动条件好，焊补成本低，焊补过程短，焊补效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的已加工面等情况更适于采用。易出现的问题：铸铁型焊缝的焊接熔池及其HAZ冷却速度很快，易产生白口及马氏体。焊件上的温度场很不均匀，使焊缝产生较高的拉应力，而灰铸铁的焊缝强度较低，基本无塑性，焊后很容易产生冷裂纹。解决措施：1、提高焊缝石墨化的能力。冷焊条件下焊缝中W(C)=4.0%5.5%,Si=3.5%4.5%,C+Si=7.510%，比较合适。过去一般都趋向于提高焊缝含硅量（4.5%7%）.把C控制在3%左右，通过近年来大量研究工作表明，适当提高焊缝含C量及适当保持焊缝含Si量较为理想。原因：提高焊缝含C量对减弱与消除半熔化区白口作用比提高Si有效，因为液态时，C的扩散能力比Si强十倍左右。在C、Si总量一定时，提高焊缝含C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。焊缝含Si量>7.5%时，Si对铁素体固溶强化，使焊缝硬度升高，C不存在这一问题。2、焊缝中加入Ca、Ba、Al等，这些微量元素的加入，可形成高熔点的硫化物、氧化物等，成为石墨形核的异质核心，加速焊缝石墨化过程。3、为了防止焊接接头上出现白口及淬硬组织，采取大的焊接热输入工艺，即采用大电流、连续焊工艺来降低焊缝冷却速度。4、（过去电弧冷焊灰铸铁，受传统观念束缚，一直使焊缝也成为灰铸铁，但灰铸铁石墨为片状，片状石墨的尖端是高应力集中区，加以铸铁焊缝强度低，无塑性，又采用大电流连续工艺，工件局部受热较严重，焊缝应力状态较严重，很易形成冷裂纹。）近期，通过冶金处理，改变焊缝石墨的形态，甚至使石墨成为球状，并控制基体为铁素体+珠光体，使焊缝的抗冷裂能力获得提高。铸铁型焊缝电弧冷焊存在很多局限性：焊缝强度低、塑性差，焊补较大刚度缺陷时易出现裂纹。焊缝为铸铁型，由于冷速快，焊缝易出现白口。由于工艺要求采用大电流、连续焊，对于薄壁件缺陷的焊补有困难。4.4 灰铸铁的钎焊钎焊时母材不熔化，故对避免铸铁焊接接头出现白口是非常有利的，使接头有优良的加工性。此外，钎焊温度较低，焊接接头应力较小，二接头上又无白口等组织，对发生裂纹的敏感性也较小，所以研究钎焊方法来补焊铸铁很早就被人们所注意。国内外一般都采用氧乙炔焰钎焊铸铁。过去一直多采用黄铜钎料，其成分为：w(Cu)53%55%，其余为Zn。这种钎料我国有定型产品，型号为“HL103”。 钎剂可用硼砂。黄铜钎焊铸铁在我国有一定的应用。黄铜钎焊的缺点是：钎焊接头强度偏低，一般为117.6147MPa.钎焊处呈金黄色，与母材颜色差异大。故黄铜钎焊在一些修配厂应用还是可以的，但应用于要求较高的新铸铁件缺陷的补焊上往往难于满足要求。经研究发现，黄铜钎焊焊缝的本身强度并不低（b196MPa），而接头破坏基本都发生在与母材连接的钎接面上，这说明接头强度低主要是因钎焊接头上扩散过程不充分引起的，其原因是铜、锌常温时在铁中的溶解度都非常微小所致。经过对有关相图分析，可以知道在上述黄铜的基础上加入一定量的锰有利于问题的解决。因为锰在黄铜及铁中都有较大的溶解度，有利于钎焊接头扩散过程的进行；而且锰颜色发黑，加入黄铜中有利其颜色向铸铁靠近。但锰加入后易形成脆性相，使钎焊焊缝塑性降低。而镍在上述黄铜中能扩大相区，可以消除锰的这种有害作用，同时加入镍也有利于扩散过程的进行。在黄铜中加入少量的锡可提高钎料的流动性。加入少量的铝可防止锌的氧化剂蒸发。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6-7和表6-8），用于铸铁的钎焊取得较好的效果。利用上述钎料及钎剂焊铸铁可在700左右进行（比一般黄铜钎焊温度低200），可保证钎焊接头无任何高硬度组织出现，钎缝硬度165199HV，热影响区硬度200HV左右，母材（HT200）硬度201221HV，切削加工性能非常优良，完全可以满足流水线上任何机加工要求。钎焊接头强度b196MPa，完全满足HT200铸铁力学性能的要求，颜色与铸铁接近。我国以生产上述钎料与钎剂，主要用于加工面撒谎那个小缺陷焊补。与电弧焊、气焊不同，钎焊前必须用机械方法将钎焊处露出金属光泽，否则钎焊不上，这可能影响在铸铁钎焊上的推广。4.5 细丝CO2气体保护焊细丝CO2气体保护焊是短路过度过程，采用小电流、低电压焊接，母材熔深浅；而且伴随小电流小电压，母材第一层的熔合比也有所减小。此外，细丝CO2气体保护焊有一定的氧化性，对焊缝中碳的氧化烧损也能起一定作用，这些都可使焊缝含碳量得到降低。4.6 小结热焊是铸铁焊接应用最早的一种工艺，而电弧焊有是最常用的。将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700（暗红色），然后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，人们称“热焊”。气焊比电弧焊温度低，而且热量不集中，适于薄壁铸件的焊补。由于工件受热面积大，焊接热应力较大，焊补刚度较大的缺陷时比热焊更生冷裂纹。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的已加工面等情况更适于采用电弧冷焊。钎焊时母材不熔化，故对避免铸铁焊接接头出现白口是非常有利的，使接头有优良的加工性。此外，钎焊温度较低，焊接接头应力较小，二接头上又无白口等组织，对发生裂纹的敏感性也较小。细丝CO2气体保护焊有一定的氧化性，对焊缝中碳的氧化烧损也能起一定作用，这些都可使焊缝含碳量得到降低。第五章 异质焊材焊接灰铸铁5.1 异质焊缝电弧冷焊材料5.1.1 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。我国目前生产的镍基铸铁焊条主要有下列几种： EZNi焊条它是纯镍焊芯、石墨型药皮的铸铁焊条。这种焊条的最大特点是：电弧冷焊焊接接头加工性优异。半熔化区的白口宽度一般为0.05mm左右。焊接接头强度可满足一般常用灰铸铁的要求。焊缝有一定塑性，伸长率5%，Ni 5360%,Fe 4740%. EZNiFe焊条它是NiFe合金焊芯，石墨型药皮的铸铁焊条。由于铁的固溶强化作用，其特点为：所焊焊缝及焊接接头具有较高的抗拉强度。焊缝有较高的塑性，伸长率10%左右。第一层焊缝受母材稀释后的含镍量为35%40%，具有最小的线膨胀系数。抗裂性能优于纯Ni及NiCu铸铁焊条。焊接接头机械加工性比“EZNi”稍差。 EZNiCu焊条它是Ni70-Cu30合金焊芯，石墨型药皮铸铁焊条，由于Ni70-Cu30的NiCu合金又称为Monel合金，故人们常称该焊条为蒙乃尔焊条。该焊条W(Ni)=70%,低于纯Ni焊条，而高于NiFe焊条。特点：半熔化区白口较窄，介于纯Ni焊条与NiFe焊条之间。在合适的焊接工艺下，半熔化区白口宽度0.07mm左右。焊接接头的加工性接近纯镍焊条而稍优于NiFe焊条。由于NiCu合金收缩率较大（2%）易引起焊缝较大的内应力，故该焊条的抗裂性能不及镍铁焊条及纯Ni焊条。据研究，向焊缝中加入适当稀土后，可消除焊缝热裂纹，使接头强度与灰铸铁母材相匹配。5.1.2 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