第6章-铸铁焊接课件.ppt

,铸铁：wC%2.11%的铁碳合金,铸铁：wC%2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到 工业常用铸铁：Fe-C-Si合金 同时含有一定量Mn、杂质元素P、S等,特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小 便于铸造生产形状复杂的机械零部件 成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等 在汽车、农机和机床中获得了广泛应用,6.1 铸铁的种类及其焊接方法,6.1.1 铸铁的种类,按照碳在铸铁中存在的形式和石墨形态：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁,白口铸铁：C绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在 断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用 是制造可锻铸铁的中间品 表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊,灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中 C基本以石墨形式存在，部分存在于珠光体中石墨形态不同性能有较大差别,力学性能：球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 灰铸铁 石墨形式：球状 团絮状 蠕虫状 片状,球墨铸铁：1947年 以球化剂处理高温铁液使石墨球化 球状 对基体割裂作用小力学性能大幅提高 应用仅次于灰铸铁,灰铸铁：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间 摩擦性均优良，工业中应用最广泛 片状石墨：对基体严重割裂作用 灰铸铁强度低、塑性差,可锻铸铁：由白口铸铁经长时间石墨化退火获得团絮状 塑性比灰铸铁高 退火处理时间长，成本高，应用受限制,蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状，头部较圆 比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好,在工业中属于初期推广应用阶段,铸铁基体组织：铁素体F、珠光体P或二者的混合物 是在钢的基体上加上石墨 石墨强度很低，相当于空洞钢有效承载面积 石墨端部尖锐严重应力集中，易断裂 铸铁比相同组织钢：强度低、塑性差,Q235钢：b=375460MPa，伸长率2126%,灰铸铁：b=100350MPa，伸长率0.5%,球状铸铁：铁素体基体：b=400MPa，伸长率18%,珠光体基体：b=700MPa，伸长率2%,奥氏体+贝氏体基体：b=8601035MPa，伸长率710%,1、灰铸铁,特点：断面呈灰色、石墨呈片状组织：碳以片状石墨的形式存在于珠光体或铁素体或二者混合基体中,石墨：含量高且呈粗片状抗拉强度低 含量低呈细片状抗拉强度高,基体：纯铁素体抗拉强度和硬度低 纯珠光体抗拉强度和硬度均较高,用途：机床床身、齿轮箱、皮带轮、底座、缸体、盖、手轮等受力不大、耐磨、减震零件,表6-1 灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途,2、球墨铸铁,液态铸铁浇铸前进行球化处理可以得到 我国常用的球化剂：稀土镁合金细小圆整的石墨球对基体的割裂作用较小，其力学性能是所有铸铁中最高的,经球化剂处理后的铁液结晶：具有较大的白口倾向还需进行孕育处理（添加孕育剂）促进石墨化过程的进行，避免出现莱氏体组织,通过球化和孕育处理得到球状石墨,2、球墨铸铁,应用：用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件,具有高强度与高耐磨性的珠光体球墨铸铁，常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等；,具有高韧性和塑性的铁素体球墨铸铁，常用来制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。,表6-2 球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织,3、可锻铸铁,石墨呈团絮状,由一定成分白口铸铁经长时间石墨化退火获得,与灰铸铁相比：具有较好强度和塑性 耐磨性和减振性优于碳钢,应用：管类零件和农机具等,4、蠕墨铸铁,石墨呈蠕虫状,生产方式：与球墨铸铁相似,特点：具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造 性能好、耐热疲劳性能好的优点；应用：制造大功率柴油机气缸盖、电动机外壳等,6.1.2 铸铁的凝固特点与石墨化,铸铁的成分、组织及性能特点关键在于碳的存在形式,碳含量超过在铁中溶解度：铸铁中便有高碳相析出 或是渗碳体，或是自由状态的碳-石墨,熔融状态的铁液在冷却过程中（化学成分和冷却条件不同）：既可从液相中或高温奥氏体中直接析出渗碳体（介稳状态）也可直接析出石墨（稳定状态）同时，渗碳体加热至高温还可以分解出石墨,图6-1 铁碳合金双重相图,虚线：Fe-C 稳定系相图实线：Fe-Fe3C介稳定系 相图,wC%=4.26%：共晶铸铁,共晶反应：LA+Fe3C 或LA+G,共析反应：AF+Fe3C 或AF+G,过共晶：LFe3C（）或LG（）,石墨化过程：1）石墨化第一阶段,特点：由于温度较高，碳原子扩散能力强，石墨化 比较容易实现,从过共晶铁液中直接析出的初生（一次）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；一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体高温下 分解析出的石墨,LG（）,LA+G,AF+G,Fe3CG+F,2）石墨化第二阶段,专门石墨化退火 使珠光体中共析渗碳体分解 获得基体完全为铁素体的铸铁,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,若第二阶段石墨化能充分进行，铸铁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+珠光体混合组织,珠光体P的显微组织,AF+G,Fe3C（共析）G+F,影响铸铁石墨化的主要因素：铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度,1）化学成分 促进石墨化元素、阻碍石墨化（促进白口化）元素,图6-2 合金元素对铸铁石墨化的影响,G,碳化物,2）冷却速度,缓慢冷却有利于石墨化,冷却速度：与铸模类型、浇注温度、铸件壁厚及铸件 尺寸等因素有关如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁 而薄壁处可能出现白口铸铁,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,6.1.3 铸铁焊接方法,焊条电弧焊、气焊、CO2气保电弧焊、手工电渣焊、气体火焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等,近年来，直接将焊接用于零部件的生产在实际工作中的比例越来越大，主要是将球墨铸铁件之间、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、扩散焊等方法连接起来,铸铁焊接应用：铸造缺陷的焊补;已损坏的铸铁成品件的焊补;零部件的生产(把铸件与钢件焊接起来作成零部件),对铸铁焊接的要求：1）焊后焊接接头是否进行机械加工2）焊缝颜色是否与母材一致3）焊后接头是否承受很大工作应力4）焊缝金属及接头力学性能是否要求与母材一致5）焊接成本,根据被修复件的结构刚度以及对焊补后机械加工要求的不同，采用焊条电弧焊或气焊方法：热焊：焊前将被修复铸件整体加热到600700 并在此温度下焊接 半热焊：焊前预热到400 冷焊：焊前不预热 焊补后缓冷 防止焊接裂纹并改善焊补区域的机械加工性能,图6-4 铸铁电弧焊的焊缝金属分类,6.2 铸铁的焊接性分析_ 6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织_ 1、焊缝区 2、半熔化区 3、奥氏体区 4、部分重结晶区 6.2.2 焊接裂纹_ 1、冷裂纹 2、热裂纹 6.2.3 球墨铸铁的焊接性特点_,6.2 铸铁的焊接性分析,铸铁化学成分特点：C、Si含量高，S、P杂质含量高灰铸铁力学性能特点：强度低，塑性差,铸铁焊接性：较差 表现：焊接接头容易出现白口及淬硬组织 容易产生裂纹 原因：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,6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织,灰铸铁：wC%=3.0%，wSi%=2.5%焊条电弧焊 Fe-C-Si三元合金：共晶转变和共析转变是在某一 温度区间进行的,共晶转变温度区间：LA+Fe3C（介稳态）或LA+G（稳态）,共析转变温度区间：AF+Fe3C（介稳态）或AF+G（稳态）,冷却速度快时：AM,图6-5 灰铸铁焊条电弧焊焊接接头各区域组织变化,wSi%=2.5%,半熔合区,焊缝区,热影响区,母材,半熔合区,1、焊缝区,焊缝金属冷却速度铸件在砂型中的冷却速度,焊缝成分为铸铁，即同质焊缝时：焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体，即具有莱氏体组织的白口组织,白口组织：硬而脆，硬度高达500800HB 将影响整个焊接接头的机械加工性 能，同时促进产生裂纹,不预热条件下，即使增大焊接热输入，仍然不能完全消除白口,同质铸铁焊缝，要求：选择合适的焊接材料，调整焊缝化学成分、增强焊缝金属的石墨化能力，并配合适当的工艺措施使焊缝金属缓冷，促进碳以石墨形式析出,采用：热焊或半热焊同质焊条：碳、硅含量高,防止白口,灰铸铁焊接,异质焊缝：低碳钢焊条焊接灰铸铁，尽量采用小电流，减少母材熔化量，并配合预热等措施减缓冷却速度，防止马氏体相变，以获得珠光体类型组织为主的钢焊缝 或采用镍基奥氏体焊条,灰铸铁焊接,2、半熔化区,高温下：L+高碳冷却时：共晶温度区间 LA+共晶Fe3C继续冷却：A析出Fe3C()共析温度区间：AF+Fe3C（AP）,最终得到：共晶Fe3C+Fe3C()+P 的白口铸铁快冷：出现 AM（固态相变）,温度范围：11501250，固相线和液相线之间 焊接时处于半熔化状态,3、奥氏体区,温度范围：8201150固相线与共析温度上限之间 只有固态相变,距离熔合线远近不同，即热循环最高温度不同，奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生差别,奥氏体区温度较高地方：碳较多地向周围奥氏体扩散 使含碳量增高，同时奥氏体晶粒长大奥氏体区温度较低地方：碳向周围奥氏体扩散数量较 少使含碳量较低，且奥氏体晶粒较小,随后冷却过程中：首先 A析出Fe3C()而后 共析转变：AF+Fe3C,冷却速度较慢：A P冷却速度较快：A M 使焊接接头加工性变差,4、部分重结晶区,温度范围：780820 奥氏体与铁素体双相区,加热时：母材中 P A 铁素体晶粒长大冷却过程：再次发生固态相变，A P 快冷：出现M,最终得到：马氏体铁素体 混合组织,铸铁焊接特点：焊缝金属的多样化而与母材成分有 较大差异,“熔合区”白口：未完全混合区白口（石墨化元素较焊 缝少，冷却时易生成白口）和半熔化区连在一起 形成较宽的白口带,异质焊缝的熔合区物理化学反应更为复杂,6.2.2 焊接裂纹,1、冷裂纹（热应力裂纹）,铸铁焊接的常见缺陷,铸铁焊接接头出现裂纹：承载能力大大下降 整体结构也不能满足致密性要求 导致焊接失败,温度：500以下出现位置：焊缝及热影响区均有较大冷裂纹敏感性不焊接仅局部加热至高温，冷却后就可能产生裂纹,1）冷裂纹产生的原因,铸铁型同质焊缝：出现：焊缝较长或焊补部位刚度较大时容易出现 即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生温度：500以下 伴随：脆性断裂的声音,冷裂纹很少在500以上产生的原因：一方面是由于铸铁在较高温度下有一定塑性 另一方面是此时焊缝承受的焊接应力也较小,式中：0平均拉伸应力；t 裂纹尖端的曲率半径；a 代表内部裂纹长度的一半；m 裂纹尖端处的最大应力,1）冷裂纹产生的原因,铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源：片状石墨的尖端位置原因：片状石墨减小了焊缝金属的有效承载面积 且尖端会造成严重的应力集中,灰铸铁500以下：强度低、塑性差 焊接应力作用下 片状石墨尖端裂纹源将穿过F与P的基体窄桥向前扩展 焊缝止裂能力差形成尺寸较大贯穿焊缝金属脆性宏观裂纹,1）冷裂纹产生的原因,不同石墨形态铸铁，裂纹敏感性不同：原因：石墨边缘形状不同 应力集中程度不同，对基体组织割裂程度不同 造成力学性能的差异 止裂能力也有较大差别,灰铸铁：片状石墨边缘非常尖锐，应力集中系数大，抗拉强度低，塑性差，止裂能力也差 冷裂纹倾向大球墨铸铁：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低蠕墨铸铁：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间,焊缝冷裂纹倾向,低碳钢焊条焊接灰铸铁：得到钢焊缝，容易出现马氏体或二次渗碳体，焊缝仍具有较大冷裂纹倾向,异质焊条焊接灰铸铁：连续长焊缝产生横向裂纹并发出金属断裂声其中：Ni-Cu焊缝：收缩率高、热应力大、裂纹倾向较大 高钒钢焊缝：横向冷裂纹 铜钢焊缝：抗冷裂纹能力最强实质：热应力超过其塑性变形能力时发生突然断裂行为,焊缝冷裂纹倾向,异质焊缝的剥离性裂纹：钢焊缝、镍基焊缝力学性能比铸铁 母材好，但收缩率大，造成焊缝底部或热影响区裂纹，严重时使焊缝金属与母材分离。位置：熔合区、热影响区，沿焊缝与热影响区交界扩展断口：呈脆断特征原因：脆弱的母材、热影响区及熔合区不能承受焊接时 过大的热应力引起,总结：冷裂纹主要受焊接应力即热应力的影响，热应 力超过焊缝及热影响区的塑性变形能力，白口 和马氏体等脆硬组织通过影响焊缝及热影响区 金属的力学性能和热应力而促进裂纹，氢的影 响不大。,2）防止冷裂纹的措施,对焊补工件进行整体高温预热（600700），使焊缝金属处于塑性状态，并促进焊缝金属石墨化，改善组织，充分降低焊接应力，并要求焊后在相同温度下消除应力。防止铸铁型同质焊缝出现冷裂纹最有效的措施,加热减应区法：在焊前和焊接过程中，利用气体火焰加热焊件的选定位置，在焊缝冷却过程巾能使焊缝金属比较自由的收缩，有利于减少焊接热应力。既可以避免高温预热，也能有效防止冷裂纹,应从减小热应力入手,2）防止冷裂纹的措施,使焊缝中石墨以球状或蠕虫状析出，提高焊缝金属的力学性能，避免片状石墨造成的应力集中和脆化。,调节铸铁焊缝成分,铸铁型焊缝：wC%，并加入一定量合金元素，如Mn(wMn=0.75%)、Mo（wMo=1.17%）、Cu（wCu=1.85%）等 使焊缝金属在快冷条件下高温时能析出石墨，较低温度下基体金属依次发生贝氏体相变和马氏体相变 利用二次连续相变产生的应力松弛效应，可以有效地防止焊缝出现冷裂纹。,2）防止冷裂纹的措施,调节铸铁焊缝成分,应力松弛效应,一是在相变过程中金属塑性增加即相变塑性 A B、A M 明显相变塑性现象；二是B和M的比体积较A、P及F的比体积都大 相变过程中体积膨胀有利于松弛焊接应力,贝氏体相变的有利作用：伴随其相变 500250；马氏体相变产生的焊缝金属应力松弛：从200左右至室温,二次连续相变在500以下整个温度范围的连续有益效应，使热应力未能达到焊缝金属的抗拉强度而避免冷裂纹,异质焊缝：,为降低热应力，防止冷裂纹和剥离性裂纹，要求：采用屈服点较低而且有良好塑性的焊接材料焊接时，较易通过焊缝的塑性变形而松弛焊接接头的部分应力，有利于防止冷裂纹的产生。,镍基或铜基焊材 焊缝为塑性良好的非铁合金 对冷裂纹不敏感,2）防止冷裂纹的措施,白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影响解决：冶金：铸铁焊缝增加C、Si含量配以缓冷促进石墨化 异质焊缝采用塑性良好的非铁合金材料工艺：预热焊方法防止焊接接头冷裂纹,2、热裂纹,铸铁焊缝：由于铁液凝固过程中析出石墨，体积膨胀，且流动性好，焊缝对热裂纹不敏感；,采用低碳钢焊条或镍基焊材：焊缝易出现属于热裂纹的结晶裂纹,2、热裂纹,低碳钢焊条焊接灰铸铁：1）焊缝wC%高 2）S、P含量高，形成FeS-Fe 低熔点共晶形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹,特点：没有开裂声 宏观：表面因为高温氧化形成的蓝紫色特征 微观：沿一次奥氏体晶界开裂的沿晶断口形貌 并存在高温液态薄膜拉开后回缩的皱褶,2、热裂纹,镍基焊条焊接灰铸铁：1）S、P含量高，形成Ni-Ni3S2 和Ni-Ni3P低熔点共晶 2）镍基焊缝凝固后形成粗大的单相奥氏体柱状晶,防止措施：调节焊缝金属中碳、硅、钴、稀土等合金元素含量，可得到抗热裂纹性能较佳的合金系统,如WC=2.38%，合金处于共晶成分，抗热裂性最佳；适量的稀土元素钇提高抗热裂纹性能 钇具有较强脱S、脱P作用 使奥氏体晶间低熔点共晶物减少 细化晶粒、促使石墨呈球状析出,总之，灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向比较大，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及其化学成分有关。为防止铸铁焊接时产生裂纹，在生产中主要采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。,6.2.3 球墨铸铁的焊接性特点,1）球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍石墨化和促进 AM的作用，铸铁焊缝及半熔化区更容易出现白口铸 铁，奥氏体区则更容易出马氏体M组织，从而容易产生 冷裂纹；,2）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。焊接接头中白口铸 铁，使冲击韧度值大幅度下降对强度和塑性有较大不良 影响。,6.3 铸铁的焊接材料及工艺_ 6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点_ 1、同质焊缝电弧热焊 2、气焊 3、手工电渣焊 4、异质焊缝电弧冷焊 5、灰铸铁的钎焊与喷焊 6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点_ 1、气焊 2、同质焊缝电弧焊 3、异质焊缝电弧焊 6.3.3 其他铸铁的焊接特点_ 1、奥-贝球墨铸铁 2、蠕墨铸铁焊接 3、白口铸铁焊接,6.3 铸铁的焊接材料及工艺,焊接材料：铁基合金、镍基合金、铜基合金焊条；铜基钎料及镍基或铁基喷焊粉。,6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点,1、同质焊缝电弧热焊和半热焊,电弧热焊：将铸铁件预热到600700，然后在塑性状 态下进行焊接，焊接温度不低于500400，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。适用于10mm以上的中厚铸件的大缺陷补焊。,预热：结构复杂且焊补处拘束度大整体预热；结构简单、拘束度较小大范围局部预热,1、同质焊缝电弧热焊,高温预热作用：1）减小了焊接区域的温差2）使母材从常温无塑性状态变为具有一定塑性 大大减小了热应力，避免开裂,高温预热+焊后缓冷 使焊缝和半熔化区石墨化较为充分 焊接接头可以完全避免白口及淬硬组织产生,1、同质焊缝电弧半热焊,半热焊：预热温度在300400时称为半热焊优点：1）改善焊工劳动条件，降低焊补成本2）较有效地防止焊接热影响区出现M及熔合区白口 改善接头加工性,不利：铸件结构复杂、焊补处刚度较大时 局部半热焊会增大热应力，促使产生裂纹 适用于补焊区刚度较小或铸件形状较简单的情况,6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点,1、同质焊缝电弧热焊和半热焊,为保证焊缝石墨化，防止白口：电弧热焊焊缝中C、Si总量应稍高于母材 wC%=3.0%3.8%wSi%=3.0%3.8%半热焊wC%=3.5%4.5%wSi%=3.0%3.8%,焊条类型：EZC,EZC,Z248：铸铁焊芯外涂石墨型药皮,Z208：H08低碳钢焊芯外涂强石墨型药皮,表6-4 铸铁焊条及焊丝（GB/T 10044-2006）,电弧热焊工艺：焊前准备、预热、焊接、焊后缓冷及 加工等过程,图6-7 缺陷造型示意图a)较大缺陷 b)边角缺陷,造型材料：型砂加水玻璃或黄泥，内壁放置耐高温的石墨片,1）焊前准备：清理、开坡口 对于较大缺陷或边角缺陷，防止熔化金属流失，保证 原定的焊缝成型，需焊前造型。,2）预热：,结构复杂的焊件，宜采用整体加热；,结构简单的焊件，宜采用局部加热；,预热温度一般600700，不超过铸铁的共析温度，具体根据铸铁件体积、壁厚、结构复杂程度、缺陷位置及加热条件等因素来确定。注意：控制加热速度 使铸铁件温度均匀，减小热应力 防止加热过程中出现裂纹,3）焊接：从缺陷中心引弧，逐渐向外扩展，连续焊接将缺陷焊满焊补过程中为保持预热温度，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流、长弧、连续焊,4）焊后缓冷：常用保温材料覆盖，最好随炉冷却重要 铸件焊补后马上入炉进行消除应力热处理，保温一段 时间后随炉冷却,焊接电流与焊条直径经验公式：I=（4050）d 式中 d焊条直径（mm）,同质焊条不预热焊：采用灰铸铁芯焊条（如Z248）,不预热焊：优点：成本低，焊接条件改善，焊补周期短 不足：容易产生白口及淬硬组织，裂纹倾向较大,焊接材料：加入孕育作用的合金元素，如Ca、Al、Ba等促进石墨化，防止白口焊接工艺：大电流、慢速、往复运条连续焊，降低焊缝冷却速度,采用：分段焊或加热减应区法 减小热应力,不预热焊：优点：成本低，焊接条件改善，焊补周期短 不足：容易产生白口及淬硬组织，裂纹倾向较大,2、气焊,电弧热焊及半热焊主要适用于10mm以上的中厚铸件 的大缺陷补焊。薄壁铸件的焊补适合气焊 氧乙炔火焰温度比电弧温度低很多，需要很长时间才 能将焊补处加热到熔化温度，使得受热面积较大，相 当于局部预热焊接条件，很适合薄壁铸件的焊补。,气焊的特点：,1）冷却速度慢，有利于石墨化过程的进行，焊缝易获 得灰铸铁组织，HAZ区也不易产生白口及淬硬组织；2）加热时间长，被焊件受热面积大，焊接热应力较大，有一定裂纹倾向。,适用于：拘束度小的薄壁件缺陷的焊补拘束度大时：宜采用整体预热的气焊热焊法 预热温度为600700，焊后缓冷,气焊焊接材料：,气焊过程中焊丝的Si和C都有一些氧化烧损，为提高焊缝石墨化能力，保证焊缝有合适的组织和硬度，焊丝中的Si、C含量较热焊时应高一些。w（C+Si）%=6.0%适用于热焊气焊 w（C+Si）%=7.0%普通气焊,焊缝夹渣：,2Na2CO3+SiO2=2（Na2O）SiO2+2CO2,成因：铸铁气焊焊接时，Si易氧化，形成SiO2酸性氧化 物，熔点高(1713)，粘度较大，流动性不好。,去除：加入以碱性氧化物(Na2CO3、K2CO3、NaHCO3)为主要组成的熔剂，使其互相结合成为低熔点的 熔渣，浮到熔池表面，便于清除。,气焊焊接工艺：,焊前清理与准备工作与焊条电弧焊相同 较小的边角缺陷或刚度较小时，可用冷焊。,加热减应区法：在焊件上选定一处或几处加热后可使应力减小的部位，作为所谓“减应区”，焊前及焊接过程中，对其进行加热和保温，以降低或转移焊接接头拘束应力；焊后同步冷却，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力，防止裂纹。,拘束度较大部位裂纹的焊补：,加热减应区法：关键：正确选择“减应区”，以及对其加热、保温和冷却 的控制选择原则：使减应区主变形方向与焊缝金属冷却收缩 方向一致,焊前：对减应区加热能使缺陷位置获得最大张开位移，加热温度不应超过铸铁的相变温度，600700 较好。焊后：使减应区与焊补区域同步冷却,加热减应区气焊法修复发动机缸盖裂纹,焊前：A、B、C三处同步加热T600：对C 继续加热使之 熔化并形成坡口以保证焊透 A、B两处T650：开始对C处焊接 焊后：三处同步冷却结果：可获得良好焊补质量 不会出现裂纹,4、电弧冷焊,（1）铸铁型焊缝的电弧冷焊,电弧冷焊：焊前不预热优点：焊工工作条件好，工艺简便，焊接成本较低。是铸铁焊接的发展方向,问题：焊接接头易产生白口及淬硬组织,解决途径：1）适当提高焊缝中的C、Si含量，有利于石墨化；2）提高焊接热输入，采用大直径焊条、大电流连续焊工 艺，以减慢焊接接头的冷却速度，有助于消除或减少 M组织。,（2）异质焊缝（非铸铁型）电弧冷焊,电弧冷焊焊接铸铁异质焊缝是最常用的焊接方法,异质焊缝冷焊主要是通过调整焊缝化学成分的方法，以改善接头的组织和性能。,异质焊缝,1）钢基焊缝及焊接材料,钢基铸铁焊条：降低含C量，以获得钢焊缝,EZFe-1：纯铁焊芯氧化性药皮铸铁焊条EZFe-2：低碳钢焊芯铁粉型铸铁焊条焊接接头的白口、淬硬组织和裂纹问题没有解决,EZV：低碳钢焊芯、低氢型药皮高钒铸铁焊条,不足：焊缝底部形成一条主要由碳化钒颗粒组成的高 硬度带状组织，半熔化区白口较宽 焊接接头加工性差用于：只能用于非加工面缺陷的焊补,加V目的：利用V具有较强的形成碳化物能力，使C和V形成高度弥散分布的VC质点，分布于铁素体基体中。由于焊缝中C的存在形式得到改变，增加了焊缝的塑性，可避免白口组织和淬硬组织的产生，提高了抗裂能力。焊缝：b=558588 MPa，=2836%，满足要求,H08Mn2SiA细丝CO2气体保护焊：,不足：接头加工性不好用于：非加工面缺陷的焊补,焊丝：H08Mn2SiA细丝（0.81.0mm）气体：CO2或CO2+O2气体工艺：小电流（85A）、低电压（1820V）和 较快焊接速度（1012m/h）减少母材熔化量，降低焊缝含碳量和焊接应力,不足：接头加工性不好用于：非加工面缺陷的焊补,焊丝：H08Mn2SiA细丝（0.81.0mm）气体：CO2或CO2+O2气体工艺：小电流（85A）、低电压（1820V）和 较快焊接速度（1012m/h）减少母材熔化量，降低焊缝含碳量和焊接应力,2）镍基焊缝及焊接材料,镍基焊缝：应用非常广泛 石墨化元素，高温下可溶解较多C T部分过饱和碳以石墨形式析出 石墨析出伴随体积膨胀 降低焊接应力，防止焊接热影响区冷裂纹 Ni向半熔化区扩散 缩小白口宽度、改善焊接接头加工性，适 用于加工面缺陷的焊补,Ni：奥氏体形成元素，与铁完全互溶 wNi%30%：得到硬度较低单相奥氏体组织 较强石墨化元素，对减弱半熔化区白口层很有利,1）纯镍铸铁焊条 EZNi-1（Z308），焊芯为纯镍 优点：采用小电流焊接时，接头半熔化区的白口层最小，并呈断续分布，机械加工性好。焊缝为奥氏体加点状石墨，硬度低，塑性较好，抗热裂纹性能较好。缺点：含镍量最高，价格贵(约为低碳钢焊条的30倍),不适合大量使用。,镍基焊条,2）镍铁铸铁焊条EZNiFe-1（Z408）焊芯为镍铁合金（Ni55%,Fe45）优点：镍铁焊缝具有较高的强度，塑性较好，适合焊 接强度较高的铸铁，线膨胀系数小，抗裂性能好。在镍基焊条中价格最便宜，应用最多。缺点：含镍量较低，半熔化区的白口比纯镍焊条宽，接头硬度也较高，机械加工性能稍差，但仍能加工。,镍基焊条,3）镍铜铸铁焊条EZNiCu-1（Z508）焊芯为镍铜合金（Ni70%,Cu30）特点：焊缝强度在镍基焊条中最低，接头加工性与纯 镍焊条相近。但是镍铜合金的收缩率大，焊缝的裂纹倾向较大，镍铜焊条在镍基焊条中性能最差，成本比镍铁焊条高，逐渐被镍铁焊条所取代。,镍基焊条,铜基焊条,铜芯铁粉焊条（Z607):Cu：Fe80:20，药皮为低氢型铜芯铁皮焊条（Z612）：铜包钢芯、钛钙型药皮铸铁焊条。,铜与碳不形成碳化物，也不溶解碳，而且铜的强度低、塑性很好，铜基焊缝金属的固相线温度低，这些特性对防止焊接接头冷裂纹及熔合区剥离性裂纹很有利。加Fe可细化铜晶粒，进一步提高抗热裂纹性能。,(4)异质焊缝电弧冷焊工艺,使用异种焊接材料进行铸铁电弧冷焊时，在保证焊缝金属成形与母材熔合良好的前提下，尽量用小规格焊条和小规范施焊，并采用短弧焊、短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝等工艺措施，适当提高焊接速度，不作横向摆动，并注意选择合理的焊接方向和顺序，来降低焊接应力，减小半熔化区和热影响区宽度，改善接头的加工性及防止裂纹产生，并采用退火焊道降低焊缝的淬硬性开裂倾向。,“短段断续分散焊，较小电流熔深浅，每锤击消应力，退火焊道前段软”,焊接方向和顺序：应本着从拘束度大的部位拘束度小的部位焊接的原则。,当铸铁件的缺陷尺寸较大、情况复杂、焊补难度大时，可以采用镶块焊补法、栽丝焊补法及垫板焊补法等特殊焊补技术。,图6-11 灰铸铁缸体侧壁裂纹的焊补,缺陷3由多个交叉裂纹组成，如逐个焊补，则难以避免出现焊接裂纹。,图6-12 镶块焊补法 a)凹形低碳钢板镶块 b)平板低碳钢板镶块,可以将该缺陷整体加工掉，按尺寸准备一块厚度较薄的低碳钢板。焊前将低碳钢板冲压成凹形。,用平板在其中间切割一条窄缝，目的是降低拘束度。焊补时低碳钢板容易变形，利于缓解焊接应力，防止焊接裂纹，此即镶块焊补法。按顺序分段焊接，最后焊好中间的切缝，保证缸体壁的水密性。,图6-13 栽丝焊补法,栽丝焊补法,问题：厚壁铸铁件大尺寸缺陷焊补时，需要开坡口进行多层焊，这样将导致焊接应力积累。由于焊补量大，为了降低成本采用钢基焊缝时，焊缝金属强度高，收缩率大，容易产生剥离性裂纹，使焊补失败。,解决措施：栽丝焊补法先在母材坡口表面钻螺纹，拧入钢质螺钉，露出部分与焊缝金属成一体，将焊缝金属与铸铁母材连接起来，通过螺钉分担部分应力，既防止焊接裂纹，又提高了焊补区域的承载能力。,要领：先绕螺钉焊接，再焊螺钉之间；螺钉根部与母材要焊住，螺钉尽可能少熔化,垫板焊补法,坡口尺寸更大时，甚至可以在坡口内放入低碳钢板，用焊缝强度高、抗裂性好的铸铁焊条（如EZNiFe、EZV焊条）将铸铁母材和低碳钢板焊接起来，称之为垫板焊补法。,优点：大大减少焊缝金属量，有利于降低焊接应力，防止裂纹，还节省了大量焊接材料，缩短焊补工期。,5.灰铸铁的钎焊与喷焊,钎焊：采用钎焊方法焊补铸铁缺陷，母材不熔化，故对避免灰铸铁焊接接头出现白口是非常有利的，使接头具有优良的加工性能。此外，钎焊温度较低，焊接接头应力较小，而接头上又无白口组织，对发生裂纹的敏感性也较小。,使用铜基钎料，氧乙炔火焰作热源，对加工面铸造缺陷进行焊补。,5.灰铸铁的钎焊与喷焊钎料：,1)铜锌钎料BCu62ZnNiMnSi-R（HL104）少量硅在弱氧化焰作用下很快生成SiO2，与钎剂形成低熔点的硅酸盐，覆盖在液态钎料表面，阻碍锌的蒸发，减小对人体的危害。焊接接头强度偏低，焊缝硬度低，颜色与母材差别大，钎焊时加热温度900，超过灰铸铁的共析温度，快冷下热影响区会出现M或B，影响接头加工性。,5.灰铸铁的钎焊与喷焊2)Cu-Zn-Mn-Ni钎料 为了改善铜锌钎料钎焊灰铸铁的接头性能，大幅度增加Mn和Ni的含量，发展了Cu-Zn-Mn-Ni钎料。,加Mn和Ni：利用这两种元素在Cu和Fe中的固溶度均较大的性质，可以提高液态钎料在灰铸铁表面的润湿性，促进钎料成分向灰铸铁中扩散，从而提高接头强度。另外，还可以降低钎焊温度，有助于防止热影响区高硬度组织，并使钎缝变灰白色，接近灰铸铁颜色。,用Cu-Zn-Mn-Ni钎料钎焊灰铸铁HT200，接头最高硬度230HBW,b600MPa。,采用氧乙炔火焰粉末喷焊可修复铸铁件在机械加工中出现的小缺陷。喷焊粉：F103为镍基喷焊粉，喷焊层硬度为2030HRC，加工性良 好，颜色接近母材。F302为铁基喷焊粉，可用于已淬火机床床身导轨面缺陷的 修复，喷焊层与导轨面硬度相当。,喷焊,6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点,气焊、电弧焊,球墨铸铁由于含有球化剂，加剧了焊缝和半熔化区液相金属的过冷倾向，促进形成白口铸铁。球化剂元素还增加奥氏体的稳定性，促进奥氏体区形成马氏体组织。因此，球墨铸铁的焊接性比灰铸铁差。,球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，对焊接接头的力学性能要求相应提高。,1气焊,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。,焊丝,RZCQ-1,RZCQ-2,均含球化剂,轻稀土镁合金,Y基重稀土合金,2.电弧焊同质焊缝（球墨铸铁型）球墨铸铁焊条：问题：1）很难获得石墨稳定球化的焊缝；电弧温度很高，球化元素容易蒸发、氧化，难以过渡到熔池中 2）球化剂都有增大白口倾向，在石墨球化的同时促进焊缝白口。冶金：焊条中加入采用C、Si、Al、Ca、Ba、Ce等 强脱氧或脱硫元素，既可稳定球化，白口倾 向也大大降低。,Z258：铸铁焊芯外涂强石墨化药皮,EZCQ,Z238：低碳钢焊芯外涂强石墨化药皮,工艺：500以上预热，焊后保温缓冷,2）异质焊缝（非球墨铸铁型）电弧焊 球墨铸铁同质焊缝电弧焊时，焊接材料价格较低，但一般要求高温预热。可以将一些力学性能好的灰铸铁异质焊接材料用于球墨铸铁电弧冷焊，例如镍铁铸铁焊条和高钒铸铁焊条。,镍铁铸铁焊条：抗热裂纹性能较好，但力学性能不足,高钒铸铁焊条：细小的碳化钒起到弥散强化作用，提高焊缝金属的力 学性能，但白口铸铁层较宽，接头加工性能较差,思考题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.分析影响铸铁型焊缝组织的主要因素有哪些？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的原因及防止措施。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.比较分析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.某气缸体侧壁（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）。,