《铸铁焊接》PPT课件.ppt

第第6章章 铸铁焊接铸铁焊接_ _6.1 铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类及其焊接方法_6.2 铸铁的焊接性分析铸铁的焊接性分析_6.3 铸铁的焊接材料及工艺铸铁的焊接材料及工艺_纯纯铁铁铸铁：铸铁：wC%2.11%的铁碳合金的铁碳合金铸铁铸铁：wC%2.11%的铁碳合金，由工业生的铁碳合金，由工业生铁铁、废钢废钢等钢铁及等钢铁及其合金材料经过高温熔融和其合金材料经过高温熔融和铸造铸造成型而得到成型而得到 工业常用铸铁：工业常用铸铁：Fe-C-Si合金合金 同时含有一定量同时含有一定量Mn、杂质元素、杂质元素P、S等等特点特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小熔点低、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铸铁的种类及其焊接方法6.1.1 铸铁的种类铸铁的种类按照按照碳碳在铸铁中在铸铁中存在的形式存在的形式和和石墨形态：石墨形态：白口铸铁白口铸铁、灰铸铁灰铸铁、可锻铸铁可锻铸铁、球墨铸铁球墨铸铁及及蠕墨铸铁蠕墨铸铁白口铸铁：白口铸铁：C绝大部分以绝大部分以渗碳体（渗碳体（Fe3C）的形式存在的形式存在 断口呈白亮色，性质脆硬断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用，极少单独使用 是制造可锻铸铁的是制造可锻铸铁的中间品中间品 表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊轧辊 灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中 C基本以基本以石墨形式石墨形式存在，部分存在于珠光体中存在，部分存在于珠光体中石墨形态不同石墨形态不同性能有较大差别性能有较大差别力学性能力学性能：球墨铸铁：球墨铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 灰铸铁灰铸铁 石墨形式：球状石墨形式：球状 团絮状团絮状 蠕虫状蠕虫状 片状片状球墨铸铁球墨铸铁：1947年年 以球化剂处理高温铁液使石墨球化以球化剂处理高温铁液使石墨球化 球状球状 对基体割裂作用小对基体割裂作用小力学性能大幅提高力学性能大幅提高 应用仅次于灰铸铁应用仅次于灰铸铁灰铸铁灰铸铁：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间 摩擦性均优良，摩擦性均优良，工业中应用最广泛工业中应用最广泛 片状片状石墨：对基体严重割裂作用石墨：对基体严重割裂作用 灰铸铁强度低、塑性差灰铸铁强度低、塑性差可锻铸铁可锻铸铁：由白口铸铁经长时间石墨化退火获得由白口铸铁经长时间石墨化退火获得团絮状团絮状 塑性比灰铸铁高塑性比灰铸铁高 退火处理时间长，成本高，应用受限制退火处理时间长，成本高，应用受限制蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：石墨呈石墨呈蠕虫状蠕虫状，头部较圆，头部较圆 比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好性能好,在工业中属于初期推广应用阶段在工业中属于初期推广应用阶段铸铁基体组织：铁素体铸铁基体组织：铁素体F、珠光体珠光体P或或二者的混合物二者的混合物 是在是在钢的基体上加上石墨钢的基体上加上石墨 石墨强度很低，相当于空洞石墨强度很低，相当于空洞钢有效承载面积钢有效承载面积 石墨端部尖锐石墨端部尖锐严重应力集中，易断裂严重应力集中，易断裂 铸铁比相同组织钢：铸铁比相同组织钢：强度低、塑性差强度低、塑性差 Q235钢：钢：b=375460MPa，伸长率，伸长率2126%灰铸铁灰铸铁：b=100350MPa，伸长率，伸长率铸件在砂型中的冷却速度铸件在砂型中的冷却速度焊缝成分为焊缝成分为铸铁铸铁，即同质焊缝时：，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莱氏体组织的白口组织白口组织白口组织：硬而脆，硬度高达白口组织：硬而脆，硬度高达500800HB 将影响整个焊接接头的机械加工性将影响整个焊接接头的机械加工性 能，同时促进产生裂纹能，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完全消除白口同质铸铁焊缝同质铸铁焊缝，要求：，要求：选择合适的焊接材料，调整焊缝化学成分、增强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，缝金属缓冷，促进碳以石墨形式析出促进碳以石墨形式析出采用：热焊或半热焊采用：热焊或半热焊同质焊条：碳、硅含量高同质焊条：碳、硅含量高防止白口防止白口灰铸铁焊接灰铸铁焊接异质焊缝异质焊缝：低碳钢焊条低碳钢焊条焊接灰铸铁，尽量采用小电流，减少焊接灰铸铁，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体相变，以获得珠光体类型组织为主的钢焊缝 或采用或采用镍基奥氏体镍基奥氏体焊条焊条灰铸铁焊接灰铸铁焊接2、半熔化区、半熔化区高温下：高温下：L+高碳高碳冷却时：共晶温度区间冷却时：共晶温度区间 LA+共晶共晶Fe3C继续冷却：继续冷却：A析出析出Fe3C()共析温度区间：共析温度区间：AF+Fe3C（AP）最终得到：最终得到：共晶共晶Fe3C+Fe3C()+P 的白口铸铁的白口铸铁快冷：出现快冷：出现 AM（固态相变）（固态相变）温度范围：温度范围：11501250，固相线和液相线之间固相线和液相线之间 焊接时处于半熔化状态焊接时处于半熔化状态3、奥氏体区、奥氏体区温度范围：温度范围：8201150固相线与共析温度上限之间固相线与共析温度上限之间 只有固态相变只有固态相变 距离熔合线远近不同，即热循环最高温度不同，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，且奥氏体晶粒较小少使含碳量较低，且奥氏体晶粒较小随后冷却过程中：首先随后冷却过程中：首先 A析出析出Fe3C()而后而后 共析转变：共析转变：AF+Fe3C冷却速度较慢：冷却速度较慢：A P冷却速度较快：冷却速度较快：A M 使焊接接头加工性变差使焊接接头加工性变差4、部分重结晶区、部分重结晶区温度范围：温度范围：780820 奥氏体与铁素体双相区奥氏体与铁素体双相区加热时：母材中加热时：母材中 P A 铁素体晶粒长大铁素体晶粒长大冷却过程：再次发生固态相变，冷却过程：再次发生固态相变，A P 快冷：出现快冷：出现M最终得到：最终得到：马氏体铁素体马氏体铁素体 混合组织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 较大差异较大差异“熔合区熔合区”白口：白口：未完全混合区白口（石墨化元素较焊未完全混合区白口（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 焊接裂纹焊接裂纹1、冷裂纹、冷裂纹（热应力裂纹）（热应力裂纹）铸铁焊接的常见缺陷铸铁焊接的常见缺陷铸铁焊接接头出现裂纹：铸铁焊接接头出现裂纹：承载能力大大下降承载能力大大下降 整体结构也不能满足致密性要求整体结构也不能满足致密性要求 导致焊接失败导致焊接失败温度：温度：500以下以下出现位置：出现位置：焊缝焊缝及及热影响区热影响区均有较大冷裂纹敏感性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）冷裂纹产生的原因铸铁型铸铁型同质焊缝同质焊缝：出现：出现：焊缝较长焊缝较长或焊补部位或焊补部位刚度较大刚度较大时容易出现时容易出现 即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生温度：温度：500以下以下 伴随：脆性断裂的声音伴随：脆性断裂的声音冷裂纹冷裂纹很少在很少在500以上产生以上产生的原因：的原因：一方面是由于铸铁在较高温度下有一定塑性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另一方面是此时焊缝承受的焊接应力也较小式中：式中：0平均拉伸应力；平均拉伸应力；t 裂纹尖端的曲率半径；裂纹尖端的曲率半径；a 代表内部裂纹长度的一半；代表内部裂纹长度的一半；m 裂纹尖端处的最大应力裂纹尖端处的最大应力1）冷裂纹产生的原因）冷裂纹产生的原因铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源：片状石墨的尖端位置：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且尖端会造成严重的应力集中灰铸铁灰铸铁500以下：强度低、塑性差以下：强度低、塑性差 焊接应力作用下焊接应力作用下 片状石墨尖端裂纹源将穿过片状石墨尖端裂纹源将穿过F与与P的基体窄桥向前扩展的基体窄桥向前扩展 焊缝止裂能力差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）冷裂纹产生的原因不同不同石墨形态石墨形态铸铁，裂纹敏感性不同：铸铁，裂纹敏感性不同：原因：石墨边缘形状不同原因：石墨边缘形状不同 应力集中应力集中程度不同，对基体组织割裂程度不同程度不同，对基体组织割裂程度不同 造成力学性能的差异造成力学性能的差异 止裂能力止裂能力也有较大差别也有较大差别灰铸铁灰铸铁：片状石墨片状石墨边缘非常尖锐，应力集中系数大，边缘非常尖锐，应力集中系数大，抗拉强度低，塑性差，止裂能力也差抗拉强度低，塑性差，止裂能力也差 冷裂纹倾向大冷裂纹倾向大球墨铸铁球墨铸铁：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低蠕墨铸铁蠕墨铸铁：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间焊缝冷裂纹倾向焊缝冷裂纹倾向低碳钢焊条低碳钢焊条焊接灰铸铁：得到钢焊缝，容易出现马氏体焊接灰铸铁：得到钢焊缝，容易出现马氏体或二次渗碳体，焊缝仍具有或二次渗碳体，焊缝仍具有较大冷裂纹倾向较大冷裂纹倾向异质焊条焊接灰铸铁：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连续长焊缝产生横向裂纹并发出金属断裂声其中：其中：Ni-Cu焊缝：收缩率高、热应力大、裂纹倾向较大焊缝：收缩率高、热应力大、裂纹倾向较大 高钒钢焊缝：横向冷裂纹高钒钢焊缝：横向冷裂纹 铜钢焊缝：抗冷裂纹能力最强铜钢焊缝：抗冷裂纹能力最强实质：实质：热应力超过其塑性变形能力时发生突然断裂行为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焊缝冷裂纹倾向异质焊缝的剥离性裂纹异质焊缝的剥离性裂纹：钢焊缝、镍基焊缝力学性能比铸铁钢焊缝、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，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。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 过大的热应力引起过大的热应力引起总结：冷裂纹主要受焊接应力即总结：冷裂纹主要受焊接应力即热应力的影响热应力的影响，热应热应 力超过焊缝及热影响区的塑性变形能力力超过焊缝及热影响区的塑性变形能力，白口白口 和和马氏体马氏体等脆硬组织通过影响焊缝及热影响区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金属的力学性能和热应力而促进裂纹促进裂纹，氢的影氢的影 响不大响不大。2）防止冷裂纹的措施）防止冷裂纹的措施 对焊补工件进行对焊补工件进行整体高温预热整体高温预热（600700），使焊缝），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，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，并要求充分降低焊接应力，并要求焊后在相同温度下消除应力。焊后在相同温度下消除应力。防止铸铁型防止铸铁型同质焊缝同质焊缝出现冷裂纹最有效的措施出现冷裂纹最有效的措施 加热减应区法：加热减应区法：在焊前和焊接过程中，利用气体火焰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。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既可以避免高温预热，也能有效防止冷裂纹应从应从减小热应力减小热应力入手入手2）防止冷裂纹的措施）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。学性能，避免片状石墨造成的应力集中和脆化。调节调节铸铁铸铁焊缝成分焊缝成分铸铁型焊缝铸铁型焊缝：wC%，并，并加入一定量合金元素加入一定量合金元素，如，如Mn(wMn=0.75%)、Mo（wMo=1.17%）、）、Cu（wCu=1.85%）等）等 使焊缝金属在使焊缝金属在快冷条件下高温时能析出石墨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较低温度下基体金属依次发生贝氏体相变贝氏体相变和和马氏体相变马氏体相变 利用利用二次连续相变产生的应力松弛效应二次连续相变产生的应力松弛效应，可以有效，可以有效地防止焊缝出现冷裂纹。地防止焊缝出现冷裂纹。2）防止冷裂纹的措施）防止冷裂纹的措施调节调节铸铁铸铁焊缝成分焊缝成分应应力力松松弛弛效效应应 一是在相变过程中金属塑性增加即一是在相变过程中金属塑性增加即相变塑性相变塑性 A B、A M 明显相变塑性现象；明显相变塑性现象；二是二是B和和M的比体积较的比体积较A、P及及F的的比体积比体积都大都大 相变过程中体积膨胀有利于相变过程中体积膨胀有利于松弛焊接应力松弛焊接应力贝氏体相变的有利作用：伴随其相变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：从马氏体相变产生的焊缝金属应力松弛：从200左右至室温左右至室温二次连续相变在二次连续相变在500以下整个温度范围的连续有益效应，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：异质焊缝：为降低热应力，防止冷裂纹和剥离性裂纹，要求：为降低热应力，防止冷裂纹和剥离性裂纹，要求：采用采用屈服点较低屈服点较低而且有而且有良好塑性良好塑性的焊接材料焊接时，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。利于防止冷裂纹的产生。镍基镍基或或铜基焊材铜基焊材 焊缝为塑性良好的非铁合金焊缝为塑性良好的非铁合金 对冷裂纹不敏感对冷裂纹不敏感2）防止冷裂纹的措施）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：白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影响解决：冶金：冶金：铸铁焊缝增加铸铁焊缝增加C、Si含量含量配以配以缓冷缓冷促进石墨化促进石墨化 异质焊缝异质焊缝采用塑性良好的采用塑性良好的非铁合金材料非铁合金材料工艺：工艺：预热焊预热焊方法方法防止焊接接头冷裂纹防止焊接接头冷裂纹2、热裂纹、热裂纹 铸铁焊缝铸铁焊缝：由于铁液凝固过程中析出石墨，体积膨胀，且流动由于铁液凝固过程中析出石墨，体积膨胀，且流动性好，焊缝对性好，焊缝对热裂纹不敏感；热裂纹不敏感；采用采用低碳钢低碳钢焊条或焊条或镍基焊材镍基焊材：焊缝易出现属于热裂纹的焊缝易出现属于热裂纹的结晶裂纹结晶裂纹2、热裂纹、热裂纹 低碳钢焊条低碳钢焊条焊接灰铸铁：焊接灰铸铁：1）焊缝焊缝wC%高高 2）S、P含量高，形成含量高，形成FeS-Fe 低熔点共晶低熔点共晶形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹特点：没有开裂声特点：没有开裂声 宏观：表面因为高温氧化形成的宏观：表面因为高温氧化形成的蓝紫色特征蓝紫色特征 微观：沿一次奥氏体晶界开裂的沿晶断口形貌微观：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并存在高温液态薄膜拉开后回缩的皱褶2、热裂纹、热裂纹 镍基焊条镍基焊条焊接灰铸铁：焊接灰铸铁：1）S、P含量高，形成含量高，形成Ni-Ni3S2 和和Ni-Ni3P低熔点共晶低熔点共晶 2）镍基焊缝凝固后形成）镍基焊缝凝固后形成粗大的单相奥氏体柱状晶粗大的单相奥氏体柱状晶 防止措施：防止措施：调节焊缝金属中碳、硅、钴、稀土等合金元素含量，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可得到抗热裂纹性能较佳的合金系统 如如WC=2.38%，合金处于共晶成分，抗热裂性最佳；，合金处于共晶成分，抗热裂性最佳；适量的适量的稀土元素钇稀土元素钇提高抗热裂纹性能提高抗热裂纹性能 钇具有较强脱钇具有较强脱S、脱、脱P作用作用 使奥氏体晶间低熔点共晶物减少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，焊接接头中总之，灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向比较裂纹倾向比较大大，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织，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，在生产中主要采取生产中主要采取减小焊接应力减小焊接应力，改变焊缝合金系统改变焊缝合金系统以以及及限制母材中杂质熔入焊缝限制母材中杂质熔入焊缝等措施。等措施。6.2.3 球墨铸铁的焊接性特点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的作用，铸铁焊缝及半熔化区更容易出现白口铸更容易出现白口铸 铁铁，奥氏体区则，奥氏体区则更容易出马氏体更容易出马氏体M组织组织，从而，从而容易产生容易产生 冷裂纹冷裂纹；2）由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以）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。影响。6.3 铸铁的焊接材料及工艺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灰铸铁的焊接材料及工艺特点_ 1、同质焊缝电弧热焊、同质焊缝电弧热焊 2、气焊、气焊 3、手工电渣焊、手工电渣焊 4、异质焊缝电弧冷焊、异质焊缝电弧冷焊 5、灰铸铁的钎焊与喷焊、灰铸铁的钎焊与喷焊 6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点球墨铸铁的焊接工艺特点_ 1、气焊、气焊 2、同质焊缝电弧焊、同质焊缝电弧焊 3、异质焊缝电弧焊、异质焊缝电弧焊 6.3.3 其他铸铁的焊接特点其他铸铁的焊接特点_ 1、奥、奥-贝球墨铸铁贝球墨铸铁 2、蠕墨铸铁焊接、蠕墨铸铁焊接 3、白口铸铁焊接、白口铸铁焊接 6.3 铸铁的焊接材料及工艺铸铁的焊接材料及工艺焊接材料：焊接材料：铁基合金、镍基合金、铜基合金焊条；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。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、同质焊缝电弧热焊和半热焊电弧热焊电弧热焊：将铸铁件：将铸铁件预热预热到到600700，然后在，然后在塑性状塑性状 态下进行焊接态下进行焊接，焊接温度不低于，焊接温度不低于500400，为防，为防 止焊接过程中开裂，止焊接过程中开裂，焊后焊后立即进行立即进行消除应力处理消除应力处理及及 缓冷缓冷的铸铁焊补工艺。的铸铁焊补工艺。适用于适用于10mm以上的以上的中厚铸件中厚铸件的大缺陷补焊。的大缺陷补焊。预热：结构复杂且焊补处拘束度大预热：结构复杂且焊补处拘束度大整体预热；整体预热；结构简单、拘束度较小结构简单、拘束度较小大范围局部预热大范围局部预热1、同质焊缝电弧热焊、同质焊缝电弧热焊高温预热高温预热作用：作用：1）减小了焊接区域的温差）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）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，避免开裂大大减小了热应力，避免开裂高温预热高温预热+焊后缓冷焊后缓冷 使焊缝和半熔化区石墨化较为充分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、同质焊缝电弧半热焊半热焊半热焊半热焊：预热温度在：预热温度在300400时称为半热焊时称为半热焊优点优点：1）改善焊工劳动条件，降低焊补成本）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）较有效地防止焊接热影响区出现M及熔合区白口及熔合区白口 改善接头加工性改善接头加工性不利不利：铸件结构复杂、焊补处刚度较大时：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，促使产生裂纹局部半热焊会增大热应力，促使产生裂纹 适用于补焊区适用于补焊区刚度较小刚度较小或或铸件形状较简单铸件形状较简单的情况的情况6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点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、同质焊缝电弧热焊和半热焊为保证焊缝石墨化，防止白口：为保证焊缝石墨化，防止白口：电弧热焊电弧热焊焊缝中焊缝中C、Si总量应总量应稍高于母材稍高于母材 wC%=3.0%3.8%wSi%=3.0%3.8%半热焊半热焊wC%=3.5%4.5%wSi%=3.0%3.8%焊条类型：焊条类型：EZCEZCZ248：铸铁焊芯外涂石墨型药皮：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低碳钢焊芯外涂强石墨型药皮类别类别名称名称型号型号焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）（%）备注备注CSiMnSPFeNiCu铸铁铸铁同质同质焊条焊条灰铸铁灰铸铁焊条焊条EZC2.04.0 2.56.5 0.750.100.15余余球墨铸铁球墨铸铁焊条焊条EZCQ3.24.2 3.24.0 0.80球化剂球化剂0.040.15%镍基镍基铸铁铸铁焊条焊条纯镍纯镍铸铁铸铁焊条焊条EZNi-12.02.51.00.038.090EZNi-24.02.5852.5Al1.0%EZNi-3Al 1.0%3.0%镍铁镍铁铸铁铸铁焊条焊条EZNiFe-1余余4560Al1.0%EZNiFe-2Al 1.0%3.0%EZNiFeMn1.010143545Al1.0%镍铜铸铁镍铜铸铁焊条焊条EZNiCu-10.350.550.752.30.0253.06.06070 2535EZNiCu-25060 3545镍铁铜铸镍铁铜铸铁焊条铁焊条EZNiFeCu2.02.01.50.03余余4560410表表6-4 铸铁焊条及焊丝（铸铁焊条及焊丝（GB/T 10044-2006）类别类别名称名称型号型号焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）（%）备注备注CSiMnSPFeNiCu其他其他铸铁铸铁焊条焊条纯铁及碳纯铁及碳钢焊条钢焊条EZFe-10.040.100.60.0100.015余余焊芯焊芯成分成分EZFe-20.100.030.0300.030高钒焊条高钒焊条EZV0.250.701.500.040.04V 8%13%铸铁铸铁同质同质焊丝焊丝灰铸铁灰铸铁焊丝焊丝RZC-13.23.5 2.73.00.600.750.100.500.75RZC-23.54.5 3.03.80.300.800.50RZCH3.23.5 2.02.50.500.700.200.401.21.6Mo0.250.45%球墨铸铁球墨铸铁焊丝焊丝RZCQ-13.24.0 3.23.80.100.400.0150.050.5Ce 0.20球化剂球化剂0.04%0.10%RZCQ-23.54.2 3.54.20.500.800.030.10镍基药芯焊丝镍基药芯焊丝ET3ZNiFe2.01.03.05.0 0.034560 2.5Al1.0%镍基气体镍基气体保护焊焊丝保护焊焊丝ERZNi1.00.752.50.030.4904.0ERZNiFeMn 0.501.01014余余3445 2.5Al1.0%电弧热焊工艺电弧热焊工艺：焊前准备、预热、焊接、焊后缓冷及焊前准备、预热、焊接、焊后缓冷及 加工等过程加工等过程图图6-7 缺陷造型示意图缺陷造型示意图a)较大缺陷较大缺陷 b)边角缺陷边角缺陷造型材料：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）焊前准备：清理、开坡口：清理、开坡口 对于较大缺陷或边角缺陷，防止熔化金属流失，对于较大缺陷或边角缺陷，防止熔化金属流失，保证保证 原定的焊缝成型，需原定的焊缝成型，需焊前造型。焊前造型。2）预热）预热：结构结构复杂复杂的焊件，宜采用的焊件，宜采用整体加热整体加热；结构结构简单简单的焊件，宜采用的焊件，宜采用局部加热局部加热；预热温度一般预热温度一般600700，不超过铸铁的共析温度，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。加热条件等因素来确定。注意：控制加热速度注意：控制加热速度 使铸铁件温度均匀，减小热应力使铸铁件温度均匀，减小热应力 防止加热过程中出现裂纹防止加热过程中出现裂纹3）焊接：）焊接：从缺陷中心引弧，逐渐向外扩展，连续焊接将缺从缺陷中心引弧，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，故宜采用完，故宜采用大电流大电流、长弧长弧、连续焊连续焊4）焊后缓冷：）焊后缓冷：常用保温材料覆盖，最好随炉冷却重要常用保温材料覆盖，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 时间后随炉冷却时间后随炉冷却焊接电流与焊条直径经验公式：焊接电流与焊条直径经验公式：I=（4050）d 式中式中 d焊条直径（焊条直径（mm）同质焊条同质焊条不预热焊不预热焊：采用灰铸铁芯焊条（如：采用灰铸铁芯焊条（如Z248）不预热焊：不预热焊：优点优点：成本低，焊接条件改善，焊补周期短：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，裂纹倾向较大不足：容易产生白口及淬硬组织，裂纹倾向较大焊接材料：焊接材料：加入孕育作用的合金元素，如加入孕育作用的合金元素，如Ca、Al、Ba等促进石等促进石墨化，防止白口墨化，防止白口焊接工艺：焊接工艺：大电流、慢速、往复运条连续焊，降低焊缝冷却速度大电流、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采用：分段焊或加热减应区法 减小热应力减小热应力不预热焊：不预热焊：优点优点：成本低，焊接条件改善，焊补周期短：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，裂纹倾向较大不足：容易产生白口及淬硬组织，裂纹倾向较大2、气焊、气焊电弧热焊电弧热焊及及半热焊主要半热焊主要适用于适用于10mm以上的以上的中厚铸件中厚铸件 的大缺陷补焊。的大缺陷补焊。薄壁铸件薄壁铸件的焊补适合的焊补适合气焊气焊 氧乙炔火焰温度比电弧温度低很多，需要很长时间才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，能将焊补处加热到熔化温度，使得受热面积较大，相相 当于局部预热焊接条件，当于局部预热焊接条件，很适合很适合薄壁铸件薄壁铸件的焊补。的焊补。气焊的特点：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）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，得灰铸铁组织，HAZ区也区也不易产生白口及淬硬组织；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，）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。有一定裂纹倾向。适用于：拘束度小的薄壁件缺陷的焊补适用于：拘束度小的薄壁件缺陷的焊补拘束度大拘束度大时：宜采用整体预热的时：宜采用整体预热的气焊热焊法气焊热焊法 预热温度为预热温度为600700，焊后缓冷，焊后缓冷类别类别名称名称型号型号焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）（%）备注备注CSiMnSPFeNiCu铸铁铸铁同质同质焊丝焊丝灰铸铁灰铸铁焊丝焊丝RZC-1 3.23.5 2.73.0 0.600.750.100.500.75余余RZC-2 3.54.5 3.03.8 0.300.800.50RZCH 3.23.5 2.02.5 0.500.700.200.401.21.6Mo0.250.45%气焊焊接材料：气焊焊接材料：气焊过程中焊丝的气焊过程中焊丝的Si和和C都有一些氧化烧损，为提高焊缝都有一些氧化烧损，为提高焊缝石石墨化墨化能力，保证焊缝有合适的组织和硬度，焊丝中的能力，保证焊缝有合适的组织和硬度，焊丝中的Si、C含含量量较热焊时应较热焊时应高高一些。一些。w（C+Si）%=6.0%适用于热焊气焊适用于热焊气焊 w（C+Si）%=7.0%普通气焊普通气焊焊缝夹渣：焊缝夹渣：2Na2CO3+SiO2=2（Na2O）SiO2+2CO2成因：铸铁气焊焊接时，成因：铸铁气焊焊接时，Si易氧化，形成易氧化，形成SiO2酸性氧化酸性氧化 物，熔点高物，熔点高(1713)，粘度较大，流动性不好。，粘度较大，流动性不好。去除：加入以去除：加入以碱性氧化物碱性氧化物(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，便于清除熔渣，浮到熔池表面，便于清除。气焊焊接工艺：气焊焊接工艺：焊前清理与准备工作与焊条电弧焊相同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。较小的边角缺陷或刚度较小时，可用冷焊。加热减应区法：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，在焊件上选定一处或几处加热后可使应力减小的部位，作为所谓作为所谓“减应区减应区”，焊前及焊接过程中，对其进行加热，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，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，从而加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力减小焊接应力，防止裂防止裂纹纹。拘束度较大部位裂纹的焊补：拘束度较大部位裂纹的焊补：加热减应区法：加热减应区法：关键关键：正确选择：正确选择“减应区减应区”，以及对其加热、保温和冷，以及对其加热、保温和冷却却 的控制的控制选择原则：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 方向一致方向一致焊前：焊前：对减应区加热对减应区加热能使缺陷位置获得最大张开位移，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，加热温度不应超过铸铁的相变温度，600700 较好。较好。焊后：使减应区与焊补区域焊后：使减应区与焊补区域同步冷却同步冷却加热减应区气焊法修复发动机缸盖裂纹加热减应区气焊法修复发动机缸盖裂纹焊前：焊前：A、B、C三处同步加热三处同步加热T600：对：对C 继续加热使之继续加热使之 熔化并形成坡口以保证焊透熔化并形成坡口以保证焊透 A、B两处两处T 650：开始对开始对C处焊接处焊接 焊后：三处同步冷却焊后：三处同步冷却结果：可获得良好焊补质量结果：可获得良好焊补质量 不会出现裂纹不会出现裂纹焊补位焊补位4、电弧冷焊、电弧冷焊（1）铸铁型焊缝的电弧冷焊）铸铁型焊缝的电弧冷焊电弧冷焊：电弧冷焊：焊前不预热焊前不预热优点：焊工工作条件好，工艺简便，焊接成本较低。优点：焊工工作条件好，工艺简便，焊接成本较低。是铸铁焊接的是铸铁焊接的发展方向发展方向问题：焊接接头易产生白口及淬硬组织问题：焊接接头易产生白口及淬硬组织解决途径解决途径：1）适当提高焊缝中的）适当提高焊缝中的C、Si含量，有利于石墨化；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）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，有助于消除或减少艺，以减慢焊接接头的冷却速度，有助于消除或减少 M组织。组织。（2）异质焊缝（非铸铁型）电弧冷焊）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异质焊缝冷焊主要是通过调整焊缝化学成分调整焊缝化学成分的方法，的方法，以改善接头的组织和性能。以改善接头的组织和性能。异质焊缝异质焊缝1）钢基钢基焊缝及焊接材料焊缝及焊接材料钢基铸铁焊条：钢基铸铁焊条：降低含降低含C量量，以获得钢焊缝，以获得钢焊缝类别类别名称名称型号型号焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）（%）备注备注CSiMnSPFeNiCu其他其他铸铁铸铁焊条焊条纯铁及碳纯铁及碳钢焊条钢焊条EZFe-10.040.100.60.0100.015余余焊芯焊芯成分成分EZFe-20.100.030.0300.030高钒焊条高钒焊条EZV0.250.701.500.040.04V 8%13%EZFe-1：纯铁焊芯氧化性药皮铸铁焊条：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：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：低碳钢焊芯、低氢型药皮高钒铸铁焊条高钒铸铁焊条不足不足：焊缝底部形成一条主要由碳化钒颗粒组成的高：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，半熔化区白口较宽硬度带状组织，半熔化区白口较宽 焊接接头焊接接头加工性差加工性差用于：只能用于用于：只能用于非加工面缺陷的焊补非加工面缺陷的焊补加加V目的目的：利用利用V具有较强的形成碳化物能力，使具有较强的形成碳化物能力，使C和和V形成高度形成高度弥散分布的弥散分布的VC质点，分布于铁素体基体中。由于焊缝中质点，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。组织和淬硬组织的产生，提高了抗裂能力。焊缝：焊缝：b=558588 MPa，=2836%，满足要求，满足要求H08Mn2SiA细丝细丝CO2气体保护焊：气体保护焊：不足：不足：接头加工性不好接头加工性不好用于：用于：非加工面缺陷的焊补非加工面缺陷的焊补焊丝：焊丝：H08Mn2SiA细丝（细丝（0.81.0mm）气体：气体：CO2或或CO2+O2气体气体工艺：小电流（工艺：小电流（85A）、低电压（）、低电压（1820V）和）和 较