铸铁焊接特点及优化措施

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：所以，在铸铁熔焊时，采取适当工艺措施使该区缓慢冷却，就可以使奥氏体直接析出石墨，从而避免二次渗碳体的析出，防止产生淬硬组织。总之，铸铁焊接接头容易产生裂纹的原因主要是铸铁强度低、铸铁的塑性极差、焊件受热不均匀和焊接应力大等。所以，气焊只适用于薄壁的、刚度较小铸铁件的补焊。加热减应区法操作如下：焊前或焊接过程中，用火焰加热铸铁焊件的适当部位，利用热胀冷缩的规律，减小焊接过程的收缩应力，避免产生裂纹。

（一）灰铸铁的焊接

1.灰铸铁的焊接性

（1）焊接接头容易出现白口及淬硬组织以常用的灰铸铁为例，经焊条电弧焊焊后，焊接接头上的组织变化，可以分为六个区域，如图4-6所示。

1）焊缝区：当焊缝的化学成分与焊件的成分相同时，焊条电弧焊焊缝的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝基本上是白口组织。如果增大焊接热输入，焊缝中可以出现一定量的灰铸铁，但还不能完全消除白口组织。如果采取以下措施，可避免白口组织的出现。

①采用石墨化能力很强的焊条进行电弧冷焊，并配合一定的工艺措施。

②采用铜或钢焊条及镍基焊条等，使焊缝金属成为钢或有色金属。

图4-6 灰铸铁焊接接头的组织变化

③焊前预热，焊后缓冷。

2）半熔化区：此区较窄，处于液相线及固相线之间，其温度范围为1150～1250℃。在焊接操作时，此区处于半熔化状态，即液-固状态。其中一部分铸铁变为液体，另一部分铸铁通过石墨片中碳的扩散作用，转变为被碳所饱和的奥氏体组织。在焊后快速冷却情况下，其液相部分在共晶温度下转变为莱氏体（即奥氏体+渗碳体）组织。继续快冷时，碳的存在形式由石墨转变为化合状态的渗碳体，也就是由灰铸铁变为白口铸铁。若更快的冷却速度，还可能抑制奥氏体的共析转变，而转变为马氏体组织。

3）奥氏体区：该区位于固相线与共析温度上限之间。加热温度范围为820～1150℃，在此区内铸铁为固态。在焊接过程快速冷却时，得到珠光体+二次渗碳体+石墨的组织，这是一种不完全石墨化的组织状态，比半熔化区的组织状态好一些。如果在焊接过程以更快速度冷却时，也会产生马氏体组织。所以，在铸铁熔焊时，采取适当工艺措施使该区缓慢冷却，就可以使奥氏体直接析出石墨，从而避免二次渗碳体的析出，防止产生淬硬组织。

4）重结晶区：这个区很狭窄，加热温度范围为780～820℃，由于焊接的加热的速度很快，铸铁中只有部分组织可以转变为奥氏体，在焊后的冷却过程中，奥氏体转变为珠光体。当冷却速度很快时，也可能出现马氏体组织。

5）碳化物石墨化区及原始组织区：该区温度低于780℃，熔焊后，该区组织没有明显变化或不变。

由于白口及淬硬组织的存在，给焊接接头带来了很大的危害：

1）容易产生焊接裂纹：白口及淬硬组织硬而脆，极容易造成裂纹。但是，只要采用适当的焊接工艺措施，就可以避免半熔化区的白口组织而产生的裂纹。

2）灰铸铁焊后难于进行机械加工。

（2）焊接接头容易出现裂纹

1）冷裂纹：铸铁气焊时，冷裂纹可以发生在焊缝及热影响区，当焊缝为铸铁型时，容易产生冷裂纹，裂纹产生的温度在400℃以下。这种冷裂纹常发生在较长的铸铁焊缝或较大的铸铁缺陷焊补时，并时常伴有较响的产生裂纹的脆断声音。

当焊缝为白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率约为2.3%，灰铸铁的收缩率为1.26%，所以白口铸铁比灰铸铁更容易出现裂纹。

2）热裂纹：当焊缝为铸铁型时，焊缝对热裂纹不敏感。当采用低碳钢焊条与镍基铸铁焊条冷焊时，焊缝容易出现结晶裂纹。当焊接应力较大时，此种裂纹也可以发展成剥离性裂纹。

总之，铸铁焊接接头容易产生裂纹的原因主要是铸铁强度低、铸铁的塑性极差、焊件受热不均匀和焊接应力大等。

为防止铸铁补焊时产生裂纹，采取的主要措施有焊件焊前预热，焊后缓冷，采用加热减应区法，调整焊缝化学成分，采用合理的补焊工艺；采用栽螺钉法等。

（3）变质的铸铁件出现不容易熔合的现象当铸铁件长期在高温下工作时，因铸铁件的变质而出现高温熔滴与变质铸铁不熔合，甚至在待焊处表面出现“打滚”现象，其主要原因如下：

1）长期在高温下工作的铸铁，基体组织发生了改变，由原先的珠光体-铁素体组织转变为铁素体组织，与此同时，石墨析出量也增多并且进一步地集聚在一起长大，由于石墨的熔点比较高并且是非金属，因此，已变质的铸铁件容易出现焊不上的情况。

2）铸铁焊接时，石墨容易集聚长大，成为长而粗大的石墨片，由于从这种石墨片与基体组织的交界面上，空气容易侵入铸件内部，使铸铁金属氧化成熔点较高的铁、锰、硅的氧化物，增大了已变质的铸铁件焊接的难度。

2.灰铸铁的焊接工艺方法

灰铸铁常用的焊接工艺方法主要有电弧热焊、电弧冷焊和气焊等三种，在此仅介绍气焊的相关内容。

（1）气焊技术由于氧乙炔火焰温度在3400℃以下，不仅温度比电弧焊低得多，而且焊接时的热量也不集中，加热速度缓慢。但是，气焊的工艺方法灵活，焊后还可以利用气体火焰进行焊缝的整形或对补焊区继续加热，使焊缝缓冷，消除应力。所以，气焊只适用于薄壁的、刚度较小铸铁件的补焊。

1）焊前预热：对于刚度较大的铸铁件，为了减小焊接应力，防止产生裂纹，应采用将铸铁件送入热处理炉中进行整体加热工艺。预热温度为600～700℃，补焊过程中的温度始终应不低于400℃，焊后需要加热到600～700℃并缓冷。

2）气焊熔剂：铸铁件用气焊焊接时，由于难熔的氧化物SiO₂（熔点为1713℃）的存在，粘度较大，使焊接过程难以进行或熔合不好，若不及时清除，容易在焊缝中形成夹渣。SiO₂是酸性氧化物，可以用碱性物质与其化合生成低熔点的复合盐，浮在焊缝熔池的表面，在气焊过程中，随时用焊丝将其拨出熔池。气焊时可采用CJ201熔剂。

3）焊炬的选用：焊炬宜选用功率较大的大、中号的焊炬，使焊接过程加热的速度加快，并且起到使焊接接头缓慢冷却的效果，同时，也有利于清除焊缝内部的气孔、夹渣。铸铁件壁厚20mm以下，可以选择ϕ2mm孔径的焊嘴；铸铁件壁厚20mm以上时，可以选择ϕ3mm孔径的焊嘴，补焊铸铁所用焊炬的选择见表4-8。

表4-8 补焊铸铁所用焊炬的选择

4）加热减应区：当铸铁焊补件有一定的刚度时，可以利用加热减应区方法避免产生裂纹。加热减应区法操作如下：焊前或焊接过程中，用火焰加热铸铁焊件的适当部位，利用热胀冷缩的规律，减小焊接过程的收缩应力，避免产生裂纹。加热减应区法的操作如图4-7所示。

图4-7 加热减应区法操作

图4-7中，当铸铁焊件C处有裂纹时，焊工对C处预热的同时，也要对A、B两处同时进行预热至600～700℃，此时C处的裂纹便张开，当估计C处张开的间隙与焊缝收缩值相近时，即可进行焊接。焊后，减应区A处、B处与C处同时收缩，使C处的焊接应力大大降低，裂纹基本上可以避免。采用加热减应区法，灰铸铁氧乙炔补焊时，补焊成败的关键是正确选择加热减应区，如什么时候加热减应区，以及加热温度的控制等。实践表明：能使焊缝获得最大的横向张开的位移，是减应区的最佳位置选择。因此，应该使减应区主要变形方向与焊缝的开闭方向一致。

5）焊丝的选用：铸铁件气焊时，宜采用中性焰或弱碳化焰，并用RZC型焊丝焊接。由于焊丝中的碳、硅含量高于灰铸铁，因此，有利于焊缝金属的石墨化及弥补焊接过程中的氧化和烧损。当采取热焊时，焊丝中C和Si的含量不宜过高，否则，容易在焊缝中形成较多的铁素体，降低了灰铸铁焊缝的力学强度。当采取冷焊时，由于焊缝的冷却速度快，不利于焊接接头的石墨化，焊缝硬度高，不容易进行切削加工。常用铸铁气焊焊丝的化学成分见表4-9。

表4-9 常用铸铁气焊焊丝的化学成分（质量分数，%）

6）灰铸铁热焊与冷焊方法的选择：用气焊焊接灰铸铁时，由于温度低，需要用较长的时间预热，才能将待焊处的温度加热至补焊温度，而且加热的面积也比较大，实际上这个加热过程，相当于对待焊处进行了铸铁焊前的局部预热。采用适当化学成分的铸铁焊丝，对薄壁焊件进行补焊时，由于焊缝的冷却速度比较缓慢，这不仅有利于石墨化过程的进行，焊缝容易得到灰铸铁组织，还能使热影响区不容易产生白口组织及淬硬组织。

但是，由于气焊火焰的温度比较低，焊件由室温升到熔化状态所需要的时间较长，同时，在气焊火焰的加热下，铸铁焊件的受热面积也比较大。因此，用气焊焊接刚度较大的焊件时，焊接热应力比较大，所以，气焊灰铸铁比热焊更容易产生冷裂纹。由此可见，一般气焊只适宜薄壁、刚度小焊件的补焊。

用气焊火焰钎焊铸铁时，由于铸铁母材不熔化，钎焊焊接接头的热影响区一般不会形成白口组织，有利于改善接头的加工性，这是其明显的优点。但是，当灰铸铁钎焊的温度超过820℃时，焊件在快冷的情况下，仍可以产生部分马氏体或贝氏体组织。灰铸铁采用火焰钎焊时，一般采用黄铜作为钎料。

当补焊刚度大的薄壁件缺陷时，可对灰铸铁进行热焊，即采用将焊件整体预热的气焊热焊法进行。预热温度为600～700℃，焊后采取缓冷的措施，能有效地防止白口、淬硬组织和裂纹的产生。所以，这种方法只适用于结构比较复杂、焊后要求使用性能较高的薄壁铸件的补焊。

灰铸铁的冷焊时，由于待焊处在气焊火焰的加热下，由室温升到熔化状态的时间较长，铸件待焊处不仅局部过热严重，而且补焊区的热应力也较大，焊缝不仅是铸铁型，而且强度还较低，塑性几乎为零，因此，很容易产生裂纹。灰铸铁的冷焊。只适用于壁厚较均匀、结构应力较小的中、小型铸件。

（2）灰铸铁气焊焊补的操作要点

1）宜采用中性焰或弱碳化焰气焊灰铸铁，气焊时，火焰的焰芯与焊缝熔池的距离保持在10mm左右，先将母材加热到熔化温度，在加热过程中，应保持焊缝熔池不被氧化和过分卷入空气。

2）气焊过程中，如果发现熔池中有白亮的夹杂物时，应立即将焊丝端头蘸上少量的熔剂，插入熔池中并搅动熔池，使夹杂物浮起，并用焊丝及时将夹杂物拨出焊缝熔池。为了防止焊缝中产生气孔，在焊接时，将焊丝插入熔池的底部，适当的搅动熔池，使气体从焊缝熔池中充分逸出。

3）焊后应使焊缝高出焊件表面2～3mm，与焊件保持平滑过渡，为保持焊缝接头缓慢冷却，焊后继续用气体火焰加热补焊区，以使焊缝接头达到缓慢冷却的目的。

（二）球墨铸铁的焊接

1.球墨铸铁的焊接性

球墨铸铁的焊接性与灰铸铁的焊接性有相同之处，也有不相同之处。主要表现为：

1）球墨铸铁的白口化倾向及淬硬倾向比灰铸铁大：这是由于有镁、铈、钇等球化剂的存在，大大地增加了球墨铸铁铁液的过冷倾向，提高了对白口化和淬硬倾向的敏感性。因此，在球墨铸铁气焊时，同质焊缝及半熔化区更容易形成白口组织，奥氏体区也更容易出现马氏体组织，所有这些，将对防止焊缝及熔合区产生裂纹、提高焊接接头的加工质量非常不利的。

2）球墨铸铁焊接接头的力学性能较高：为了保证球墨铸铁焊件可靠的工作，一般要求焊接接头的力学性能应该与母材基本匹配，为此，在选择球墨铸铁的焊接方法、焊接材料及编制焊接工艺时，要认真地加以考虑。

3）球墨铸铁的焊接性比灰铸铁要好些：由于球墨铸铁中的碳以球状石墨存在，球墨铸铁焊缝比灰铸铁焊缝具有较高的强度、塑性和韧性，尤其是以铁素体为基体的球墨铸铁，其承受塑性变形的能力更强。总之，球墨铸铁的焊接性比灰铸铁要好些。

2.球墨铸铁的气焊

由于气焊的温度较低，加热面积较广，焊接区的加热及冷却速度比较缓慢，可以减少球墨铸铁在焊接过程中镁的蒸发（镁的沸点为1070℃，钇的沸点为3038℃），有利于焊缝金属的石墨球化过程，防止球墨铸铁型焊缝及半熔化区。因出现白口铸铁与焊接热影响区出现马氏体组织而产生裂纹。此外，气焊火焰预热焊件比较方便，适于中小铸件缺陷的补焊，但补焊大缺陷采用气焊工艺时，由于气焊的生产率低，所以不经济。

常用的球墨铸铁焊丝有加轻稀土（铈）镁合金焊丝和加钇基重稀土焊丝等两种。由于钇的沸点高（3038℃），抗球化衰退能力比镁强，气焊过程中更有利于保证焊缝的球化，近年来多用于气焊球墨铸铁。RZCQ型焊丝中，有一定含量的球化剂，焊缝中的石墨呈球状，具有较好的塑性和韧性。气焊用球墨铸铁焊丝的化学成分见表4-10。

表4-10 气焊用球墨铸铁焊丝的化学成分（质量分数，%）

采用钇基重稀土焊丝气焊球墨铸铁时，焊前将待焊处预热至400～600℃，焊后，焊接接头没有白口及马氏体组织，可以进行机械加工。

当有缺陷的较大球墨铸铁焊件且壁厚大于50mm时，由于焊接过程中的冷却速度较大，焊后容易出现白口组织，因此，焊前焊件要经过高温预热或焊后进行热处理。

当用钇基重稀土焊丝气焊球墨铸铁，连续焊补超过20min时，由于焊缝熔池存在的时间较长，钇（球化剂）的氧化量增大，焊缝中的球化剂因此减少，则在球墨铸铁焊件的焊缝中出现了片状石墨，降低了焊接接头的力学性能。

稀土镁焊丝比钇基重稀土焊丝抗球化衰退能力还差，这是因为镁的沸点为1070℃，而氧乙炔火焰的焰芯温度为3100℃，长时间的加热使镁大量蒸发，焊缝中的石墨球化能力下降，所以，允许连续焊补球墨铸铁的时间应该更短些。否则，焊缝出现的片状石墨更多，使焊接接头的力学性能降低。因此，球墨铸铁气焊时，尽量采用含钇而不含镁的球墨铸铁焊丝，以保证焊缝有较强的抗球化衰退能力。

铸铁焊接特点及优化措施

相关推荐