灰铸铁的焊接性及焊接工艺研究
摘 要
由于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、低的缺口敏感性等优越性，所以近些年来铸铁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。铸铁焊接掌握不好对于我们这么一个钢铁大国来说是亏损是十分可怕的。有些焊接工人虽然能够熟练掌握普通碳钢焊接技术，但是对焊接铸铁的焊接工艺却是很不清楚导致所焊的焊件容易开裂。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止、灰铸铁同质焊缝的熔焊、以及异质焊材焊接灰铸铁。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。
关键词：灰铸铁，焊接性能，焊接缺陷，冷却速度, 焊接工艺
序 言
工业中应用最早的铸铁就是以片状石墨存在于金属基体中的灰铸铁。由于其成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减振性均优良的特点，迄今是工业中应用最广泛的一种铸铁。
灰铸铁在结晶过程中，约有W(C)为80%的碳以石墨的形式析出，这就给灰铸铁带来两方面的特点：一方面，由于石墨强度较低，且以片状的形态存在，割裂了基体的连续性，因此灰铸铁的强度不高，脆性较大；另一方面，由于石墨的存在，灰铸铁具有良好的减震性、耐磨性、切削加工性和缺口敏感性。由于共晶结晶过程中石墨化膨胀，还有减少缩松、缩孔的倾向及较高的抗压强度。灰铸铁传统的化学成分中Si/C比较低，适当提高Si/C比可使连续的初析奥氏体枝晶增加，对灰铸铁起到加固的作用，可扩大稳定系和介稳定系的温度差，增加过冷度，从而细化石墨，有效地扩大集体组织的利用率；还可降低灰铸铁的白口倾向，减小断面敏感性，提高弹性模量和形变抗力。当然，Si/C比较高，会使铁素体增加，强度和硬度有所降低。有铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的10%～15%，若这些铸件工报废, 将是极大的浪费。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁件，由于焊接成本低，不仅可获得巨大的经济效益，而且有利于及时完成生产任务。常用的焊既接方法有气焊、钎焊、电弧焊等, 其中手工电弧焊应用最多。但是铸铁件的焊补极易产生白口和裂缝，其中产生白口的主要原因是冷却速度过快和石墨元素不足；而产生裂缝的原因主要是焊接应力。
焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。焊接结构已有日新月异的发展，可达到大跨度、轻自重、工厂制造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，拆除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。目前我国微电子及IT 行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出了很多新的要求，因而得到了相应发展。
第一章 灰铸铁的分类及其性能
1.1铸铁分类
根据碳的存在形式及石墨形态不同，可将铸铁分为：灰铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。
灰铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形态存在，其断口呈灰色。由于片状石墨对基体有严重的割裂作用，故灰铸铁的强度低、塑性差；但灰铸铁抗压强度高、耐磨性好、减振性好、收缩率低、流动性好，且成本低廉，可以铸造形状复杂的机械零件，至今仍是工业中应用最广泛的一种铸铁。
白口铸铁中碳绝大部分以渗碳体（Fe 3C ）的形态存在，其断口呈白亮色，故称之为“白口铸铁”。渗碳体性能硬而脆，其硬度为800HBW 左右，因而白口铸铁切削加工困难，主要用于炼钢原料，很少用于制造机械零件。
球墨铸中石墨以球状形式存在，是在高温铁液中加入球化剂（稀土金属等）经球化处理后获得的，其强度接近于碳钢，具有良好的耐磨性和一定的塑性，并能通过热处理改变性能，可以用来制造力学性能要求较高的铸件，并可在一定范围内代替碳钢或合金钢来制造某些强度要求较高或形状较为复杂的铸件。
可锻铸铁中石墨以团絮状形式存在，是有一定成分的白口铸铁经长时间石墨化退火获得的。它与灰铸铁相比，具有较好的强度和塑性，耐磨性和减振性优于碳钢，适于制造形状复杂、受冲击载荷的薄壁铸件。
蠕墨铸铁中石墨以蠕虫状形式存在，生产方式与球墨铸铁相似，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，主要用来制造大功率柴油机气缸盖等。
常用铸铁的化学成分见表1-1。
表1-1 常用铸铁的化学成分
由表1-1中可以看出，灰铸铁中硫、磷杂质含量最高，碳、硅含量适中，锰含量较高；球墨铸铁中硫、磷含量最低，有较高的碳硅含量和一定的含锰量，并且含有球化元素镁、稀土（RE ）等；可锻铸铁中碳、硅、硫、磷等含量均低于灰铸铁。
1.2灰铸铁的性能及用途
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。灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。
灰铸铁的使用性能与其化学成分和组织有密切的联系。其主要有分为以下几种：①. 优良的铸造性能；②. 优良的耐磨性和消震性；③. 较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能；④. 灰铸铁的机械性能。
常见灰铸铁的牌号与力学性能见表1-2。
表1-2 灰铸铁牌号与力学性能
1.3铸铁的凝固特点与石墨化
1. 石墨化的过程
借助于铁碳合金双重相图（图1-1），对铸铁的石墨化过程进行定性分析。铸铁的结晶过程中其石墨化过程可分为三个阶段：
第一阶段：即从液相至共晶转变温度范围内，过共晶成分的液相将直接结晶出一次石墨；共晶成分的液相在共晶转变时将结晶出共晶石墨。
中间阶段：即由共晶至共析转变温度范围内，将从奥氏体中直接析出二次石墨；或再次加热时，使已形成的二次渗碳体在此温度区间分解而析出石墨。
第三阶段：即共析转变阶段，共析转变时将形成共析石墨；或再次加热使已形成的共析渗碳体分解而形成石墨。
有上述石墨化过程分析可知，最终得到石墨（一次、二次）加铁素体组织。
2. 影响石墨化的因素
影响铸铁石墨化的主要因素是铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度。从化学成分对石墨化的影响来看，可以将合金元素分为促进石墨化的元素和阻碍石墨化（促进白口化）的元素，如图1-2所示。可见，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。
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。例如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁，而薄壁处可能出现白口铸铁。综合化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织的影响，可以得到图1-3的结果 。
图1-3
铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响
第二章 灰铸铁的焊接性及焊接工艺特点
2.1 灰铸铁的焊接性
灰铸铁的化学成分特点是碳、硅质量分数高及硫、磷杂质的质量分数高，这就增大了焊接接头对冷却速度及冷热裂纹的敏感性；灰铸铁的力学性能特点是强度低、基本无塑性。而焊接过程具有冷却速度快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的焊接应力等特殊性，导致铸铁的焊接性很差。其主要表现是焊接接头易产生白口和淬硬组织及裂纹。
2.2焊接接头的白口组织及淬硬组织
灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半熔化区将会产生大量的渗碳体，形成白口组织。
图2-1是碳和硅的质量分数分别为3%和2.5%的常用灰铸铁焊条电弧焊后焊接接头组织变化图。由图可见，焊接接头中产生白口组织的区域主要是焊缝区、熔合区和奥氏体区。
1. 产生原因
（1）焊缝区 焊缝区在加热过程中处于液相温度以上。由于所选用焊接材料不同，焊缝成分有两种类型：一种是铸铁成分，另一种是非铸铁成分（铜、镍、镍铁或镍铜等）。对于焊缝为非铸铁成分时，不存在白口组织问题；当焊缝为铸铁成分时，由于熔池冷却速度快，碳来不及析出形成石墨焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳铁和珠光体组成，即焊缝基本为为白口铸铁组织。增大焊接热输入，焊缝会出现一定量的灰铸铁，但不能消除白口组织。
（2）（熔合区）半熔化区 该区域温度范围很窄，处于液相线与固相线之间，温度为1150～1250℃，焊接时处于半熔化状态，故也称为半熔化区。焊接加热时部分铸铁母材熔化为共晶渗碳体+奥氏体，继续冷却时，奥氏体因碳的溶解度下降而析出二次渗碳体，在共晶温度区间奥氏体转变为珠光体，最终得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体的白口铸铁。在快冷的条件下，还可能出现奥氏体转变为马氏体的相变过程。
（3）奥氏体区 该区域处于固相线与共析温度上限之间，加热温度范围约为820～1150℃，没有液相出现，只有固态相变。由于加热温度超过共析线，铸铁的基体被完全奥氏体化，但碳在奥氏体中的含量是不一样的，加热温度较高的部分（靠近熔合区），石墨片中的碳扩散能力强，向奥氏体扩散较多，因而奥氏体含碳量较高；加热温度较低的部分（距离熔合区稍远），石墨片中的碳扩散能力较低，而使奥氏体中的含碳量较低。在随后的冷却过程中，首先从奥氏体析出二次渗碳体。而
后进行共析转变。若冷却速度较慢时，奥氏体转变为珠光体类型组织；若冷却速度较快时，奥氏体直接转变为马氏体。
熔焊时，采用适当工艺使该区域缓冷，可使奥氏体直接析出石墨，从而避免二次渗碳体的析出，用时可防止马氏体的形成。
由以上分析可知，灰铸铁焊接接头的白口化问题是指焊缝及熔合区易出现白口组织。其原因主要是一班由电弧焊方法焊接时，因接头冷却速度快，影响了铸铁的石墨化过程造成的。
（4）重结晶区 部分重结晶区很窄，加热温度范围约为780～820℃，从铁-碳二元相图来看，该区处于奥氏体与铁素体双相区。在电弧焊条件下，母材中的珠光体加热时转变为奥氏体，铁素体晶粒长大。冷却过程中，再次发生固态相变，奥氏体又转变回珠光体类型组织，快冷时会出现马氏体，最终得到马氏体＋铁素体混合组织。
2. 防止措施
很多灰铸铁补焊后要求机械加工，但接头中出现的白口组织和马氏体组织给机械加工带来很大的困难。同时白口组织收缩率高，白口及马氏体组织硬而脆，容易引起裂纹，因而应采取措施防止这些有害组织。常用焊接方法是改变焊缝的化学成分或降低焊接接头冷却速度。
（1）改变焊缝的化学成分
主要是增加焊缝的石墨化元素含量或使之成为非
铸铁组织。例如，在焊芯或药皮中加入石墨化元素碳、硅等，使其含量高于母材，以促进焊缝石墨化；或者选用异质焊接材料，如镍基合金、镍铜等焊条，使焊缝形成奥氏体、铁素体或非铁金属等非铸铁组织。这样可改变焊缝中碳的存在形式，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑形。该方法虽可解决焊缝的白口组织问题，但对消除熔合区的白口层效果不大。对熔合区的白口层，只能通过控制焊接参数将白口层的宽度缩小到机械加工的范围。
（2）减慢焊接冷却速度 可延长熔合区处于红热状态的时间，有利于石墨的充分析出，故可实现熔合区的石墨化过程。通常采用的措施是焊前预热和焊后保温缓冷。为了确保接头的充分石墨化，焊接时的预热温度较高，一般为400～700℃，同时还要保温缓冷。
第三章 灰铸铁的常用焊接方法及工艺特点
灰铸铁焊接目前仍大量用于铸铁件缺陷的补焊，焊接时的主要问题是白口组织和裂纹。常采用的焊接方法有焊条电弧焊、气焊、钎焊和手工电渣焊。其中最常用的是焊条电弧焊、气焊和钎焊。
3.1铸铁型（同质）焊缝的焊条电弧焊
灰铸铁形成铸铁型焊缝的焊条电弧焊工艺分为热焊（包括半热焊）和冷焊两种。
1. 热焊与半热焊
铸铁焊接时，白口组织和冷裂纹的产生，主要由于熔池体积小而使冷却速度过大造成的。针对这一问题，人们在铸铁焊接时就最先应用了热焊工艺，以达到减小铸件温差，降低冷却速度的目的。预热温度到600℃～700℃称为热焊，预热温度300℃～400℃称为半热焊。
（1）热焊及半热焊焊条
电弧热焊及半热焊的焊条均有两种类型，一种为铸铁芯石墨化铸铁焊条（Z248）；另一种为钢芯石墨化铸铁焊条(Z208)。为了使填充金属为铸铁成分，以保证焊缝充分石墨化，同时补充烧损，这类焊条的碳硅总量一般高于母材，w(C+Si)=6%～8%,其中w(C)≈3%～3.8%,w(Si) ≈3%～3.8%。
“Z208”主要用于补焊厚大铸件的缺陷, 这类焊条所用焊芯为6～ 12mm铸铁棒, 外涂石墨化药皮, 这种焊条多由使用单位自制, 专业焊条厂很少生产。铸铁芯焊条直径大，可配合使用大焊接电流，以加快焊接速度，缩短工人从事热焊的时间，有利于降低焊工的劳动强度。由于铸铁芯焊条制造工艺较钢芯焊条复杂，故成本高于“Z208”。
“Z208”焊条采用低碳钢焊芯，外涂强石墨化药皮，焊缝为铸铁型。由于焊条药皮加入了较多的强促进石墨化的物质，如硅铁，石墨，铝粉等，虽焊芯为低碳钢，在热焊及半热焊条件下仍可保证获得成分与组织为灰铸铁的焊缝。这类焊条原材料来源丰富，生产制造方便，成本也较低，一般专业焊条厂均可生产。
（2）热焊工艺
电弧热焊时，一般将铸件整体或补焊区局部预热到600～700℃，然后再进行焊接，焊后保温缓冷。热焊预热温度一般在700℃以下，不超过铸铁的共析转变温度。因为，超过共析转变温度时，焊后会引起铸铁的基体组织变化，珠光体基体中的渗碳体会在共析转变时分解并形成石墨，使铸件的硬度和耐磨性降；而且在石墨析出时，还伴随着体积长大，使铸件的变形增加。再者，铸铁在600～700℃预热温度下焊接，不仅有效地减小的接头的温差，而且铸铁由常温时完全无塑性变为有一定的塑性（其伸长率δ=2%～3%）, 加之焊后缓慢冷却, 使接头的应力状态大为改善, 从而有效地防止了冷裂纹的产生。由于热焊预热温度高及缓慢冷却，焊接接头
石墨化充分，故也能完全防止白口及淬硬组织产生。热焊工艺具体如下：
①预热 对结构复杂的铸件，由于补焊区刚性大，焊缝无自由膨胀收缩的余地，故宜采用整体预热；而结构简单的铸件，补焊处刚性小，焊缝有一定膨胀收缩的余地，例如铸件边缘的缺陷及小块断裂，则可采用局部预热。
整体预热的方法一般是将铸件整体用地炉或砖砌明炉加热，局部预热可用气焊或煤气火焰加热。大型工厂中铸件补焊批量大时，常装备有专门进行预热的连续式煤气加热炉。铸件补焊前，进行装有传送带的煤气加热炉，依次经过低温，中温及高温加热，使焊件升温缓慢而均匀，然后出炉补焊。补焊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，以消除补焊后的残余应力。
②焊前清理 在进行电弧热焊之前，首先应对铸件的待焊部位进行清理，并制好坡口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰加热除净，然后根据缺陷的情况，可采用手砂轮、扁铲、风铲等工具进行加工（铲、磨）。制作坡口时应铲（磨）到无缺陷后再开坡口，开出的坡口应是底部圆滑，上口稍大，以便于操作和保证焊接质量。
③造型 对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证原定的焊缝成形， 还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图3-1所示。造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置高温的石墨片，以防止造型材料受热溶化或下塌，并应在焊前进行烘干。
图3-1 热焊补焊区造型示意图
a) 中间缺陷焊补 b)边角缺陷焊补
④焊接 焊接时，为保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流，长弧，连续焊。焊接电流I 的确定，可根据经验公式: I=（40～60）d 。式中d 表示焊条直径。因铸铁焊条药皮中含又较多的高熔点难熔物质石墨， 采用适当的长弧焊。将有利于药皮的熔化以及石墨向焊缝中过渡。
⑤焊后缓冷 焊后要采取缓冷措施，常用保温材料覆盖（如石棉灰等），最好随炉冷却，电弧热焊适用于中厚（﹥10㎜以上）铸件的大缺陷补焊。对于8
㎜以下
的薄壁铸件补焊理时，因容易烧穿，故不宜使用。
采用电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本于母材相同，颜色与母材一样，具有良好的切削加工性，焊后残佘应用力小，接头质量高。但是，由于铸件的预热的温度高，使操作者的工作条件恶化；同时加热消耗燃料多，会使补焊成本增高；另外，焊接工艺复杂化，增加了生产周期，使生产效率降低。因此，电弧热焊工艺的应用和发展都受到了较大的限制。
（3）半热焊工艺
为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当的提高焊缝的石墨化能力，采用300～400℃的整体或局部的预热，用于钢度较小的铸件焊接，也以收到较好的效果。由于预热温度有一定程度的降低，与前述热焊相比，可以使劳动条件有所改善，并可降低补焊成本，当预热温度在400℃左右时，铸铁的弹性变形能力略有增加，故在铸件补焊处应较小时，往往采用这种半热焊工艺。
半热焊预热温度较低，铸件在焊接时的温度差要比热焊条件不大，故焊接区冷焊速度将加快。因此，为了防止产生白口组织和裂纹，保证焊缝石墨化，焊缝中的石墨化元素含量一般时应高于热焊时的含量，其碳、硅总量为W （C+Si）=6.5%～
8.3%，其中W （C ）=3.5%～4.5%，W （Si ）=3%～3.8%。一般情况下可采用“Z208”或“Z248”铸铁焊条。半热焊工艺过程基本与热焊时相同，即大电流、长弧、连续焊，焊后保温缓冷。
由于半热焊预热温度比热焊低，在加热时铸件的塑性变形不明显，因而在补焊区刚性较大时，不易产生变形，内应力增大而导致接头产生裂纹等缺陷。因此，电弧半热焊只能用于焊补区刚度较小或铸件形状简单的情况下。
2. 电弧冷焊
（1）电弧冷焊的特点是焊前对被补焊的焊件不预热。所以电弧冷焊有很多优点，焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过程短，补焊效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的以加工面等情况更适于采用冷焊。所以冷焊是一个发展方向。
（2）铸铁型焊条电弧冷焊的工艺要点
在冷焊条件下，为了防止焊接接头上出现白口及淬硬组织，还应从减慢焊接接头的冷却速度着手。为此应采用大直径焊条，大电流连续焊工艺。同质焊缝时若采用小电流断续焊工艺，由于冷却速度快，焊缝易出现白口组织，焊缝易裂，且无法加工。但当补焊缺陷面积小时, 因熔池体积过小，冷却快，焊接接头仍易出现白口组织。如果情况允许，可把缺陷面积适当扩大，则可消除白口组织。
焊接时，要采用大直径焊条，使用直流反接电源（也可试用交流电源），进行大电流、长弧、连续施焊。其焊接电流的选择可参照表3-1. 电弧长度约8～10㎜，由中心向边缘连续焊接。当坡口焊满后不要停弧，用电弧沿熔池边缘靠近砂型移动
（图3-2a ），使焊缝堆高。由于电弧热通过上层焊缝传入半熔化区，使其在红热状态延续一段时间，不仅减慢冷却速度，有利于石墨充分析出；并且延长了焊缝上部半熔化区的存在时间，有利于焊缝中碳的扩散，使白口组织减小或消除。此外，同质焊缝冷焊时，一般焊缝的高度要超出工件表面5～8mm ，其焊后焊面形状如图4-2b 所示。焊后电弧应立即覆盖熔池，以保温缓慢冷却。
表3-1 铸铁型焊条冷焊电流选择
铸铁型焊条电弧冷焊较电弧热焊工艺简便，焊接成本交低，在补焊较大缺陷时，只要运用工艺适当，焊后焊缝加工性能好，其最高硬度不超过250HBS 。当补焊区的刚性较小时，由于焊缝能自由收缩，焊后一般都不会产生裂纹，而且性能、颜色与母材一致。
但是，由于焊缝仍为灰铸铁组织，强度低而无塑性；当采用大电流连续焊工艺时，使铸件局部受热严重，在焊接大刚度铸件缺陷时焊接区产生的应力较大，故容易产生裂纹。但对一些大中型铸件端部缺陷的补焊，收到了很好的效果。该法在一些机床厂及铸造厂中得到一定的推广应用。
3.2 非铸铁（异质）焊缝电弧冷焊
异质焊缝又称为非铸铁型焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常用的方法。获得非铸铁型焊缝的途径有两个： 一是降低焊缝含碳量获得钢焊缝；二是改变碳的存在形式，防止出现白口和淬硬组织，提高焊缝金属的力学性能。 按成分及组织非铸铁型焊缝可以分为钢基、镍基和铜基焊缝三类。常用铸铁焊条牌号及用途见表3-2。表
中除EZC （Z208、Z248）和EZCQ （Z238）形成铸铁型焊缝外，其余型号均为形成非铸铁型焊缝。
表3-2 常用铸铁焊条型号（牌号）及用途
1．钢基焊缝铸铁焊条
（1）EZFe-1（Z100）铸铁焊条 该焊条为强氧化型铸铁焊条，采用低碳钢焊芯（H08），在药皮中加入适量强氧化性物质（赤铁矿、大理石、锰矿等），增强熔渣氧化性，将来自母材中的碳、硅及杂质元素氧化烧损，以获得塑性较好的碳钢焊缝。但是，熔渣与熔池金属的作用只在接触面上进行，反应很不充分；而碳由母材进入熔池是在靠近熔池的底部，且熔池存在时间短，使碳的氧化烧损不能充分进行。因此，焊缝成分和组织很不均匀，第一层且靠近母材一侧的焊缝含碳量往往达到高碳钢的成分；且由于母材中的碳向焊缝一侧扩散，使熔合区白口层宽度增大，焊接接头硬度很高，难以机械加工，产生裂纹的倾向也较大。
EZFe-1（Z100）铸铁焊条成本低，焊缝与母材熔合好，并且熔渣流动性好，脱渣容易。但由于接头加工性差，裂纹倾向较大，只能用在灰铸铁钢锭模等不要求加
工和致密性、受力较小部位的铸造缺陷的补焊。
（2）EZFe-2（Z122Fe ）铸铁焊条 该焊条为碳钢型铸铁焊条，采用低碳钢焊芯铁粉型焊条，药皮为钛钙型并加入一定量的铁粉。焊接灰铸铁时，在采用小的焊接热输入的情况下，可使单层焊缝的成分达到中碳钢的含碳量上限范围。焊缝硬度仍然较高，难于机械加工，且有较大的裂纹倾向。因此该焊条主要用于铸件非加工面的补焊。
（3）EZV （Z116、Z117）铸铁焊条 该焊条为高钒钢铸铁焊条，采用低碳钢焊芯，药皮为低氢型，并在药皮中加入大量钒铁，焊缝为高钒钢组织。高钒钢焊缝金属具有很好的力学性能和抗裂性能；适用于焊补高强度的灰铸铁和球墨铸铁，但接头加工性能差，只能用于非加工面的补焊。
2．镍基焊缝铸铁焊条
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。
我国目前使用的镍基铸铁焊条有三种，其力学性能见表3-3，焊芯含镍量不同，均采用石墨型药皮，可交、直流两用，并适用于全位置焊。镍基铸铁焊条的最大特点是奥氏体焊缝硬度较低，半熔化区白口层薄，且可呈断续分布，适用于加工面缺陷的补焊。
表3-3 三种镍基铸铁焊条的力学性能
（1）纯镍铸铁焊条EZNi （Z308）
纯镍铸铁焊条焊芯为纯镍，电弧冷焊条件
下焊接接头加工性能好。焊缝为奥氏体+点状石墨，强度与灰铸铁接近，且硬度低、塑性好、抗裂性能也较好。价格昂贵（约为低碳钢焊条的30倍），故只用在补焊后加工性能要求高的缺陷焊补，或用作其他焊条的打底层焊接。
（2）镍铁铸铁焊条EZNiFe （Z408） 镍铁铸铁焊条焊芯为镍铁合金，其中镍的质量分数约为55%，其余为铁。镍铁焊缝具有较高的强度（可达400MPa 以上），塑性较好，抗裂性也较好（镍铁焊缝的线胀系数小），适用于焊接强度较高的铸铁。焊接接头硬度也略高于纯镍焊条，但仍可机械加工。由于在镍基铸铁焊条中价格最便宜，因此在生产中应用最多。
（3）镍铜铸铁焊条EZNiCu （Z508） 镍铜铸铁焊条焊芯为镍铜合金，其中镍的质量分数约为70%，其余为铜，又称蒙乃尔焊条，是应用最早的铸铁焊条。但镍铜合金收缩率较大，容易引起较大的焊接应力而产生裂纹，且镍铜铸铁焊条的焊缝强度最低，因此，仅适用于强度要求不高，但需要焊后加工的缺陷补焊。
3．铜基焊缝铸铁焊条
由于铜不溶解碳，也不与之形成碳化物，且铜的强度低，塑性好，对防止冷裂有利，但对热比较敏感。如果加入一定的铁，可以形成双相组织，既可起细化晶粒的作用，双可以提高抗热裂性。同时在冷却速度较快时还可以形成马氏体与渗碳体，使焊缝具有相对好的综合性能，不过切削性较差。
（1）专用铜基铸铁焊条 专用铜基铸铁焊条一种是纯铜焊芯、低氢型药皮，并在药皮中加入较多的低碳铁粉，使焊缝中的铜铁含量比达到80﹕20，该焊条又称为铜芯铁粉焊条；另一种是用钢带将铜芯紧紧包裹起来，外涂低氢型药皮或钛钙型药皮，焊缝中的铜铁含量比同样达到80﹕20。
（2）铜合金焊条 铜合金焊条也可直接用于焊接铸铁。如铜合金焊条ECuSn-B （T227）, 其中含Sn7.0%～9.0%和少量磷，焊后焊缝以锡青铜为基体，接头白口较窄，可以机械加工。铜基焊缝颜色与母材差别较大，对补焊区颜色有要求时不宜采用。
4．非铸铁型焊缝电弧冷焊工艺
非铸铁焊缝电弧冷焊工艺可归纳为以下四点：“焊前准备要做好，焊接规范适当小，短段断续分散焊，焊后小锤敲焊道”。
（1）焊前准备
用机械或化学法方法将缺陷表面清理干净，并制备适当大小和形状的坡口等工作。在距裂纹端部3～5mm 处钻止裂孔（φ5～φ8 mm）。当铸件厚度或缺陷深度大于5mm 时，应开坡口进行补焊。
（2）电弧冷焊工艺要点
在保证电弧稳定及熔深合适的情况下，尽量采用小直径焊条和小电流进行焊接，采用短弧、短段（薄时段长10～20mm ，厚时30～40mm ）、断续、分散施焊及焊
后立即锤击焊道等工艺措施，同时还要注意适当提高焊接速度、电弧不作横向摆动，并要选择合理的焊接方向和顺序。
（3）结构复杂或厚大铸件的焊接工艺要点
补焊结构复杂或厚大的灰铸铁件时，选择正确的焊接方向和合理的焊接顺序非常重要，选择的原则是从拘束度大的部位向拘束度小的部位焊接。如图3-3所示，灰铸铁缸体侧壁有3处裂纹，焊前在裂纹1、2端部钻止裂孔，适当开坡口。焊接裂纹1时，应从有止裂孔的一端向开口端方向分段焊接。裂纹2处在侧壁中间位置，拘束度较大，且裂纹两端的拘束度比中心大，因此可采用从两端交替向中心方向分段焊接工艺，有助于减小焊接应力，但要注意止裂孔最后焊接。
图3-3 灰铸铁缸体侧壁裂纹的补焊
由于裂纹3属于交错裂纹，其拘束度很大，为减少应力，焊接必须采用“镶块焊补法”，同时还应选择合理的焊接顺序，如图3-4所示。注意镶块应选择塑性较好的低碳钢板材，中间开一条小槽（减应槽, 降低拘束度）。
图3-4 镶块焊补法
对于厚大件，可采用多层焊或多层多道焊，为了防止因应力过大而产生剥离性裂纹，可以在坡口采用“裁丝法”，如图3-5，其裁丝直径8～16mm ，要均匀对称分布，裁入深度与直径相当。当坡口尺寸很大时，可采用加垫板焊补。
图3-5 栽丝补焊法示意图
3.3气焊
气焊火焰温度比电弧焊低得多，其加热速度缓慢，加热范围较宽，焊缝的冷却速度也较低，因此，进行气焊，实际上相当于局部预热，接近于电弧热焊或半热焊情况，有利于石墨化过程。但是，由于加热速度缓慢且加热时间长。使焊接效率降低，同时也使焊接应力增大，故用气焊焊接刚性较大的铸件时，接头产生裂纹的倾向增大。所以铸铁的气焊一般只用刚度较小的薄壁铸件焊接时可不预热。对刚度大的铸件，宜采用整体或局部预热的热焊法。而有些刚性较大的铸件，可用“加热减应区”的气焊方法。
1．气焊焊接材料
（1）焊丝
一般气焊时（相当于局部预热电弧焊），焊缝中碳和硅总的质量分数约为7%。灰铸铁气焊焊丝成分见表6-6。
其中RZC-1，由于碳和硅含量较低，适用于热焊；RZC-2，由于碳和硅含量较高，适用于冷焊。
（2）熔剂
铸铁在气焊时，因其硅量较高，熔池冶金反应过程中硅容易被氧化，会形成难溶的酸性氧化SiO2，其熔点约为1713℃，使熔渣粘度增大而流动性变差，影响焊接过程的正常进行，还容易造成焊缝夹渣等缺陷。因此，气焊铸铁时一般要在熔池中加入适量的碱形成熔点较低的熔渣，浮于熔池表面而被清除。我国焊接铸铁所有气焊溶剂的统一牌号为“CJ201”，其主要成分为Na2CO3,NaHCO3,H3BO3呈碱性，熔点较低，易潮解。除外购外，气焊熔剂也可按表3-4自制（1号为CJ201配方）。
2．灰铸铁气焊工艺要点
（1）焊前准备
气焊前要对铸件进行清理，其焊前清理和准备工作基本与焊条电弧焊相同。制备坡口一般可采用机械方法。当铸件断面很小或不能用机械方法开坡口时，也可用氧气切割直接开出坡口。
（2）焊炬与火焰性质选择
气焊时，应根据铸件厚度适当选用较大焊码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能率，增大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化焰。因为，氧化气氛会使熔池中碳，硅等元素烧损增加，影响焊缝的石墨化过程。为防止熔池金属流失，在焊接中应尽量保持水平位置。
（3）焊接操作要点
一般较小的铸件焊接时，当缺陷位于边角或所处位置刚度较小，可用冷焊方法焊接，焊接时利用焊炬的火焰在坡口周围先行加热，然后进行熔化焊接，焊后自然缓冷即可得到无裂纹的焊接接头。注意不能将焊件放在有穿堂风的地方加速冷却，当环境温度较低时，应采取焊后覆盖焊道等缓冷措施，以防产生白口组织和裂纹。
当铸件形状复杂、缺陷位于焊件中部或接头刚度较大时，应采用将焊件整体预热600～700℃的热焊法，或者是“加热减应区”焊法。焊接后减应区与焊缝同时缓冷，接头和减应区将沿同一方向自由收缩，故使焊接应力减小，降低了其产生裂纹的倾向。
3.4灰铸铁的钎焊
铸铁钎焊时，母材本身不熔化，可避免接头产生白口组织；并且由于钎料熔点较低，加热温度也随之降低，使焊接应力减小，故不容易产生裂纹。因此，钎焊接头加 工优良，产生缺陷倾向小，用于铸铁焊接有一定的优越性。
1．焊接材料
铸铁常用的是氧乙炔钎焊。最常用的钎料是铜锌钎料“HL103”，他的含铜量wcu ≈53%～55%（余量为锌），熔点为885～890℃。钎料一般采用硼砂，也可用硼砂50%加 50%硼酸（质量分数）。由于铸铁中有石墨存在，并且含硅量高以及铸件表面常有夹 砂，故其钎焊性比钢差。铸铁钎焊时，除了要清理油污、杂质外，还应采用弱氧化焰，在钎焊前将铸件坡口表面的石墨烧去，以形成大量的孔隙。在钎焊中采用弱氧化焰，还可在钎料熔池表面形成一层氧化锌膜，以减少熔池中锌的氧化和蒸发。
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3-5和表3-6），用于铸铁的钎焊取得较好的效果。
2．钎焊工艺要点
（1）钎焊前准备
（2）钎焊坡口形式及尺寸:如图3-6所示。
（3）火焰选择:弱氧化焰
（4）钎焊操作
保持焰心与熔池的距离为8～10mm ；火焰要指向钎料，不能指向熔池，不做往复运动，添加钎料要快，加热部位要小。
图3-6 铸铁钎焊坡口形式及尺寸
（5）钎焊顺序
应由内向外、左右交替，长焊缝应分段焊接，每段长度以80mm 为宜。第一段焊满后，待温度降到300℃以下再焊第二段。
（6）焊后处理
用火焰适当加热焊缝周围使其缓冷，以防止近缝区奥氏体相变后发生淬火。并用小锤锤击焊缝，使焊缝组织致密，达到松弛应力的目的。此外，灰铸铁补焊还可以采用CO2焊和电渣焊。
第四章 灰铸铁的焊接裂纹及预防
灰铸铁属脆性金属材料，抗裂能力差，在焊接应力的作用下焊接接头很容易开裂。灰铸铁在补焊时，接头所产生的裂纹多为低温裂纹，属冷裂纹范畴；而在某些焊接条件下也可能产生热裂纹。
4.1冷裂纹
焊接时产生这种裂纹的温度一般在400℃以下，多发生在焊缝和热影响区影响区以上。
1. 冷裂纹产生的主要因素
（1）灰铸铁本身强度低，基本无塑性，承受塑性变形的能力几乎为零，因此容易引起开裂。
（2）焊接过程对焊件的局部加热和冷却，势必使焊件产生焊接应力，焊接应力是导致焊件产生裂纹的又一重要原因。
（3）焊接接头的白口组织和淬硬组织又硬又脆，不能产生塑性变形，在受到应力作用时容易引起开裂，严重时会使焊缝与热影响区交界的整个界面开裂而分离。
2. 焊缝上的冷裂纹
（1）铸铁型（同质）焊缝
是否产生冷裂纹决定于焊缝的组织。当焊缝中有白口铸铁时容易开裂，因白口铸铁的收缩率大于母材的收缩率，憨厚产生较大的收缩应力，白口铸铁无法承受大的收缩应力。焊缝中渗碳体量越多，越容易产生裂纹；但焊缝的基体为铁索体或珠光体，而石墨化过程进行的较充分时，焊缝就不易产生裂纹。因为石墨化过程伴随着体积膨胀，可以松弛部分收缩应力。这是能导致开裂的原因主要是石墨的形态及其分布，粗而长的片状石墨笔细而短的片状石墨容易开裂，如果焊缝中的石墨呈团絮状或球状，则具有较好的抗裂性能。
（2）非铸铁型（异质）焊缝
是否产生冷裂纹决定于焊缝金属的塑性和焊接工艺的合理配合。当焊缝为奥氏体、铁素体或镍基、铜基的焊缝时，由于较好的塑形而不易产生冷裂纹；当采用低碳钢或其他合金焊条做铸铁电弧冷汗时，第一层焊缝因母材（灰铸铁）的熔入而变成高碳钢，快速冷却时就会产生淬硬组织高低马氏体，容易产生冷裂纹。
3. 热影响区上的冷裂纹
在电弧冷焊灰铸铁时，影响区上容易产生冷裂纹。前已述及热影响区内的半熔化区（温度范围为1150-1250℃）及奥氏体区（温度范围为820-1150℃）在快速冷却时就容易产生渗碳体和马氏体淬硬组织，当焊接应力超过了它们的强度时就会产生裂纹。
裂纹多为纵向分布，且常出现在半熔化区与奥氏体交界处，沿界面开裂，会造成整个焊缝金属剥离下来。
焊缝为碳钢时，半熔合区为白口组织，奥氏体区位石墨化不完全的半白口组织或马氏体组织。焊缝的收速率约为2.17%，半熔化区约为2.3%，奥氏体区约为
1.1%，冷却过程中收缩率不同的三个部分之间，必然产生很大的剪切应力，当超过材料的抗剪强的时，就会沿界面裂开，严重时发生整个焊缝剥离。厚壁铸件冷却时，由于坡口深，须多层焊，积累的焊接应力也容易产生焊缝剥离；对于同质焊缝，如果焊缝强度高，如采用高钒铸铁焊条，焊接时不采取减少焊接应力的措施的话，也容易产生焊缝的剥离。
4. 防止灰铸铁冷裂纹的措施
灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要原因是焊接应力，避免裂纹产生也主要是从降低焊接应力着手。
（1）预热
防止铸铁型焊缝冷裂纹最有效的方法是对焊件进行整体预热（550～700℃），使温差减小，降低焊接应力，同时促进焊缝金属石墨化，并要求焊后在相同温度下消除应力。
（2）选择合理焊接材料
采用镍基或铜基焊接材料，使焊缝成为塑性良好的非铁合金，对冷裂纹不敏感。
（3）工艺措施
用异质焊接材料焊接灰铸铁时，常采用“短段焊”、“断续焊”等工艺措施，并及时锤击焊缝，使焊缝金属发生塑性变形，以减小和消除焊接应力。
另一工艺措施是采用小规范焊接，较小的焊接电流既可减小热输入，又可减小熔合区白口及淬硬层宽度，从而减小焊接应力，有利于防止裂纹。
4.2热裂纹
灰铸铁的焊接热裂纹主要出现在焊缝上。铸铁型焊缝对热裂纹不敏感，因为焊缝高温时石墨析出，使体积增加，有助于减小焊接应力，在非铸铁型焊缝中，如果用碳钢焊条，则焊缝极易产生热裂纹，用镍基焊条时也有一定的热裂倾向。
1. 产生热裂纹的主要因素
用低碳钢焊条焊接灰铸铁的第一层焊缝最容易发生热裂纹，因为作为母材的灰铸铁其碳、硫和磷含量高，熔入第一层焊缝的量较多使钢质焊缝平均含碳、硫和磷增加，而碳、硫和磷是碳钢发生结晶裂纹的有害元素。所以第一层焊缝产生热裂纹机率最大。
用镍基焊条焊接时，也因母材熔入焊缝使硫、磷有害元素增加，易生成低熔共晶物，如Ni —Ni3S5的共晶温度为644℃，Ni —Ni3P 的共晶温度为880℃，故镍基焊缝也有热裂倾向。
2. 热裂纹的防止
防止焊缝金属产生热裂纹的途径是从冶金处理和焊接工艺两方面采取措施。在冶金方面，通过调整焊缝化学成分，使其脆性温度区间缩小；加入稀土元素，增强焊缝脱硫、磷能力，以及细化晶粒等途径，提高焊缝抗热裂纹能力。焊接工艺方面，采用正确的冷焊工艺，使焊接应力降低、使母材中的有害杂质较少熔入焊缝等，均有助于防止焊接热裂纹的产生。
由以上分析可知，灰铸铁焊接接头裂纹倾向较大，这主要与灰铸铁本身的性能特点、焊接应力、接头组织及化学成分等因素有关。为防止焊接裂纹，在生产中主要是采取减小焊接应力、改变焊缝合金系统及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。
第五章 灰铸铁的焊接检验
焊接质量检验贯穿整个焊接过程，包括焊前、焊接过程中和焊后成品检验三个阶段。
5.1 焊接质量检验的内容和要求
1. 焊前检验
焊前检验是指焊件投产前应进行的检验工作，是焊接检验的第一阶段，其目的是预先防止和减少焊接时产生缺陷的可能性。包括的项目有：
⑴检验焊接基本金属、焊丝、焊条的型号和材质是否符合设计或规定的要求； ⑵检验其他焊接材料，如埋弧自动焊剂的牌号、气体保护焊保护气体的纯度和配比等是否符合工艺规程的要求
⑶对焊接工艺措施进行检验，以保证焊接能顺利进行；
⑷检验焊接坡口的加工质量和焊接接头的装配质量是否符合图样要求； ⑸检验焊接设备及其辅助工具是否完好，接线和管道联接是否合乎要求； ⑹检验焊接材料是否按照工艺要求进行去锈、烘干、预热等；
⑺对焊工操作技术水平进行鉴定；
⑻检验焊接产品图样和焊接工艺规程等技术文件是否齐备。
2.焊接生产过程中的检验
焊接过程中的检验是焊接检验的第二阶段，由焊工在操作过程中，其目的是为了防止由于操作原因或其他特殊因索的影响而产生的焊接缺陷，便于及时发现问题并加以解决。包括：
⑴检验在焊接过程中焊接设备的运行情况是否正常；
⑵对焊接工艺规程和规范规定的执行情况；
⑶焊接夹具在焊接过程中的夹紧情况是否牢固；
⑷操作过程中可能出现的未焊透、夹渣、气孔、烧穿等焊接缺陷等；
⑸焊接接头质量的中间检验，如厚壁焊件的中间检验等。
焊前检验和焊接过程中检验，是防止产生缺陷、避免返修的重要环节。尽管多数焊接缺陷可以通过返修来消除，但返修要消耗材料、能源、工时、增加产品成本。通常返修要求采取更严格的工艺措施，造成工作的麻烦，而返修处可能产生更为复杂的应力状态，成为新的影响结构安全运行的隐患。
3.成品检验
成品检验是焊接检验的最后阶段，需按产品的设计要求逐项检验。包括的项目主要有：检验焊缝尺寸、外观及探伤情况是否合格；产品的外观尺寸是否符合设计要求；变形是否控制在允许范围内；产品是否在规定的时间内进行了热处理等。成品检验方法有破坏性和非破坏性两大类，有多种方法和手段，具体采用哪种方法，主要根据产品标准、有关技术条件和用户的要求来确定。
5.2焊接质量检验的方法
焊接质量的检验方法分为非破坏性和破坏性两类，见图5-1。
图5-1
焊接检
验方法
1. 非破坏性检验
（1）外观检查
（2）无损检验
①表面检查：磁粉探伤（MT ）；渗透探伤（PT ），包括：着色和荧光检验 ②内部检查：超声探伤（UT ），射线探伤（RT ），包括，X 射线、γ射线和高能射线。
（3）接头的强度试验：水压试验；气压试验
（4）致密性检验：气密性试验；氨渗漏试验等。
（5）硬度检验。
2. 破坏检验
（1）机械性能试验：拉伸（室温、高温）试验，弯曲试验；硬度试验，冲击试验，断裂韧性试验，疲劳试验；其它试验。
（2）化学分析试验：化学成分分析试验；腐蚀试验；含氢量测定。
（3）金相检验：宏观组织检验；微观组织检验，断口分析（成分和形貌）检验。
（4）其它：如焊接性试验、事故分析等。
参 考 文 献
1、曹长霞主编. 特种焊接技术. 北京：机械工业出版社，2009
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17、李荣雪主编. 金属材料焊接工艺. 北京：机械工业出版社，2008
致 谢
时间如梭，转眼毕业在即。回想在大学求学的三年，心中充满无限感激和留恋之情。感谢母校为我们提供的良好学习环境，使我们能够在此专心学习，陶冶情操。谨向我的论文指导顾老师致以最诚挚的谢意！顾老师不仅在学业上言传身教，而且以其高尚的品格给我以情操上的熏陶。本文的写作更是直接得益于他的悉心指点，从论文的选题到体系的安排，从观点推敲到字句斟酌，无不凝聚着他的心血。滴水之恩，当以涌泉相报，师恩重于山，师恩难报。我只有在今后的学习、工作中，以锲而不舍的精神，努力做出点成绩，以博恩师一笑。
毕业设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行实际训练，通过这次毕业设计，我在多方面都有所提高。体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。再次感谢我的指导老师顾老师。老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次毕业设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
另外，我必须感谢我的父母。焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。作为他们的孩子，我秉承了他们朴实、坚韧的性格，也因此我有足够的信心和能力战胜前进路上的艰难险阻；也因为他们的日夜辛劳，我才有机会如愿完成自己的大学学业，进而取得进一步发展的机会。
最后，我必须感谢我的朋友，正是因为你们对我的帮助和支持，我才能得以顺利完成该论文。