铸铁的焊接技术要求

C、剥离性裂纹 异质材料（低碳钢、镍基合金）焊接灰铸铁时，由于钢焊
缝和镍基合金焊缝金属比灰铸铁力学性能好，但收缩率大， 当焊缝金属体积较大或焊接工艺不当，容易造成焊缝底部或 HAZ裂纹，严重时导致焊缝金属部分或全部与灰铸铁母材分 离。
产生区域：熔合区、HAZ
与钢焊接冷裂纹影响因素相比，铸铁焊接冷裂纹主要受热 应力影响，与H无关。
充分进行 充分进行 充分进行
部分进行
充分进行 充分进行 充分进行
部分进行
不进行
不进行
第三阶段
充分进行 部分进行 不进行 不进行
不进行
F+G F+P+G P+G
L’d+P+G+Fe3 C
L’d+P+Fe3C L’d L’d+Fe3C
三、影响石墨化的因素
1、化学成分
• wC↑有利于石墨形核；
• Si可削弱铁原子间的结合力，并使共晶温度提高、共 晶点左移，故有利于石墨形核；
造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置耐高温的石墨片， 以防止造型材料受热熔化或下塌，并在焊前应进行烘干。
d、焊接：
焊接时，为了保持预热温度，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I0（A）可根据经验公式： I0＝（40-50）d（d表示焊条直径mm）。因铸铁焊条药皮中含有较多的 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。 e、焊后缓冷：
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。
7.0
wC + 1/3wSi %
6.0
F灰
P+F灰
5.0
P灰
4.0
白麻 口口
20
40
60
铸件壁厚 mm
冷却速度
四、铸铁焊接性分析 问题： 白口及淬硬组织 热裂纹 冷裂纹
1、白口及淬硬组织 白口组织是指灰口铸铁组织中出现了渗碳体或莱氏体组织。
整个焊接接头分为六个区域
A、焊缝区
当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，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。
增大线能量，白口组织难以消除，若采用低碳钢焊条，因母材的熔入， 使焊缝相当于高碳钢，在焊接快冷的条件下，得到脆硬的M。
防止措施： 焊缝为铸铁： ①采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度；②调整焊 缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。 异质焊缝：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；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。
很窄，加热温度范围780～820℃。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A。在随后冷却过程中，A 转变为P，冷却很快时也可能出现一些M，最终得到M+F组织。
2、裂纹
铸铁裂纹的倾向比钢大的多、严重的多。 （1）冷裂纹 可发生在焊缝或热影响区上
A、焊缝处冷裂纹 产生部位：铸铁型焊缝 启裂温度：一般在400℃以下。
B、半熔化区
该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围1150～ 1250℃，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
V冷很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体（即共晶 Fe3C+A）。继续冷却则从C所饱和的A析出二次Fe3C。在共析转变温度区 间，A转变为P。这就是该区形成白口的过程。由于该区冷速很快，在共析 转变温度区间，可出现A→M的过程，并产生少量残余A。
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。
除了容易产生白口组织和裂纹外，铸铁焊接时焊缝还可能产生CO气 孔和夹渣等缺陷。所以，铸铁补焊时应采取一些措施，比如尽量减小焊 件各处的温度差，采用不同的焊条控制焊缝成分，降低焊后冷速等等。
金属先发生一定量的B相变，接着又发生一定量的M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。
③加入既能改变石墨形态又能促使石墨化的元素。 B、发生在HAZ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： ①在电弧冷焊情况下，在半熔化区及A区产生Fe3C及M等脆硬组织（白口 铸铁的抗拉强度为107.8～166.8Mpa，M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。 ②半熔化区上白口铸铁的收缩率（1.6%～2.3%）比其相应的A的收缩率 （0.9%～1.3%）大得多。在该二区间产生一定的切应力。 ③在焊接薄壁铸铁件（5～10mm）导热程度比厚壁铸件大的多，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HAZ上。
当V冷很小时，其共晶转变按稳定相图转变，最后其室温组织由石墨+F 组织组成。
当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。 影响冷却速度的因素：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等。
②化学成分对半熔化区白口铸铁的影响 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
五、灰铸铁焊接工艺
依据： 被焊铸件的具体状况（大小、厚薄、复杂程度、缺陷大小，刚性等）； 焊接质量要求（硬度、强度、焊缝颜色、切削加工性、密封性等）； 设备条件及经济性。
1、灰铸铁同质（铸铁型）焊缝
（1）电弧热焊 将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600～700℃（暗红色），然
后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺，称“热焊”。 预热温度到300～400℃，称为半热焊。
• 生产中，通过调整(wC+1/3wSi)来控制铸铁的组织；
除C、Si外，P、Al、Cu、Ni、Co也为石墨化元素； S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素为白口化元素。
2、冷却速度
渗碳体的成分（碳含量）更接近于液 态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时 易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷 时易得到G。
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。同时在石墨析出 时，还伴随着体积长大，使铸件的变形增加。
D、焊接材料： 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Z248，直径6-12mm，主要用于焊补 厚大铸件的缺陷，多由单位自制。 采用低碳钢芯加石墨型药皮，铸Z208，直径5mm以下。 焊条的碳硅总量一般高于母材，wC+Si＝6％-8％，其中wC＝3％-3.8 ％，wSi＝3％-3.8％。
半熔化区白口的形成有利。
C、奥氏体区
该区被加热到固相线与共析转变上限温度之间，温度约为820～1150℃， 无液相。在共析温度区间以上，其基体已A化，组织为A+G。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A扩散，A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A扩散，A中
含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从A中析出一些二次Fe3C ， 其析出量的多少与A中含碳量成直线关系。在共析转变快时，A转变为P类 型组织。冷却更快时，会产生M与残余A。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G而避免二次Fe3C析 出，同时防止M形成。
D、重结晶区
用最广。
按 石 可锻铸铁 石墨呈团絮状，生产周期长，成本高。
墨
形 态
球墨铸铁
石墨呈球状，生产工艺比可锻铸铁简单，力学性能 好，应用较广。它是在铁液中加入稀士金属、镁合
分
金及硅铁等种新型铸铁，有大的
应用前景。
铸铁的性能主要取决于石墨的形状、大小、数量及分布特点
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M。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。）
（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，原因：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1/3～1/4，焊缝平均含碳量可达0.7～1.0%，铸铁含S、P量 高，焊缝平均含S、P也较高，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。另一方面单相奥氏体焊缝晶粒粗大，晶界易于富集较 多的低熔共晶。
一、铸铁的分类
§5 铸铁的焊接
铸铁通常按石墨化程度或石墨形态两种方法进行分类。
按 石
灰口铸铁
第一阶段石墨化充分进行，C主要以G 形式存在，断口呈灰暗色，应用广。
墨
化
石墨化过程完全被抑制，C主要以渗碳
程 白口铸铁 体存在，断口呈银白色，性能脆硬，主
度 分
要做炼钢原料。
灰铸铁 石墨呈片状，生产工艺简单，价格低，应
由于石墨存在形式不同，因而对基体的性能影响有很大差异。在相同基 体组织的情况下，铸铁的强度：
球墨铸铁>可锻铸铁>蠕墨铸铁>灰口铸铁
二、铸铁的石墨化
❖ 铸铁组织中析出碳原子形成石墨的过程称石墨化过 程。
❖ 石墨化过程的三个阶段
为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。 此种合二为一的相图称铁－碳双重相图
第一阶段石 墨化
A
H
B J
L
N
L+
E’
1154℃ C
2.08 E
C’ 4.26
G S’ 0.68
A+G 738℃
PS
F+G
L+G
第二 阶段 D石墨 化 F
K
Q
第三阶段石
墨化
铸铁类型
各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织
石墨化程度
显微组织
灰口铸铁
麻口铸铁
亚共晶白口 共晶白口 过共晶白口
第一阶段
第二阶段
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：
①与焊缝基体组织有关。 ②与焊缝石墨形状有关。 ③与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关。
防止措施： ①对焊补件进行整体预热（600～700℃）能降低焊接应力。 ②向铸铁型焊缝加入一定量的合金元素（Mn、Ni、Cu等）使焊缝
口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰除净，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。 C、造型：
对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证一定的焊 缝成形，还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图所示。
E、热焊工艺
a、预热: 对结构复杂的铸件（如柴油机缸盖），由于焊补区刚性大，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，焊补 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 ;
b、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
A、优点： ①有效减少焊接接头上的温差，而且铸铁由常温完全无塑性改变为有一定 塑性，灰铸铁在600～700℃时，伸长率可达2～3%，再加以焊后缓慢冷 却，焊接应力状态大为改善。 ②600～700℃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。 B、缺点： ①预热温度高，劳动条件很差。 ②将焊件加热到600～700℃需消耗很多燃料，焊补成本高，工艺复杂， 生产率低。 C、预热的选择：