第13章 铸铁的焊接

图13-3
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
13.1.3 铸铁焊接方法
铸铁焊接 方法
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
焊条电弧焊、气焊、 CO2气体保护电弧焊、 手工电渣焊、气体火 焰钎焊以及气体火焰 粉末喷焊等
铜锌钎料的化学成分
wSi 0.1~0.3 — wNi 0.3~0.5 3.0~4.0 wMn 0.1~0.3 8.5~9.5 wAl — wZn 备注 — 余量 GB/T6418-93
0.2~0.6 余量
13.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点
由于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。
牌号 QT400-18 QT400-15 QT450-10 QT500-7 QT600-3 QT700-2 QT800-2 QT900-2
/MPa 400 400 450 500 600 700 800 900
13.1.2 铸铁的凝固特点与石墨化
从过共晶铁液中直接析出的初生石墨
石 墨 化 两 个 阶 段
铁基焊缝 及焊接材料
纯镍铸铁焊条 如EZNi-1（Z308） 镍铁铸铁焊条 如EZNiFe-1（Z408） 镍铜铸铁焊条 EZNiCu-1（Z508） 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
异质焊缝 （非铸铁型） 电弧冷焊
镍基焊缝 及焊接材料
铜基焊缝 及焊接材料
异质焊缝电 弧冷焊工艺
用低碳钢 焊条焊接 灰铸铁时
热 裂 纹
大多数出 现在焊缝 上：为结 晶裂纹
形成FeS与Fe的低 熔点共晶物（熔点 为988℃），高的焊 缝含碳量会增加热裂 纹敏感性，导致形成 焊缝底部热裂纹甚至 宏观热裂纹。 容易形成Ni-Ni3S2（熔 点为644℃）和Ni-Ni3P （熔点为880℃）低熔点 共晶，且镍基焊缝凝固 后为较粗大的单相奥氏 体柱状晶，凝固过程中 容易使低熔点共晶在 奥氏体晶间连续分布， 促进热裂纹形成 。
气焊
气焊球墨铸铁焊态下组织为珠光体+铁素体+球 状石墨，工艺合适时半熔化区无白口。
气焊的缺点主要是焊接生产率较低。
同质焊缝 （球墨铸 铁型）电 弧焊
国内采用的球墨铸铁焊条型号为EZCQ，制造 方法有两种：一是采用铸铁焊芯外涂强石墨 化药皮（Z258），二是采用低碳钢焊芯外涂 强石墨化药皮（Z238），药皮中加入适量球 化剂。球墨铸铁焊条在使用时，要求将母材 预热到500℃以上，焊后保温缓冷。
抗拉强度 屈服强度 /MPa 最小值 250 250 310 320 370 420 480 600 伸长率 (%) 18 15 10 7 3 2 2 2 布氏硬度 HBS 130～180 130～180 160～210 170～230 190～270 225～305 245～335 280～360 显微组织 铁素体 铁素体 铁素体 铁素体+ 珠光体 珠光体+ 铁素体 珠光体 珠光体或回火组 织 贝氏体或回火马 氏体
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.某汽缸题侧壁（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）。
同质焊缝 （铸铁型） 电弧热焊
气焊
电弧热焊及半热焊主要适用于壁厚大于 10mm铸件上缺陷的焊补，薄壁件宜用气焊。 电渣焊具有加热与冷却缓慢的特点，适合 铸铁焊补要求，手工电渣焊设备简单，应 用灵活，对重型机器厂、机床厂灰铸铁厚 件较大缺陷的焊接修复是比较合适的。
手工 电渣焊
图6-9 手工电渣焊示意图 1—电极 2—石墨型 3—铸造型砂 4—渣池 5—金属熔池 6—铸铁件
工业发达国家发展了适用于自动焊接的药芯 焊丝和实芯焊丝。熔敷金属的主要成分为Ni （wNi=50%），其余为Fe。药芯焊丝直径多 为2.4mm，实芯焊丝常用直径为0.8～1.2mm。 药芯焊丝可以用CO2气体保护或自保护，焊接 电流为330～380A，熔敷效率较高，但半熔化 区白口较宽。实芯焊丝用氩气保护，常用电流 在100A左右，焊接熔滴为短路过渡，焊接热影 响区很窄，接头加工性良好。
奥-贝球 墨铸铁 蠕墨铸 铁焊接
白口铸 铁焊接
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.影响铸铁型焊缝组织的主要因素 有那些？ 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（热应力裂纹）的原因及 防止措施。铸铁冷裂纹与钢的 焊接冷裂纹相同吗？ 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.分析比较三种镍基铸铁焊条 的特点。
第13章 铸铁的焊接
铸铁
碳的质量分数大于 2.11%的铁碳合金
工业常用的铸铁 为铁碳硅合金
铸铁焊接 的应用
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
13.1 铸铁的种类及其焊接方法
13.1.1 铸铁的种类
白口铸铁 断口呈白亮色 断面呈灰色 石墨呈团絮状 石墨呈球状 石墨呈蠕虫状
铸 铁 的 种 类
石墨化 第一阶段
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
以及一次渗碳体、共晶渗碳体和二 次渗碳体在高温下分解析出的石墨 包括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
石墨化 第二阶段
如果第二阶段石墨化能充分进行，则铸 铁的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 态下多为铁素体加珠光体混合组织。
图13-1
铁碳合金双重相图
图13-2
合金元素对铸铁石墨化的影响
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。
化学成分和冷却速度是影响铸铁石墨化的主要因素,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。
冷裂纹 的防止 措施
在铸铁型焊缝中提高碳含量，并加入一定量 的合金元素，如Mn（wMn=0.75%）、Mo （wMn=1.17%）、Cu（wCu=1.85%）等 钢焊缝冷裂纹主要受母材高含碳量的影响。 为了消除或减轻碳的有害作用，提高铸铁 焊接时钢焊缝的抗冷裂纹能力，可以采取 冶金措施。 白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影 响可以从冶金和工艺因素两方面入手加以解 决。
焊接 接头
热影 响区
原始组ห้องสมุดไป่ตู้ 区(母材）
碳化物石墨 化与球化区
图13-5
灰铸铁焊接接头各区域组织变化
未完全混合区
其物理化学冶金特性与焊缝并 不相同，更接近于半熔化区。
未完全混合区
半熔化区
熔合区
13.2.2 焊接裂纹
铸铁型同质焊缝较长或焊补部位 刚度较大时容易出现冷裂纹 铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源为片状 石墨的尖端位置
HT100
≤ 175 不重要铸件, 如油底壳、盖、镶装导轨的支柱 等 150～ 200 170～ 220 240 210～ 260 280 强度高，基体组织为珠光体，用于承受高 载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车 强度中等 , 用于制造承受中等载荷的铸件 , 如机床底座、工作台等 强度较高 , 用于制造承受较高载荷的耐磨 铸件,如发动机的气缸体、 液压泵、 阀门壳体、
HT150 HT200 HT250 HT300 HT350
较粗片状 中等片状 较细片状 细小片状 细小片状
≥ 150 ≥ 200 ≥ 250 ≥ 300 ≥ 350
190～ 机床机身、气缸盖、中等压力的液压筒等
230～ 床卡盘、导板、齿轮、液压筒等
表13-2
球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织（GB/T1348—1988）
用镍基焊 接材料焊接 灰铸铁时 向焊缝加入适量稀土能使抗热裂纹 性能提高；但过量加入稀土反而使 焊缝的抗热裂纹性能下降。
13.2.3 球墨铸铁的焊接性特点
焊接性特点
球墨铸铁中的 球化剂有增大铁液 结晶过冷度、阻碍 石墨化和促进奥氏 体转变为马氏体 的作用。
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。
球墨铸铁电弧焊的困难在于： 1) 很难获得石墨稳定球化的焊缝； 2) 已知的球化元素都增大白口倾向， 在石墨球化的同时促进焊缝白口。
球墨铸铁异质焊接材料主要采用镍铁铸铁焊条 （EZNiFe型），第一层焊缝金属镍的质量分数 约为40%，膨胀系数较小，有利于降低焊接应 力防止裂纹。
异质焊缝 （非球墨 铸铁型） 电弧焊
图13-4
铸铁电弧焊的焊缝金属分 类
13.2 铸铁焊接性分析
13.2.1 焊接接头白口及淬硬组织
焊缝区
焊缝将主要由共晶渗碳体、二次 渗碳体及珠光体组成，即焊缝为 具有莱氏体组织的白口铸铁。 半熔 化区 奥氏 体区 部分重 结晶区
冷却时:A→高温L(共晶Fe3C+A) 继续冷却：共晶Fe3C+Fe3CⅡ+P 的白口铸铁；快冷时：A →M 冷速较慢时：A →P 冷速较快时：A →M 冷却时：A →P 冷速较快时：A →M+F混合组织
13.3 铸铁焊接工艺及材料
13.3.1 灰铸铁的焊接工艺特点
电弧热焊是铸铁焊接应用最早的一种工 艺。将铸铁件预热到600～700℃，然后 在塑性状态下进行焊接，焊接温度不低 于500～400℃，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 的铸铁焊补工艺称为电弧热焊。预热 温度在300～400℃时称为半热焊。 铸铁电弧热焊工艺包括焊前准备、预热、 焊接、焊后缓冷及加工等过程。
13.3.3 其他铸铁的焊接特点
使用前面介绍的球墨铸铁同质焊条， 在热焊或冷焊条件下进行焊补，焊后 进行热处理。较好的焊补工艺是： 铸造后焊补，然后整体热处理。 可以采用与球墨铸铁焊接时成分相近的 焊接材料焊接蠕墨铸铁，焊接方法有气 焊、同质焊条电弧热焊及不预热焊，以 及用镍基铸铁焊条进行电弧冷焊。 首先用与镍铁铸铁焊条相近的BT-1焊条 打底，焊缝为奥氏体＋球状石墨组织， 塑性较好，与母材熔合良好。工作层采 用合金系为C-Cr-Mo-Ni-W-V的BT-2焊条， 焊缝组织为M+BL+A残+碳化物
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁
表13-1 1988）
牌 号
灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途（GB/T9439—
显微组织 基体 铁素体 铁素体 + 珠光体 珠光体 细片状 珠光体 细片状 珠光体 细片状 珠光体 石墨 粗片状
抗拉强度 /MPa ≥ 100
硬度 HB
特点及用途举例 强度低 , 用于制造对强度及组织无要求的
灰铸铁的 钎焊与喷焊
灰铸铁钎焊可以使用工业常用的铜锌 钎料BCu62ZnNiMnSi-R（HL104）， 其化学成分见表6-6。
可以采用氧乙炔火焰粉末喷焊修复 铸铁件在机械加工中出现的小缺陷。
表13-6
钎 料 wCu wSn 0.1 0.3~0.8 BCu62ZnNiMnSi-R 61.0~63.0 Cu-Zn-Mn-Ni 钎料 48.0~52.0
冷裂纹 产生的 原因
当冶金或工艺因素控制不当， 铸铁焊缝出现白口时
异质焊条焊接灰铸铁，连续焊长 焊缝也会产生横向冷裂纹 主要受焊接应力即热应力的影响， 只要热应力不超过焊缝及热影响区 金属的塑性变形能力就不会开裂。
既然灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要 原因是热应力，那么防止冷裂纹的 措施也应从减小热应力入手。 防止铸铁型同质焊缝出现冷裂纹最有效的 措施是对焊补工件进行整体高温预热 （600～700℃）