材料焊接性第6章 铸铁焊接
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力防止裂纹。
异质焊缝 （非球墨 铸铁型） 电弧焊
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。
6.3.3 其他铸铁的焊接特点
奥-贝球 墨铸铁
蠕墨铸 铁焊接
白口铸 铁焊接
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
熔合区
6.2.2 焊接裂纹
冷裂纹 产生的 原因
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
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。
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 。
6.2.3 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。
冷裂纹 的防止
措施
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℃）
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
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）。
预热到500℃以上，焊后保温缓冷。
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) 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
Cu-Zn-Mn-Ni 钎料 48.0~52.0
wSn 0.1 0.3~0.8
wSi 0.1~0.3
—
wNi 0.3~0.5 3.0~4.0
wMn 0.1~0.3 8.5~9.5
wAl —
0.2~0.6
wZn 余量 余量
备注 GB/T6418-93
—
6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点
气焊
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
的白口铸铁；快冷时：A →M 冷速较慢时：A →P
体区
冷速较快时：A →M
部分重
冷却时：A →P
结晶区 冷速较快时：A →M+F混合组织
碳化物石墨
原始组织 化与球化区 区(母材）
图6-5 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
6.3 铸铁焊接工艺及材料
6.3.1 灰铸铁的焊接工艺特点
同质焊缝 （铸铁型） 电弧热焊
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。
第6章 铸铁焊接
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
6.1 铸铁的种类及其焊接方法
6.1.1 铸铁的种类
白口铸铁 断口呈白亮色
铸百度文库
灰铸铁
断面呈灰色
铁
的 可锻铸铁 石墨呈团絮状
种 类 球墨铸铁 石墨呈球状
厚及铸件尺寸等因素有关。
图6-3 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
6.1.3 铸铁焊接方法
铸铁焊接 方法
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
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、
蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状
6.1.2 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
共晶转变过程中形成的共晶石墨
石 墨
石墨化 第一阶段
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
化
次渗碳体在高温下分解析出的石墨
两
个
包括共析转变过程中形成的共析石墨；
阶 段
石墨化 第二阶段
共析渗碳体分解析出的石墨 如果第二阶段石墨化能充分进行，则铸
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。
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
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。
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
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
铁基焊缝 及焊接材料
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
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）
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。
气焊
手工 电渣焊
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。
扩散焊等
图6-4 铸铁电弧焊的焊缝金属分类
6.2 铸铁焊接性分析
6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织
焊接 接头
焊缝 区
热影 响区
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
冷却时:A→高温L(共晶Fe3C+A) 继续冷却：共晶Fe3C+Fe3CⅡ+P
发，有利于保证焊缝获得球墨铸铁组织。
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
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
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6-6 铜锌钎料的化学成分
钎料
wCu
BCu62ZnNiMnSi-R 61.0~63.0
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
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。
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6-1 铁碳合金双重相图
图6-2 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
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。
用低碳钢 焊条焊接 灰铸铁时
热
大多数出
裂
现在焊缝
纹
上：为结
晶裂纹
用镍基焊 接材料焊接 灰铸铁时
异质焊缝 （非球墨 铸铁型） 电弧焊
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。
6.3.3 其他铸铁的焊接特点
奥-贝球 墨铸铁
蠕墨铸 铁焊接
白口铸 铁焊接
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
熔合区
6.2.2 焊接裂纹
冷裂纹 产生的 原因
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
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。
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 。
6.2.3 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。
冷裂纹 的防止
措施
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℃）
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
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）。
预热到500℃以上，焊后保温缓冷。
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) 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
Cu-Zn-Mn-Ni 钎料 48.0~52.0
wSn 0.1 0.3~0.8
wSi 0.1~0.3
—
wNi 0.3~0.5 3.0~4.0
wMn 0.1~0.3 8.5~9.5
wAl —
0.2~0.6
wZn 余量 余量
备注 GB/T6418-93
—
6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点
气焊
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
的白口铸铁；快冷时：A →M 冷速较慢时：A →P
体区
冷速较快时：A →M
部分重
冷却时：A →P
结晶区 冷速较快时：A →M+F混合组织
碳化物石墨
原始组织 化与球化区 区(母材）
图6-5 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
6.3 铸铁焊接工艺及材料
6.3.1 灰铸铁的焊接工艺特点
同质焊缝 （铸铁型） 电弧热焊
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。
第6章 铸铁焊接
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
6.1 铸铁的种类及其焊接方法
6.1.1 铸铁的种类
白口铸铁 断口呈白亮色
铸百度文库
灰铸铁
断面呈灰色
铁
的 可锻铸铁 石墨呈团絮状
种 类 球墨铸铁 石墨呈球状
厚及铸件尺寸等因素有关。
图6-3 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
6.1.3 铸铁焊接方法
铸铁焊接 方法
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
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、
蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状
6.1.2 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
共晶转变过程中形成的共晶石墨
石 墨
石墨化 第一阶段
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
化
次渗碳体在高温下分解析出的石墨
两
个
包括共析转变过程中形成的共析石墨；
阶 段
石墨化 第二阶段
共析渗碳体分解析出的石墨 如果第二阶段石墨化能充分进行，则铸
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。
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
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。
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
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
铁基焊缝 及焊接材料
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
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）
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。
气焊
手工 电渣焊
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。
扩散焊等
图6-4 铸铁电弧焊的焊缝金属分类
6.2 铸铁焊接性分析
6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织
焊接 接头
焊缝 区
热影 响区
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
冷却时:A→高温L(共晶Fe3C+A) 继续冷却：共晶Fe3C+Fe3CⅡ+P
发，有利于保证焊缝获得球墨铸铁组织。
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
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
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6-6 铜锌钎料的化学成分
钎料
wCu
BCu62ZnNiMnSi-R 61.0~63.0
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
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。
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6-1 铁碳合金双重相图
图6-2 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
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。
用低碳钢 焊条焊接 灰铸铁时
热
大多数出
裂
现在焊缝
纹
上：为结
晶裂纹
用镍基焊 接材料焊接 灰铸铁时