第第6 6章章 铸铁焊接铸铁焊接铸铁铸铁 铸铁焊接铸铁焊接的应用的应用 碳的质量分数大于碳的质量分数大于2.11%2.11%的铁碳合金的铁碳合金 工业常用的铸铁工业常用的铸铁为铁碳硅合金为铁碳硅合金 铸造缺陷铸造缺陷的焊补的焊补 零部件零部件 的生产的生产 已损坏的已损坏的铸铁成品铸铁成品 件的焊补件的焊补 6.1 6.1 铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类及其焊接方法铸铸铁铁的的种种类类 灰铸铁灰铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 白口铸铁白口铸铁 断口呈白亮色断口呈白亮色 断面呈灰色断面呈灰色 石墨呈团絮状石墨呈团絮状 石墨呈球状石墨呈球状 石墨呈蠕虫状石墨呈蠕虫状 6.1.1 6.1.1 铸铁的种类铸铁的种类表表6-1 6-1 灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途（灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途（GB/T9439GB/T943919881988） 表表6-2 6-2 球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织（球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织（GB/T1348GB/T134819881988）6.1.2 6.1.2 铸铁的凝固特点与石墨化铸铁的凝固特点与石墨化石石墨墨化化两两个个阶阶段段石墨化石墨化 第一阶段第一阶段 石墨化石墨化 第二阶段第二阶段 从过共晶铁液中直接析出的初生石墨从过共晶铁液中直接析出的初生石墨 共晶转变共晶转变过程中形成的过程中形成的共晶共晶石墨石墨 奥氏体冷却析出二次石墨奥氏体冷却析出二次石墨 以及一次渗碳体、以及一次渗碳体、共晶共晶渗碳体和二渗碳体和二次渗碳体在高温下分解析出的石墨次渗碳体在高温下分解析出的石墨 包括包括共析转变共析转变过程中形成的过程中形成的共析共析石墨；石墨；共析渗碳体分解析出的石墨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。态下多为铁素体加珠光体混合组织。 图图6-16-1 铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图图图6-26-2 合金元素对铸铁石墨化的影响合金元素对铸铁石墨化的影响 C C、SiSi 、AlAl、NiNi、CuCu等为促进石墨化的等为促进石墨化的元素，元素， 而而S S、V V、CrCr、MoMo、MnMn等为阻碍石墨化的等为阻碍石墨化的元素。元素。 图图6-36-3 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）对铸铁组织的影响化学成分和冷却速度是影响铸铁石墨化的主要因素化学成分和冷却速度是影响铸铁石墨化的主要因素, ,从从冷却速度对石墨化的影响来看，缓慢冷却有利于石墨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。厚及铸件尺寸等因素有关。 6.1.3 6.1.3 铸铁焊接方法铸铁焊接方法焊条电弧焊、气焊、焊条电弧焊、气焊、COCO2 2气体保护电弧焊、气体保护电弧焊、手工电渣焊、气体火手工电渣焊、气体火焰钎焊以及气体火焰焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等粉末喷焊等 球墨铸铁件之间球墨铸铁件之间、球墨球墨铸铁与各种钢件或有色铸铁与各种钢件或有色金属件之间，采用细丝金属件之间，采用细丝COCO2 2焊、摩擦焊、激光焊、焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、电阻对焊、电子束焊、电阻对焊、扩散焊等扩散焊等 铸铁焊接铸铁焊接方法方法图图6-46-4 铸铁电弧焊的焊缝金属分类铸铁电弧焊的焊缝金属分类6.2 6.2 铸铁焊接性分析铸铁焊接性分析6.2.1 6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织焊接接头白口及淬硬组织焊接焊接接头接头焊缝焊缝区区 热影热影 响区响区 原始组织原始组织 区区( (母材）母材）半熔半熔 化区化区 奥氏奥氏 体区体区 部分重部分重结晶区结晶区 碳化物石墨碳化物石墨 化与球化区化与球化区 焊缝将主要由共晶渗碳体、二次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。具有莱氏体组织的白口铸铁。 冷却时冷却时:A:A高温高温L(L(共晶共晶FeFe3 3C+AC+A) 继续冷却：共晶继续冷却：共晶FeFe3 3C+FeC+Fe3 3C+PC+P的白口铸铁；快冷时：的白口铸铁；快冷时：A M冷速较慢时：冷速较慢时：A PA P冷速较快时：冷速较快时：A MA M冷却时：冷却时：A PA P冷速较快时：冷速较快时：A M+FA M+F混合组织混合组织图图6-5 6-5 灰铸铁焊接接头各区域组织变化灰铸铁焊接接头各区域组织变化未完全混合区未完全混合区其物理化学冶金特性与焊缝并其物理化学冶金特性与焊缝并不相同，更接近于半熔化区。不相同，更接近于半熔化区。 未完全混合区未完全混合区半熔化区半熔化区熔合区熔合区6.2.2 6.2.2 焊接裂纹焊接裂纹 铸铁型同质焊缝较长或焊补部位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铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源为片状石墨的尖端位置石墨的尖端位置 当冶金或工艺因素控制不当，当冶金或工艺因素控制不当，铸铁焊缝出现白口时铸铁焊缝出现白口时 异质焊条焊接灰铸铁，连续焊长异质焊条焊接灰铸铁，连续焊长焊缝也会产生横向冷裂纹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，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。金属的塑性变形能力就不会开裂。冷裂纹冷裂纹产生的产生的原因原因冷裂纹冷裂纹的防止的防止措施措施既然灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要既然灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要原因是热应力，那么防止冷裂纹的原因是热应力，那么防止冷裂纹的措施也措施也应应从减小热应力入手。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措施是对焊补工件进行整体高温预热（600600700700） 在铸铁型焊缝中提高碳含量，并加入一定量在铸铁型焊缝中提高碳含量，并加入一定量的合金元素，如的合金元素，如MnMn（w wMnMn= =0.75%0.75%）、）、MoMo（wMn= =1.17%1.17%）、）、CuCu（w wCuCu= =1.85%1.85%）等）等 钢焊缝冷裂纹主要受母材高含碳量的影响。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，为了消除或减轻碳的有害作用，提高铸铁提高铸铁焊接时钢焊缝的抗冷裂纹能力，焊接时钢焊缝的抗冷裂纹能力，可以采取可以采取冶金措施。冶金措施。 白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影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响可以从冶金和工艺因素两方面入手加以解决。决。 热热裂裂纹纹大多数出大多数出现在焊缝现在焊缝上：为结上：为结晶裂纹晶裂纹用低碳钢用低碳钢焊条焊接焊条焊接 灰铸铁时灰铸铁时 用镍基焊用镍基焊接材料焊接接材料焊接 灰铸铁时灰铸铁时 形成形成FeSFeS与与FeFe的低的低熔点共晶物（熔点熔点共晶物（熔点为为988988），高的焊），高的焊缝含碳量会增加热裂缝含碳量会增加热裂纹敏感性，导致形成纹敏感性，导致形成焊缝底部热裂纹甚至焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹。宏观热裂纹。 容易形成容易形成Ni-Ni3S2Ni-Ni3S2（熔（熔点为点为644644）和）和Ni-Ni3PNi-Ni3P（熔点为（熔点为880880）低熔点）低熔点共晶，且镍基焊缝凝固共晶，且镍基焊缝凝固后为较粗大的单相奥氏后为较粗大的单相奥氏体柱状晶，凝固过程中体柱状晶，凝固过程中容易使低熔点共晶在容易使低熔点共晶在奥氏体晶间连续分布，奥氏体晶间连续分布，促进热裂纹形成促进热裂纹形成 。向焊缝加入适量稀土能使抗热裂纹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。焊缝的抗热裂纹性能下降。 6.2.3 6.2.3 球墨铸铁的焊接性特点球墨铸铁的焊接性特点焊接性特点焊接性特点球墨铸铁中的球墨铸铁中的球化剂有增大铁液球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍结晶过冷度、阻碍石墨化和促进奥氏石墨化和促进奥氏体转变为马氏体体转变为马氏体 的作用。的作用。 由于球墨铸铁由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以铁素体为好，特别是以铁素体为基体的球墨铸铁，塑性和基体的球墨铸铁，塑性和韧性很好，对焊接接头的韧性很好，对焊接接头的力学性能要求相应力学性能要求相应提高提高。 6.3 6.3 铸铁焊接工艺及材料铸铁焊接工艺及材料6.3.1 6.3.1 灰铸铁的焊接工艺特点灰铸铁的焊接工艺特点同质焊缝同质焊缝（铸铁型）（铸铁型） 电弧热焊电弧热焊 电弧热焊是铸铁焊接应用最早的一种工电弧热焊是铸铁焊接应用最早的一种工艺。将铸铁件预热到艺。将铸铁件预热到600600700700，然后，然后在塑性状态下进行焊接，焊接温度不低在塑性状态下进行焊接，焊接温度不低于于500500400400，为防止焊接过程中开，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。预热的铸铁焊补工艺称为电弧热焊。预热温度在温度在300300400400时称为半热焊。时称为半热焊。 铸铁电弧热焊工艺包括焊前准备、预热、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。焊接、焊后缓冷及加工等过程。 气焊气焊 电弧热焊及半热焊主要适用于壁厚大于电弧热焊及半热焊主要适用于壁厚大于 10mm10mm铸件上缺陷的焊补，薄壁件宜用气焊。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。件较大缺陷的焊接修复是比较合适的。 手工手工电渣焊电渣焊图图6-6-9 9 手工电渣焊示意图手工电渣焊示意图11电极电极 22石墨型石墨型 33铸造型砂铸造型砂44渣池渣池 55金属熔池金属熔池 66铸铁件铸铁件异质焊缝异质焊缝（非铸铁型）（非铸铁型）电弧冷焊电弧冷焊 铁基焊缝铁基焊缝 及焊接材料及焊接材料 镍基焊缝镍基焊缝 及焊接材料及焊接材料 纯镍铸铁焊条纯镍铸铁焊条 如如EZNi-1EZNi-1（Z308Z308） 镍铁铸铁焊条镍铁铸铁焊条 如如EZNiFe-1EZNiFe-1（Z408Z408） 铜基焊缝铜基焊缝 及焊接材料及焊接材料 异质焊缝电异质焊缝电 弧冷焊工艺弧冷焊工艺 镍铜铸铁焊条镍铜铸铁焊条 EZNiCu-1EZNiCu-1（Z508Z508） 短段断续分散焊，短段断续分散焊，较小电流熔深浅，较小电流熔深浅，每段锤击消应力，每段锤击消应力，退火焊道前段软退火焊道前段软 灰铸铁的灰铸铁的 钎焊与喷焊钎焊与喷焊 灰铸铁钎焊可以使用工业常用的铜锌灰铸铁钎焊可以使用工业常用的铜锌钎料钎料BCu62ZnNiMnSi-RBCu62ZnNiMnSi-R（HL104HL104），），其化学成分见表其化学成分见表6-6-6 6。 可以采用氧乙炔火焰粉末喷焊修复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。铸铁件在机械加工中出现的小缺陷。 表表6-6-6 6 铜锌钎料的化学成分铜锌钎料的化学成分 6.3.2 6.3.2 球墨铸铁的焊接工艺特点球墨铸铁的焊接工艺特点气焊气焊 由于气焊具有火焰温度低、焊接区加热及冷却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。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气焊球墨铸铁焊态下组织为珠光体+ +铁素体铁素体+ +球球状石墨，工艺合适时半熔化区无白口。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。气焊的缺点主要是焊接生产率较低。 同质焊缝同质焊缝 （球墨铸（球墨铸 铁型）电铁型）电 弧焊弧焊国内采用的球墨铸铁焊条型号为国内采用的球墨铸铁焊条型号为EZCQEZCQ，制造，制造方法有两种：一是采用铸铁焊芯外涂强石墨方法有两种：一是采用铸铁焊芯外涂强石墨化药皮（化药皮（Z258Z258），二是采用低碳钢焊芯外涂），二是采用低碳钢焊芯外涂强石墨化药皮（强石墨化药皮（Z238Z238），药皮中加入适量球），药皮中加入适量球化剂。球墨铸铁焊条在使用时，要求将母材化剂。球墨铸铁焊条在使用时，要求将母材预热到预热到500500以上，焊后保温缓冷。以上，焊后保温缓冷。球墨铸铁电弧焊的困难在于：球墨铸铁电弧焊的困难在于：1)1) 很难获得石墨稳定球化的焊缝；很难获得石墨稳定球化的焊缝；2)2) 2) 2) 已知的球化元素都增大白口倾向，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。在石墨球化的同时促进焊缝白口。 异质焊缝异质焊缝（非球墨（非球墨 铸铁型）铸铁型）电弧焊电弧焊球墨铸铁异质焊接材料主要采用镍铁铸铁焊条球墨铸铁异质焊接材料主要采用镍铁铸铁焊条（EZNiFeEZNiFe型），第一层焊缝金属镍的质量分数型），第一层焊缝金属镍的质量分数约为约为40%40%，膨胀系数较小，有利于降低焊接应，膨胀系数较小，有利于降低焊接应力防止裂纹。力防止裂纹。 工业发达国家发展了适用于自动焊接的药芯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焊丝和实芯焊丝。熔敷金属的主要成分为NiNi（w wNiNi=50%=50%），其余为），其余为FeFe。药芯焊丝直径多。药芯焊丝直径多为为2.4mm2.4mm，实芯焊丝常用直径为，实芯焊丝常用直径为0.80.81.2mm1.2mm。药芯焊丝可以用药芯焊丝可以用CO2CO2气体保护或自保护，焊接气体保护或自保护，焊接电流为电流为330330380A380A，熔敷效率较高，但半熔化，熔敷效率较高，但半熔化区白口较宽。实芯焊丝用氩气保护，常用电流区白口较宽。实芯焊丝用氩气保护，常用电流在在100A100A左右，焊接熔滴为短路过渡，焊接热影左右，焊接熔滴为短路过渡，焊接热影响区很窄，接头加工性良好。响区很窄，接头加工性良好。 6.3.3 6.3.3 其他铸铁的焊接特点其他铸铁的焊接特点 奥奥- -贝球贝球墨铸铁墨铸铁蠕墨铸蠕墨铸 铁焊接铁焊接 白口铸白口铸 铁焊接铁焊接 使用前面介绍的球墨铸铁同质焊条，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：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。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。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首先用与镍铁铸铁焊条相近的BT-1BT-1焊条焊条打底，焊缝为奥氏体球状石墨组织，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。工作层采塑性较好，与母材熔合良好。工作层采 用合金系为用合金系为C-Cr-Mo-Ni-W-VC-Cr-Mo-Ni-W-V的的BT-2BT-2焊条，焊条，焊缝组织为焊缝组织为M+BL+AM+BL+A残残+ +碳化物碳化物 1.1.工业上常用的铸铁有哪几种？简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述碳在每种铸铁中的存在形式和石墨形态有何不同墨形态有何不同, ,对力学性能各有对力学性能各有什么影响？什么影响？2.2.影响铸铁型焊缝组织的主要因素影响铸铁型焊缝组织的主要因素有那些？有那些？3.3.分析灰铸铁电弧焊焊接接头形成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、原因白口与淬硬组织的区域特点、原因及危害。及危害。4.4.分析灰铸铁同质焊缝产生冷分析灰铸铁同质焊缝产生冷裂纹（热应力裂纹）的原因及裂纹（热应力裂纹）的原因及防止措施。铸铁冷裂纹与钢的防止措施。铸铁冷裂纹与钢的焊接冷裂纹相同吗？焊接冷裂纹相同吗？5.5.说明用镍基铸铁焊条电弧冷说明用镍基铸铁焊条电弧冷焊铸铁时，焊缝易产生热裂纹焊铸铁时，焊缝易产生热裂纹的原因及防止措施？的原因及防止措施？6.6.分析比较三种镍基铸铁焊条分析比较三种镍基铸铁焊条的特点。的特点。7.7.球墨铸铁焊接性特点是什么？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焊接过程中应采用什么样的工艺措施？措施？8.8.简述采用铸铁同质焊条对焊接简述采用铸铁同质焊条对焊接工艺有何要求？工艺有何要求？9.9.说明铸铁异质焊缝焊条电弧冷说明铸铁异质焊缝焊条电弧冷焊工艺要点焊工艺要点“短段断续分散焊，短段断续分散焊，较小电流熔深浅，每段锤击消应较小电流熔深浅，每段锤击消应力，退火焊道前段软力，退火焊道前段软 ” ”的具体内的具体内容。容。10.10.某汽缸题侧壁（非加工面）某汽缸题侧壁（非加工面）在使用过程中出现在使用过程中出现6 6条裂纹，如条裂纹，如图图6-116-11所示，图中所示，图中3 3所标示的所标示的4 4条小裂纹比较密集。缸体材料条小裂纹比较密集。缸体材料为灰铸铁，壁厚为为灰铸铁，壁厚为12mm12mm，请拟，请拟定焊修方案（包括焊接材料选定焊修方案（包括焊接材料选择与焊接工艺制定）。择与焊接工艺制定）。