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1、1.绪 论工业中应用最早铸铁就是以片状石墨存在于金属基体中灰铸铁。因为其成本低廉，并含有铸造性、可加工性、耐磨性及减振性均优良特点。迄今是工业中应用最广泛一个铸铁。20世纪80年代初，铸铁材料发展进入了顶峰期，随即，世界铸铁产量便出现急剧递减，然而铸铁仍是当今金属材料中应用最为广泛基础材料。灰铸铁在结晶过程中，约有w（C）为80%碳以石墨形式析出，这就给灰铸铁带来两方面特点：首先，因为石墨强度较低（Rm20N/mm2），且以片状形态存在，割裂了基体连续性，所以灰铸铁强度不高，脆性较大。其次，因为石墨存在，灰铸铁含有良好减震性、耐磨性、切削加工性和缺口敏感性。因为共晶结晶过程中石墨化膨胀，还有降
2、低缩松、缩孔倾向。同时，灰铸铁还有较高抗压强度。灰铸铁传统化学成份中Si/C比较低（0.400.55）。合适提升Si/C比（0.650.85），是提升铸铁内在质量关键路径之一。提升Si/C比作用是：可使连续初析奥氏体枝晶增加，这就像混凝土中钢筋一样，对灰铸铁起到加固作用，可扩大稳定系和介稳定系温度差，增加过冷度T，从而细化石墨，有效地扩大集体组织利用率；还可降低灰铸铁白口倾向，减小断面敏感性，提升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。中国多种铸铁年产量现约为800万吨，有多种铸造缺点铸件约占铸铁年产量10%15%，即通常所说废品率为10%15%，若这些铸
3、件工报废,将是极大浪费。采取焊接方法修复这些有缺点铸铁件，因为焊接成本低，不仅可取得巨大经济效益，而且有利于立即完成生产任务。常见焊既接方法有气焊、钎焊、电弧焊等,其中手工电弧焊应用最多。不过铸铁件焊补极易产生白口和裂缝，其中产生白口关键原因是冷却速度过快和石墨元素不足;而产生裂缝原因关键是焊接应力。焊接是一个将材料永久性连接，并成为含有给定功效结构制造技术。几乎全部产品，从几十万吨巨轮到不足1克微电子元件，在生产制造中全部不一样程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业各个领域，直接影响到产品质量、可靠性和寿命和生产成本、效率和市场反应速度。多年来，焊接已由一个单一加工工艺发展成为有科学基础
4、有广泛应用范围和前景焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占相关键地位，是决定其产品使用安全关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构质量和安全确保在整体结构设计合理情况下，关键决定和焊接联结部位结构、材料匹配、工艺设计、优异焊接制造工艺及设备和正确无损检测技术，这些全部决定了焊接联结部位内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要焊接设备行业和焊接材料行业。这些行业是相互关联促进行业。焊接结构已经有日新月异发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部替换铸件或锻
5、件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展方向，可大大节省大型铸锻车间及其设备基础建设投资和生产过程能源消费，同时还可缩短生产周期;在多种建筑行业广泛采取钢质焊接结构替换钢筋混凝土结构，可达成大跨度、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，折除后材料可循环使用，所以符合现在绿色制造和资源循环利用建设节省型社会大时尚。现在中国微电子及IT行业中发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料应用，全部对焊接工艺、设备和材料提出了很多新要求，所以得到了对应发展。 2.灰铸铁铸铁是含碳量在2以上铁碳合金。工业用铸铁通常含碳量为24。碳在铸铁中多以石墨形态存在
6、，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13硅，和锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能关键元素。在铸铁焊接中，应用得最多是灰铸铁焊接，球墨铸铁次之，可锻铸铁最少。2.1.灰铸铁化学成份灰铸铁以片状石墨形态存在于珠光体、铁素体或二者按不一样百分比混合基体组织中。其断口呈灰色，且所以得名。石墨力学性能比较低，使金属基体承受负荷有效截面积降低，而且片状石墨使应力集中严重，所以使灰铸铁力学性能不高，灰铸铁石墨形式是以不一样数量、长短及粗细分布于基体中，所以对灰铸铁力学性能产生很大影响。灰铸铁分HT250和HT220，其密度分别为7.35
7、g/cm;和7.2g/m灰铸铁按其组织可看成是碳钢基体加片状石墨。按基体组织不一样灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁、铁素体珠光体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁（F基体灰铸铁、F+P基灰铸铁、P基体灰铸铁）。常见灰铸铁化学成份为C2.6%3.8%，Si1.2%3.0%，Mn0.4%1.2%，P0.4%，S0.15%。同一牌号灰铸铁，薄壁件（壁厚1960KPa，或需表面淬火3. 要求高气密性1. 关键机械零件，如齿轮、凸轮、衬套等2.机床导轨，冲床、剪床、压力机、车床和重型机床床身、机座、主轴箱、卡盘等3.大型发动机缸体、缸盖、缸套等4. 高压油缸、水缸、泵体、阀体等5. 圆周速度20-25ms 带
8、轮3.灰铸铁焊接性铸铁焊接中灰铸铁焊接最为常见。灰铸铁在化学成份上特点是碳高及S、P杂质高，这就增大了焊接接头对冷却速度改变敏感性及冷热裂纹敏感性。在力学性能上特点是强度低，基础无塑性。焊接过程含有冷速快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大特殊性。这些原因造成焊接性不良。关键问题两方面：首先是焊接接头易出现白口及淬硬组织。其次焊接接头易出现裂纹。3.1焊接接头白口组织灰铸铁焊接时，因为熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部热传导作用，使得焊缝及近缝区冷却速度远远大于铸件在砂型中冷却速度。所以，在焊接接头焊缝及半熔化区将会产生大量渗碳体，形成白口铸铁组织。焊接接头中产生白口组织区域关键是焊缝区、半熔
9、化区和奥氏体区。现在分别给予讨论。3.1.1焊缝区当焊缝成份和灰铸铁铸件（即同质焊缝）成份相同时，则在通常电弧焊情况下，因为焊缝冷却速度远远大于铸件在砂型中冷却速度，焊缝关键为共晶渗碳体+二次渗碳铁+珠光体，即焊缝基础为白口铸铁组织。焊缝为铸铁时我们通常采取合适工艺方法来减慢焊逢冷却速度（如：增大线能量）或调整焊缝化学成份来增强焊缝石墨化能力。若采取低碳钢焊条（即异质焊缝中）进行焊接，常见铸铁含碳为3%左右，就是采取较小焊接电流，母材在第一层焊缝中所占百分比也将为1314，其焊缝平均含碳量将为0.7%1.0%,属于高碳钢（C0.6%）。这种高碳钢焊缝在快冷却后将出现很多脆硬马氏体。采取异质金属
10、材料焊接时，必需要设法预防或减弱母材过渡到焊缝中碳产生高硬度组织有害作用。思绪是：改变C存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并含有一定塑性，比如使焊缝分别成为奥氏体，铁素体及有色金属是部分有效路径。3.1.2半熔化区半熔化区特点是该区被加热到液相线和共晶转变下限温度之间，温度范围11501250。该区处于液固状态，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。其在半熔化区对白口铸铁有影响有：冷却速度及化学成份对半熔化区白口铸铁影响冷却很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体，即共晶渗碳体加奥氏体。继续冷却则为碳所饱和奥氏体析出二次渗碳体。在共析转变温度区间，奥氏体转变为珠光体
11、。因为该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体马氏体过程，并产生少许残余奥氏体。当半熔化区液态金属以很慢冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。最终其室温组织由石墨+铁素体组织组成。当该区液态铸铁冷却速度介于以上两种冷却速度之间时，伴随冷却速度由快到慢，或为麻口铸铁，或为珠光体铸铁，或为珠光体加铁素体铸铁。影响半熔化区冷却速度原因有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等原因。铸铁焊接半熔化区化学成份对其白口组织形成一样有重大影响。该区化学成份不仅取决于铸铁本身化学成份，而且焊逢化学成份对该区也有重大影响。这是因为焊逢区和半熔化区紧密相连，且同时处于熔融高温状态，为该两区之间进行元
12、素扩散提供了很有利条件。某元素在两区之间向哪个方向扩散首先决定于该元素在两区之间含量梯度（含量改变）。元素总是从高含量区域向低含量区域扩散，其含量梯度越大，越有利于扩散进行。提升熔池金属中促进石墨化元素（C、Si、Ni等）含量对消除或减弱半熔化区白口形成是有利。用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区白口带往往较宽。这是因为半熔化区含C、Si量高于熔池，故半熔化区C、Si反而向熔池扩散，使半熔化区C、Si有所下降，增大了该区形成较宽白口倾向。3.1.3奥氏体区奥氏体区被加热到共晶转变下限温度和共析转变上限温度之间。该区温度范围约为8201150，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，加
13、热温度较高部分（靠近半熔化区），因为石墨片中碳较多地向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低部分，因为石墨片中碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随即冷却时，假如冷速较快，会从奥氏体中析出部分二次渗碳体，其析出量多少和奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却愈加快时，会产生马氏体，和残余奥氏体。该区硬度比母材有一定提升。熔焊时，采取合适工艺使该区缓冷，可使奥氏体直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时预防马氏体形成。3.2 焊接接头裂纹灰铸铁属脆性金属，抗裂性能差，在焊接应力作用焊接接头很轻易开裂。灰铸铁在焊补时，接头所产生裂纹多为低温裂纹，属冷裂
14、纹范围；而在一些焊接条件下也能产生热裂纹，下面分别给予分析。可发生在焊缝或热影响区上，其分为焊缝处冷裂纹、发生在HAZ冷裂纹。3.2.1冷裂纹 焊缝处冷裂纹通常产生部位铸铁型焊缝当采取异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、铁素体，铜基焊缝时，因为焊缝金属含有很好塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。启裂温度通常在400以下。原因有两方面，首先是铸铁在400以上时有一定塑性；其次焊缝所承受拉应力是随其温度下降而增大。在400以上时焊缝所承受拉应力较小。因为焊接过程中因为工件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中会产生很大拉应力，这种拉应力随焊缝温度下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时，石墨呈片状存在。当片状石墨方向和
15、外加应力方向基础垂直，且两个片状石墨尖端又靠得很近，在外加应力增加时，石墨尖端形成较大应力集中。铸铁强度低，400以下基础无塑性。当应力超出此时铸铁强度极限时，即发生焊缝裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时，因为白口铸铁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。其影响原因关键和焊缝基体组织、石墨形状或焊补处刚度、体积大小及其长短相关。焊缝中渗碳体越多，焊缝中出现裂纹数量越多。当焊缝基体全为珠光体和铁素体组成，而石墨化过程又进行得较充足时，因为石墨化过程伴随有体积膨胀过程，能够松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝抗裂性。粗而长片状石墨轻易引发应力集中，会减小抗裂性。石墨以细片状存在
16、时，可改善抗裂性。石墨以团絮状存在时，焊缝含有很好抗裂性能。焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长全部将增大应力状态，促进裂纹产生。而预防冷裂纹产生方法有两条，一是对焊件进行整体预热（550700）能降低焊接应力。二是向铸铁型焊缝加入一定量合金元素（Mn、Ni、Cu等）使焊缝金属先发生一定量贝氏体相变，接着又发生一定量马氏体相变，则利用这二次连续相变产生焊缝应力松弛效应，可较有效地预防焊缝出现冷裂纹。在其同时还要预防焊缝二次相变产生焊缝应力松弛。金属及合金在相变过程中塑性增加，这种特征称相变塑性。贝氏体和马氏体比容较奥氏体、珠光体及铁素体全部大，相变过程中体积膨胀也有利于松弛焊缝应力。还有就是加入
17、既能改变石墨形态又能促进石墨化元素。比如：Ca电弧冷焊时，发觉焊缝含一定量Ca时，既能促进焊缝石墨化，又能改变焊缝石墨状态。焊缝中Ca为0.0027%时焊缝中C=3.89%、Si=2.85%，焊缝部分球化，另有部分蠕虫状石墨及少许片状石墨，焊缝中无白口铸铁组织。在焊条中加入一定量Ca能改善抗冷裂性能。3.2.2发生在HAZ冷裂纹关键发生在含有较多渗碳体及马氏体HAZ，也可能发生在离熔合线稍远HAZ。其原因有三方面：一在电弧冷焊情况下，在半熔化区及奥氏体区产生铁素体及马氏体等脆硬组织（白口铸铁抗拉强度为107.8166.8Mpa，马氏体铸铁抗拉强度也不超出147Mpa）。当焊接拉应力超出某区强度
18、时，就会在该区发生裂纹：二在半熔化区上白口铸铁收缩率（1.6%2.3%）比其对应奥氏体收缩率（0.9%1.3%）大得多。在该二区间产生一定切应力：三是在焊接薄壁铸铁件（510mm）导热程度比厚壁铸件差多，加剧了焊接接头拉应力。使冷裂纹可能发生在离熔合线稍远HAZ上。发生HAZ冷裂纹预防方法关键有以下三条：采取工艺方法来减弱焊接接头应力及预防焊接接头出现渗碳体及马氏体。如采取预热焊。采取屈服点较低而且有良好塑性焊接材料焊接，经过焊缝塑性变形松弛焊接接头部分应力。在修复厚大件裂纹缺点时，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。为预防HAZ冷裂发展成剥离性裂纹。3.2.3热裂纹
19、通常采取低碳钢焊条和镍基铸铁焊条冷焊时，焊缝较易出现属于热裂纹结晶裂纹。铸铁型焊缝对热裂不敏感，高温时石墨析出过程中有体积增加，有利于减低应力。产生原因是当用低碳钢焊条焊铸铁时，即使采取小电流，第一层焊缝中熔合比也在1314，焊缝平均含碳量可达0.71.0%，铸铁含S、P量高，焊缝平均含S、P也较高，焊接表层含C及S、P较低，越靠近熔合线，焊缝含C及S、P越高。C和S、P是促进碳钢发生结晶裂纹有害元素，故用低碳钢焊条焊接铸铁时，第一层焊缝轻易发生热裂纹。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，因为铸铁中含有较多S、P，焊缝易生成低熔点共晶，如Ni-Ni3S
20、2,644,Ni-Ni3P,880,故焊缝对热裂纹有较大敏感性。处理方法关键从两方面着手:一冶金方面：调整焊缝化学成份，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，以提升抗热裂性能。二采取正确冷焊工艺，使焊接应力减低，和使母材是有害杂质较少熔入焊缝。4.灰铸铁手工电弧焊焊接性分析因为灰铸铁焊接性可知，灰铸铁在焊接中关键是轻易产生白口组织和出现裂纹，故应从预防上述缺点入手，从多方面考虑来选择和制订合理焊接方法及工艺。4.1 同质焊缝（铸铁型）熔焊工艺和焊接材料同质焊缝就是铸铁型焊缝。它焊条电弧焊工艺可分为热焊（包含半热焊）和冷焊（又称不予热焊）两种。4.1.1 电弧热焊和半
21、热焊铸铁焊接时，白口组织和冷裂纹产生，关键因为熔池体积小而使冷却速度过大造成。针对这一问题，大家在铸铁焊接时就最先应用了热焊工艺，以达成减小铸件温差，降低冷却速度目标。将工件整体或有缺点局部位置预热到600700（暗红色），称为热焊，预热温度300400称为半热焊对结构复杂而焊补处拘束度又大工件，宜采取整体预热。若对这种件采取局部预热焊接，可能会增大应力，有时会在焊补处再出现裂纹，甚至会在离焊补处有一定距离位置上又出现新裂纹。对于结构简单而焊补处拘束度又小工件可采取局部预热。灰铸铁工件预热到600-700，不仅有效地降低了焊接接头上温差，而且铸铁有常温完全无塑性改变位有一定塑性，其伸长率达2%
22、-3%,再加以焊后缓慢冷却，故焊接接头应力状态大为改善。另外因为600-700预热及焊后缓冷，可使石墨化过程进行充足，焊接接头可完全预防白口铸铁，缓冷又可预防淬硬组织产生，从而有效预防裂纹产生，并改善了其加工性。在适宜成份焊条配合下，焊接接头硬度和母材很相近，有优良加工性，有和母材基础相同力学性能，颜色和母材一致。焊后焊接接头残余应力很小，故热焊焊接质量是很满意。其缺点是能源消耗大，劳动条件差，生产率低。预热温度在300-400时，大家称之为“半热焊”。300-400可有效预防热影响区产生马氏体，改善焊接接头加工性。因为预热温度低，焊接接头各部分温差较大，焊接接头已形成较大拉伸应力，对结构复杂
23、，且焊补处拘束度大工件来说，焊后发生冷裂纹可能性增大。铸铁热焊时虽采取了预热缓冷方法，但焊缝冷速通常大于铸铁铁液在砂型中冷速，故为了确保焊缝石墨化，不产生白口组织且硬度适宜，焊缝C+Si总量还应大于母材。热焊时采取大直径铸铁芯焊条（6mm）配合采取大电流可加紧焊补速度，缩短焊工从事热焊时间。焊前应清除铸件缺点内砂子及夹渣，并用风铲开坡口，坡口要有一定角度，上口稍大，底面应圆滑过渡。对边角较大缺点焊补常需要在缺点周围造型，其目标是预防焊接熔池铁液流出及确保焊补区焊缝成形。热焊法系同质铸铁焊接工艺。焊前对铸件缺点稍加修整, 再将铸件置于炉中垫平, 整体缓慢加热至600 650 (此时铸件产生足够大
24、塑性, 因为要照料到硬度要求, 预热温度不得超出700) , 保温一定时间,铸件出炉后立即施焊, 须保持铸件在400以上焊接,填充材料为同质铸铁材料。常规焊接操作, 不锤击焊道, 焊后立即修整焊缝并须保温缓冷(重新回炉或表面加煤粉等)。该工艺本质上是在铸件缺点处用焊接热造一汪铁水“重新铸造”。为补充有益元素烧损和促进石墨化, 要在填充材料中加入较母材内多量合金(如碳、硅、锰及稀土等)。这种工艺较易操作, 焊接质量轻易确保是其突出优点。其缺点是劳动条件差, 焊修周期长, 设备投资大。较适合于大批量中小件铸铁焊接。热焊用铸铁焊条经典有“铸248”和“铸238”, 是较早用于生产中两种焊条。铸248
25、 是在母材成份基础上添加大剂量石墨化元素(如碳硅) , 多用于灰口铸铁焊接。铸238 焊条是在铸248 焊条基础上再添加大剂量球化剂(如镁等元素) , 适合于球墨铸铁件焊接。气焊用焊丝经典产品为“丝401”和“丝402”。二者仅因石墨化元素多少分别用于灰口铸铁热气焊和冷气焊。以上焊接材料不停改善常借鉴铸铁熔炼原理, 关键是调整焊接材料化学成份, 改变焊缝石墨片形态、数量及基体类型, 不停推出实用新型焊接材料, 如电焊条铸238F、气焊用钇基重稀土焊丝等。为确保“重新铸造”顺利进行, 热焊铸铁在工艺上要求采取大功率焊接(如采取大电流、慢焊速, 连续焊) 。4.1.2 电弧冷焊电弧冷焊是指焊前对被
26、焊铸铁件不预热电弧焊，所以电弧冷焊可节省能源消耗，改善劳动条件，降低焊补成本，缩短焊补周期，成为发展关键方向。但正如前面所分析过那样，但焊缝为铸铁型时，冷焊焊接接头易产生白口铸铁及淬硬组织，还易发冷裂纹。在冷焊条件下，首先要处理问题是预防焊接接头出现白口铸铁。处理路径可从两方面着手：一是深入提升焊缝石墨化元素含量，并加强孕育处理；二是提升焊接热输入量，如采取大直径焊条、大电流连续焊工艺，以缓慢焊接接头冷速。这种工艺有利于消除或降低热影响区出现马氏体组织。焊缝石墨化元素含量能够经过药芯焊丝或焊条药皮成份改变在较大范围内调整，在提升焊接热输入配合下，使焊缝较轻易避免白口铸铁出现。而半熔化区原为母材
27、成份，含碳、硅量全部不高，而该区一侧紧靠冷金属工件，冷速最快，故半熔化区形成白口铸铁敏感性比焊缝更大。碳、硅全部是强石墨化元素，研究工作表明，在冷焊条件下，焊缝含碳4.0%-5.5%、含硅3.5%-4.5%较理想。能够看出，冷焊时焊缝（C+Si）比热焊及半热焊时显著提升了，达成7.5%-10%。过去通常全部趋向于提升焊缝中含硅量，使其达成4.5%-7%，而把碳含量在3%左右。对于合适提升焊缝含碳量及合适保持焊缝含硅量较为理想。这是因为提升焊缝含碳量对减弱和消除半熔化区白口铸铁作用比提升硅有效，因为在液态时碳扩散能力比硅强十倍左右。提升焊缝含碳量及延长半熔化区存在时间，经过扩散可大大提升半熔化区
28、含碳量，对减弱或消除半熔化区白口铸铁形成很有利。在碳、硅总量一定时，提升焊缝含碳量比提升焊缝含硅量更能降低焊缝收缩量，从而对降低焊缝裂纹敏感性有好处。焊缝含硅量大于5%左右以后，因为硅对铁素体固溶强化结果，反而使焊缝硬度升高，而对碳来说不存在这个问题。在电弧冷焊时，仅靠调整焊缝碳和硅含量，来提升焊缝石墨化能力，往往还不足以预防焊缝因快冷而产生白口铸铁。还必需对焊缝进行孕育处理，以加强其石墨化过程，使焊接熔池中生成适量Ca、Ba、Al、Ti等高熔点硫化物或氧化物，它们能为异质石墨晶核，从而促进更多石墨生长，有利于减弱甚至消除焊缝白口倾向。为减慢电弧冷焊时焊缝冷速，以预防焊接接头产生白口铸铁组织，
29、必需采取大电流、连续焊工艺。焊条直径越粗，越有利于采取大电流。这种工艺有利于增大总焊接热输入，以减慢焊缝及其热影响区冷速。除焊接工艺外，板厚及所焊补缺点体积全部是影响焊接接头冷速关键原因。被焊补铸件越厚，液体焊缝及焊接热影响区冷速越快，焊接接头形成白口铸铁及马氏体倾向越高。缩孔是铸铁件制造中常见缺点。对这种缩孔焊补，即使采取大电流连续焊工艺，若缩孔体积很小，则总焊接热输入不足，焊缝及热影响区冷速很快，焊缝及半熔化区产生白口铸铁，热影响区易出现马氏体。伴随缩孔体积增大，总焊接热输入量增多，焊缝及热影响区冷速减慢，可使焊缝及热影响区完全消除白口铸铁及马氏体。铸铁焊接热影响区是否产生马氏体，关键决定
30、于该区加热温度最高区域，在800-500冷却时10/s，可预防珠光体灰铸铁焊接热影响区产生马氏体。应该指出是，该值将随灰铸铁化学成份及基体组织改变而有些改变。过去焊接灰铸铁时，习惯于仍使焊缝成为片状石墨灰铸铁，但片状石墨尖端会形成严重应力集中，使焊缝强度较低，且基础无塑性变形能力，故在焊接拉伸应力作用下，焊缝易出现冷裂纹。这种使焊缝成为灰铸铁焊条，在电弧冷焊情况下，只适适用于缺点处于拘束度较小情况下焊补。若焊补处于拘束度较大缺点，则焊缝易出现冷裂纹。4.1.3 影响灰铸铁焊缝组织原因1.焊缝冷却速度当焊缝冷却速度很快且石墨化能力不足时，液态铸铁焊缝按介稳定系恭敬转变后组织为共晶渗碳体+奥氏体，
31、继续冷却后，从奥氏体析出二次渗碳体，在共析转变后，余下奥氏体转变为渗碳体故快冷后最终形成组织为共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体，这就是通常所说白口铸铁。这种白口铸铁不仅硬度高，难以进行机械加工，且收缩率大又性脆，在焊接拉应力作用下，很轻易形成冷裂纹，故必需预防焊缝形成白口铸铁。当焊缝冷却速度很慢时，则液态焊缝按稳定系共晶转变后组装为共晶石墨+奥氏体。随即慢冷过程中从奥氏体析出二次石墨，在共析转变时析出共析石墨+铁素体，故其最终组织为石墨+铁素体。当焊缝冷速介于以上两种冷速之间时，其组织可分别为麻口铸铁，珠光体铸铁或珠光体+铁素体铸铁。麻口铸铁是一个白口铸铁到灰铸铁过渡组织，现有共晶渗碳体，又有石
32、墨，这是因为液态焊缝共晶石墨化过程进行不充足所致。当焊缝冷却速度减慢到足以使焊缝共晶转变完全按稳定系进行，则共晶石墨化过程得以充足进行，可消除共晶渗碳体。其随即工析转变时冷速，若不能使共析石墨化过程充足进行，得到珠光体+铁素体灰铸铁焊缝。若共析石墨化过程被抑制，则得到珠光体灰铸铁焊缝。2.焊缝化学成份通常促进液态铸铁共晶转变石墨化元素，均使铸铁稳定系共晶温度和介稳定系共晶温度温差扩大；而使这二者温差缩小元素，则是促进共晶转变白口化。Fe-C相图上稳定系共晶温度只比介稳定系共晶温度高6度，这么小两种共晶温度差，很轻易使铸铁铁液按介稳定系共晶转变进行而形成白口铸铁。3 焊缝孕育处理在焊条药皮或药芯
33、焊丝焊芯中加入少许含有强烈脱硫或脱氧作用元素（Ca，Ba，Al等）经过焊接冶金反应，使焊接熔池铸铁铁液中形成较多而细小高熔点氧化物或硫化物，它们可作为铸铁铁液异质石墨晶核，促进焊缝石墨化过程，这就是通常所说孕育处理。异质焊缝又称为非铸铁焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常见方法。因铸件在焊接中不需要预热，使焊接工艺过程大大简化，不仅降低了焊接成本，而且是焊接操作者工作条件得到改善。非铸铁型焊缝或异质焊缝，按其焊缝金属性质可分为钢基、铜基及镍基。灰铸铁含碳及有害杂质S、P高，在和母材接触第一、二层异质焊缝金属中，肯定会有铸铁母材过分进去一定C、S、P，从而易使焊缝产生热裂纹、冷裂纹及淬硬组织。另外，经
34、过扩散过程，焊缝金属成份对木材办融化渠道白口带宽度有很大影响，进而影响焊接接头可加工性。因为灰铸铁强度低塑性差，异质焊缝金属收缩率、膨胀系数、抗拉强度、屈服强度及塑性高低，对裂纹发生全部相关键影响。下面分别介绍钢基、铜基、镍基三种焊缝灰铸铁电弧冷汗焊接材料。4.2 异质（非铸铁型）焊缝电弧焊焊接材料和工艺4.2.1 异质焊缝电弧焊焊接材料1 钢基焊缝中电弧焊焊接材料 利用一般低碳钢焊条焊接铸铁时，寒风出现热裂纹、冷裂纹及淬硬组织，办熔化区白口宽度较大，基于这种情况，一般低碳钢焊条虽廉价易得，但用于焊接铸铁时，其焊接质量是难能令人满意。大家又是用于焊补质量要求不高场所。另外在焊补厚大件裂纹时，先
35、在坡口两侧用镍基铸铁焊条（焊接接头需加工）或高钒铸铁焊条（焊接接头不加工）预堆二层，然后用较廉价低碳钢焊条分层焊接，在工业上有一定应用，但应注意预防剥离性裂纹发生。 EZFe-1纯铁焊条。该型号焊条（市售牌号Z100）是纯铁芯w(C)0.04%氧化性药皮铸铁焊条，药皮中含有较多赤铁矿、大理石等强氧化性物质。其目标是经过碳氧化反应来降低焊缝中含碳量。但焊接冶金反应关键是在熔滴过渡过程中进行，在焊接熔池中反应较弱。而碳关键来自铸铁母材，纯铁芯含碳量甚低。且在熔池中进行碳氧化反应是放热反应，易使熔深有所增加。故采取此种焊条焊接铸铁时，第一层焊缝含碳量虽有所降低，在小热输入焊接时w（C）平均为0.7%
36、左右，焊缝仍属于高碳钢，第一层焊缝硬度可达4050HRC。半熔化白口较宽，通常为0.2mm，故焊接接头无法加工。焊缝仍以发生热裂纹及冷裂纹。该焊条多层焊时脱渣困难。这种焊条在修复常常在高温工作灰铸铁钢锭模出现缺点上有所应用，有时也用于不要求加工、致密性及受力较低缺点部位焊补。 EZFe-2碳钢焊条。该型号焊条（市售牌号Z122Fe）是低碳钢芯铁粉型焊条，药皮为低氢型。药皮中加入了一定低碳铁粉。加入铁粉目标，仍然是为了降低焊缝含碳量。经过药皮加入一定低碳铁粉，不仅可使第一层寒风中焊条融入量相对增加，有利于降低焊缝平均含碳量，而且使电弧热更多地用于熔化焊条，用于熔化铸铁母材热量相对有所降低，加之焊
37、条药皮含一定铁粉量后，药皮也能导电，并和工件间产生电弧，使电弧热比较分散，这二点均为降低母材熔深有一定作用。利用此种焊条焊接灰铸铁，在采取小焊接热输入情况下，可使单层焊缝w（C）=0.46%0.56%，属于中碳钢上限范围。焊缝硬度仍高，母材半熔化区白口层较宽，难于加工。故该种焊条只能用于铸铁件非加工面焊补。虽焊缝含碳量有所降低，但消除裂纹仍然是困难。 EZV型高钒焊条。该型号焊条（市售牌号有Z116、Z117）是低碳钢芯、低氢型药皮高钒铸铁焊条。焊条熔敷金属中含w（V）为11%左右，加入钒目标仍然是为了消除焊缝中碳有害作用。钒是强烈碳化物形成元素，和碳结合后生成碳化物。当VC百分比适宜时，焊缝
38、中碳几乎完全和钒结合而生成弥散状分布碳化钒，焊缝基体组织则为铁素体。这种焊条最大优点是焊缝含有优越抗热裂纹及冷裂纹性能。单层焊缝硬度低（230HBS），焊缝金属含有很高塑性性能，其伸缩率可达28%36%，其焊缝抗拉强度可达558MPa左右。其焊缝屈服强度也高，可达343MPa，比灰铸铁焊接强度高很多。当焊补面积较大时，往往在焊缝和母材交界处出现裂纹。因为钒是强烈碳化物形成元素，故钒从焊缝一侧而碳从焊缝一侧各自向熔合线扩散过来，形成了关键由碳化钒颗粒组成一条很窄带，该带硬度较高，加之利用该种焊条焊接灰铸铁时，半熔化区白口带仍较宽，故焊接接头加工性不及镍基焊条。多层焊时，接头加工性有一定改善，这种
39、焊条仍关键用于铸铁非加工面焊补。Z117需用直流焊接电源，Z116可用交、直流焊接电源，用交流时，空载电压要高部分。2 铜基焊缝电弧焊焊条铜和碳不形成碳化物，也不溶解碳，相互之间不形成高硬度组织，铜Ts及屈服极限低，且塑性尤其好，在灰铸铁焊接时铜基焊缝对预防焊缝发生冷裂纹及防治焊接接头发生剥离性裂纹会起着有利作用。铁在铜中溶解度情况以下：1083（铜熔点）时为4%，650为0.2%，室温时溶解度更低，故室温时，铜和铁形成机械混合物。用纯铜电焊条焊接灰铸铁结果并不理想，关键存在下列两个问题。一是焊接头抗拉强度低，通常只达成7898MPa，相当于灰铸铁二分之一；二是纯铜焊缝为单相组织，形成粗大柱晶
40、，焊缝对热裂纹较敏感，在铜基焊缝中含有一定量铁有利于上述二个问题处理。比如当铜基焊缝中铜铁比为80：20时，灰铸铁焊接接头抗拉强度可达147196 MPa，基础和母材靠近。纯铜焊缝抗热裂纹性能差，发生热裂纹临界变形速度为10mmmin，而当焊缝金属铜铁比为80：20时，发生热烈纹临界变形速度可提升到745 mmmin。但若深入增大焊缝铁含量，焊缝塑性下降，易发生冷裂纹。基于上述原因，中国现在生产铜铁铸铁焊条铜铁比通常均为80：20。铜基焊缝加入一定量铁能提升焊缝抗热裂纹性能原因是因为铜熔点低（1083），而铁熔点高（1530），故熔池结晶时先析出铁相，这么当温度下降铜开始结晶时，焊缝为双相组织
41、，故有利于提升其抗热裂纹性能。铜基焊缝中机械混合着一定量高硬度富铁相，增大了焊缝变形抗力，故抗拉强度有所上升，中国现在生产铜铁铸铁焊条有下列三种。虽国家标准GBT 10044新标准未将它们列入，但生产上一直在应用，应给予介绍，故只能用市售牌号给予介绍。 Z607焊条。Z607是以纯铜为焊芯，药皮为低氢型，药皮中含有较多低碳铁粉，所以有时简称铜芯铁粉焊条。熔敷金属中铜铁比通常为80：20。该焊条含有较高抗热裂纹及抗冷裂纹性能。因为铜基焊缝Ts低于灰铸铁Ts，故焊补较大缺点时也不易在焊接接头融合区出现剥离性裂纹。因为在常温下铁在铜中溶解度极小，故焊缝中铜和铁是以机械混合物存在。在第一层焊缝中，即使采取小电流，铸铁