灰铸铁焊接性分析一、灰铸铁焊接性分析灰铸铁在化学成分上的特点是碳高及S、P杂质高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性及冷热裂纹的敏感性。

在力学性能上的特点是强度低，基本无塑性。

焊接过程具有冷速快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的特殊性。

这些因素导致焊接性不良。

主要问题两方面：一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织。

另一方面焊接接头易出现裂纹。

(一)焊接接头易出现白口及淬硬组织见P103，以含碳为3%，含硅2.5%的常用灰铸铁为例，分析电弧焊焊后在焊接接头上组织变化的规律。

1.焊缝区当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，则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。

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。

如：增大线能量。

②调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。

异质焊缝：若采用低碳钢焊条进行焊接，常用铸铁含碳为3%左右，就是采用较小焊接电流，母材在第一层焊缝中所占百分比也将为1／3～1／4，其焊缝平均含碳量将为0.7%～1.0%,属于高碳钢（C＞0.6%）。

这种高碳钢焊缝在快冷却后将出现很多脆硬的马氏体。

采用异质金属材料焊接时，必须要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。

思路是：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。

2.半熔化区特点：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℃。

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。

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，即共晶渗碳体加奥氏体。

继续冷却则为C所饱和的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。

由于该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体→马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。

该区金相组织见P104 图4-5其左侧为亚共晶白口铸铁，其中白色条状物为渗碳体，黑色点、条状物及较大的黑色物为奥氏体转变后形成的珠光体。

右侧为奥氏体快冷转变成的竹叶状高碳马氏体，白色为残余奥氏体。

还可看到一些未熔化的片状石墨。

当半熔化区的液态金属以很慢的冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。

最后其室温组织由石墨+铁素体组织组成。

当该区液态铸铁的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。

影响半熔化区冷却速度的因素有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等因素。

例：电渣焊时，渣池对灰铸铁焊接热影响区先进行预热，而且电渣焊熔池体积大，焊接速度较慢，使焊接热影响区冷却缓慢，为防止半熔化区出现白口铸铁焊件预热到650～700℃再进行焊接的过程称热焊。

这种热焊工艺使焊接熔池与HAZ很缓慢地冷却，从而为防止焊接接头白口铸铁及高碳马氏体的产生提供了很好的条件。

研究灰铸铁试板焊件、热输入相同时，随板厚的增加，半熔化区冷却速度加快。

白口淬硬倾向增大。

2）化学成分对半熔化区白口铸铁的影响铸铁焊接半熔化区的化学成分对其白口组织的形成同样有重大影响。

该区的化学成分不仅取决于铸铁本身的化学成分，而且焊逢的化学成分对该区也有重大影响。

这是因为焊逢区与半熔化区紧密相连，且同时处于熔融的高温状态，为该两区之间进行元素扩散提供了非常有利的条件。

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的含量梯度（含量变化）。

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，越有利于扩散的进行。

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半熔化区白口的形成是有利的。

用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区的白口带往往较宽。

这是因为半熔化区含C、Si量高于熔池，故半熔化区的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的倾向。

3.奥氏体区该区被加热到共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间。

该区温度范围约为820～1150℃，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奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与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。

冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。

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直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体形成。

4.重结晶区很窄，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奥氏体。

在随后冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类组织。

冷却很快时也可能出现一些马氏体。

（二）裂纹是易出现的缺陷1. 冷裂纹可发生在烛焊缝或热影响区上，1）焊缝处冷裂纹产生部位：铸铁型焊缝当采用异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、铁素体，铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。

启裂温度：一般在400℃以下。

原因：一方面是铸铁在400℃以上时有一定塑性；另一方面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。

在400℃以上时焊缝所承受的拉应力较小。

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。

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，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与铁素体组成，而石墨化过程又进行得较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀过程，可以松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝的抗裂性。

②与焊缝石墨形状有关粗而长的片状石墨容易引起应力集中，会减小抗裂性。

石墨以细片状存在时，可改善抗裂性。

石墨以团絮状存在时，焊缝具有较好的抗裂性能。

③与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长都将增大应力状态，促使裂纹产生。

气体保护焊进行补焊时，具有一定的特点：当熔滴灰铸铁采用细丝CO2进行短路过渡时，焊丝熔化较快，形成堆积状态的焊缝，因此铸铁基体金属在焊缝中熔入量比较小，同时，CO气体在高温时具有一定的氧化性，能将熔池中的2碳部分烧损，使焊缝中间能得到低碳钢组织，靠近母材金属处得到中碳钢或高碳气体具有一定的冷却作用，热钢组织，因而能有效地避免产生白口。

此外，CO2输入量小，焊缝的热影响区很窄，焊件焊后的应力和变形都比较小。

补焊工艺：1、选用焊丝牌号H08Mn2Si，φ0.6~φ1.0mm。

气体压力2、焊接参数：焊接电流60~90A，电弧电压18~20V，CO2气体流量8~10L/min，焊丝伸出长度8~10mm。

0.2~0.3MPa，CO23、操作：焊接速度要略快一些，窄焊道不摆动焊丝，每一层焊缝厚度不超过3mm，焊缝截面不超过30mm2。

焊后，熔合区的最高硬度为300HBS，可以进行机械加工。

用手工电渣焊补焊灰铸铁的实质是，利用石墨电极在缺陷处产生电渣过程，然后将铁屑加入渣池中，依靠渣池热量将母材金属和铁屑熔化而焊合在一起。

这种补焊方法的特点是由于电渣热源温度较低，所以加热和冷却都比较缓慢，因而能有效地避免白口，能获得加工性好、与母材金属性能相同、颜色一致的补焊区域。

并且可利用多电极，补焊大缺陷。

1、设备和材料（1）电极：采用φ30~φ40mm、长400~500mm的石墨棒，根据缺陷大小选用1~3根。

（2）电源：用1根电极时可采用单相变压器；用2~3根电极时采用三相电渣焊变压器。

（3）焊剂：采用HJ230或HJ130。

（4）填充金属：采用铸铁屑，并经300~400℃加热除油。

（5）造型材料：石墨板和型砂。

2、补焊工艺（1）焊前准备：清理缺陷四周污物，并在缺陷处造型。

（2）焊接参数：焊接电流1000~1500A，渣池深度40~50mm，预热时间15~30min。

（3）操作：在型腔内放入厚为5~10mm的焊剂，用石墨电极造成电渣过程，当渣池深度达到预定值时，开始不断地均匀加入铁屑，进行焊接。

补焊结束时在凝固的渣面上盖上干砂，缓冷10~15h后拆型。

手工电渣补焊灰铸铁的缺点是焊前需预热，不然底部将会造成未熔合，所以劳动条件较差。

焊缝金属体积大，因而焊接应力大，焊后易产生冷裂纹。

用氧乙炔焰补焊灰铸铁具有一系列优点：由于气体火焰的温度比电弧低，热量不集中，加热速度缓慢，焊前可直接利用气体火焰对铸件进行预热，焊后可利用气体火焰对铸件的补焊区继续加热，使其缓慢冷却，因而对防止白口、裂纹、淬硬组织十分有利，所以气焊目前仍是补焊灰铸铁的重要方法之一。

1、焊丝及熔剂气焊灰铸铁用焊丝型号为RZC-1、RZC-2。

气焊熔剂（气焊粉）的作用是去除熔池表面的高熔点SiO2（熔点1713℃），牌号为CJ201，主要成分是脱水硼砂和苏打。

2、焊炬及焊嘴宜选用功率较大的大、中号焊炬。

件件壁厚20mm以下者，宜选用φ2mm孔径的焊嘴；壁厚20mm以上者，可选用φ3mm孔径的焊嘴。

3、补焊工艺要点（1）用中性焰进行补焊：先将母材金属加热至熔化温度，将焊丝煨热蘸上熔剂送入熔池。

（2）火焰的焰芯距熔池表面10mm左右，补焊过程中，应使火焰始终盖住熔池，以加强保护。

（3）焊接开始时，可用焊丝刮去缺陷挖出坡口，焊接过程中将焊丝端头插入熔池底部，进行摩擦、搅动，使气体能从熔池中充分逸出，防止产生气孔。

（4）焊后应使焊缝高出母材金属表面2~3mm，与母材金属保持平滑过渡，然后继续用气体火焰加热补焊区，使接头缓慢冷却。