第四章 铸铁焊接.doc

第四章 铸铁焊接前言1、优点： 成本，铸造性能、震性能、耐磨性、切削加工性，设备简单，废品率较高，机械性能一般，无磁性。 C-Fe 、Mn、Si、S、P合金元素 2. 铸铁应用（机制业中应用广泛）50年代QT应用，更广泛 1）铸造焊接的应用 一般铸件废品率，修复可降低成本、完成任务 2）已损坏（使用过程中）的铸铁成品件的焊补（出裂纹使产品报废）节约资金。 3）零件的生产（QT件） 铸件+钢件（或其它金属件）（异质焊接）§4-1 铸铁的种类及性能简介（Wc>2%的铁碳合金铸铁）一、 分类 按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同： 白口（灰口、可锻、球墨、蠕墨）铸铁 1、白口铸铁：C绝大多数以渗碳体（Fe3C）状态存在，进口呈白亮色。（无法机械加工） 2、灰口铸铁：石墨以片状存在，性能差异大（石墨存在形式不同）部分存在于珠光体中。 3、可锻铸铁：石墨以团絮状存在，性能差异大（石墨存在形式不同）部分存在于珠光体中。 4、球墨铸铁：石墨以圆球状存在，性能差异大（石墨存在形式不同）部分存在于珠光体中。 5、蠕墨铸铁：石墨以蠕虫状存在，性能差异大（石墨存在形式不同）部分存在于珠光体中。 综合机械性能对比（b、k）比较：球墨（次之）>可锻>蠕墨（推广期）>灰口（应用最广）二、 常用灰铁（HT）情况简介 1、成分 Wc：2.73.5%;Si:12.7%;Mn:0.51.3%,P<0.3%,S<0.15%. 2、性能（表10-1） 改变基体中F及P相对含量，可得不同的b；细片状b，纯F、b。3、应用： 汽车、拖拉机的缸体、缸盖、一般机床。 4、C的状态与基体组织的决定因素： V冷及其化学成分。（从P382图10-1所示）认真分析 1）V冷（图10-1）（P382） 2）化学成分（图10-1、图10-2） 三、球墨铸铁的情况简介 1、性能（表10-2） 2、化学成分： C：34%，Si：23%，Mn：0.41.0%，P<0.1%,S0.04%,其它（如少量球化元素）§4-2 铸铁焊接性分析一、 灰口铸铁焊接性分析焊接性不良成分上、Wc、P、S接头对冷，热裂纹的敏感性HT强度低、基本无塑性。焊接过程V冷，焊件受热不均，焊 问题一）接头易出现白口及淬硬组织，具体分析二）接头易出现裂纹 一）焊接接头易出现白口及淬硬组织 1、Fe-C-Si三元合金（Wsi=22.5%）状态图分材（与Fe-C比较） 2、焊接接头组织变化图（图10-4） 共分6个区 1）焊缝区同质焊材：（V焊冷>V铸冷），组织：共能渗碳体（白口组织）、二次渗碳体、珠光体、E不能完全去除，措施：V冷，调整化学成分，增强石墨化解力，（适当配合） 异质焊材：（低碳钢焊条）：Wc=0.71.0%高碳、易出现脆硬的马氏体，（去白口）措施：防止或减弱母材中的C过渡到焊缝中，改变C的存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并具一定塑性。 2）半熔化区（窄）11501250液一固态 焊后该区的组织受冷却速度和焊缝区的化学成分影响。液态固态（被碳所饱和的A）V冷>>0.6/S<<拓墨化菜氏体（共晶渗碳体+A）珠光体（共析转变）（形成白口）析出二次渗碳体共晶转变V冷>7/S AM+A残 a、V冷 b、化学元素 提高熔池中石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量对消除减弱半熔化区白口的形成是有利的。 C、措施 采用钎焊（T）、根本上避免白口的形成。 3）A区 固相线共析温度上眼。8201150（无液体） a、组织：A+石墨已A化b、C分布：T、Wc（靠米熔化区）（原因是石墨片中的C较多向周围A扩散） c、措施：工艺措施使该区缓冷，A析虫石墨、避免二次区C或M形成V冷一些Fe3C V冷M 4）重结晶区（窄） 780820 a、组织：V加热，部分原始组织A，冷却时，AP V冷，可能有M出现 5）球化区 6）母材 3、铸件焊后的加工 焊后，很多要再经过机械加工 灰口铸铁（P或P+F），良好的加工性 接头处有白口铸铁（HB600800）及M组织（HB500），难加工HV5200，HRC50.5。I 不允许焊后用磨代替车创。 HRC1123 HV160243 HB160240 加工易“打刀”“让刀” 磨削虽可加工，但非常慢 一般认为接头的硬度<HB300，可机械加工，<HB270，可顺利加工。二）裂纹是易出现的缺陷（冷、热裂） 裂纹，动、静或b,并且无法满足致密性 1、冷裂纹（焊缝上或HAZ） 1）焊缝 用异质焊材焊接，a 使焊缝成为A、F或Cu基焊缝（较好塑性）b 合理的冷焊工艺，不易出现冷裂纹。铸铁型焊缝一般在400以下发生脆断原因：一方面400以上铸铁有一定塑性；另一方面，400以上焊缝随拉应力较小，不发生裂纹源：片状石墨的尖端（严重应力集中）a当焊缝全为灰口铸铁，对热裂不敏感，高温时石墨析出V，（石墨以片状存在，S有效工作，严重应力集中，400下基本无塑性）b当焊缝存在白口铸铁，其收缩率大于灰口铸铁，加上渗碳体更脆，焊缝更易出现裂纹，（Fe3C、裂纹）c当焊缝全为P+F，石墨化（体积膨胀，松弛应力，改进抗裂性）充分。d裂纹的影响因素：、石墨形态（粗长应力集中，抗裂性、细片状抗裂性；团絮状或球状存在，抗裂性）、焊补处的刚度，体积大小及焊缝长短，裂纹敏感性e、防裂纹措施：最有效的办法是对焊处工件进行整体预热（550700）温差大大焊采用加热减应压法以减弱焊补处所受的应力，（亦有效）举例二次连续相变松弛应（有效）焊缝中加一定量的合金元素（Mn、Ni、Cu），使焊缝金属先发生B相变（500250）M相变（200左右）开始、C塑性相变塑性，能有效防止铸铁焊缝在400以下发生的冷裂纹。B、M比A比容大、体积膨胀，松驰应力。 2）HAZ的冷裂纹 原因 多数发生在含较多渗碳体及马氏体的HAZ（图10-7）在半熔化压及奥氏体区，易产生。白口=107.8166.8N/mm2 M=147N/mm2a、当焊接应力>某区的强度，发生裂纹。b、白口铸铁收缩率>>的收缩率（相亲部），二区间产生剪应力图10-8。对薄壁焊接，冷裂纹可能发生在高熔合线稍远的HAZ，导热差，>600区域宽，加剧拉应力，微量缺陷（气孔、灰尘）减少工件有效工作截面。防止措施：（利于防止冷裂纹） a采取工艺措施，减弱焊接接头的应力及防止出现Fe3C 及M体预热焊、正确的冷焊工艺（应状态） b采用好、S的焊材焊接，由于松弛焊接应力。 C厚大件修复（口大，层数多，可用截丝焊法） 2、热裂纹 a当焊缝为铸铁，焊缝对热裂不敏感（高温石墨析出，V，应）b当采用低碳钢焊条与N基铸铁焊条冷焊时，焊缝易出现属于热裂纹的结晶裂纹。当应剥离性裂纹火口裂纹，焊缝的横向裂纹（缝长）纵向裂纹。 1）低碳钢焊条 高碳组织热裂倾向 第一层焊缝：熔合比，Wc=0.71.0%，S、P 焊缝表层Wc、S、P越靠近熔合线，C、S、P 促使第一层焊缝易发生热裂纹 Wc V冷 M体冷裂纹 2）Ni基铸铁焊条 铸铁中含较多S、P、易生成低熔共晶，对热裂纹有较大的敏感性。 C、采取的措施 1）冶金处理方面：调整化学成分，（含有适量的稀土C、Co）脆性温度区间，低熔共晶物，晶粒细化。 2）正确的冷焊工艺，应，有害杂质。二、球墨铸铁焊接性的特点（选择讲解） 1、其白口化倾向及淬硬倾向比灰口铸铁大（球化剂阻碍石墨化及提高淬硬临界冷却速度）。 2、QT的b、k比HT高，故对焊接接头的机械性能要求也相应高，常要求与各强度等级QT母材想匹配。总之：由于铸铁焊材对象不同及对焊补要求不同，多种焊方，焊材、焊工艺，以适应不同的要求。下面将纳为同质（铸铁型）焊缝的熔化焊，异质（非铸铁型）焊缝的熔化焊及钎焊。§4-3 灰口铸铁焊接材料及工艺一、同质（铸铁型）焊缝的熔化焊（电弧热焊、气焊、电弧冷焊工艺）一）电弧热焊：适用于厚度>10mm以上工件缺陷的焊补 1、热焊：将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700（暗红色）然后进行焊接，焊后进行缓冷的铸铁焊补工艺。 对结构复杂、刚度大的工件，宜采用整体预热（否则残，易出裂纹） 对结构简单，焊接处刚度小的工件，宜用局部预热。 2、优势 600700（<共析温度）预热及焊后缓冷，石墨化较充分，接头可完全防止白口及淬硬组织的产生，从而有效防止裂纹产生。 在合适成分的焊条配合下，接头的硬度与母材很相近，加工性优良，等匹配，残，焊接质量令人满意。 3、具体生产： 专门铸铁热焊的连续式煤气加热炉200350350600600700加热、焊补2003503506006007004、化学成分控制 V冷焊>V铸冷、为了保证焊缝石墨化，不产生白口组织且硬度合适， W（c+s）稍大于母材 Wc+si=67.6% 5、焊材 铸248 铸铁芯加石墨型药皮 >6mm 铸208 低碳钢芯加石墨型药皮 >5mm大直径焊条，配合大电流，V焊。为提高大型缺陷热焊的生产率，发展了多根药芯焊丝的米自动焊热焊对10mm厚以下薄件焊补（如汽车缸体），易烧穿气焊：T，加热不集中，可用于薄堕铸件的的焊补二）气焊 1、优点：T火焰<3400（并且热量不集中） T中弧=60008000加热过程较慢（相当于先局部预热），V冷，石墨化有利，焊缝易得灰口铸铁组织，HAZ不易发生白口或其他淬硬组织。 2、缺点：t加热，S受热、应、焊补刚度较大的缺陷，易产生冷裂纹。 一般主要是适用于刚度小的薄壁件缺陷焊补。 刚度大用热焊、但耗能大，劳动条件差（采用简便的加热减应区的气焊法） 3、保证Wc、Ws； C、Si>热焊时，提高石墨化能力，保证合适组织及硬度。焊接时一些氧化烧损。 气焊热焊：C+Si=66.7% 一般气焊（局部加热）：C+Si=6.87.3% 4去除SiO2（酸性氧化物），以免造成夹渣等缺陷钎剂 用碱性氧化物（Na2CO3，NaHCO3，NaNO3，K2CO3）组成的熔剂，形成低熔点的渣，上浮去除。 5、焊接火焰特点 宜用中性焰或弱碳化焰，用氧化焰增大C、Si的烧损。 6、加热减应气焊（图10-10）详细介绍 一般气焊易被拉裂 局部加热两次600700（暗红色） 减应区：通过加热能减少焊缝应力的区域。 选定的原则：主要是选择阻碍焊接过程中焊补处膨胀及收缩部位，注意调区及焊口同时加热。三）焊缝为铸铁型的电弧冷焊 1、电弧冷焊的特点及应用 2、解决问题的措施（首要问题：防止接头的白口问题） 1）白口问题途径：进一步提高焊缝石墨化元素的含量（通过焊接及药皮的调整） 提高焊接热输入量（以V冷）有助消除或减少HAZ的M组织，（大直径焊条、大电流连续焊）。 成分：但米熔化区形成白口的敏感性比焊缝更大，更需解决。 现一般认为，冷焊条件下，较理想。 研究证明：适当，保持较为理想。 原因：液态时C的扩散能力比硅强十倍左右。（减弱或消除半熔化区白口的形成有利）。 更能减少焊缝收缩量，裂纹敏感性。 Si>5%对F固溶强化的效果，使焊缝硬度（无这个问题）焊材：冷焊用铸铁焊条（铸248（铸铁芯6mm以上）、铸208（钢芯） 药皮中均含较多的强石墨化元素，可用更大的IH，V冷，获好加工。工艺措施（焊接热输入，减慢V冷） 大直径焊条、大电流连续焊工艺，如小电流连续焊工艺，V冷焊缝出白口，易裂、无法加工。 2）焊缝裂纹问题 由于焊缝为HT组织，b，无塑性，大电流连续焊工艺局部受热严重，应严重，焊补刚度大的工件时易出裂纹。但焊补刚度不大的中、大型体，结果令人满意。 采用新型电焊条（用B，M二次相受应力松驰效应提高抚裂性能。） HRC需高温回火才可加工非加工面焊补。二、 异质（非铸铁型）焊缝的电弧冷焊1）、裂纹2）对V冷冷敏感（60BM）3）大电流焊铸件不好a、局限性（P393） b、二种新方向。新焊材Wc 一）异质焊缝电弧冷焊材料及方法。 1.Ni基本条手弧焊1）Ni作用：Ni（扩大奥氏体区元素）亦是促使石墨化元素，（其扩散能力在液态时很强，半熔化区的白口宽度）A及相均能溶解较高的碳。 T、少量C由于过饱和以细小的石墨析出（故焊缝有一定较低）。 Ni、白口宽度白口层呈断裂状 2）铸508焊条（Ni70%，Cu30%的蒙乃尔合金）。 接头最好的切削加工性能，但收缩率大（2%），易出裂纹。 发展了纯Ni焊条，镍铁焊条。 3）铸308（纯Ni焊条） 机械性能见表10-5 其白口宽度在所有冷焊焊条中是最小的。 HB < 2500（很好的切削加工性） ，基本满足一般常用HT的要求。 4）镍铁焊条（铸408） a.成分： b.性能机械性能见表10-5 较高，焊缝塑性较高达10%，不仅可焊HT，还可用于QT。 具较低的线膨胀系数，当，具最小机械加工性比“铸308”稍差，基本令人满意，Cost is ton C、镍铁焊条焊缝热裂纹（图10-12） 该种焊条对焊缝热裂纹比较敏感。主要原因是Ni与S、P分别生成低熔共晶物。 当焊缝含有适量的C、稀土及CO时，显著提高抗热裂性能。 C对焊缝抗热裂性能的影响。（图10-13分析）C是强脱氧剂，有助于消除焊缝气孔过饱和的C人石墨析出，体积膨胀，应，防HAZ冷裂纹有利焊缝中含一定的碳量，防米熔化区的碳向焊缝扩散，有利于减弱半熔化区白口的形成石墨粒子，利于机械加工稀土元素乙对焊缝金属抗热裂性能的影响。（图10-14）Co对Ni-Fe铸焊条焊缝金属热裂纹影响。（图10-15） Ni焊条性能好，适应性强，价格昂贵，主要用于不同厚度工件加工面上中、小缺陷的焊补。2、铜基焊条手弧焊1) 成分的作用Cu有很好的塑性，弱石墨化元素(对减少半熔化区白口有些作用)纯Cu焊缝对热裂纹很效加一定的Fe，可大大提高焊缝的抗热裂性能有助于减少气孔，提高接头的强度Wfe> 30%，焊缝脆性，易出低温裂纹Cu：Fe=80:20(常用Cu基铸铁焊条)焊缝中Cu与Fe以机械混合物存在焊第一层时，C较多地熔入焊缝，V冷，形成M+Fe3C2) 焊缝组成及性能以Cu为基础，机械地混合少量钢成铸铁的高硬度组织，其较高的塑性，较好的抗裂性能。6达147N/mm2(Cu花铁粉焊条)其中可用于H下焊补3) 应用：主要用于修理行业中非加工面铸铁件的焊补(Cu为弱墨化元素，扩散能力较弱，接头白口区较宽，Cu基软，M与Fe3C硬，加工性不变)4) 焊条形式(P397)3、高钒焊条手弧焊铸116 铸117交流电 直流电1) V的作用金属学知识可知，当V/C比合适时，不仅可得纯铁素体基体，而且VC以弥散状分布于基体上，该钢好，b足够，HV不高。由图10-16可知(P398)，当Wc=1%时，焊缝Wv需1%才能获铁素体加弥散状碳化钒组织(V4C3)第一层焊缝(低碳焊条)中：Wc=0.7-1.0%。图10-17，为Wv对第一层焊缝硬度的影响。当V量不足，不能结合全部C，在急速冷却条件下，第一层缝会出现M、托氏体及V4C3 的混合组织。(高硬组织)第一层焊缝Wv必须保证7-8%以上，加上母材的稀释作用，多层焊Wv一般为10-12%。2) 焊条成分焊芯H08 铸116 (交流电源)药皮，加足量的钒铁 铸117 (直流电源)焊缝含Si：<0.50.7%，否则降低 , 抗裂性降低。3) 高钒焊条焊缝性能：(好)b可达558588N/mm3可达28-36%硬度过<HB230高塑性及抗裂性能，不易出气孔。4) 金相组织综合成上窄的黑带(V4C3颗粒)，V从焊缝母材(V为强硫化物形成元素) C母材熔液5) 缺点：与普低钢焊条防焊焊缝的胶缩率相近，s高，焊补面积很大，焊缝层数很多时，HAZ可能有剥离性裂纹。4、细丝H08Mn2S；CO2保护焊(0.69-1.0mm)短路过渡过程，(小电流，低电压焊接，熔深浅)IH、VH第一层熔合比CO2保护焊有氧化性，C有烧损，Wc主要从焊接的工艺规范上保证焊接的质量(P399)二) 异质(非铸铁型)焊缝的弧冷焊工艺特点：四句话：“准备工作要做好，焊接电流适当小，短段断续分散焊，焊后立即小锤敲。”1、做好焊前准备工作去除工件及缺陷上的油污等其它杂质，正确观察缺察情况，及将缺陷制成适当的坡口，以备焊接。1) 碱水刷洗，汽油擦洗，火焰清除(否则气孔)2) 裂纹缺陷观系：肉眼，放大镜，可借助水压，渗煤油试验。3) 为防止裂纹扩张，端部3-5mm钻止裂孔(5-8mm)4) 开坡口原则：保证顺利施焊及质量前提下尽量减少坡口角度及母材的熔化量，降低焊接应力，S、P、防裂纹。2、采用合适的最少电流焊接P399下面2点采用小直径焊条3、采用短段焊、连续分散焊及焊后锺击工艺1)原因：焊缝越长，拉 裂纹可能性2)工艺：一般10-20mm(薄件)；30-40mm(原件)4焊后立即锤击(快速)处于高温而且较高塑性的焊缝，松驰工件冷致50-60（不烫手再焊下一道焊缝多层 泵大件工艺特点(开大坡口) 应，易发生剥离性裂纹。a、合理安排多层焊焊接顺序(图10-19)b、必要时采用栽丝法(图10-20)人为地使该区(HAE的白口区)应力的大部分由栽丝材料承担多用于承受较大工作应力的厚大件的裂纹焊补。(大型机器机座)三、钎焊1、 优点：避免接头的白口组织非常有利，接头优良加工性。应对裂纹敏感性降低(母材不熔化)2、应用(1) O2-C2H2焰钎焊铸铁(过去多用黄铜钎料)Cu(52-56)%+Zn（余量） 料103 硼砂钎剂基铜b 颜色金黄(扩散不充分)Cu、Zn在Fe中溶解度微小。(2)新钎料(剂)成分作用及性能Mn、Ni、Sn、Al等。