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焊工技師、高級(jí)技師培訓(xùn),8-3 鑄鐵的焊接（一）,1,,,,鑄鐵的焊接,鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金。工業(yè)常用鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.0%～4.5%之間，是以Fe、C、Si為主要組成元素并含有較多Mn、S、P等雜質(zhì)的多元合金。 鑄鐵具有良好的鑄造性能，便于鑄造生產(chǎn)形狀復(fù)雜的機(jī)械零部件；另外還具有成本低，減摩性、減振性和切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。 鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性較低，焊接性很差，不適合制造焊接結(jié)構(gòu)。,,,,鑄鐵的焊接,按用途分為工程結(jié)構(gòu)件用鑄鐵和特殊鑄鐵（抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐腐蝕鑄鐵）。 按碳的存在形式及石墨形態(tài)不同分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵共五大類。,一、鑄鐵的類型與性能 1.鑄鐵的種類及成分特點(diǎn),,,,鑄鐵的焊接,白口鑄鐵,白口鑄鐵中碳絕大部分以滲碳體（FeC3）的形式存在，其斷口呈亮白色，故稱之為白口鑄鐵。滲碳體性能硬而脆，其硬度為800HBW左右，因而白口鑄鐵切削加工困難；主要用于煉鋼原料，很少用于制造機(jī)械零件。,,,,鑄鐵的焊接,亞 共 晶 白 口 鑄 鐵,,,,鑄鐵的焊接,共 晶 白 口 鑄 鐵,,,,鑄鐵的焊接,過(guò) 共 晶 白 口 鑄 鐵,,,,鑄鐵的焊接,灰鑄鐵,灰鑄鐵中石墨以片狀存在，其斷口呈灰色?；诣T鐵的強(qiáng)度低、塑性差；但灰鑄鐵抗壓強(qiáng)度高、耐磨性好、減振性好、收縮率低、流動(dòng)性好，且成本低廉，可以鑄造形狀復(fù)雜的機(jī)械零件，至今仍是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種鑄鐵；常用于各種機(jī)床的床身及拖拉機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等鑄件的生產(chǎn)。,,,,鑄鐵的焊接,灰 口 鑄 鐵,,,,鑄鐵的焊接,球墨鑄鐵,球墨鑄鐵中石墨以球狀存在；在高溫鐵液中加入球化劑（稀土金屬、鎂合金和硅鐵等）經(jīng)球化處理后獲得；強(qiáng)度接近于碳鋼，具有良好的耐磨性和一定的塑性，并能通過(guò)熱處理改善性能。 廣泛用于機(jī)械制造業(yè)中，常用于制造曲軸、大型管道、受壓閥門(mén)和泵的殼體、汽車減速器外殼及齒輪、渦輪、蝸桿等。,,,,鑄鐵的焊接,,,,鑄鐵的焊接,可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵中石墨以團(tuán)絮狀形式存在，是由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火獲得的，與灰鑄鐵相比，具有較好的強(qiáng)度和塑性，耐磨性和減振性優(yōu)于碳鋼，主要用于管類零件和農(nóng)機(jī)具等。,,,,鑄鐵的焊接,珠光體基體可鍛鑄鐵 鐵素體基本的可鍛鑄鐵,,,,鑄鐵的焊接,蠕墨鑄鐵,蠕墨鑄鐵中石墨以蠕蟲(chóng)狀形式存在，生產(chǎn)方式與球墨鑄鐵相似，具有比灰鑄鐵強(qiáng)度高、比球墨鑄鐵鑄造性能好、耐熱疲勞性能好的優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)制造大功率柴油機(jī)氣缸蓋、電動(dòng)機(jī)外殼等。,,,,鑄鐵的焊接,,,,鑄鐵的焊接,表6-1 常用鑄鐵的化學(xué)成分,,,,鑄鐵的焊接,鑄鐵的基體組織為鐵素體、珠光體或二者的混合組織，可以認(rèn)為鑄鐵是在鋼的基體上加上石墨。 性能主要取決于石墨的形狀、大小、數(shù)量和分布等。石墨的強(qiáng)度、硬度極低（抗拉強(qiáng)度＜20MPa，硬度HBW≈3），塑性、韌性幾乎等于零，其力學(xué)性能遠(yuǎn)低于基體組織，故石墨相當(dāng)于在基體組織中存在無(wú)數(shù)個(gè)“小裂紋”，不僅降低了鋼的有效承載面積，而且在尖角處還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使基體在較低應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展甚至斷裂，因此鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性比鋼小得多。,2.鑄鐵的組織與性能,,,,鑄鐵的焊接,但石墨的存在，使其具有優(yōu)良的鑄造性、切削加工性、減振性、耐磨性和低的缺口敏感性。 在灰鑄鐵中，由于片狀石墨對(duì)基體有較大的割裂作用，通過(guò)改變基體組織不能顯著提高其塑性和韌性，所以生產(chǎn)中只能通過(guò)改變基體組織中珠光體的數(shù)量，以改善鑄鐵的硬度和耐磨性，而鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性等，則主要由石墨決定。 灰鑄鐵的牌號(hào)與力學(xué)性能見(jiàn)表6-2。,,,,鑄鐵的焊接,表6-2 灰鑄鐵的牌號(hào)與力學(xué)性能,,,,鑄鐵的焊接,球墨鑄鐵中由于石墨呈球狀分布，對(duì)基體的分割作用大為減小，故可有效利用基體的強(qiáng)度達(dá)70%～80%，因此其力學(xué)性能明顯優(yōu)于灰鑄鐵。球墨鑄鐵還可以通過(guò)合金化或熱處理等途徑來(lái)強(qiáng)化或改變基體組織，以達(dá)到提高力學(xué)性能的目的。 球墨鑄鐵的牌號(hào)與力學(xué)性能見(jiàn)表6-3。,,,,鑄鐵的焊接,表6-3 球墨鑄鐵的牌號(hào)與力學(xué)性能,,,,鑄鐵的焊接,鑄鐵中碳的存在狀態(tài)和基體組織取決于鑄件的冷卻速度（壁厚）及化學(xué)成分。圖6-1為鑄件壁厚及化學(xué)成分對(duì)鑄鐵組織的影響，當(dāng)鑄件壁厚增加時(shí)會(huì)降低冷卻速度。,,,,鑄鐵的焊接,圖6-1 鑄件壁厚（冷卻速度）及化學(xué)成分對(duì)鑄鐵組織的影響,,,,鑄鐵的焊接,元素的石墨化作用： 促進(jìn)石墨化的元素如C、Si、Al、Ti 、Ni 、Cu 、P等和阻礙石墨化的元素如S、V、Mo、Cr、Mn等，如圖6-2所示。 碳和硅是灰鑄鐵中最重要的元素，碳是形成石墨的基礎(chǔ)，硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，在鑄造中當(dāng)冷卻速度一定時(shí)，增加碳、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可消除白口組織，調(diào)整碳、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)還可獲得不同的基體組織。,,,,鑄鐵的焊接,圖6-2 元素對(duì)鑄鐵石墨化及白口化的影響,,,,鑄鐵的焊接,灰口鑄鐵因?yàn)楹技肮枇扛?，且含雜量也高，對(duì)熱裂紋及冷卻速度非常敏感，所以焊接性很差，其主要表現(xiàn)是焊接接頭易產(chǎn)生白口和淬硬組織及裂紋。,二、灰鑄鐵的焊接 1.灰鑄鐵的焊接性,,,,鑄鐵的焊接,一、焊接接頭白口及淬硬組織 灰鑄鐵焊接時(shí)，因熔池體積小，存在時(shí)間短，使得焊縫及近縫區(qū)的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄件在砂型中的冷卻速度。因此，在焊接接頭的焊縫及半熔化區(qū)將會(huì)產(chǎn)生大量的滲碳體，形成白口組織。 圖6-3是碳和硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%和2.5%的常用灰鑄鐵焊條電弧焊焊接接頭組織變化圖。,,,,鑄鐵的焊接,圖6-3 常用灰鑄鐵焊條電弧焊焊接接頭組織變化圖,,,,鑄鐵的焊接,1．產(chǎn)生原因 （1）焊縫區(qū) 焊縫為非鑄鐵成分時(shí)，不存在白口組織問(wèn)題；當(dāng)焊縫為鑄鐵成分時(shí)，因熔池冷卻速度快,碳來(lái)不及析出形成石墨，焊縫基本為白口鑄鐵組織。 增大焊接熱輸入，焊縫會(huì)出現(xiàn)一定量的灰鑄鐵，但不能消除白口組織。,,,,鑄鐵的焊接,（2）半熔化區(qū)（熔合區(qū)） 由于碳的遷移，使熔合區(qū)近縫金屬在高溫時(shí)形成高碳奧氏體，冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿B碳體+二次滲碳體+珠光體的白口鑄鐵，快速冷卻時(shí)還產(chǎn)生馬氏體相變。,,,,鑄鐵的焊接,（3）奧氏體區(qū) 若冷卻速度較慢時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。若冷卻速度較快時(shí)，奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 熔焊時(shí)采取適當(dāng)工藝措施使該區(qū)域緩冷，可使奧氏體直接析出石墨，而避免二次滲碳體的析出，同時(shí)可防止馬氏體的形成。,,,,鑄鐵的焊接,灰鑄鐵焊接接頭的白口化問(wèn)題是指焊縫及半熔化區(qū)易出現(xiàn)白口組織。,2．防止措施 常用方法:改變焊縫的化學(xué)成分或降低焊接冷卻速度，改變化學(xué)成分不能解決熔合區(qū)白層問(wèn)題。,,,,鑄鐵的焊接,二、焊接冷裂紋 1．焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因 灰鑄鐵焊接接頭的裂紋主要是冷裂紋，其產(chǎn)生原因主要有以下幾個(gè)方面： （1）灰鑄鐵本身強(qiáng)度低，基本無(wú)塑性，承受塑性變形的能力幾乎為零，因此容易引起開(kāi)裂。 （2）焊接過(guò)程對(duì)焊件的局部加熱和冷卻，勢(shì)必使焊件產(chǎn)生焊接應(yīng)力，焊接應(yīng)力是導(dǎo)致焊件產(chǎn)生裂紋的又一重要原因。 （3）焊接接頭的白口組織和淬硬組織又硬又脆，不能產(chǎn)生塑性變形，在受到應(yīng)力作用時(shí)容易引起開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使焊縫與熱影響區(qū)交界的整個(gè)界面開(kāi)裂而分離。,,,,鑄鐵的焊接,2．防止灰鑄鐵冷裂紋的措施 灰鑄鐵焊接冷裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊接應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生也主要是從降低焊接應(yīng)力著手。 （1）預(yù)熱 防止鑄鐵型焊縫冷裂紋最有效的方法是對(duì)焊件進(jìn)行整體預(yù)熱（550～700℃），使溫差減小，降低焊接應(yīng)力，同時(shí)促進(jìn)焊縫金屬石墨化，并要求焊后在相同溫度下消除應(yīng)力。 （2）選擇合理焊接材料 采用鎳基或銅基焊接材料，使焊縫成為塑性良好的非鐵合金，對(duì)冷裂紋不敏感。,,,,鑄鐵的焊接,（3）工藝措施 用異質(zhì)焊接材料焊接灰鑄鐵時(shí)，常采用“短段焊”、“斷續(xù)焊”等工藝措施，并及時(shí)錘擊焊縫，使焊縫金屬發(fā)生塑性變形，以減小和消除焊接應(yīng)力。 另一工藝措施是采用小規(guī)范焊接，較小的焊接電流既可減小熱輸入，又可減小熔合區(qū)白口及淬硬層寬度，從而減小焊接應(yīng)力，有利于防止裂紋。,,,,鑄鐵的焊接,三、焊接熱裂紋 灰鑄鐵焊接的熱裂紋大多為結(jié)晶裂紋。 當(dāng)焊縫為鑄鐵時(shí)，由于液態(tài)鐵在凝固過(guò)程中析出石墨，體積膨脹且流動(dòng)性好，不會(huì)形成熱裂紋。 但采用低碳鋼焊條或鎳基鑄鐵焊接材料時(shí)，焊縫有較大的熱裂紋傾向。 當(dāng)用低碳鋼焊條焊接鑄鐵時(shí)，即使采用小電流焊接，也易形成焊縫底部熱裂紋甚至宏觀裂紋）。,,,,鑄鐵的焊接,采用鎳基焊條焊接灰鑄鐵時(shí)，采用鎳基焊條焊接灰鑄鐵時(shí)，焊縫對(duì)熱裂紋有較大的敏感性。,解決方法： 冶金方面可通過(guò)調(diào)整焊縫化學(xué)成分，加入稀土元素，增強(qiáng)焊縫脫硫、磷能力，以及細(xì)化晶粒等途徑，提高焊縫抗熱裂紋能力。 焊接工藝方面，采用正確的冷焊工藝，使焊接應(yīng)力降低、使母材中的有害雜質(zhì)較少熔入焊縫等，均有助于防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生。,,,,鑄鐵的焊接,由以上分析可知，灰鑄鐵焊接接頭裂紋傾向較大，這主要與灰鑄鐵本身的性能特點(diǎn)、焊接應(yīng)力、接頭組織及化學(xué)成分等因素有關(guān)。為防止焊接裂紋，在生產(chǎn)中主要是采取減小焊接應(yīng)力、改變焊縫合金系統(tǒng)及限制母材中雜質(zhì)熔入焊縫等措施。,,,,鑄鐵的焊接,灰鑄鐵焊接目前仍大量用于鑄鐵件缺陷的補(bǔ)焊，焊接時(shí)的主要問(wèn)題是白口組織和裂紋。 常采用的焊接方法有焊條電弧焊、氣焊、釬焊和手工電渣焊。其中最常用的是焊條電弧焊、氣焊和釬焊。,,,,Thank You,40,,,,Thank You,41,