1、第第6章章 铸铁焊接铸铁焊接_ _6.1 铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类及其焊接方法_6.2 铸铁的焊接性分析铸铁的焊接性分析_6.3 铸铁的焊接材料及工艺铸铁的焊接材料及工艺_6.1 铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类及其焊接方法_ 6.1.1 铸铁的种类铸铁的种类_ 1、灰铸铁、灰铸铁 2、球墨铸铁、球墨铸铁 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_ 6.1.3 铸铁焊接方法铸铁焊接方法_铸铁：铸铁：wC%2.11%的铁碳合金的铁碳合金工业常用铸铁：工业常用铸铁：Fe-C-Si合金合金 wC%=3.0%4.5%、wSi%=1.0%3.0%同时含有一定量同时含有一定量Mn、
2、杂质元素、杂质元素P、S等等特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小 便于铸造生产形状复杂的机械零部件便于铸造生产形状复杂的机械零部件 成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等 机械制造业中获得了广泛应用机械制造业中获得了广泛应用铸铁焊接应用：铸铁焊接应用：铸造缺陷的焊补铸造缺陷的焊补;已损坏的铸铁成品件的焊补已损坏的铸铁成品件的焊补;零部件的生产零部件的生产6.1 铸铁的种类及其焊接方法铸铁的种类及其焊接方法6.1.1 铸铁的种类铸铁的种类按照按照碳元素在铸铁中存在的形式和石墨形态：碳元素在铸铁中存在的形式和
3、石墨形态：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁 及蠕墨铸铁等五大类及蠕墨铸铁等五大类白口铸铁：白口铸铁：C绝大部分以绝大部分以渗碳体（渗碳体（Fe3C）的形式存在的形式存在 断口呈白亮色，性质脆硬断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用，极少单独使用 是制造可锻铸铁的中间品是制造可锻铸铁的中间品 表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中 C基本以基本以石墨形式石墨形式存在，部分存在于珠光体中存在，部分存在于珠光体中石墨形态不同石墨形态不同性能有较大差别性能有较
4、大差别灰铸铁：石墨呈片状灰铸铁：石墨呈片状 其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金 属间摩擦性均优良，工业中应用最广泛属间摩擦性均优良，工业中应用最广泛 片状石墨：对基体严重割裂作用片状石墨：对基体严重割裂作用 灰铸铁强度低、塑性差灰铸铁强度低、塑性差可锻铸铁：可锻铸铁：由一定成分的白口铸铁经石墨化退火获得由一定成分的白口铸铁经石墨化退火获得 石墨呈团絮状石墨呈团絮状 塑性比灰铸铁高塑性比灰铸铁高球墨铸铁球墨铸铁：1947年年 以球化剂处理高温铁液使石墨球化以球化剂处理高温铁液使石墨球化 石墨呈球状石墨呈球状 对基体割裂作用小对基体割裂作用小力学性能大幅提
5、高力学性能大幅提高 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状，头部较圆，头部较圆 具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能 好、耐热疲劳性能好的优点好、耐热疲劳性能好的优点 在工业中得到一定应用在工业中得到一定应用铸铁基体组织：铸铁基体组织：F、P或二者的混合物或二者的混合物 是在钢的基体上加上石墨是在钢的基体上加上石墨 石墨强度很低，相当于空洞石墨强度很低，相当于空洞 钢有效承载面积钢有效承载面积 石墨端部尖锐石墨端部尖锐 严重应力集中，易断裂严重应力集中，易断裂铸铁比相同组织钢：铸铁比相同组织钢：强度低、塑性差强度低、塑性差（见书）（见书）1、灰铸铁
6、、灰铸铁特点：特点：断面呈灰色、石墨呈片状断面呈灰色、石墨呈片状典型金相组织典型金相组织：由白色不规则块状：由白色不规则块状铁素体铁素体，渗碳体与，渗碳体与 铁素体层状分布的铁素体层状分布的珠光体珠光体，端部尖锐、灰色长条，端部尖锐、灰色长条 状的状的片状石墨片状石墨组成，有时含有少量的组成，有时含有少量的磷共晶磷共晶石墨：含量高且呈粗片状石墨：含量高且呈粗片状抗拉强度低抗拉强度低 含量低呈细片状含量低呈细片状抗拉强度高抗拉强度高基体：纯铁素体基体：纯铁素体抗拉强度和硬度低抗拉强度和硬度低 纯珠光体纯珠光体抗拉强度和硬度均较高抗拉强度和硬度均较高牌号牌号显微组织显微组织抗拉强度抗拉强度/MPa
7、硬度硬度 HBW（供参考）（供参考）特点及用途举例特点及用途举例基体基体石墨石墨HT100铁素体铁素体粗片状粗片状100175 强度低，用于制造对强度及组织无强度低，用于制造对强度及组织无要求的不重要铸件，如油底壳、盖、要求的不重要铸件，如油底壳、盖、镶装导轨的支柱等镶装导轨的支柱等HT150铁素体铁素体+珠光体珠光体较粗片状较粗片状150150200 强度中等，用于制造承受中等载荷强度中等，用于制造承受中等载荷铸件，如机床底座、工作台等铸件，如机床底座、工作台等HT200珠光体珠光体 中等片状中等片状250170220 强度较高，用于制造承受较高载荷强度较高，用于制造承受较高载荷耐磨铸件，如
8、发动机的气缸体、液耐磨铸件，如发动机的气缸体、液压泵、阀门壳体、机床机身、气缸压泵、阀门壳体、机床机身、气缸盖、中等压力的液压筒等盖、中等压力的液压筒等HT250细片状细片状珠光体珠光体较细片状较细片状250190240HT300细片状细片状珠光体珠光体细小片状细小片状300210260 强度高，基体组织为珠光体，用于强度高，基体组织为珠光体，用于承受高载荷的耐磨件，如剪床、压承受高载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车床卡盘、导板、齿力机的机身、车床卡盘、导板、齿轮、液压筒等轮、液压筒等HT350细片状细片状珠光体珠光体细小片状细小片状350230280表表6-1 灰铸铁牌号、显微组织、力学
9、性能及用途灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途2、球墨铸铁、球墨铸铁用球化剂对液态铸铁浇铸前进行球化处理可以得到用球化剂对液态铸铁浇铸前进行球化处理可以得到 我国常用的球化剂：我国常用的球化剂：稀土镁合金稀土镁合金石墨呈球状石墨呈球状 细小圆整的石墨球对钢基体的割裂作用较小，细小圆整的石墨球对钢基体的割裂作用较小，在相在相同基体的情况下，其力学性能是所有铸铁中最高的同基体的情况下，其力学性能是所有铸铁中最高的经球化剂处理后的铁液结晶：过冷倾向变大，经球化剂处理后的铁液结晶：过冷倾向变大，具有较大的白口倾向具有较大的白口倾向还需进行还需进行孕育处理孕育处理 促进石墨化过程的进行，避免出现莱氏体组
10、织促进石墨化过程的进行，避免出现莱氏体组织基体：基体：铁素体加珠光体混合组织铁素体加珠光体混合组织获得纯铁素体获得纯铁素体经低温石墨化退火经低温石墨化退火 使珠光体分解为铁素体和石墨使珠光体分解为铁素体和石墨铸态组织中还有共晶渗碳体：铸态组织中还有共晶渗碳体：需经高温石墨化和低温石墨化二次退火才能获得需经高温石墨化和低温石墨化二次退火才能获得 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁牌号牌号抗拉强度抗拉强度/MPa屈服强度屈服强度/MPa伸长率伸长率（%）硬度硬度 HBW（供参考）（供参考）基体显微组织基体显微组织最小值最小值QT400-1840025018130180铁素体铁素体QT400-154002
11、5015130180铁素体铁素体QT450-1045031010160210铁素体铁素体QT500-75003207170230铁素体铁素体+珠光体珠光体QT600-36003703190270珠光体珠光体+铁素体铁素体QT700-27004202225305珠光体珠光体QT800-28004802245335珠光体或回火组织珠光体或回火组织QT900-29006002280360贝氏体或回火马氏体贝氏体或回火马氏体表表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3、可锻铸铁、可锻铸铁石墨呈团絮状石墨呈团絮状由一定成分白口铸铁经长时间石墨化退火获得由一定成分白口铸铁
12、经长时间石墨化退火获得与灰铸铁相比：具有较好强度和塑性与灰铸铁相比：具有较好强度和塑性 耐磨性和减振性优于碳钢耐磨性和减振性优于碳钢 应用：管类零件和农机具等应用：管类零件和农机具等4、蠕墨铸铁、蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状石墨呈蠕虫状生产方式：与球墨铸铁相似生产方式：与球墨铸铁相似特点：具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、特点：具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好的优点；耐热疲劳性能好的优点；应用：制造大功率柴油机气缸盖、电动机外壳等应用：制造大功率柴油机气缸盖、电动机外壳等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铸铁的成分、组织及性能特点关键在于铸铁的成分
13、、组织及性能特点关键在于碳的存在形式碳的存在形式碳含量超过在铁中溶解度：铸铁中便有高碳相析出碳含量超过在铁中溶解度：铸铁中便有高碳相析出 或是渗碳体，或是自由状态的碳或是渗碳体，或是自由状态的碳-石墨石墨熔融状态的铁液在冷却过程中：熔融状态的铁液在冷却过程中：（化学成分和冷却条件不同）（化学成分和冷却条件不同）既可从液相中或高温奥氏体中直接析出渗碳体既可从液相中或高温奥氏体中直接析出渗碳体 （介稳状态）（介稳状态）也可直接析出石墨（稳定状态）也可直接析出石墨（稳定状态）同时，渗碳体加热至高温还可以分解出石墨同时，渗碳体加热至高温还可以分解出石墨图图6-1 铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图虚线：
14、虚线：Fe-C 稳定系相图稳定系相图实线：实线：Fe-Fe3C介稳定系介稳定系 相图相图wC%=4.26%：共晶铸铁：共晶铸铁共晶反应：共晶反应：LA+Fe3C 或或LA+G共析反应：共析反应：AF+Fe3C 或或AF+G过共晶：过共晶：LFe3C（）或或LG（）石墨化过程：石墨化过程：1）石墨化第一阶段）石墨化第一阶段 从过共晶铁液中直接析出的初生（一次）石墨；从过共晶铁液中直接析出的初生（一次）石墨；共晶转变过程中形成的共晶石墨；共晶转变过程中形成的共晶石墨；奥氏体冷却析出二次石墨；奥氏体冷却析出二次石墨；一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体在高温下分一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体在高温
15、下分 解析出的石墨解析出的石墨特点：由于温度较高，碳原子扩散能力强，石墨化特点：由于温度较高，碳原子扩散能力强，石墨化 比较容易实现比较容易实现2）石墨化第二阶段）石墨化第二阶段 共析转变过程中形成的共析石墨；共析转变过程中形成的共析石墨；共析渗碳体分解析出的石墨共析渗碳体分解析出的石墨 若第二阶段石墨化能充分进行，若第二阶段石墨化能充分进行，铸铁基体将完全为铁素体铸铁基体将完全为铁素体但是由于温度较低，一般难以实现但是由于温度较低，一般难以实现 因此铸铁在铸态下多为因此铸铁在铸态下多为铁素体加珠光体混合组织铁素体加珠光体混合组织专门专门石墨化退火石墨化退火 使珠光体中共析渗碳体分解使珠光体中
16、共析渗碳体分解 获得基体完全为铁素体的铸铁获得基体完全为铁素体的铸铁影响铸铁石墨化的主要因素：影响铸铁石墨化的主要因素：铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度1）化学成分）化学成分 促进石墨化元素、阻碍石墨化（促进白口化）元素促进石墨化元素、阻碍石墨化（促进白口化）元素图图6-2 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表表6-3 常用合金元素及杂质元素对铸铁石墨化、组织和性能的影响常用合金元素及杂质元素对铸铁石墨化、组织和性能的影响2）冷却速度）冷却速度缓慢冷却有利于石墨化缓慢冷却有利于石墨化冷却速度：与铸模类型、浇注温度、铸件壁厚及
17、铸件冷却速度：与铸模类型、浇注温度、铸件壁厚及铸件 尺寸等因素有关尺寸等因素有关如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁 而薄壁处可能出现白口铸铁而薄壁处可能出现白口铸铁图图6-3 铸件壁厚（冷却速度）和化学成分（碳硅总量）铸件壁厚（冷却速度）和化学成分（碳硅总量）对铸铁组织的影响对铸铁组织的影响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、CO2气保电弧焊、手工电渣焊、气保电弧焊、手工电渣焊、气体火焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等气体火焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等 近年来，直接将焊接用于零部件的生产在实际工近年来，直接将焊接用于零部件的生产在实际工作中的
18、比例越来越大，主要是将作中的比例越来越大，主要是将球墨铸铁件之间球墨铸铁件之间、球球墨铸铁与各种钢件或有色金属件之间墨铸铁与各种钢件或有色金属件之间，采用细丝，采用细丝CO2焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、电阻对焊、扩散焊焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、电阻对焊、扩散焊等方法连接起来等方法连接起来对焊接的要求：对焊接的要求：1）焊后焊接接头是否进行机械加工）焊后焊接接头是否进行机械加工2）焊缝颜色是否与母材一致）焊缝颜色是否与母材一致3）焊后接头是否承受很大工作应力）焊后接头是否承受很大工作应力4）焊缝金属及接头力学性能是否要求与母材一致）焊缝金属及接头力学性能是否要求与母材一致5）焊接成本）焊接
19、成本 根据被修复件的结构刚度以及对焊补后机械加工根据被修复件的结构刚度以及对焊补后机械加工要求的不同，采用焊条电弧焊或气焊方法：要求的不同，采用焊条电弧焊或气焊方法：热焊：焊前将被修复铸件整体加热到热焊：焊前将被修复铸件整体加热到600700 并在此温度下焊接并在此温度下焊接半热焊：焊前预热到半热焊：焊前预热到400冷焊：焊前不预热冷焊：焊前不预热 焊补后缓冷焊补后缓冷 防止焊接裂纹并改善焊补区域的机械加工性能防止焊接裂纹并改善焊补区域的机械加工性能铸铁电弧焊的铸铁电弧焊的焊缝金属分类焊缝金属分类Fe基基Ni基基Cu基基铸铁铸铁钢钢球球墨墨铸铸铁铁蠕蠕墨墨铸铸铁铁灰灰铸铸铁铁高高钒钒钢钢低低合
20、合金金钢钢碳碳素素钢钢Ni-C奥奥氏氏体体Ni-Fe-C奥奥氏氏体体Ni-Cu-C合合金金Cu-Fe合合金金Cu-Al合合金金Cu -Ni -Mn合合金金图图6-4 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 铸铁的焊接性分析铸铁的焊接性分析_ 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_ 1、焊缝区、焊缝区 2、半熔化区、半熔化区 3、奥氏体区、奥氏体区 4、部分重结晶区、部分重结晶区 6.2.2 焊接裂纹焊接裂纹_ 1、冷裂纹、冷裂纹 2、热裂纹、热裂纹 6.2.3 球墨铸铁的焊接性特点球墨铸铁的焊接性特点_ 6.2 铸铁的焊接性分析铸铁的焊接性分析铸铁化学成分特
21、点：铸铁化学成分特点：C、Si含量高，含量高，S、P杂质含量高杂质含量高灰铸铁力学性能特点：强度低，塑性差灰铸铁力学性能特点：强度低，塑性差铸铁焊接性：铸铁焊接性：较差较差 表现：表现：焊接接头容易出现白口及淬硬组织焊接接头容易出现白口及淬硬组织 容易产生裂纹容易产生裂纹 原因：焊接加工具有冷却速度快，焊件受热不原因：焊接加工具有冷却速度快，焊件受热不 均匀造成较大焊接应力等均匀造成较大焊接应力等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灰铸铁：灰铸铁：wC%=3.0%，wSi%=2.5%焊条电弧焊焊条电弧焊 Fe-C-Si三元合金：三元合金：共晶转变和共析转变是在某一共晶转变和
22、共析转变是在某一 温度区间进行的温度区间进行的 共晶转变温度区间：共晶转变温度区间：LA+Fe3C（介稳态）（介稳态）或或LA+G（稳态）（稳态）共析转变温度区间：共析转变温度区间：AF+Fe3C（介稳态）（介稳态）或或AF+G（稳态）（稳态）冷却速度快时：冷却速度快时：AM图图6-5 灰铸铁焊条电弧焊焊接接头各区域组织变化灰铸铁焊条电弧焊焊接接头各区域组织变化焊焊接接热热影影响响区区wSi%=2.5%半熔合区半熔合区1、焊缝区、焊缝区焊缝金属冷却速度焊缝金属冷却速度铸件在砂型中的冷却速度铸件在砂型中的冷却速度焊缝为非铸铁成分时：不存在白口组织问题焊缝为非铸铁成分时：不存在白口组织问题当焊缝为
23、铸铁成分时：具有莱氏体组织的白口铸铁当焊缝为铸铁成分时：具有莱氏体组织的白口铸铁白口铸铁：硬而脆，硬度高达白口铸铁：硬而脆，硬度高达500800HB 将影响整个焊接接头的机械加工性将影响整个焊接接头的机械加工性 能，同时促进产生裂纹能，同时促进产生裂纹 不预热条件下，即使增大焊接热输入，仍然不能不预热条件下，即使增大焊接热输入，仍然不能完全消除白口完全消除白口同质铸铁焊缝，要求：同质铸铁焊缝，要求：选择合适的焊接材料，调整焊缝化学成分、增强选择合适的焊接材料，调整焊缝化学成分、增强焊缝金属的石墨化能力，并配合适当的工艺措施使焊焊缝金属的石墨化能力，并配合适当的工艺措施使焊缝金属缓冷，缝金属缓冷
24、，促进碳以石墨形式析出促进碳以石墨形式析出采用：热焊或半热焊采用：热焊或半热焊同质焊条：碳、硅含量高同质焊条：碳、硅含量高防止白口防止白口2、半熔化区、半熔化区温度范围：温度范围：11501250，固相线和液相线之间固相线和液相线之间 焊接时处于半熔化状态焊接时处于半熔化状态高温下：高温下：L+高碳高碳冷却时：共晶温度区间冷却时：共晶温度区间 LA+共晶共晶Fe3C继续冷却：继续冷却：A析出析出Fe3C()共析温度区间：共析温度区间：AF+Fe3C（AP）最终得到：最终得到：共晶共晶Fe3C+Fe3C()+P 的白口铸铁的白口铸铁快冷：出现快冷：出现 AM（固态相变）（固态相变）3、奥氏体区、
25、奥氏体区温度范围：温度范围：8201150 固相线与共析温度上限之间固相线与共析温度上限之间 只有固态相变只有固态相变 距离熔合线远近不同，即热循环最高温度不同，距离熔合线远近不同，即热循环最高温度不同，奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生差别差别奥氏体区温度较高地方：碳较多地向周围奥氏体扩散奥氏体区温度较高地方：碳较多地向周围奥氏体扩散 使含碳量增高，同时奥氏体晶粒长大使含碳量增高，同时奥氏体晶粒长大随后冷却过程中：首先随后冷却过程中：首先 A析出析出Fe3C()而后而后 共析转变：共析转变：AF+Fe3C冷却速度较慢：冷却速度较慢：A
26、 P冷却速度较快：冷却速度较快：A M 使焊接接头加工性变差使焊接接头加工性变差奥氏体区温度较低地方：碳向周围奥氏体扩散数量较奥氏体区温度较低地方：碳向周围奥氏体扩散数量较 少使含碳量较低，且奥氏体晶粒较小少使含碳量较低，且奥氏体晶粒较小4、部分重结晶区、部分重结晶区温度范围：温度范围：780820 奥氏体与铁素体双相区奥氏体与铁素体双相区加热时：母材中加热时：母材中 P A 铁素体晶粒长大铁素体晶粒长大冷却过程：再次发生固态相变，冷却过程：再次发生固态相变，A P 快冷：出现快冷：出现M最终得到：最终得到：马氏体铁素体马氏体铁素体 混合组织混合组织铸铁焊接特点：焊缝金属的多样化而与母材成分有
27、铸铁焊接特点：焊缝金属的多样化而与母材成分有 较大差异较大差异“未完全混合区未完全混合区”：焊缝底部焊缝底部存在，成分受母材控制存在，成分受母材控制 物理化学冶金特性：接近于半熔化区物理化学冶金特性：接近于半熔化区将未完全混合区与半熔化区合称为将未完全混合区与半熔化区合称为“熔合区熔合区”“熔合区熔合区”白口：白口：未完全混合区白口（石墨化元素较焊未完全混合区白口（石墨化元素较焊 缝少，冷却时易生成白口）和半熔化区连在一起缝少，冷却时易生成白口）和半熔化区连在一起 形成较宽的白口带形成较宽的白口带异质焊缝的熔合区物理化学反应更为复杂异质焊缝的熔合区物理化学反应更为复杂铸件焊补后机械加工：铸件焊
28、补后机械加工：硬度硬度300HBW可以进行机械加工可以进行机械加工灰铸铁：硬度灰铸铁：硬度 190280HBW 焊接接头：高硬度白口（焊接接头：高硬度白口（500800HBW）及马氏体（约及马氏体（约500HBW）出现出现“打刀打刀”或或“让刀让刀”现象现象白口铸铁：收缩率高白口铸铁：收缩率高产生较大焊接应力产生较大焊接应力6.2.2 焊接裂纹焊接裂纹铸铁焊接接头出现裂纹：铸铁焊接接头出现裂纹：承载能力大大下降承载能力大大下降 整体结构也不能满足致密性要求整体结构也不能满足致密性要求 导致焊接失败导致焊接失败1、冷裂纹、冷裂纹（热应力裂纹）（热应力裂纹）温度：温度：500以下以下出现位置：出现
29、位置：焊缝及热影响区焊缝及热影响区均有较大冷裂纹敏感性均有较大冷裂纹敏感性不焊接仅局部加热至高温，冷却后就可能产生裂纹不焊接仅局部加热至高温，冷却后就可能产生裂纹1）冷裂纹产生的原因）冷裂纹产生的原因铸铁型同质焊缝：铸铁型同质焊缝：出现：焊缝较长或焊补部位刚度较大时容易出现出现：焊缝较长或焊补部位刚度较大时容易出现 即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生温度：温度：500以下以下伴随：脆性断裂的声音伴随：脆性断裂的声音冷裂纹很少在冷裂纹很少在500以上产生的原因：以上产生的原因：一方面是由于铸铁在较高温度下有一定塑性一方面是由于铸铁在较高温度下有一定塑性
30、另一方面是此时焊缝承受的焊接应力也较小另一方面是此时焊缝承受的焊接应力也较小铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源铸铁焊缝冷裂纹的裂纹源：片状石墨的尖端位置：片状石墨的尖端位置原因：片状石墨减小了焊缝金属的有效承载面积原因：片状石墨减小了焊缝金属的有效承载面积 且尖端会造成严重的应力集中且尖端会造成严重的应力集中灰铸铁灰铸铁500以下：强度低、塑性差以下：强度低、塑性差 焊接应力作用下焊接应力作用下片状石墨尖端裂纹源将穿过片状石墨尖端裂纹源将穿过F与与P的基体的基体 窄桥向前扩展窄桥向前扩展 焊缝止裂能力差焊缝止裂能力差形成尺寸较大贯穿焊缝金属脆性宏观裂纹形成尺寸较大贯穿焊缝金属脆性宏观裂纹2/10)(2ta
31、m式中：式中：0平均拉伸应力；平均拉伸应力；t 裂纹尖端的曲率半径；裂纹尖端的曲率半径；a 代表内部裂纹长度的一半；代表内部裂纹长度的一半；m 裂纹尖端处的最大应力裂纹尖端处的最大应力不同石墨形态铸铁，裂纹敏感性不同：不同石墨形态铸铁，裂纹敏感性不同：原因：石墨边缘形状不同原因：石墨边缘形状不同 应力集中程度不同，对基体组织割裂程度不同应力集中程度不同，对基体组织割裂程度不同 造成力学性能的差异造成力学性能的差异 止裂能力也有较大差别止裂能力也有较大差别灰铸铁：片状石墨边缘非常尖锐，应力集中系数大，灰铸铁：片状石墨边缘非常尖锐，应力集中系数大，抗拉强度低，塑性差，止裂能力也差抗拉强度低，塑性差
32、，止裂能力也差 冷裂纹倾向大冷裂纹倾向大球墨铸铁：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低球墨铸铁：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低蠕墨铸铁：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间蠕墨铸铁：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间低碳钢焊条焊接灰铸铁：得到钢焊缝低碳钢焊条焊接灰铸铁：得到钢焊缝 焊缝仍具有较大冷裂纹倾向焊缝仍具有较大冷裂纹倾向异质焊条焊接灰铸铁：异质焊条焊接灰铸铁：连续长焊缝产生横向裂纹并发出金属断裂声连续长焊缝产生横向裂纹并发出金属断裂声其中：其中：Ni-Cu焊缝：收缩率高、热应力大、裂纹倾向较大焊缝：收缩率高、热应力大、裂纹倾向较大 高钒钢焊缝：横向冷裂纹高钒钢焊缝：横向冷裂纹 铜钢焊缝：抗冷裂纹能力最
33、强铜钢焊缝：抗冷裂纹能力最强实质：实质：热应力超过其塑性变形能力时发生突然断裂行为热应力超过其塑性变形能力时发生突然断裂行为剥离性裂纹：剥离性裂纹：产生：异质材料焊接铸铁时产生：异质材料焊接铸铁时位置：熔合区、热影响区，沿焊缝与热影响区交界扩展位置：熔合区、热影响区，沿焊缝与热影响区交界扩展断口：呈脆断特征断口：呈脆断特征原因：脆弱的母材、热影响区及熔合区不能承受焊接时原因：脆弱的母材、热影响区及熔合区不能承受焊接时 过大的热应力引起过大的热应力引起总结：冷裂纹主要总结：冷裂纹主要受焊接应力即热应力的影响受焊接应力即热应力的影响，热应热应 力超过焊缝及热影响区的塑性变形能力力超过焊缝及热影响区
34、的塑性变形能力，白口白口 和马氏体和马氏体等脆硬组织通过影响焊缝及热影响区等脆硬组织通过影响焊缝及热影响区 金属的力学性能和热应力而金属的力学性能和热应力而促进裂纹促进裂纹，氢的影氢的影 响不大响不大。2）防止冷裂纹的措施）防止冷裂纹的措施应从应从减小热应力减小热应力入手入手防止铸铁型防止铸铁型同质焊缝同质焊缝出现冷裂纹最有效的措施：出现冷裂纹最有效的措施：对焊补工件进行对焊补工件进行整体高温预热整体高温预热（600700），），使焊缝金属处于塑性状态，并促进焊缝金属石墨化，使焊缝金属处于塑性状态，并促进焊缝金属石墨化，改善组织，充分降低焊接应力，并要求改善组织，充分降低焊接应力，并要求焊后在
35、相同温焊后在相同温度下消除应力度下消除应力加热减应区法：加热减应区法：缓解焊接区域的焊接应力缓解焊接区域的焊接应力 既可以避免高温预热，也能有效防止冷裂纹既可以避免高温预热，也能有效防止冷裂纹铸铁型焊缝：铸铁型焊缝：wC%，并，并加入一定量合金元素加入一定量合金元素，如如Mn（wMn=0.75%）、）、Mo（wMo=1.17%）Cu（wCu=1.85%）等）等 使焊缝金属在使焊缝金属在快冷条件下高温时能析出石墨快冷条件下高温时能析出石墨，较低温度下基体金属依次发生较低温度下基体金属依次发生贝氏体相变贝氏体相变和和马氏马氏 体相变体相变 利用利用二次连续相变产生的应力松弛效应二次连续相变产生的应
36、力松弛效应，可以有效，可以有效地防止焊缝出现冷裂纹地防止焊缝出现冷裂纹焊缝金属二次相变产生应力松弛效应的原因焊缝金属二次相变产生应力松弛效应的原因:一是在相变过程中金属塑性增加即一是在相变过程中金属塑性增加即相变塑性相变塑性 A B、A M 明显相变塑性现象；明显相变塑性现象；二是二是B和和M的比体积较的比体积较A、P及及F的的比体积比体积都大都大 相变过程中体积膨胀有利于相变过程中体积膨胀有利于松弛焊接应力松弛焊接应力贝氏体相变的有利作用：贝氏体相变的有利作用：伴随其相变伴随其相变 500250；马氏体相变产生的焊缝金属应力松弛：马氏体相变产生的焊缝金属应力松弛：一般从一般从200左右至室温
37、左右至室温 二次连续相变在二次连续相变在500以下整个温度范围的连续以下整个温度范围的连续有益效应，有益效应，使热应力未能达到焊缝金属的抗拉强度而使热应力未能达到焊缝金属的抗拉强度而避免冷裂纹避免冷裂纹异质焊缝：异质焊缝：为降低热应力，防止冷裂纹和剥离性裂纹，要求：为降低热应力，防止冷裂纹和剥离性裂纹，要求：焊缝金属应与铸铁有良好的结合性，强度适当焊缝金属应与铸铁有良好的结合性，强度适当 尤其是尤其是屈服强度低一些较为有利屈服强度低一些较为有利，并具有较好的塑性，并具有较好的塑性 和较低的硬度和较低的硬度钢焊缝：冷裂纹主要受母材高含碳量影响钢焊缝：冷裂纹主要受母材高含碳量影响采取冶金措施：降低
38、第一层焊缝含碳量采取冶金措施：降低第一层焊缝含碳量 钢焊缝具有合适钢焊缝具有合适wV/wC 纯铁素体基体上弥散分布细小纯铁素体基体上弥散分布细小 V4C3的钢焊缝的钢焊缝镍基或铜基焊材镍基或铜基焊材 焊缝为塑性良好的非铁合金焊缝为塑性良好的非铁合金 对冷裂纹不敏感对冷裂纹不敏感 常采用常采用“短段焊短段焊”、“断续焊断续焊”等工艺措施等工艺措施 或小规范焊接或小规范焊接白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影响解决：白口及马氏体等脆硬组织对冷裂纹的不利影响解决：冶金：冶金：铸铁焊缝铸铁焊缝增加增加C、Si含量配以缓冷促进石墨化含量配以缓冷促进石墨化 异质焊缝异质焊缝采用塑性良好的非铁合金材料采用
39、塑性良好的非铁合金材料工艺：工艺：预热焊预热焊方法方法防止焊接接头冷裂纹防止焊接接头冷裂纹2、热裂纹、热裂纹出现：出现：焊缝焊缝 结晶裂纹结晶裂纹铸铁焊缝铸铁焊缝：由于铁液凝固过程中析出石墨，体积膨胀，且流由于铁液凝固过程中析出石墨，体积膨胀，且流动性好，动性好，不会产生热裂纹不会产生热裂纹采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊材：采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊材：有较大热裂纹倾向有较大热裂纹倾向特点：没有开裂声特点：没有开裂声 宏观：表面因为高温氧化形成的宏观：表面因为高温氧化形成的蓝紫色特征蓝紫色特征 微观：沿一次奥氏体晶界开裂的沿晶断口形貌微观：沿一次奥氏体晶界开裂的沿晶断口形貌 并存在高温液态薄膜拉开
40、后回缩的皱褶并存在高温液态薄膜拉开后回缩的皱褶低碳钢焊条焊接灰铸铁：低碳钢焊条焊接灰铸铁：1）焊缝焊缝wC%高高 2）FeS-Fe 低熔点共晶低熔点共晶形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹形成焊缝底部热裂纹甚至宏观热裂纹镍基焊缝：镍基焊缝：1）母材）母材S、P杂质多，熔入镍基杂质多，熔入镍基A焊缝金属后，焊缝金属后，形成形成Ni-Ni3S2和和Ni-Ni3P低熔点共晶低熔点共晶 2）镍基焊缝凝固后为较粗大单相奥氏体柱状晶）镍基焊缝凝固后为较粗大单相奥氏体柱状晶凝固过程中易使低熔点共晶在凝固过程中易使低熔点共晶在A晶间连续分布，晶间连续分布，促进热裂纹形成促进热裂纹形成特点：沿奥氏体特点：沿奥氏体晶
41、间开裂晶间开裂，属于典型的结晶裂纹，属于典型的结晶裂纹影响因素：低熔点共晶物的数量多少及其熔点高低，影响因素：低熔点共晶物的数量多少及其熔点高低，焊缝合金系统及其结晶温度区间的大小焊缝合金系统及其结晶温度区间的大小研究表明：研究表明：1）增加焊缝硫、磷含量）增加焊缝硫、磷含量抗热裂纹性能明显下降抗热裂纹性能明显下降 2）调节焊缝金属中碳、硅、钴、稀土等合金元素）调节焊缝金属中碳、硅、钴、稀土等合金元素 含量，可得到抗热裂纹性能较佳的合金系统含量，可得到抗热裂纹性能较佳的合金系统图图6-6 碳对镍铁型焊缝金属热裂纹的影响碳对镍铁型焊缝金属热裂纹的影响Vbl：产生热裂纹的临界：产生热裂纹的临界 变
42、形速率变形速率Vbl值越大值越大焊缝金属抗热裂纹性能越好焊缝金属抗热裂纹性能越好wC%=2.38%：Vbl最大最大焊缝抗热裂纹性能最佳焊缝抗热裂纹性能最佳C-Fe-Ni三元合金相图：三元合金相图：焊缝焊缝 wC=2.38%：合金处于：合金处于共晶成分共晶成分 凝固温度区间最窄，焊缝金属晶粒细小凝固温度区间最窄，焊缝金属晶粒细小 又：晶间的又：晶间的S、P偏析较少偏析较少焊缝金属的抗热裂纹性能好。焊缝金属的抗热裂纹性能好。wC 2.38%：焊缝金属为过共晶：焊缝金属为过共晶 偏离共晶成分越远，凝固温度区间越大，偏离共晶成分越远，凝固温度区间越大，奥氏体晶粒粗化，晶间奥氏体晶粒粗化，晶间S、P偏析
43、加剧，偏析加剧，低熔点共晶相对增多低熔点共晶相对增多抗热裂纹性能下降抗热裂纹性能下降 稀土元素钇对镍铁性铸铁焊条的焊缝金属抗热裂纹稀土元素钇对镍铁性铸铁焊条的焊缝金属抗热裂纹性能有明显影响：性能有明显影响：适量：提高抗热裂纹性能适量：提高抗热裂纹性能 钇具有较强脱钇具有较强脱S、脱、脱P作用作用 使奥氏体晶间低熔点共晶物减少使奥氏体晶间低熔点共晶物减少 细化晶粒、促使石墨呈球状析出，细化晶粒、促使石墨呈球状析出，改善焊缝金属力学性能改善焊缝金属力学性能过量：钇在晶间偏析，与镍或铁形成低熔点共晶过量：钇在晶间偏析，与镍或铁形成低熔点共晶 恶化焊缝抗热裂纹性能恶化焊缝抗热裂纹性能6.2.3 球墨铸
44、铁的焊接性特点球墨铸铁的焊接性特点球墨铸铁焊接性特点：球墨铸铁焊接性特点：1）球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍石墨化和促进球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍石墨化和促进 AM的作用的作用2）由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以）由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以 铁素体为基体的球墨铸铁，塑性和韧性很好，对焊铁素体为基体的球墨铸铁，塑性和韧性很好，对焊 接接头的力学性能要求相应提高接接头的力学性能要求相应提高焊接接头中白口铸铁：使冲击韧度值大幅度下降焊接接头中白口铸铁：使冲击韧度值大幅度下降 对强度和塑性有较大不良影响对强度和塑性有较大不良影响出现白口铸铁部位容易萌生裂纹，促进形
45、成焊接冷裂纹出现白口铸铁部位容易萌生裂纹，促进形成焊接冷裂纹奥奥-贝球墨铸铁焊接性：比普通球墨铸铁更差贝球墨铸铁焊接性：比普通球墨铸铁更差1）铸铁）铸铁wSi%高高 奥奥-贝球墨铸铁基体贝球墨铸铁基体中贝氏体是中贝氏体是wC%很低的单相很低的单相 组织，不含碳化物，故又称之为组织，不含碳化物，故又称之为贝氏体铁素体贝氏体铁素体 贝氏体铁素体在相变过程中：贝氏体铁素体在相变过程中：排出排出C 周围周围A wC%=1.5%为焊接为焊接HAZ 奥氏体区形成高碳马氏体奥氏体区形成高碳马氏体 提供条件提供条件2）有些）有些含有少量合金元素含有少量合金元素 奥氏体区淬硬倾向更大奥氏体区淬硬倾向更大6.3
46、铸铁的焊接材料及工艺铸铁的焊接材料及工艺_ 6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点灰铸铁的焊接材料及工艺特点_ 1、同质焊缝电弧热焊、同质焊缝电弧热焊 2、气焊、气焊 3、手工电渣焊、手工电渣焊 4、异质焊缝电弧冷焊、异质焊缝电弧冷焊 5、灰铸铁的钎焊与喷焊、灰铸铁的钎焊与喷焊 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_ 1、气焊、气焊 2、同质焊缝电弧焊、同质焊缝电弧焊 3、异质焊缝电弧焊、异质焊缝电弧焊 6.3.3 其他铸铁的焊接特点其他铸铁的焊接特点_ 1、奥、奥-贝球墨铸铁贝球墨铸铁 2、蠕墨铸铁焊接、蠕墨铸铁焊接 3、白口铸铁焊接、白口铸铁焊接 6.3 铸铁的焊接材料
47、及工艺铸铁的焊接材料及工艺焊接方法：电弧热焊和不预热焊、气焊、手工电渣焊焊接方法：电弧热焊和不预热焊、气焊、手工电渣焊 以及气体火焰钎焊或喷焊以及气体火焰钎焊或喷焊焊接材料：同质焊条、异质焊条、铜基钎料及镍基或焊接材料：同质焊条、异质焊条、铜基钎料及镍基或 铁基喷焊粉铁基喷焊粉 其中，焊条：铁基合金、镍基合金其中，焊条：铁基合金、镍基合金 及铜基合金三大类及铜基合金三大类6.3.1 灰铸铁的焊接材料及工艺特点灰铸铁的焊接材料及工艺特点1、同质焊缝（铸铁型）电弧热焊、同质焊缝（铸铁型）电弧热焊电弧热焊：将铸铁件电弧热焊：将铸铁件预热预热到到600700，然后在，然后在塑性状塑性状 态下进行焊接态
48、下进行焊接，焊接温度不低于，焊接温度不低于500400，为防，为防 止焊接过程中开裂，止焊接过程中开裂，焊后焊后立即进行立即进行消除应力处理消除应力处理及及 缓冷缓冷的铸铁焊补工艺。的铸铁焊补工艺。预热：结构复杂且焊补处拘束度大预热：结构复杂且焊补处拘束度大整体预热；整体预热；结构简单、拘束度较小结构简单、拘束度较小大范围局部预热大范围局部预热高温预热作用：高温预热作用：1）减小了焊接区域的温差）减小了焊接区域的温差2）使母材从常温无塑性状态变为具有一定塑性）使母材从常温无塑性状态变为具有一定塑性 大大减小了热应力，避免开裂大大减小了热应力，避免开裂高温预热高温预热+焊后缓冷焊后缓冷 使焊缝和
49、半熔化区石墨化较为充分使焊缝和半熔化区石墨化较为充分 焊接接头可以完全避免白口及淬硬组织产生焊接接头可以完全避免白口及淬硬组织产生使用合适成分焊条：使用合适成分焊条：焊接接头硬度与母材相近，有优良加工性，力学焊接接头硬度与母材相近，有优良加工性，力学性能、颜色与母材一致性能、颜色与母材一致半热焊：预热温度在半热焊：预热温度在300400时称为半热焊时称为半热焊优点：优点：1）改善焊工劳动条件，降低焊补成本）改善焊工劳动条件，降低焊补成本2）对防止焊接热影响区出现）对防止焊接热影响区出现M及熔合区白口较有效及熔合区白口较有效 改善接头加工性改善接头加工性不利：铸件结构复杂、焊补处刚度较大时不利：
50、铸件结构复杂、焊补处刚度较大时 局部半热焊会增大热应力，促使产生裂纹局部半热焊会增大热应力，促使产生裂纹为保证焊缝石墨化，防止白口：为保证焊缝石墨化，防止白口：电弧热焊电弧热焊焊缝中焊缝中C、Si总量应稍高于母材总量应稍高于母材 wC%=3.0%3.8%wSi%=3.0%3.8%半热焊半热焊wC%=3.5%4.5%wSi%=3.0%3.8%类别类别名称名称型号型号焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）焊条及药芯焊丝熔敷金属或焊丝主要化学成分（质量分数）（%）备注备注CSiMnSPFeNiCu铸铁铸铁同质同质焊条焊条灰铸铁灰铸铁焊条焊条EZC2.04.0 2.56.5 0.750.
