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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_纯纯铁铁铸铁：铸铁：wC%2.11%的铁碳合金的铁碳合金铸铁铸铁：wC%2.11%的铁碳合金，由工业生的铁碳合金，由工业生铁铁、废钢废钢等钢铁等钢铁及其合金材料经过高温熔融和及其合金材料经过高温熔融和铸造铸造成型而得到成型而得到 工业常用铸铁：工业常用铸铁：Fe-C-Si合金合金 同时含有一定量同时含有一定量Mn、杂质元素、杂质元素P、S等等特点特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小熔点低、液态下流动性好、结晶收
2、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 在汽车、农机和机床中获得了广泛应用在汽车、农机和机床中获得了广泛应用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碳在铸铁中在铸铁中存在的形式存在的形式和和石墨形态：石墨形态：白口铸铁白口铸铁、灰铸铁灰铸铁、可锻铸铁可锻铸铁、球墨铸铁球墨铸铁及及蠕墨铸铁蠕墨铸铁白口铸铁：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
3、，极少单独使用，极少单独使用 是制造可锻铸铁的是制造可锻铸铁的中间品中间品 表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊轧辊 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大差别力学性能力学性能：球墨铸铁：球墨铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 灰铸铁灰铸铁 石墨形式：球状石墨形式：球状 团絮状团絮状 蠕虫状蠕虫状 片状片状球墨铸铁球墨铸铁：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
4、 球状球状 对基体割裂作用小对基体割裂作用小力学性能大幅提高力学性能大幅提高 应用仅次于灰铸铁应用仅次于灰铸铁灰铸铁灰铸铁：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间 摩擦性均优良，摩擦性均优良，工业中应用最广泛工业中应用最广泛 片状片状石墨：对基体严重割裂作用石墨：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：由白口铸铁经长时间石墨化退火获得由白口铸铁经长时间石墨化退火获得团絮状团絮状 塑性比灰铸铁高塑性比灰铸铁高 退火处理时间长，成本高，应用受限制退火处理时间长，成本高，应用受限制蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：石墨呈石墨呈蠕
5、虫状蠕虫状，头部较圆，头部较圆 比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好性能好,在工业中属于初期推广应用阶段在工业中属于初期推广应用阶段铸铁基体组织：铁素体铸铁基体组织：铁素体F、珠光体珠光体P或或二者的混合物二者的混合物 是在是在钢的基体上加上石墨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 Q235钢：钢：b=375460MPa，伸长率，伸长率2126
6、%灰铸铁灰铸铁：b=100350MPa，伸长率，伸长率铸件在砂型中的冷却速度铸件在砂型中的冷却速度焊缝成分为焊缝成分为铸铁铸铁，即同质焊缝时：，即同质焊缝时：焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体，即具有焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体，即具有莱氏体组织的莱氏体组织的白口组织白口组织白口组织：硬而脆，硬度高达白口组织：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同质铸铁焊缝
7、，要求：，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，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灰铸铁焊接灰铸铁焊接异质焊缝异质焊缝：低碳钢焊条低碳钢焊条焊接灰铸铁，尽量采用小电流，减少焊接灰铸铁，尽量采用小电流，减少母材熔化量，并配合预热等措施减缓冷却速度，防止马母材熔化量，并配合预热等措施减缓冷却速度，防止马氏体相变，以获得珠光体类型组织
8、为主的钢焊缝氏体相变，以获得珠光体类型组织为主的钢焊缝 或采用或采用镍基奥氏体镍基奥氏体焊条焊条灰铸铁焊接灰铸铁焊接2、半熔化区、半熔化区高温下：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）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3、奥氏体区、奥氏体区温度范围：温度
9、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差别奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生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，且奥氏体晶粒较小随后
10、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 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铸铁焊接特点：焊缝金属的
11、多样化而与母材成分有 较大差异较大差异“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6.2.2 焊接裂纹焊接裂纹1、冷裂纹、冷裂纹（热应力裂纹）（热应力裂纹）铸铁焊接的常见缺陷铸铁焊接的常见缺陷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温度：温
12、度：500以下以下出现位置：出现位置：焊缝焊缝及及热影响区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铸铁型同质焊缝同质焊缝：出现：出现：焊缝较长焊缝较长或焊补部位或焊补部位刚度较大刚度较大时容易出现时容易出现 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冷裂纹很少在很少在500以上产生以上产生的原因：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
13、由于铸铁在较高温度下有一定塑性 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2/10)(2tam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1）冷裂纹产生的原因）冷裂纹产生的原因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
14、、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的基体窄桥向前扩展的基体窄桥向前扩展 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1）冷裂纹产生的原因）冷裂纹产生的原因不同不同石墨形态石墨形态铸铁，裂纹敏感性不同：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 应力集中应力集中程度不同，对基体组织割裂程度不同程度不同，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 止裂能力止裂能力也有较大差别也有较大差别灰铸铁灰铸铁：片状石墨片状石墨边缘
15、非常尖锐，应力集中系数大，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，止裂能力也差 冷裂纹倾向大冷裂纹倾向大球墨铸铁球墨铸铁：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低：冷裂倾向比相同组织的灰铸铁低蠕墨铸铁蠕墨铸铁：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间：冷裂倾向处于灰铸铁和球墨铸铁之间焊缝冷裂纹倾向焊缝冷裂纹倾向低碳钢焊条低碳钢焊条焊接灰铸铁：得到钢焊缝，容易出现马氏体焊接灰铸铁：得到钢焊缝，容易出现马氏体或二次渗碳体，焊缝仍具有或二次渗碳体，焊缝仍具有较大冷裂纹倾向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
16、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焊缝冷裂纹倾向焊缝冷裂纹倾向异质焊缝的剥离性裂纹异质焊缝的剥离性裂纹：钢焊缝、镍基焊缝力学性能比铸铁钢焊缝、镍基焊缝力学性能比铸铁 母材好，但收缩率大，造成焊缝底部或热影响区裂纹，母材好，但收缩率大，造成焊缝底部或热影响区裂纹，严重时使焊缝金属与母材分离。严重时使焊缝金属与母材分离。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：冷裂纹主要受焊接应力即总结：冷裂纹主要受焊接应力即热应力的影响热应力的影响，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
