灰铸铁的焊接方法(2)

灰铸铁的焊接方法铸铁具有成本低，铸造性能、减震性能、耐磨性能与切削加工性能优良等很多优点，而且熔炼设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用。灰铸铁中的石墨以片状存在，应用广泛，其焊接主要应用于以下方面：（1）铸造缺陷的补焊  很多工厂都有铸造车间，一般铸件废品率都很高，采用焊接方法修复这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且还可大大降低铸件成本。（2）损坏铸铁件的补焊  由于各种原因，使铸铁在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使产品报废。要更换新的，有的一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机械加工的，价格往往也很贵。若能及时用焊接方法修补，不仅有利于生产任务的完成，而且可以节约大批资金。（3） 零件的生产  即把铸铁件与刚件或其他金属件焊接起来成零部件。灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向是比较大的，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及化学成分有关。为防止焊接时产生裂纹，在生产中主要时采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施2.1 焊缝为铸铁型的电弧冷焊电弧冷焊的特点是焊前对被补焊的焊件不预热。所以电弧冷焊有很多优点，焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过程短，补焊效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的以加工面等情况更适于采用冷焊。所以冷焊是一个发展方向。2.2铸铁型焊缝电弧冷焊的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 要点在冷焊条件下，为了防止焊接接头上出现白口及淬硬组织，还应从减慢焊接接头的冷却速度着手。为此应采用大直径焊条，大电流连续焊工艺。同质焊缝时若采用小电流断续焊工艺，由于冷却速度快，焊缝易出现白口，焊缝易裂，切无法加工。但当补焊缺陷面积小时,因熔池体积过小，冷却快，焊接接头仍易出现白口。如果情况允许，可把缺陷面积适当扩大，则可消除白口。焊接时，使用直流反接电源，进行大电流、长弧、由中心向边缘连续焊接。当坡口焊满后不要停弧，用电弧沿熔池边缘靠近砂型移动，使焊缝堆高，一般焊缝的高度要超出工件表面5-8mm。由于电弧热通过上层焊缝传入半熔化区，使其在红热状态延续一段时间，不仅减慢冷却速度，有利于石墨充分析出；并延长了焊缝上部半熔化区的存在时间，有利于焊缝中碳的扩散，使白口组织减小或消除。此外，同质焊缝冷焊时，焊后电弧应立即覆盖熔池，以保温缓慢冷却。铸铁型焊条电弧冷焊较电弧热焊工艺简便，焊接成本交低，在补焊较大缺陷时，只要运用工艺适当，焊后焊缝的最高硬度不超过250HBS，加工性能好。当补焊区的刚性较小时，由于焊缝能自由收缩，焊后一般不会产生裂纹，而且性能、颜色与母材一致。但是，由于焊缝仍为灰铸铁组织，强度低、无塑性，所以采用大电流连续焊工艺，焊件局部受热严重，故补焊大刚度缺陷时容易出现焊缝裂纹。但在补焊钢度不大的中、大型缺陷时，可获得满意的效果。该法在机床厂及铸造厂等中等厚度以上焊件的缺陷补焊上得到一定应用。2.3异质焊缝的电弧冷焊异质焊缝又称为非铸铁型焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常用的方法。因铸件在焊接中不需要预热，使焊接过程大大简化，不仅降低了焊接成本，而且使焊接操作者的工作条件得到改善。此外，它还有适应范围广，可进行全位置焊接及焊接效率高等特点，所以异质焊缝电弧冷焊是一种很有前途的焊接工艺方法。异质（非铸铁型）焊缝的电弧2.3.1冷焊工艺要获得好的焊接质量，不仅要根据补焊要求来正确选择焊接材料，而且要注意掌握焊接工艺要点。异质焊缝的电弧冷焊工艺要点可归纳为四句话：“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”。2.3.2焊前准备焊前准备工作很重要，通常是指清除焊件缺陷处的油污等其它杂质，正确观察缺陷的情况（如裂纹的长度等）及将缺陷制成适当的坡口，以备焊接。常用的铸铁清理方法有两种，一种采用砂轮、钢丝刷或扁铲等工具的机械清理法；另一种是采用三氯乙烯、苛性钠、汽油、丙酮等化学溶剂洗涤的化学方法。清除油污也可用火焰将铸件分段加热，加热到不冒烟为止，否则焊缝易出现气孔等缺陷。为防止产生过大的热应力，加热温度应控制在400℃以下。裂纹缺陷可用肉眼观察，最好用放大镜观察，必要时还可借助水压试验、渗煤油试验。为了防止在焊补过程中裂纹扩散，应在离裂纹端部3～5mm处钻止裂孔（φ5～φ8mm）。当铸件厚度或缺陷深度大于5mm时应开破口，破口表面应尽可能平整。开破口的原则是，在保证顺利施焊及焊接质量的前提下尽量较少破口角度及母材的熔化量，以降低焊接应力及焊缝中碳、硫量，防止裂纹发生。2.3.3冷焊工艺要点当采用与铸铁异质的焊接材料进行电弧冷焊时，在保证电弧稳定及焊透情况下均采用合适的最小电流焊接。这是基于下列原因：1）电流小，溶深小，铸铁中的碳、硫、磷等有害物质可少进入焊缝，有利于提高焊缝质量。寒风中硫、磷多了，易出现热裂纹。焊缝中碳多，对高钒焊条、普通低碳钢焊条及二氧化碳气体保护焊第一层焊缝的有害作用特别明显，这在前面以分析过了。2）冷焊时，随电流减小，在焊接速度不变的情况下减小了焊接热输入，不仅减小了焊接应力，使焊接接头出现裂纹的倾向减小，而且也减小了整个热影响区宽度，其中包括减小了最易形成白口的半溶化区宽度，使白口层变得薄些。小直径焊条更能采用小电流，故一般最好采用小直径焊条。为了减少焊接热输入，以减低应力及减少半溶化区宽度，应适当提高焊接速度，不作横向摆动。异质焊缝电弧冷焊时，故采用短段焊、断续分散焊及焊后锤击的冷焊工艺。焊缝越长，焊缝所承受的拉应以越大，故采用短段焊有利于减低焊缝应力状态，减少焊缝发生裂纹的可能性。采用异质材料进行铸铁冷焊时，一般每次焊缝长度，薄壁件取10～20mm，厚壁件取30～40mm。焊后应立即用小锤快速锤击处于高温而具有较高塑性的焊缝，以松弛补焊区应力，防止裂纹的产生。为了尽量降低补焊处的温度，减少应力，易待焊件冷却至不烫手时（50～60℃）再焊下一道焊缝，依此类推。为了避免被焊件局部过热以增大焊接应力，可采用分散焊法。2.4厚大件多层焊的补焊工艺特点当被补焊的焊件较厚时，开坡口后坡口截面积很大，都要采用多层焊。由于多层焊时焊接应力较大，较易发生剥离性裂纹，故应进一步采取如下工艺措施。2.4.1合理安排多层焊焊接顺序 一般情况下，可按上述冷焊工艺要点采用如图6-7所示的焊接顺序。若先在坡口面上覆盖一层，再按图6-7所示的焊接顺序进行焊接，抗剥离性裂纹效果更好些。2.4.2必要是采用栽丝法铸铁冷焊时，焊接热影响区的白口区附近是最薄弱的环节，故多层焊接时，由于焊接接头应力较大，较易在该区发生剥离性裂纹。采用栽丝法（图6-8）就是人为地使该区应力的大部分由栽丝材料（低碳钢）来承担，从而防止剥离性裂纹的发生。焊接时，先绕螺钉施焊，再焊螺钉之间。必要时，为了减少焊接金属量，减低收缩应力，还可以在焊缝中间放入窄的低碳钢板条，这样做的另一个好处是提高焊接效率及节省焊条。栽丝法多用于承受较大工作应力的厚大焊件（如大型机器器座等）的裂纹焊补。2.5灰铸铁的焊接工艺由灰铸铁的焊接性可知,灰铸铁在焊接中主要是容易产生白口组织和出现裂纹,故应从防止上述缺陷入手,从多方面考虑来选择焊接方法和制定合理的焊接工艺.灰铸铁的其他焊接方法3.1 电弧热焊及半热焊将焊件整体或有缺陷的局部位置预热到600~700度，然后进行补焊，焊后并进行缓冷的铸铁补焊工艺，人们称之为“热焊”。预热温度范围为300~400度称为“半热焊”。3.1.1热焊及半热焊焊条电弧热焊及半热焊的焊条均有两种类型，一种为铸铁芯石墨化铸铁焊条；另一种为钢芯石墨化铸铁焊条。为了使填充金属为铸铁成分，以保证焊缝充分石墨化，同时补充烧损，这类焊条的碳，硅总量一般高于母材，w(CSi)=6%~7.6%,其中w(C)=3%~3.8%,w(Si) =3%~3.8%。“Z208”主要用于补焊厚大铸件的缺陷,这类焊条所用焊芯为 6~ 12mm铸铁棒,外涂石墨化药皮,这种焊条多由使用单位自制,专业焊条厂很少生产。铸铁芯焊条直径大，可配合使用大焊接电流，以加快焊接速度，缩短工人从事热焊的时间，有利于降低焊工的劳动强度。由于铸铁芯焊条制造工艺较钢芯焊条复杂，故成本高于“Z208”。“Z208”焊条采用低碳钢焊芯，外涂强石墨化药皮，焊缝为铸铁型。由于焊条药皮加入了较多的强促进石墨化的物质，如硅铁，石墨，铝粉等，虽焊芯为低碳钢，在热焊及半热焊条件下仍可保证获得成分与组织为灰铸铁的焊缝。这类焊条原材料来源丰富，生产制造方便，成本也较低，一般专业焊条厂均可生产。3.1.2 热焊工艺电弧热焊时，一般将铸件整体或补焊区局部预热到600~700度，然后再进行焊接，焊后保温缓冷。热焊预热温度一般在700度以下，不超过铸铁的共析转变温度。因为，超过共析转变温度时，焊后会引起铸铁的基体组织变化，珠光体基体中的渗碳体会在共析转变时分解并形成石墨，使铸件的硬度和耐磨性降；而且在石墨析出时，还伴随着体积长大，使铸件的变形增加。再者，铸铁宰600~700度预热温度下焊接，不仅有效地减小的接头的温差，而且铸铁由常温时完全无塑性变为有一定的塑性, 加之焊后缓慢冷却, 使接头的应力状态大为改善, 从而有效地防止了冷裂纹的产生。热焊工艺具体如下：1）预热  对结构复杂的铸件，由于补焊区刚性大，焊缝无自由膨胀收缩的余地，故宜采用整体预热；而结构简单的铸件，补焊处刚性小，焊缝有一定膨胀收缩的余地，例如铸件边缘的缺陷及小块断裂，则可采用局部预热。整体预热的方法一般是将铸件整体用地炉或砖砌明炉加热，局部预热可用气焊或煤气火焰加热。大型工厂中铸件补焊批量大时，常装备有专门进行预热的连续式煤气加热炉。铸件补焊前，进行装有传送带的煤气加热炉，依次经过低温，中温及高温加热，使焊件升温缓慢而均匀，然后出炉补焊。补焊后再把焊件送入另一传送带，反过来由高温区到低温区出炉，以消除补焊后的残余应力。2）焊前清理  在进行电弧热焊之前，首先应对铸件的待焊部位进行清理，并制好坡口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙 火焰加热除净，然后根据缺陷的情况，可采用手砂轮，扁铲，风铲等工具进行加工。制作坡口时应铲到无缺陷后再开坡口，开出的坡口应是底部圆滑，上口稍大，以便于操作和保证焊接质量。3）造型  对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证原定的焊缝成形， 还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图6-5所示。造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置高温的石墨片，以防止造型材料受热溶化或下塌，并应在焊前进行烘干。4）焊接  焊接时，为保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流，长弧，连续焊。焊接电流I的确定，可根据经验公式: I=（40~60）d。式中d表示焊条直径。因铸铁焊条药皮中含又较多的高熔点难熔物质石墨， 采用适当的长弧焊。将有利于药皮的熔化以及石墨向焊缝中过渡。5）焊后缓冷  焊后要采取缓冷措施，常用保温材料覆盖，最好随炉冷却，电弧热焊适用于中厚铸件的大缺陷补焊。对于8MM以下的薄壁铸件补焊理时，因容易烧穿，故不宜使用。采用电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本于母材相同，颜色与母材一样，具有良好的切削加工性，焊后残佘应用力小，接头质量高，但是，由于铸件的预热的温度高，使操作者的工作条件恶化；同时加热消耗燃料多，会使补焊成本增高；另外，焊接工艺复杂化，增加了生产周期，使生产效率降低。因此，电弧热焊工艺的应用和发展都受到了较大的限制。3.1.3 半热焊工艺 为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当的提高焊缝的石墨化能力，采用300—400摄氏度的整体或局部的预热，用于钢度较小的铸件焊接，也以收到较小的效果。由于预热温度有一定程度的降低，与前述热爆相比，可以使劳支条件有所改善，并可降低补焊成本，当预热温度在400摄氏度左右时，铸铁的弹性变形能力略有增加，故在铸件补焊处应较小时，往往采用这种半热焊工艺。半热焊预热温度较低，铸件在焊接时的温度差要比热焊条件不大，故焊接区冷焊速度将加快。因此，为了防止产生白口组织和裂纹，保证焊缝石墨化，焊缝中的石墨化元素含量一般时应高于热焊时的含量，其碳、硅总量为W（CSI）=6.5%—8.3%，其中W（C）=3.5%—4.5%，W（SI）=3%—3.8%。一般情况下可采用“Z208”或“Z248”铸铁焊条。半热焊工艺过程基本与热焊进相同，大电流、长弧、连续焊，焊后保温缓冷。由于半热焊预热温度比热焊低，在加热时铸件的性变形不明显，因而在补焊区刚性较大时，不易产生变形，内应力增在而导致接头产生裂纹等缺陷。因此，电弧半热焊只能用于补焊区刚度较小或铸件形状简单的情况下。3.2 气焊氧乙炔焊温度比电弧温度低很多，而且热量不集中，很适于薄壁铸件的补焊。一般气焊时，需要较长时才能将补焊处加热到补焊温度，而且加热面积又较大，实际上相当于补焊处先局部预热再进行焊接的过程。故在采用适当成分的铸铁焊芯对薄壁件缺陷进行气焊补焊理，由于冷却速度较慢，有利于石墨化过程的进行，焊缝易得到灰铸铁组织，而焊接热影响区也不易产生白口或其他淬硬组织。但由于一般气焊时加热时间长，焊任件受热面积较大，焊接热应力较大，故补焊高度较大的缺陷时，比热焊容易发生冷裂纹，所以一般气焊主要适用于刚度较小的薄壁件的缺陷补焊。对刚度大的薄壁件缺陷补焊时，为了减接焊接应力，防止裂纹出现，宜采用焊件整体预热的气焊热焊进行。预热温度为600—700摄氏度，焊后应采取缓冷措施。由于热焊具有能量消耗大，劳动条件大等缺点，焊接工作者又探索成功了较简便宜的“加热减应区”的气焊方法，对某些刚度较大的缺陷的补焊也获得了成功。3.2.1气焊焊接材料 灰铸铁气焊时焊缝冷却速度较快，为提高焊缝石墨化能力，保证焊缝有合适的组织及硬度，其焊丝中碳、硅含量应较热焊时较高。气焊过程中焊丝中的碳及硅都有一些氧化烧损，故焊缝中实际含碳、硅量较焊丝有一定降低。气焊热焊时焊缝w(CSi)总量约为6%，相当于电弧热焊时的况。一般气焊时，焊缝中w(CSi)总量约为7%。铸铁气焊焊丝成分如表6-4所示。铸铁气焊焊接时，由于硅易氧化而生成酸性氧化物SiO2，其熔点较铸铁熔点为高，粘度较大，流动性不好，妨碍焊接过程的正常进行，而且易使焊缝造成夹渣等缺陷，故应设法去除。去除的办法是加入以碱性氧化物为主所组成的熔剂，使其结成低熔点的渣，而容易浮到熔池表面上便于清除。我国焊接铸铁所有气焊溶剂的统一牌号为“CJ201”，其主要成分为Na2CO3,NaHCO3,H3BO3,呈碱性，熔点较低，易潮解。除外购外，气焊熔剂也可自制。3.2.2灰铸铁气焊工艺气焊前要对铸件进行清理，其焊前清理和准备工作基本与焊条电弧焊相同。制备坡口一般可采用机械方法。当铸件断面很小或不能用机械方法开坡口时，也可用氧气切割直接开出坡口。气焊时，应根据铸件厚度适当选用较大焊码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能率，增大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化焰。因为，氧化气氛会使熔池中碳，硅等元素烧损增加，影响焊缝的石墨化过程。为防止熔池金属流失，在焊接中应尽量保持水平位置。铸件焊后可自然冷却，但注意不要放在空气流通的地方加速冷却，否则会促使白口及裂纹产生。一般较小的铸件气焊时，凡是缺陷位于边角和刚度较小的地方，可用冷焊方法。其特点是不用单独预热，仅依靠焊炬的火焰在坡口周围进行预热后即可熔化施焊，焊后自然缓冷一般就可得到无裂纹缺陷的接头。但是，当缺陷位于铸铁中央，接头刚度较大或铸件形状较复杂时，采用冷焊的效果往往不好，应采用预热温度为600~700摄氏度的热焊法，或者是“加热剪应区”法焊接。采用加热减应区法是气焊铸铁的常用方法，这种方法又叫“对称加热焊”，用这种方法在焊接前，要在铸件上选定加热后可使接头应力减小的部位，该部位称为“感应区”，减应区一般是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。如图6—6所示，在焊接时，先将减应区加热到一定的温度，便其膨胀伸长；要补焊的裂纹处宽度也将会随之增大；这时对补焊处进行焊接，并应保持减应区处于较高的温度。焊接后减应区与焊缝同时缓冷，接头和减应区将沿同一方向自由收缩，故使焊接应力减小，降低了其产生裂纹的倾向。由以上分析可见，加热减应区焊接的关键是选取减应区。在选取减应区时还应注意，该区的变形应对铸件其他部位无不良影响。根据铸件的状态和需要，加热减应区可选择一处，也可选择两处或多处。减应区的加热，应根据铸件的状态灵活运用。例如，补焊薄壁铸件，接头冷却速度较快时，应首先对减应区加热，并在焊接中保持加热温度；而有些铸件形态不太复杂，接头焊后不会马上出现裂纹，为保证减应区与焊接区同时收缩，可在焊接接近终了时才对减应区进行加热。有时为了方便操作及加热，可使用两把焊炬，一把用于焊接，另一把则用于加热减应区，其效果会更好。采用加热减应区法焊接铸件，具有热焊的特点。与热焊相比，该法焊接效率高，劳动条件好，其焊接成本也较低。但是，这种气焊方法对工艺要求也比较严格，减应区的选择也颇为麻烦，故对焊接操作者要求很高。另外，这种方法也不适于全位置焊接。随着加热减应区法的发展与完善，使过去某些采用整体预热方可补焊的铸件，可用较简便的加热减应区法所代替。所以，这种方法在农机、汽车修理、制造部门得到了推广应用。加热减应区法，有时也可和焊条电弧焊联用，采取氧乙炔焰加热减应区与电弧冷焊相配合，也能收到满意的效果。3.3 灰铸铁的钎焊钎焊时母材不熔化，故对避免铸铁焊接接头出现白口是非常有利的，使接头有优良的加工性。此外，钎焊温度较低，焊接接头应力较小，二接头上又无白口等组织，对发生裂纹的敏感性也较小，所以研究钎焊方法来补焊铸铁很早就被人们所注意。国内外一般都采用氧乙炔焰钎焊铸铁。过去一直多采用黄铜钎料，其成分为：w(Cu)53%～55%，其余为Zn。这种钎料我国有定型产品，型号为“HL103”。 钎剂可用硼砂。黄铜钎焊铸铁在我国有一定的应用。黄铜钎焊的缺点是：①钎焊接头强度偏低，一般为117.6～147MPa.②钎焊处呈金黄色，与母材颜色差异大。故黄铜钎焊在一些修配厂应用还是可以的，但应用于要求较高的新铸铁件缺陷的补焊上往往难于满足要求。经研究发现，黄铜钎焊焊缝的本身强度并不低（σb＞196MPa），而接头破坏基本都发生在与母材连接的钎接面上，这说明接头强度低主要是因钎焊接头上扩散过程不充分引起的，其原因是铜、锌常温时在铁中的溶解度都非常微小所致。经过对有关相图分析，可以知道在上述黄铜的基础上加入一定量的锰有利于问题的解决。因为锰在黄铜及铁中都有较大的溶解度，有利于钎焊接头扩散过程的进行；而且锰颜色发黑，加入黄铜中有利其颜色向铸铁靠近。但锰加入后易形成脆性β相，使钎焊焊缝塑性降低。而镍在上述黄铜中能扩大α相区，可以消除锰的这种有害作用，同时加入镍也有利于扩散过程的进行。在黄铜中加入少量的锡可提高钎料的流动性。加入少量的铝可防止锌的氧化剂蒸发。近年来，我国已经在研制出新型的锰镍铜锌钎料及相应的钎剂（见表6-7和表6-8），用于铸铁的钎焊取得较好的效果。利用上述钎料及钎剂焊铸铁可在700℃左右进行（比一般黄铜钎焊温度低200℃），可保证钎焊接头无任何高硬度组织出现，钎缝硬度165～199HV，热影响区硬度200HV左右，母材（HT200）硬度201～221HV，切削加工性能非常优良，完全可以满足流水线上任何机加工要求。钎焊接头强度σb＞196MPa，完全满足HT200铸铁力学性能的要求，颜色与铸铁接近。我国以生产上述钎料与钎剂，主要用于加工面撒谎那个小缺陷焊补。与电弧焊、气焊不同，钎焊前必须用机械方法将钎焊处露出金属光泽，否则钎焊不上，这可能影响在铸铁钎焊上的推广。3.4细丝CO2气体保护焊   细丝CO2气体保护焊 是短路过度过程，采用小电流、低电压焊接，母材熔深浅；而且伴随小电流小电压，母材第一层的熔合比也有所减小。此外，细丝CO2气体保护焊有一定的氧化性，对焊缝中碳的氧化烧损也能起一定作用，这些都可使焊缝含碳量得到降低。