關(guān)于灰鑄鐵的焊接性的探討

費(fèi)翔FEI Xiang

（石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，石家莊 050031）

（Shijiazhuang Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China）

0 引言

灰鑄鐵中碳主要以石墨狀態(tài)存在，呈現(xiàn)片狀，斷口呈灰色，也稱灰口鑄鐵。灰鑄鐵的化學(xué)成分主要是碳和硅，同時(shí)硫和磷的雜質(zhì)含量較高，使得在焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋。同時(shí)還具有強(qiáng)度低、塑性極差且在焊接過(guò)程中具有冷卻速度快及焊件受熱不均勻易產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力的特性，這就直接導(dǎo)致了其焊接性能很差。突出表現(xiàn)在焊接接頭易產(chǎn)生白口和淬硬組織及冷熱裂紋等方面。

1 焊接接頭的白口和淬硬組織產(chǎn)生的原因及防止措施

常用灰鑄鐵中，含碳約3%，含硅約2.5%，對(duì)其用焊條電弧焊進(jìn)行施焊時(shí)，焊接過(guò)程中白口組織主要集中在焊縫區(qū)、熔合區(qū)和奧氏體區(qū)。

焊縫區(qū)在焊接加熱過(guò)程中處于液相溫度以上。由于所選焊接材料的不同，焊縫成分分兩種：一種是鑄鐵成分，另一種是非鑄鐵成分。當(dāng)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)，由于熔池冷卻速度快，碳來(lái)不及析出形成石墨，焊縫主要由共晶滲碳體、二次滲碳體和珠光體組成。焊縫區(qū)基本呈現(xiàn)白口組織。即使在焊接過(guò)程中，增大焊接熱輸入，一定程度上可以減少白口組織的產(chǎn)生，但仍然不能將其消除，這是由鑄鐵組織的特性決定的。

熔合區(qū)溫度范圍很窄，處于液相線和固相線之間，溫度約為1150—1250℃，在焊接加熱過(guò)程中，部分鑄鐵母材融化變?yōu)橐后w，部分固態(tài)母材轉(zhuǎn)化為高碳奧氏體。冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟蔫T鐵將在共晶溫度區(qū)間繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生共晶滲碳體+奧氏體+二次滲碳體，最終將其產(chǎn)生的奧氏體全部轉(zhuǎn)換成珠光體白口鑄鐵。

奧氏體區(qū)處于固相線和共析溫度上限之間，加熱溫度范圍約為820—1150℃，此時(shí)，只存在固態(tài)相變。由于加熱溫度超過(guò)固相線，鑄鐵的基體被完全奧氏體化。在冷卻過(guò)程中，奧氏體首先析出二次滲碳體，而后進(jìn)行共析轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度緩慢降低時(shí)，奧氏體將轉(zhuǎn)變成珠光體組織，當(dāng)溫度急速降低時(shí)，奧氏體直接轉(zhuǎn)變成馬氏體組織。

很多鑄件補(bǔ)焊后要求加工，但是焊接接頭中所產(chǎn)生的白口組織和馬氏體組織硬而脆，容易引起裂紋，給加工帶來(lái)了很大的困難。白口組織和馬氏體組織主要是由于焊接接頭冷卻速度過(guò)快，影響了鑄鐵的石墨化過(guò)程造成的。所以，改變焊縫的化學(xué)成分或降低焊接接頭的冷卻速度能夠有效的防止這些組織產(chǎn)生。

在焊接過(guò)程中，可以通過(guò)增加焊縫的石墨化元素含量或使焊縫成為非鑄鐵組織來(lái)改變焊縫的化學(xué)成分。使焊縫不出現(xiàn)淬硬組織并具有一定的塑性，更利于機(jī)械加工。該方法可以有效解決焊縫區(qū)的白口組織問(wèn)題。但要想解決熔合區(qū)的白口現(xiàn)象，就必須減慢冷卻速度，延長(zhǎng)熔合區(qū)處于紅熱狀態(tài)的時(shí)間，讓石墨有充分時(shí)間析出，焊接前充分預(yù)熱，一般400-700℃，焊后保溫緩冷。確保接頭的有效石墨化。

2 焊接裂紋的產(chǎn)生的原因及防止措施

灰鑄鐵焊接過(guò)程中易產(chǎn)生的裂紋有兩種：冷裂紋和熱裂紋。

灰鑄鐵的焊接裂紋主要是冷裂紋，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沒(méi)有，因此非常容易產(chǎn)生冷裂紋，尤其是在焊接過(guò)程中，局部受熱或冷卻時(shí)，焊件本身的焊接應(yīng)力集中且較大，一旦釋放，必將產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。而且焊接接頭中的白口組織和淬硬組織又硬又脆，無(wú)法產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，極易引起開(kāi)裂。

灰鑄鐵焊接冷裂紋可以發(fā)生在焊縫中，也可以發(fā)生在熱影響區(qū)中，一般多發(fā)生在含有較多滲碳體及馬氏體的熔合區(qū)中。在焊縫較長(zhǎng)或補(bǔ)焊剛度較大的鑄件缺陷時(shí)，若焊縫中存在白口組織，其收縮率比灰鑄鐵大，焊縫中極易出現(xiàn)冷裂紋。

綜上所述，灰鑄鐵焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因是焊接應(yīng)力。

防止鑄鐵型冷裂紋產(chǎn)生的最有效的方法是對(duì)焊件進(jìn)行整體預(yù)熱550-700℃，并且焊后在相同溫度下消除應(yīng)力。還可以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，達(dá)到一定程度的消除應(yīng)力的作用，減少冷裂紋的產(chǎn)生。也可以從工藝角度，采用分段焊接或斷續(xù)焊接等工藝措施減小或消除焊接應(yīng)力；或者采用小電流焊接規(guī)范，減小熱輸入，減少熔合區(qū)的白口組織及淬硬層寬度，以減小焊接應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到防止裂紋的產(chǎn)生。

灰鑄鐵焊接的熱裂紋主要出現(xiàn)在焊縫上，當(dāng)焊縫為鑄鐵時(shí)，采用低碳鋼焊條或鎳基鑄鐵焊條焊接材料時(shí)，焊縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋。最簡(jiǎn)單的防止方法就是增強(qiáng)焊縫的脫硫磷能力，或者采用冷焊工藝降低焊接應(yīng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

灰鑄鐵焊接接頭裂紋傾向較大，這主要與灰鑄鐵自身的性能、組織、化學(xué)成分及焊接應(yīng)力等因素密切相關(guān)。本文從灰鑄鐵自身焊接性能差及其焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因和防止措施上對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終達(dá)對(duì)灰鑄鐵焊縫及鑄造缺陷的有效施焊，提高灰鑄鐵的使用性能。

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