灰口鑄鐵的焊接方法

摘 要：灰鑄鐵強度高，但塑性和韌性很低。在焊接過程中容易產生白口組織和裂紋，焊接時主要從防止上述焊接缺陷入手，可以采用熱焊法、冷焊法、氣焊區法等工藝方法進行焊接，減小焊接缺陷的產生。

關鍵詞： 熱焊法;冷焊法;減應區法

1.引言

灰口鑄鐵的強度低、塑性差。但是它生產工藝簡單，成本低廉，具有較好的耐磨性和切削加工性等優點，在工業上有較為廣泛的應用。鑄鐵零件大多是加工精度高、價格昂貴的基礎零件，如氣缸體、氣缸蓋、變速器殼體等。這些零件在制造和使用過程中，經常會出現裂紋、氣孔、損壞等情況。由于灰口鑄鐵具有較高的耐磨性，在正常使用情況下，鑄鐵類零件達到磨損極限時，尺寸變化非常小， 質量損失也只是很小的一部分，如果將零件報廢，會造成很大的浪費。因此，采用適當的修補措施，合理地修復鑄鐵零件，既能節約資源，又能節省成本。

2.灰口鑄鐵焊接時出現的問題

灰口鑄鐵（HT）中的碳主要是以片狀石墨的形態存在，片狀石墨的存在導致灰口鑄鐵的強度低、塑性差，并且灰口鑄鐵中碳、硫和磷等雜質含量較高，焊接時對冷卻速度變化特別敏感，。使得灰口鑄鐵焊接性較差，容易出現白口組織和裂紋【1】。

2.1白口組織

焊接灰口鑄鐵時，在冷卻過程中，熔合區時常會析出滲碳體，形成白口組織。主要原因是：焊接初期，在電弧熱的作用下，母材近縫區溫度迅速升高，達到 800℃以上時，原來灰口鑄鐵中游離狀態的石墨熔于鐵中，溫度越高，熔于鐵中的石墨也越多。但隨著電弧的離開，金屬溫度急速下降，熔于鐵中的碳來不及以石墨形式析出，而呈滲碳體出現，即所謂白口。這些白口組織硬而脆，力學性能極差，使得焊縫在焊后難以機械加工，甚至會導致開裂。

2.2裂紋

裂紋也是焊接灰口鑄鐵容易出現的焊接缺陷，灰口鑄鐵焊接接頭上的裂紋可能出現在焊縫金屬中，也可能出現在母材上。母材的裂紋一般出現近縫區，走向是縱向、橫向或斜向的。如果焊縫出現裂紋，不僅降低接頭的強度，還會影響工件的致密性，嚴重時，會使焊縫金屬和母材剝離，連接處失效 。如果焊縫強度高而母材強度低，或結合處產生白口時，由于白口鑄鐵收縮率與灰口鑄鐵收縮率相差較大，且塑性差，也會產生剝離。焊縫金屬內產生的裂紋，大多是橫向裂縫，偶爾也會有縱向及斜向分布的，在斷口處沒有高溫氧化色彩。裂紋發生時會伴隨著清脆的金屬開裂聲。一般發生在600℃以下，直到焊縫與焊件整體溫度均勻化之前。最容易發生裂紋的溫度在400℃以下。

3.灰口鑄鐵的焊接

灰口鑄鐵的焊接方法有以下幾種：

3.1熱焊法

熱焊法就是在焊接前將焊件整體或缺陷部位加熱到 600～700℃，然后用焊條電弧焊進行焊接，并在焊接過程中保持一定溫度，焊后在爐中緩冷的焊接方法。采用熱焊法，焊件冷卻緩慢，溫度分布均勻，有利于消除白口組織，減少應力，防止產生裂紋【2】。焊接質量較好，適用于中厚鑄件較大質量的焊補，如果用于薄件的焊接容易燒穿。但此法成本高，工藝復雜，生產周期長，焊接時勞動條件差。

3.1.1熱焊法焊接工藝

1）焊前準備 焊前認真清除缺陷周圍的油污和氧化皮，露出基體的金屬光澤;鑄件要清除砂眼、夾雜等缺陷。為防止裂紋在焊接過程中擴展，在裂紋兩端鉆止裂孔，鉆孔深度2～4mm，穿透性裂紋要鉆透。為保證接頭焊透，需要開坡口，一般坡口深度為焊件壁厚的2/3， 角度為70°～120°。將焊件放入爐中緩慢加熱至600～700℃進行預熱，預熱溫度不可超過700℃，否則會發生共析轉變，導致基體組織變化，也不可溫度太低，否則達不到應有的效果。

2）施焊 先用電弧加熱坡口，待基體金屬熔透后，再熔入焊條金屬;發現熔池中出現白亮點時，停止填入焊條金屬，為了在盡量短的時間內完成焊接，保證預熱溫度，要求采用大直徑焊條、大電流、長弧、連續焊。焊接時，從缺陷中心引弧，逐漸向邊緣熔化，當溫度低于預熱溫度時，要重新預熱后在焊接。為得到平整的焊縫， 焊接后的焊縫應稍高出鑄鐵件表面， 并將溢在焊縫外的熔渣重新熔化， 待降溫到半熔化狀態時，用焊絲沿鑄件表面將高出部分刮平。

3）焊后緩冷：隨爐緩慢冷卻至室溫（一般需48h以上），也可用保溫材料如：石棉灰或炭灰覆蓋，使焊縫形成均勻的組織， 同時防止產生裂紋。

3.2冷焊法

冷焊法就是焊件在焊前不預熱，焊接過程中也不輔助加熱，因此可以加速焊接生產率，降低成本，改善勞動條件，減少焊件因預熱時受熱不均勻而產生的變形和焊件已加工面的氧化。目前冷焊法正在推廣，并迅速發展。但是冷焊法在焊接后因焊縫及熱影響區的冷卻速度很大，極易形成白口組織。一種措施是提高焊縫石墨化的能力，即采用Z208或Z248焊條，適當提高焊縫中碳含量，保持一定的含硅量，因為石墨析出時體積膨脹，提高含碳量能夠減小焊縫收縮率，降低裂紋敏感率，硅能夠增加碳的活性，所以焊縫中應有一定的含硅量【3】。另一措施是提高熱輸入，采用大直徑焊條，大電流、長弧、直流反接、連續焊，來提高熔池的存在時間，焊后采取緩冷措施，能在一定程度上降低冷卻速度，減小白口組織和裂紋的產生。

3.3氣焊

灰口鑄鐵的氣焊是用氧—乙炔火焰作為熱源。火焰溫度一般小于3400℃，加熱和冷卻速度都較慢，有一定熱量傳導到母材上去，這相當于焊前對焊件進行局部預熱。灰口鑄鐵的氣焊分為熱氣焊和冷氣焊兩種。

熱氣焊法為了保證焊接接頭不出現白口組織，焊前將工件整體或較大范圍內局部加熱到 600-700℃，焊絲中應選擇碳、硅含量較高的。焊接工藝過程如下：焊前坡口清理、準備工作、預熱、焊接、保溫。其中清理、準備、預熱工藝與熱焊法相同。焊接要采用中性焰或弱碳化焰，否則石墨化元素碳、硅易燒損。

冷氣焊也叫加熱減應區法，就是焊前不對焊件進行加熱，而在施焊前和施焊中加熱焊件的“加熱減應區”， 使其與焊接區金屬產生一致的收縮，不阻礙焊縫的變形，從而減少內應力，降低裂紋傾向。加熱減應區的溫度通常為600℃至700℃之間，不能超過母材的相變溫度，最低不能低于400℃，因為溫度太低，就會使金屬的塑性不足，在選擇焊接方法時應注意一下原則：

針對不同的切削加工性、顏色、強度等選擇不同的焊接方法。焊條電弧焊熱焊法對于要求質量高、切削加工性好的鑄件最適合，焊條電弧焊冷焊法則適宜 于機加工的表面及不便于預熱的大型鑄件。冷氣焊法適合鑄件上拘束度較大部位的缺陷焊補。

針對不同的焊件體積、形狀、厚度及使用條件等選擇不同的焊接方法。 對于中小型薄壁零件（如氣缸）采用氣焊、冷焊、熱焊均可，對于較大的零件應采 用氣焊熱焊法。

4.結論

在焊補灰鑄鐵時，往往會在熔合線處生成一層白口組織，或整個焊縫斷面全部白口化，因白口組織硬而脆，它的冷卻收縮率又比基體金屬灰鑄鐵大的多，使焊縫金屬在冷卻時更易于開裂。 在焊接時必須采取相應的防止措施。如減慢焊縫的冷卻速度;焊前預熱和焊后緩冷;通過采用電弧熱焊法、冷焊法、氣焊等方法和相應工藝措施可以減少焊接缺陷的產生。

參考文獻

[1]鞏建軍.灰口鑄鐵的焊接性分析[J].酒鋼科技，2015（03）：21-25+42.

[2]王澤蔭，馬云，李宗義.灰口鑄鐵電弧熱焊法補焊工藝的研究[J].湖南農機，2014，41（08）：57-58.

[3]黨萬良.灰口鑄鐵手工電弧冷焊工藝[J].海南礦冶，1998（04）：19-20.

作者簡介：

劉子建（1972-），男，遼寧工程職業學院教師，副教授.