灰口铸铁的焊接方法

摘 要：灰铸铁强度高，但塑性和韧性很低。在焊接过程中容易产生白口组织和裂纹，焊接时主要从防止上述焊接缺陷入手，可以采用热焊法、冷焊法、气焊区法等工艺方法进行焊接，减小焊接缺陷的产生。

關键词： 热焊法;冷焊法;减应区法

1.引言

灰口铸铁的强度低、塑性差。但是它生产工艺简单，成本低廉，具有较好的耐磨性和切削加工性等优点，在工业上有较为广泛的应用。铸铁零件大多是加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器壳体等。这些零件在制造和使用过程中，经常会出现裂纹、气孔、损坏等情况。由于灰口铸铁具有较高的耐磨性，在正常使用情况下，铸铁类零件达到磨损极限时，尺寸变化非常小， 质量损失也只是很小的一部分，如果将零件报废，会造成很大的浪费。因此，采用适当的修补措施，合理地修复铸铁零件，既能节约资源，又能节省成本。

2.灰口铸铁焊接时出现的问题

灰口铸铁（HT）中的碳主要是以片状石墨的形态存在，片状石墨的存在导致灰口铸铁的强度低、塑性差，并且灰口铸铁中碳、硫和磷等杂质含量较高，焊接时对冷却速度变化特别敏感，。使得灰口铸铁焊接性较差，容易出现白口组织和裂纹【1】。

2.1白口组织

焊接灰口铸铁时，在冷却过程中，熔合区时常会析出渗碳体，形成白口组织。主要原因是：焊接初期，在电弧热的作用下，母材近缝区温度迅速升高，达到 800℃以上时，原来灰口铸铁中游离状态的石墨熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。但随着电弧的离开，金属温度急速下降，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。这些白口组织硬而脆，力学性能极差，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。

2.2裂纹

裂纹也是焊接灰口铸铁容易出现的焊接缺陷，灰口铸铁焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能出现在母材上。母材的裂纹一般出现近缝区，走向是纵向、横向或斜向的。如果焊缝出现裂纹，不仅降低接头的强度，还会影响工件的致密性，严重时，会使焊缝金属和母材剥离，连接处失效 。如果焊缝强度高而母材强度低，或结合处产生白口时，由于白口铸铁收缩率与灰口铸铁收缩率相差较大，且塑性差，也会产生剥离。焊缝金属内产生的裂纹，大多是横向裂缝，偶尔也会有纵向及斜向分布的，在断口处没有高温氧化色彩。裂纹发生时会伴随着清脆的金属开裂声。一般发生在600℃以下，直到焊缝与焊件整体温度均匀化之前。最容易发生裂纹的温度在400℃以下。

3.灰口铸铁的焊接

灰口铸铁的焊接方法有以下几种：

3.1热焊法

热焊法就是在焊接前将焊件整体或缺陷部位加热到 600～700℃，然后用焊条电弧焊进行焊接，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。采用热焊法，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹【2】。焊接质量较好，适用于中厚铸件较大质量的焊补，如果用于薄件的焊接容易烧穿。但此法成本高，工艺复杂，生产周期长，焊接时劳动条件差。

3.1.1热焊法焊接工艺

1）焊前准备 焊前认真清除缺陷周围的油污和氧化皮，露出基体的金属光泽;铸件要清除砂眼、夹杂等缺陷。为防止裂纹在焊接过程中扩展，在裂纹两端钻止裂孔，钻孔深度2～4mm，穿透性裂纹要钻透。为保证接头焊透，需要开坡口，一般坡口深度为焊件壁厚的2/3， 角度为70°～120°。将焊件放入炉中缓慢加热至600～700℃进行预热，预热温度不可超过700℃，否则会发生共析转变，导致基体组织变化，也不可温度太低，否则达不到应有的效果。

2）施焊 先用电弧加热坡口，待基体金属熔透后，再熔入焊条金属;发现熔池中出现白亮点时，停止填入焊条金属，为了在尽量短的时间内完成焊接，保证预热温度，要求采用大直径焊条、大电流、长弧、连续焊。焊接时，从缺陷中心引弧，逐渐向边缘熔化，当温度低于预热温度时，要重新预热后在焊接。为得到平整的焊缝， 焊接后的焊缝应稍高出铸铁件表面， 并将溢在焊缝外的熔渣重新熔化， 待降温到半熔化状态时，用焊丝沿铸件表面将高出部分刮平。

3）焊后缓冷：随炉缓慢冷却至室温（一般需48h以上），也可用保温材料如：石棉灰或炭灰覆盖，使焊缝形成均匀的组织， 同时防止产生裂纹。

3.2冷焊法

冷焊法就是焊件在焊前不预热，焊接过程中也不辅助加热，因此可以加速焊接生产率，降低成本，改善劳动条件，减少焊件因预热时受热不均匀而产生的变形和焊件已加工面的氧化。目前冷焊法正在推广，并迅速发展。但是冷焊法在焊接后因焊缝及热影响区的冷却速度很大，极易形成白口组织。一种措施是提高焊缝石墨化的能力，即采用Z208或Z248焊条，适当提高焊缝中碳含量，保持一定的含硅量，因为石墨析出时体积膨胀，提高含碳量能够减小焊缝收缩率，降低裂纹敏感率，硅能够增加碳的活性，所以焊缝中应有一定的含硅量【3】。另一措施是提高热输入，采用大直径焊条，大电流、长弧、直流反接、连续焊，来提高熔池的存在时间，焊后采取缓冷措施，能在一定程度上降低冷却速度，减小白口组织和裂纹的产生。

3.3气焊

灰口铸铁的气焊是用氧—乙炔火焰作为热源。火焰温度一般小于3400℃，加热和冷却速度都较慢，有一定热量传导到母材上去，这相当于焊前对焊件进行局部预热。灰口铸铁的气焊分为热气焊和冷气焊两种。

热气焊法为了保证焊接接头不出现白口组织，焊前将工件整体或较大范围内局部加热到 600-700℃，焊丝中应选择碳、硅含量较高的。焊接工艺过程如下：焊前坡口清理、准备工作、预热、焊接、保温。其中清理、准备、预热工艺与热焊法相同。焊接要采用中性焰或弱碳化焰，否则石墨化元素碳、硅易烧损。

冷气焊也叫加热减应区法，就是焊前不对焊件进行加热，而在施焊前和施焊中加热焊件的“加热减应区”， 使其与焊接区金属产生一致的收缩，不阻碍焊缝的变形，从而减少内应力，降低裂纹倾向。加热减应区的温度通常为600℃至700℃之间，不能超过母材的相变温度，最低不能低于400℃，因为温度太低，就会使金属的塑性不足，在选择焊接方法时应注意一下原则：

针对不同的切削加工性、颜色、强度等选择不同的焊接方法。焊条电弧焊热焊法对于要求质量高、切削加工性好的铸件最适合，焊条电弧焊冷焊法则适宜 于机加工的表面及不便于预热的大型铸件。冷气焊法适合铸件上拘束度较大部位的缺陷焊补。

针对不同的焊件体积、形状、厚度及使用条件等选择不同的焊接方法。 对于中小型薄壁零件（如气缸）采用气焊、冷焊、热焊均可，对于较大的零件应采 用气焊热焊法。

4.结论

在焊补灰铸铁时，往往会在熔合线处生成一层白口组织，或整个焊缝断面全部白口化，因白口组织硬而脆，它的冷却收缩率又比基体金属灰铸铁大的多，使焊缝金属在冷却时更易于开裂。 在焊接时必须采取相应的防止措施。如减慢焊缝的冷却速度;焊前预热和焊后缓冷;通过采用电弧热焊法、冷焊法、气焊等方法和相应工艺措施可以减少焊接缺陷的产生。

参考文献

[1]巩建军.灰口铸铁的焊接性分析[J].酒钢科技，2015（03）：21-25+42.

[2]王泽荫，马云，李宗义.灰口铸铁电弧热焊法补焊工艺的研究[J].湖南农机，2014，41（08）：57-58.

[3]党万良.灰口铸铁手工电弧冷焊工艺[J].海南矿冶，1998（04）：19-20.

作者简介：

刘子建（1972-），男，辽宁工程职业学院教师，副教授.