毕业论文——球墨铸铁与Q235钢焊条电弧焊研究

大连交通大学2015届本科毕业设计（论文）摘 要 焊条电弧焊是药皮焊条手工电弧焊的简称。是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。由于焊条电弧焊设备简单、操作灵活、可焊金属材料广等特点。焊条电弧焊主要用于焊接装配要求不高、结构复杂的单件或小批量的产品。本课题为了研究球墨铸铁与Q235普通碳素结构钢的焊接性，我们采用焊条电弧焊的这种工艺方法，采用不同的焊接材料进行焊接。试件焊接完成后，观察试件的焊缝成型，确认焊缝不具有错边、咬边、余高过高等外部缺陷。然后对试件进行切割观察内部缺陷如裂纹、未熔合等。对试件还要进行相应的拉伸试验以及金相组织观察，来验证焊缝是否达到相应的性能要求，以H08为焊芯钛钙型结构钢焊条J422、以镍铁合金为主要的成分的铸铁焊条Z408以及新型特种铸铁焊条WE777。实验结果表明：新型焊条WE777和铸铁焊条Z408的工艺性能和使用性能明显优于结构钢焊条J422。在实验过程中使用结构钢焊条的试件出现了明显的裂纹，无法达到相应的性能标准。另外在使用焊条电弧焊进行试件焊接过程中，特别容易出现夹杂等焊接缺陷。同时，有实验证明新型材料WE777在焊缝成型以及焊缝力学性能方面较铸铁焊条Z408好。由此证明，在球墨铸铁与Q235异种金属材料焊接过程中，在采用相同的焊接方法的前提下，使用合理的焊接材料以及焊接过程中正确的焊接流程，是至关重要的。关键词：焊条电弧焊 球墨铸铁 Q235 金相组织 焊接缺陷ABSTRACT Welding electrodeis theelectrodemanual electric arc weldingshort.Electric arc weldingmethod of weldingis carried outbymanual manipulation of electrode.Because theelectrode arc weldingequipment is simple,flexible operation,the characteristics ofweld metal materialsetc.Arc weldingis mainly used for weldingassembly requirementsis not high,the complex structure of thesingle or small batchproducts.This topicin order to study the weldabilityof nodular cast iron andQ235plain carbon structuralsteel,We use thismethod forshielded metal arc weldingprocess,Usingdifferent welding materialswelding.After the completion of weldingspecimen,Observe thetestweldmoulding,Weld is notwiththe wrong side,undercut,overhighhigherexternaldefects confirmation.Then thespecimenswere observed in internaldefects such ascracks,lack of fusionetc.The specimenalsocorrespondingtensile testand microstructure observation,To verifywhether meet the requirementsof correspondingproperties ofweld.This topic usesthree different types ofweldingmaterials is thatTaking H08 as thecoreof titanium calcium typestructural steel welding rodJ422,nickel iron alloyas the maincomponent ofcast iron welding rodZ408 andnew special type ofcast iron welding rodWE777.The experimental results show that theThe new electrodeWE777 andelectrode for cast ironZ408process performance and useperformance superior to that ofstructural steel electrodeJ422,Structural steel welding rodspecimensusedin the experimental processappearedobvious cracks,unable to reach thecorresponding performance criteria.In addition to the useof SMAWspecimensin the process of welding,especially prone toinclusionof welding defects.At the same time,experiments have proved thatthe new material WE777in theformation of weldand weldmechanical properties ofcast iron electrodeZ408 This proves that,in the weldingof ductile cast ironand Q235 dissimilar metalmaterials in the process ofusing,in thepremiseof the sameweldingmethod,weldingprocessthe rightwelding materialuseand reasonablewelding process,is essential.Key words: Arc welding Nodular cast iron Q235 Metallographicorganization Welding defects目 录第1章 绪论.11.1 铸铁.11.2 球墨铸铁.11.3 碳素结构钢.21.4 球墨铸铁与Q235钢焊接性分析.3 1.4.1 Q235普通碳素结构钢焊接性分析.4 1.4.2 球墨铸铁焊接性分析.4 1.4.3 球墨铸铁与Q235焊接的主要问题以及解决方案 .51.5 焊接方法及焊接材料.61.6 国内外研究状况.91.7 本课题研究的主要内容和意义.9第2章 实验材料及实验方法.102.1 实验材料.102.2 实验方法.10 2.2.1 试件焊前准备.10 2.2.2 球墨铸铁与Q235钢板施焊方法 .11 2.2.3 微观组织观察.12 2.2.4 试件拉伸实验.13 2.2.5 接头硬度实验.13第3章 实验结果及分析.143.1 碳钢焊条所焊试件开裂原因及分析.143.2 焊缝成型观察 .143.3 焊接接头显微组织微观结构观察分析.153.4 焊接接头抗拉强度试验结果分析.203.5 焊接接头硬度测量试验的结果分析.21第4章 结论.23谢辞.24参考文献.25第一章 绪论1.1 铸铁 铸铁是一种以碳、铁、硅为主要成分且在结晶过程中具有共析转变的多元铁基合金。碳在铸铁中既可以以化合态的渗碳体（Fe3C）形式存在，也可以以游离状态的石墨（G）形式存在。根据碳在铸铁中的存在状态和形式不同，可以将铸铁分为五类1。 （1）白口铸铁。 碳在铁中绝大部分以渗碳体（Fe3C）形式存在，因其断口成白色而得名。渗碳体的硬而脆、硬度为800HBS。因无法机械加工，所以应用不广，主要用于轧辊或其他不需要机械加工的耐磨零件。 （2）灰铸铁。 碳以片状石墨存在，因其端口成灰色而得名。普通灰铸铁中石墨片状较粗，如果在浇注之前向铁水中加入少量硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理，促使石墨非自发形成形核，可以使灰铸铁粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。 （3）可锻铸铁。 碳以团絮状石墨存在。是将灰铸铁经过长时间的石墨化退火，是渗碳体分解并析出石墨以团絮状分布在基体内。 （4）球墨铸铁。 碳以球状石墨的形式存在，简称球铁。是在浇注前向铁水中加入纯镁或稀土镁合金等球化剂而获得。球铁具有较高的强度和韧性，还可以通过热处理显著地改善其力学性能，故常用来制作强度较高、形状复杂的铸件。 （5）蠕墨铸铁。 碳以蠕虫状石墨存在。在浇注前向铁水中加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金的蠕化剂，促使石墨呈蠕状而成为蠕墨铸铁。1.2球墨铸铁 球墨铸铁按其基体的组织不同被分为：以珠光体为基体的球墨铸铁、以铁素体为基体的球墨铸铁和以奥氏体加贝氏体为基体的球墨铸铁。基体组织不同的球墨铸铁其力学性能有差别，以珠光体为基体的球墨铸铁，抗拉强度可达800MPa，其伸长率只有2%。而以铁素体为基体的球墨铸铁伸长率可达18%，但抗拉强度降为400MPa2。以奥氏体加贝氏体为基体的球墨铸铁的抗拉强度为8601035MPa,其伸长率仍可达7%8%.是一种新研制出来的球墨铸铁。 成分：C=24%，Mn=0.41.0%，P0.1，S0.04及少量球化元素（例如：稀土镁合金） 性能：由于球状石墨对基体的割裂作用较小，大大降低了应力集中，所以球体具有较高的强度和韧性，而且能通过热处理来改善力学性能。 用途：球铁主要应用于制造承受较大动载荷的重要零件，如柴油机的曲轴、连杆、汽缸盖、气缸套和齿轮等。还可以在一定的范围内代替铸钢件。 常见牌号：QT400-18，b400MPa，延伸率18% QT700-2，b700MPa，延伸率2% 按DIN1693标准球墨铸铁的特性见表1表1 球墨铸铁特性材料标记抗拉强度RmN/mm2最低0.2%屈服点N/mm2最低延伸率A5%最低符号标记数字标记EN-GJS-350-22-LTEN-JS101535022022EN-GJS-350-22-RTEN-JS101435022022EN-GJS-350-22EN-JS101035022022EN-GJS-400-18-LTEN-JS102540024018EN-GJS-400-18-RTEN-JS102440025018EN-GJS-400-18EN-JS102040025018EN-GJS-400-15EN-JS103040025015EN-GJS-450-10EN-JS104045031010EN-GJS-500-7EN-JS10505003207EN-GJS-600-3EN-JS10606003703EN-GJS-700-2EN-JS10707004202EN-GJS-800-2EN-JS10808004802EN-GJS-900-2EN-JS109090060021.3 碳素结构钢Q235 碳钢又称碳素钢，是铁和碳合金。碳钢中除了以碳作为主要合金元素外，还有少量的锰和硅有益元素。此外，还有硫、磷等有害杂质。碳钢的主要性能取决于碳含量。碳钢是钢材中产量最多，应用最广的材料。大部分焊接结构都是碳钢来制造的。 碳钢有不同的分类方法而有不同的名称。按含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。按品质分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和高级优质碳素结构钢。按照脱氧成分分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。其中镇静钢脱氧彻底，故含氧量少，杂质少。按照用途分为结构钢和工具钢。结构钢主要是用来制造各种金属构件和机器零件，工具钢用来制造各种工具如量具、刃具。Q235钢具有中等强度，并具有良好的塑性和韧性，而且易于成形和焊接。这种钢多用作钢筋和钢结构件，另外还用作铆钉、铁路道钉和各种机械零件，如螺栓、拉杆、连杆等。 Q235是一种普通碳素结构钢，又称A3板。 Q235钢板分类及化学成分，如表2Q235分类及化学成分牌号统一数字代号等级厚度/mm脱氧方法化学成分（质量分数，%）不大于CSiMnPSQ235U12352A-FZ0.220.350.140.0450.050U12355B0.200.045U12358CZ0.170.0400.040U12359DTZ0.0350.035 Q235的力学性能随着供货状态时钢板的厚度不同而随之改变。屈服强度的值一般是随着厚度增大而减小。具体表现，如表3、4。表3 Q235屈服强度和抗拉强度牌号等级屈服强度/N.mm-2,不小于抗拉强度厚度（或直径）/mm161640406060100100150150200Q235A235225215215195185370500BCD表4 断后伸长率及冲击功牌号等级断后伸长率（%），不小于冲击试验厚度（或直径）/mm温度/吸收功/J（纵向）不小于40406060100100150150200Q235A2625242221-27B+20C0D-201.4 球墨铸铁与Q235钢焊接性分析 焊接性是说明材料对焊接加工的适应性，用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠地运行。焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容3。 工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力。它不是金属本身固有的性能，而时根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。所以金属材料的工艺焊接性与焊接工程密切相关。使用焊接性是指在焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。 1.4.1 Q235普通碳素结构钢焊接性分析 低碳钢的含碳量W(C)0.25%，其他合金元素含量也较少，故是焊接性最好的钢种。采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生脆硬组织或冷裂纹。只要选用适当的焊接材料，便能得到满意的焊接接头。 用电弧焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑形、韧性和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰的含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到与母材等强的强度。因此，焊缝金属的强度会随着冷却速度的增加，其强度而增大，而塑性和韧性会下降4。为了防止过快的冷却速度，当厚板单层角焊缝时，其焊脚尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不宜过短，必要时要采用100150的局部预热。 当母材成分中碳含量偏高或低温下焊接刚性结构，可能产生冷裂纹，应采用预热或采用低氢型焊条等措施。低碳钢焊缝具有较高的抗热裂纹的能力，但当母材含碳质量分数已接近上限（0.25%）时，在接头设计或工艺操作上要尽量避免具有窄而深的形状，因为这样的形状最容易产生热裂纹。 1.4.2球墨铸铁的焊接性分析 球铁焊接常因出现三大问题而失败,一是焊缝(包括熔合区)球化不良或组织不当而使焊接接头性能远低于母材,二是焊缝出现白口组织,无法进行机械加工,三是焊接过程中由于较大的焊接应力而导致裂纹5。 球墨铸铁的焊接本质上就是焊接接头的球化与墨化的问题。球化主要指石墨晶核的产生及性质、球状石墨的长大以及球化元素的作用。石墨化：是指在铸铁中形成石墨的过程。焊缝的球化情况和石墨化过程主要取决于焊缝的化学成分。1 球化元素：焊缝中常用球化元素为镁、稀土、钙及其中间合金。 镁：镁的化学性质十分活泼,因此极易与氧、硫作用生成不溶于铁水的MgO,MgS，而使铁水强烈的去硫脱氧除气。但是,镁的熔(沸)点低651、(1107)、比重轻（1.788)6,在高温电弧作用下极易变成镁气,很难过渡到焊缝中去。所以说，镁是强烈阻止石墨化,稳定碳化物元素,故焊缝中含镁量增加白口倾向增大。 稀土：稀土元素的化学性质更为活泼,几乎能与所有元素起作用,特别与O2、S的亲合力很大,形成熔点高、比重小的稳定化合物,易浮于熔渣中而除去铁水中的氧和硫。稀土元素具有较强的球化能力,焊缝中残留量0.05%0.08%即可保证焊缝球化。另外,稀土元素尚能与焊缝中反球化元素Ti、As、Bi、Pb、Sb、Sn等生成难熔化合物,中和其反球化作用而促进球化。除此之外,稀土尚有变质细化晶粒及起合金化作用。 钙：钙也是一种球化元素,但其球化能力比镁和稀土都弱。此外，钙具有很强的脱硫去氧的能力。钙的原子半径很大(l.845A。),不溶于铁中。微量的钙由于其去02、N2、S等,从而减少了这些元素对渗碳体的稳定作用而促进石墨化。2 石墨化元素:焊缝中主要的石墨化元素为碳、硅、铝等。 碳：碳在球铁中是产生球墨的基础。焊缝中含碳量增加,球墨的自发核心增多,球径细化并提高石墨球的园整度,而且随含碳量提高增加了碳原子间的结合力,因此碳是强烈的石墨化元素之一。碳高对减少焊缝裂纹和白口组织有积极的作用。 硅：硅也是强烈的石墨化元素之一,它的作用比碳还大。这是由于硅使铁碳合金共晶、共析点向左并向上移动,即向碳分低,温度高的方向移动。由于硅原子半径远大于铁原子半径,所以固溶于铁中的硅使铁素体强化,当铁中硅超过一定数值时,将引起铁素体晶格畸变使其延伸率和冲击韧性下降,脆性转变温度提高。 铝：铝是一种脱氧能力极强的墨化元素,铝不但不是球化元素而且还是球化干扰元素。另外，焊缝中的铝部分溶于铁中强化铁素体,使焊缝强度提高,塑性下降且过多的铝,使焊条工艺性能和涂压性能变坏。3 其它元素:与球铁生产相同,锰、硫、磷三元素亦为焊缝中的主要组分之一。 硫：硫对石墨球化是极为有害的元素。大量试验证明:焊缝中含硫量增加,球化情况变坏,含硫量过高,焊缝甚至很难球化,故焊缝中含硫量愈低愈好。 锰：锰可和硫生成高熔点的MnS(T熔点=1620),且不溶于铁水浮于渣中而去硫,从而中和了硫的有害作用。锰部分的溶于铁素体中,可提高焊缝强度,降低冲击韧性。 磷：磷对球化无什么不利的影响,但磷易形成硬而脆的磷共晶,分布于球铁晶粒周界上,使球铁之冲击韧性和延伸率显著下降。 1.4.3球墨铸铁与Q235焊接的主要问题以及解决方案 1、焊接接头容易出现白口组织 产生原因：钢与铸铁化学成分的影响在焊接高温作用下,钢与铸铁熔池中促进石墨化的元素(C、Si、Al、Ti、Ni和Cu)严重烧损及蒸发,焊缝金属石墨化机会减少,结果碳完全处于渗碳体之中,无石墨析出,形成Fe3C。因此容易出现白口组织7。 冷却速度的影响焊接过程中冷却速度很快,熔合线附近的液态金属先结晶,在共析转变时、由奥氏体直接转变成马氏体,碳来不及析出,不能完全进行石墨化过程,因而形成Fe3C脆性组织。 为防止钢与铸铁的焊接接头出现白口及淬硬组织,应从冶金和工艺两方面采取措施: 使焊缝成为异种金属。如镍基合金、高钒合金或铜钢合金,焊缝金属不是铸铁,这样可有效地防止产生白口组织。 合理选用焊接方法。气焊时,加热和冷却速度比较缓慢,减少碳硅过量烧损,可防止焊缝产生白口组织,用细丝CO2保护焊方法进行多层焊时8。前层对后层起预热作用,可避免白口组织。 2、焊缝及热影晌区品产生裂纹 产生原因：焊接钢与铸铁时,焊缝产生裂纹主要是填充材料的影响,其次与选用的焊接方法及铸铁毋材塑性差有关。热影响区产生裂纹与钢和铸铁收缩量有关。 防止钢与铸铁的焊接接头产生裂纹的措施如下：1 改变焊缝的化学成分。2 选用含S、P较低的填充材料,加人稀土、锰铁进行脱硫。3 焊接时使焊缝能自由膨胀和收缩,避免产生过大的应力。4 焊前预热、增大熔合比。采用小电流短弧焊,窄焊缝不摆动,提高焊速。5 焊缝收弧时填满弧坑，焊后缓冷。并用锤击焊缝周围消除应力。 3、焊缝容易出现气孔 产生原因：焊接钢与铸铁时,由于铸铁从固态到液态或从液态到固态的变化,均缺乏半熔化状态,因此焊缝在冷却过程中,气体来不及逸出而残留在焊缝之中形成气孔。另外,焊前钢与铸铁的接头表面清整不净,有油脂、水分、铁锈及填充材料潮湿等，焊缝会出现气孔。 防止气孔产生的措施如下： 焊前将接头清理干净,彻底去除油污、杂质、氧化膜及水分。 焊接时,焊速均匀,电弧电压低,尽量不作横向摆动。 焊缝收尾时焊速稍慢,井填满弧坑,让熔池中气。1.5 焊接方法及焊接材料 焊接钢与铸铁时,应根据两种母材的化学成分,填充材料的类型,结构强度要求及接头形式等选择适当的焊接方法。目前,生产中常用的焊接方法如下: （1）氧一乙炔或氧一液化石油气气焊 （2）焊条电弧焊(分热焊法和冷焊法两种) （3）CO2气体保护焊 （4）钎焊(分硬钎焊和软钎焊两种)。 （5）真空扩散焊 铸铁手工电弧焊主要有热焊法和冷焊法。热焊法需要对工件加热,缺点是恶化劳动环境,同时对大型工件也很难加热到一定的温度,因此对于某些工件特别是大型工件人们倾向于使用冷焊法.各种镍基焊条因其焊接工艺简单,操作方便以及焊后加工性能好等优点,广泛应用于冷焊条件下的铸铁件的焊接.但铸铁的焊接性较差,即便是采用镍基焊条冷焊也存在着两大难题,即熔合区的白口化和产生裂纹的倾向较大.为此,实际生产中常采用短段断续焊、小电流快速焊以及焊后锤击等冷焊工艺.但是这种传统的焊接方法也存在一些缺点,如短段断续焊的效率极低,而所谓小电流焊接时,一是焊接电流的减小非常有限,难于控制白口组织;二是如电流过小则电弧不稳定而导致产生未熔合等焊接缺陷。 焊接材料主要是使用的焊条。焊条就是涂有药皮的焊条电弧焊使用的熔化电极，它是由药皮和焊芯两部分组成的。在焊条前端药皮有45左右的倒角，这是为了便于引弧。 （1）焊芯 焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时，焊芯有两个作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能，二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。 焊条焊接时，焊芯金属占整个焊缝金属的一部分。所以焊芯的化学成分，直接影响焊缝的质量。因此，作为焊条芯用的钢丝都单独规定了它的牌号与成分。 （2）药皮 焊接药皮是指涂在焊芯表面的涂料层8。药皮在焊接过程中分解熔化后形成气体和熔渣，起到机械保护、冶金处理、改善工艺性能的作用。药皮的组成物有：矿物类（如大理石、氟石等）、铁合金和金属粉类（如锰铁、钛铁等）、有机物类（如木粉、淀粉等）、化工产品类（如钛白粉、水玻璃等）。焊条药皮是决定焊缝质量的重要因素，在焊接过程中有以下几方面的作用：1 调高电弧燃烧的稳定性2 保护焊接熔池3 保证焊缝脱氧，去掉硫磷杂质4 为焊缝补充合金元素5 提高焊接效率，减少飞溅 （3）分类 对焊条可从它的用途、药皮的主要成分、熔渣性质或性能特征等不同的角度去分类。 按用途分类 我国现行的有两种分类方法，一种是有国家标准制定的，另一种是原机械工业部编制确定的。两者没有本质的区别，不同的表达形式，前者用型号表示，后者用商业牌号表示。后者分的稍息，而且采用已久。 表5 焊条按用途分类焊条牌号焊条大类（按用途分类）类型名称代号字母汉字一结构钢焊条J结二钼及铬钼耐热钢焊条R热三低温钢焊条W温四不锈钢焊条G铬A奥五堆焊焊条D堆六铸铁焊条Z铸七镍及镍合金焊条Ni镍八铜及铜合金焊条T铜九铝及铝合金焊条L铝十特殊用途焊条TS特 按熔渣性质分类，主要是按熔渣的碱度，即熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物的比例来划分。焊条有酸性和碱性两大类9。 按药皮的主要成分分类，由于药皮的配方不同致使各种药皮类型的熔渣特性、焊接工艺性能和焊缝金属性能有很大的差别。表6 按主要成分划分焊条类型药皮类型药皮的主要成分钛型氧化钛35%钛钙型氧化钛35%以上，硝酸盐20%以下钛铁矿型钛铁矿30%氧化铁型多量氧化铁和较多锰铁脱氧剂纤维素型有机物15%低氢型含钙、镁的碳酸盐和相当量的萤石石墨型多量石墨盐基型氯盐和氟盐 按焊条性能特征分类，实际上是按特殊的使用性能对焊条进行分类。如耐候钢焊条、超低氢焊条、低尘、低毒焊条、水下焊条等。1.6 国内外研究概况 国外采用了儿乎所有的焊接方法来焊接球墨铸铁,其中以气焊和手工电弧焊最为常用。焊接材料主要采用两类,一类是使焊缝成为球墨铸铁的同质焊接材料。其主要形式为球铁焊丝(供气焊、碳弧焊、钨极氢弧焊、钎焊等做填加材料)；药芯和实芯焊丝(供气体保护焊、自保护焊或电涟焊),以及铸铁芯(球铁或灰铁)焊条。为了提高球铁焊缝的球化效果、增加抗球化衰退能力、提高接头机械性能、改善抗裂和切削加工性,或者出于降低钎料熔化温度等目的,各国提出了多种焊接材料的成分,并主要以专利形式反映出来。成分中除C、Si等基础元素外,还含有同质焊接材料的新型合金系统10。 当采用气焊工艺,填充球铁焊丝时,由于该工艺本身就存在着预热和缓冷的工艺效果,因此,在填充球化能力和石墨能力较强的焊丝后,即能获得较好的效果。但气焊法还存在加热温度低、加热速度慢、劳动强度大,同时对厚大件难于冷焊,必须进行预热才能有效地避免接头硬化和裂纹等间题,而以电弧为热源的工艺,目前还仍处于采用热焊才能消除焊接接头渗碳体的研究水平。 从五十年代起,我国就开始了球铁焊接方而的研究。目前主要采用手工电弧焊和气焊工艺。同质焊接材料主要采少量球铁气焊焊丝、铸铁芯球铁电焊条和低碳钢芯球铁电焊条。钇基重稀土球铁气焊丝在生产中获得了应用。轻稀土-镁为球化剂的气焊丝,在一些工厂也自制应用。为消除和减少焊缝及半熔化区白口,以保证焊后加工性和防止裂纹,对补焊区须用焊炬加热至600左右(对大工件需局部或整体预热),焊后应保温缓冷11。铸铁芯球铁电焊条,通过铸铁芯或药皮加入钇基重稀土使焊缝球化。也有用镁球铁焊芯使焊缝球化的。焊前也还需要预热400600,焊后保温缓冷。低碳钢芯球墨铸铁电焊条,在我国有较大的发展。1.7 本课题研究的主要内容和意义 本课题通过Q235与球墨铸铁的异种材质焊接。讨论球墨铸铁的焊接性，以及相应的焊接材料的性能。球墨铸铁与钢相比虽然强度较低，塑性较差，但其具有良好的耐磨性、吸震性、铸造性和可切削性等优点，又因制造设备简单，生产成本低，所以常用于制造机器的箱体、壳体、机身、机座等大型机件。某些受冲击不大的重要零件，如小型柴油机曲轴等多用球墨铸铁来制造。 但是，铸铁的焊接性差，限制了它在焊接结构中的应用。将简单的铸铁焊接件焊接成组合件。通常比铸造形状复杂的铸件更为经济。铸铁件可以与其他钢及镍合金等焊接。目前，这种情况在批量生产中不多见，但是可以预见，随着铸造和焊接技术的不断进步，因其经济效益巨大“制造中的铸铁焊接”会越来越多。 在本课题中，使用了新型焊条，通过对焊态下焊接接头机械性能的测试和金相组织分析,结果表明新研制的铸铁焊条所焊接头机械性能好,抗裂性能优良,是一种新型较理想的球墨铸铁同质冷焊焊条。第二章 实验材料及实验方法2.1 实验材料 实验母材是选用船用柴油机摇臂架的球墨铸铁和碳素结构钢Q235（板厚16）。焊接材料为镍铁合金焊条Z408、碳钢焊条J422以及特种铸铁焊条WE777。表7 母材的化学成分母材C（%）Mn（%）P（%）S（%）Si（%）其他元素抗拉强度屈服强度球墨铸铁340.410.1230.04稀土元素350-Q2350.221.40.0450.050.35其他375460235 表8 焊条Z408和J422熔敷金属百分含量（%）类型CMnSiPSNiFe其他含量Z4082.001.802.50-0.034560其余1.00J4220.120.40.150.050.035-其余-表9 WE777特种铸铁焊条成分成分镍铁及氧化物硅及氧化物其余比例（%）601002100.11未知2.2 实验方法2.2.1 试件焊前准备 由于原材料柴油机摇臂架焊件较大如图2-1所示，经ZT-BX交变数控线切割加工到所需尺寸如图2-2所示。Q235碳素结构钢板在选取板厚16mm的钢板加工成如图2-3所示 图2-2 球墨铸铁试件 图2-1 柴油机摇臂架 图2-3 Q235碳素结构钢试件 焊接前，认真清理球墨铸铁试件与Q235结构钢试件的表面，用砂轮机打磨，去掉表面的油脂、铁锈及杂质，直至露出纯净的基体，防止产生气孔及裂纹。为了是试件充分的焊透对试件加工成60的坡口。焊接时使用工装夹具，不预留间隙。 由于焊条在储存、运输期间药皮会吸潮，使药皮中的水分增加，可能在使用焊条的过程中产生气孔、飞溅、氢致裂纹以及电弧燃烧不稳定等因素，所以在使用焊条焊接前要将焊条放入焊接烘干箱中烘干，经150保温12小时。2.2.2 球墨铸铁与Q235钢板施焊方法 本次铸铁焊接实验采用冷焊法，操作简便。最适合本次实验的焊接接头形式为对接接头，同时开60坡口，试件中间不预留间隙，如图2-4所示。由于使用的焊条类型不同，焊接时的工艺方法略有不同。 图2-4 焊接接头形式及坡口 J422结构钢焊条使用2300mm电焊条，焊接电流50A，多道焊，本次实验的焊接层数为4层，每层厚度在3mm左右。在每一道焊完结束后，要用电刷和小锤敲掉焊缝表面的熔渣，防止在焊缝中形成夹杂。并且要小锤敲到焊缝，释放焊缝中的残余应力，以免在焊缝成型后，由于残余应力形成裂纹。 Z408镍铁合金铸铁焊条使用3.2300mm，焊接电流为110A，多道焊，本次实验焊接层数4层，每层厚度在3mm左右。在焊接条件允许的情况下，尽量选择大电流。焊接过程与使用J422焊条焊接类似。 WE777的直接为1/8,焊接电流为80A，尽量避免大电流焊接。在焊接过程 中尽量不去横向摆弧，采用窄焊道多道焊接，本次实验的焊接层数为3层。为了增加成功率，在焊接过程中需采取分段跳跃焊接，在每焊一层后，立即采用扁平锤敲击释放应力，彻底清理干净焊缝熔渣。并待焊接的每一层自然冷却至40左右（用手可以摸时），确保没有裂纹的前提下继续下一段。为了增加成功率，尽量避免连续焊接。 焊接完成后观察焊缝成型，观察焊缝是否出现外部缺陷。例如余高过高、表面内陷、错边、咬边、根部缺陷等。2.2.3 微观组织观察 焊缝的机械性能和物理性能与焊缝内部的组织形式、结构密切相关。通常情况下，为了了解焊接接头的宏观特征形貌、焊接缺陷及焊接裂纹的形成机理，试件会进行焊接金相分析。通过焊接金相实验，可以观察到焊接接头显微组织的分布及其特征，了解焊接接头的焊缝区、融合线、热影响区等不同的金相组织的产生的原理。 实验步骤：焊接金相试样取样。充分考虑焊接工艺对组织的影响，以及内部缺陷可能出现的部位，利用线切割在焊缝起始部位纵向截取50mm12mm8mm样品试样，如图2-5所示。观察焊缝是否出现裂纹、未熔合、气孔、夹渣、未焊透等内部缺陷。焊接金相试样的制样。首先，焊接金相试样初步加工。使用抛光机将试样的表面打磨平整，去掉毛边、飞刺、尖角而且要不出现第二个平面。第二，分别使用320目、500目、800目、1000目、1200目、1500目、2000目的水砂纸进行手工打磨。在磨试样时要注意，在第一张砂纸上试样始终朝一个方向磨，换下一道砂纸的时候将试样旋转90同样只朝一个方向磨，直到将在上一道砂纸上磨出的磨痕磨光为止。每换一次砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留磨料带到下一道工序去。按照水砂纸的牌号从小到大依次打磨，直到最后一级。试样抛光。在抛光的过程中，对试样的所施加的压力要均衡，且应先重后轻。在抛光前期，试件上划痕的方向应于抛光盘转动的方向垂直，以利较快的抛出磨痕。在抛光后期，需要将试样缓缓转动，有利于获得光亮平整的磨面。试样浸蚀。将试样平整的放在试验台上，然后先用棉花蘸盐酸+三氯化铁溶液轻轻擦拭焊缝表面再用2%硝酸酒精溶液腐蚀母材。一段时间后用酒精彻底清洗镜面，并用吹风机吹干。焊缝金相组织观察。用JSM-6360LV型扫描电镜对焊缝、熔合线、热影响区、母材进行观察，并将其显微组织结构特征及分布记录下来。图2-5 焊接金相试样 2.2.4 材料接头拉伸试验 材料拉伸试验因其能够提供结构强度计算中的材料特性值以及材料的变形能力而在材料破坏性检验中起着至关重要的作用。根据拉伸试验标准EN895，由于试验试样的限制，无法加工成标准试样，但是并不影响对试验结果的分析。本次实验只要依据断裂时的强度以及断裂位置来判断焊接的效果。 实验步骤：将剩余的焊件使用线切割加工成如图2-6所示形状，每块试件制成三块拉伸试样。将加工完成的试样的面用砂纸打磨干净，直至露出光亮的金属基体。将拉伸试样安装在AG-IC 100KN型拉力试验机，以相同的速率缓慢且均匀施加轴向力，来拉伸夹持的试样，并同时观察测量力和试样在外力作用下的变形过程，直到试样断裂为止。 图2-6 材料拉伸试样2.2.5 接头硬度实验 硬度实验室利用压头在被测表面留下的清晰压痕来评定结果。根据ISO 6507金属材料-维氏硬度实验的相关标准，利用FM-700型显微硬度计，来侧聊焊缝区、熔合线、Q235母材以及球墨铸铁端母材的硬度。维氏硬度实验的压头是一个夹角为136的四棱锥，有金刚石组成。由于它的压痕较小，因而得出的材料硬度有可能存在一定的误差。 实验步骤：将试样放在显微硬度计上，固定平整。试样大小如图2-5。按照表10进行打点，实验载荷是200kgf，保荷时间15秒。位置Q235端母材熔合线母材融合线球墨铸铁母材距离融合线的距离（um）从熔合线开始向母材方向打10点距离为：150、300、600、750、900、1200、1700、2700、4200以融合线为起点，作为第一点。从左右两侧的融合线开始分别向母材方向打10点，距离为：150、300、450、600、750、900、1200、1700、2700、4200以融合线为起点，作为第一点从熔合线开始向母材方向打10点距离为：150、300、600、750、900、1200、1700、2700、4200表10 显微硬度距离测试打点分布第3章 实验结果及分析3.1 碳钢焊条所焊试件开裂原因及分析 结构钢焊条J422在按照既定的焊接工艺的焊接时，在焊缝中间出现了明显了裂纹，如图3-1。图3-1 结构钢焊条焊接试件出现裂纹 裂纹类型：根据裂纹是在第一道焊的过程中出现的而且是在焊缝的中央，所以判断裂纹类型属于热裂纹中的结晶裂纹。结晶裂纹是在结晶后期，由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了晶粒间的连接，在拉伸应力的作用下发生的开裂。 形成机理：结构钢焊条J422是属于钛钙型酸性焊条，由于焊条材料本身并不含有石墨化和球化元素，如镍、硅、铝、镁、稀土、钙等元素，所以在熔池冷却过快的情况下，Fe3C来不及分析出形成石墨，并以渗碳体的形式存在即产生了白口组织；这种脆硬组织会增大焊缝的裂纹倾向。在使用非铸铁焊条时，由于母材的熔入，使金属焊缝中的碳含量增加，在快速冷却的过程中，会产生高碳马氏体这样组织，其硬度很高和白口组织一样。由于碳钢焊条不含有石墨化元素，所以在焊接过程中，无法形成石墨来减少焊接应力。由于作为母材的球墨铸铁其碳、硫和磷的含量高。熔入第一层焊缝的量较多，是钢质焊缝平均含碳、硫和磷量增加，而 碳、硫和磷是碳钢发生结晶裂纹的有害元素。所以第一层焊缝产生结晶裂纹的倾向最大。3.2 焊缝成型观察 如图3-2a为镍铁合金的铸铁焊条Z408，图3-2b为特种铸铁焊条WE777，从焊缝形状以及焊缝缺陷来分析。图3-2a中在焊趾位置出现了明显的夹渣，这就说明这种焊条的熔渣性不是很好。另外从熔合线和焊缝金属上看，两种焊材都比较适合球墨铸铁焊接。 图3-2a Z408焊条试件 图3-2b WE777焊条试件3.3 焊接接头显微组织微观结构观察分析