铸铁的焊接性以灰铸铁焊接性来分析.doc

铸铁的焊接性以灰铸铁焊接性来分析灰铸铁化学成分上的特点是C与S、P杂质高，这就增大了其焊接对冷却速度的变化与冷热裂纹的敏感性。其力学性能特点是强度低，基本无塑性，使其焊接接头发生裂纹的敏感性增大，这两方面的特点，决定了灰铸铁焊接性不良，其主要问题有两点。其一是焊接接头易形成白口铸铁与高碳马氏体组织；其二是焊接接头易形成裂纹。一、铸铁焊接接头易形成白口铸铁与高碳马氏体组织：以C为3.0%,Si为2.5%的灰铸铁为例,分析电弧冷焊焊后焊接接头上组织变化的规律,图11-8中L表示液相,表示奥氏体,G表示石墨,C表示碳化物,表示铁素体.图中未加括号时表示介稳定系转变,加括号时表示稳定系转变.整个焊接接头可分为6个区域:1焊缝区: 当焊缝化学成分与灰铸铁母材成分相同时,在一般电弧冷焊情况下,由于焊缝金属冷却速度大于铸铁在砂型中的冷却速度,焊缝主要为白口铸铁组织,其硬度可高达600HBW左右.用常见低碳钢焊条焊接时,即使采用较小的焊接电流,母材在第一层焊缝中所占的百分比也将为25%-30%,当铸铁C为3.0%,则第一层焊缝的平均C将为0.75%-0.9%,属于高碳钢C0.6%.这种高碳钢焊缝在电弧冷焊后将形成高碳马氏体组织,其硬度可达500HBW左右.这些高硬度组织,不仅影响焊接接头的加工性,且由于性脆容易引引发裂纹.防止灰铸铁焊接时焊缝出现白口淬硬组织的途径,若焊缝仍为铸铁则应采用适合的工艺措施,减慢焊缝的冷速,并调整焊缝化学成分,增强焊缝的石墨化能力,并使两者适当配合.采用异质材料进行铸铁焊接,使用焊缝组织不是铸铁型,自然可防止焊缝白口的产生.但如前面分析过的情况,若采用低碳钢焊条进行铸铁焊接,则由于母材熔化而过渡到焊缝隙中的碳较高,又产生另一种高碳组织-高碳马氏体.所以在采用异质金属材料焊接时,必须要能防止或减弱母材过渡到焊缝中碳产生高硬度马氏体组织的有害作用.其方向是改变碳的存在状态,使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性通过使焊缝分别成为奥氏体,铁素体及有色金属是一些有效的途径.下面以C3.0%及Si2.5%的灰铸铁为例,分析焊接热影响区组织的转变.2半熔化区 此区较窄,处于液相线及共晶转变下限温度之间,其温度范围约为1150-1250.焊接时,此区处于半熔化状态,即液-固状态,其中一部分铸铁已转变成液体,另一部分铸铁通过石墨片中的碳的扩散作用,也已转变为被碳所饱和的奥氏体.由于电弧冷焊过程中,该区加热非常快,故可能有些石墨片中的碳未能向四周扩散完毕而成细小片残留.此区冷速最快,故液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体即共晶渗碳体加奥氏,继续冷却,则从奥氏体析出二次渗碳体,在共析转变温度区间,奥氏转变为珠光体,这就是该区形成白口铸铁的过程.由于该区冷速最快,紧靠半熔化区铁液的原固态奥氏转变成马氏体,并产生少量残余奥氏体.该区的金相组织,见图11-9,采用工艺措施,使用该区缓冷,则可减少甚至消除白口及马氏体形成.在采用熔焊时,除冷却速度对该区焊后组织有重要影响外,焊缝区的化学成分对半熔化区的组织及宽度有重要影响.因该二区都曾处于高温且紧密相连,能进行一定的扩散.提高熔池金属中石墨化元素(C、Si，Ni等)的含量会消除或减弱半熔化区白口的形成是有利的。用低碳钢焊条焊接铸铁时，半熔化区的白口带往往较宽，这是因为熔池含碳、硅量低，而半熔化区含碳、硅量高于熔池，故半熔化区的碳、硅反而向熔池扩散，使半熔化碳、硅有所下降，并进而使该区液相与固相线温度差增大（常用灰铸铁属于亚共晶铸铁），增大了该区形成较宽白口倾向。3奥氏体区 该区牌共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间，加热温度范围约为820-1150，此区无液体出现。该区在共析转变上限温度以上，故其原先基体组织已奥氏体化，其组织为奥氏体加石墨。此时奥氏体含碳量的多少，决定于铸铁原先组织及加热温度的高低。以珠光体为基体的铸铁比以铁素体为基体的铸铁含碳量高。故前者奥氏体含碳量较后者为高。加热温度较高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳向周围奥氏体扩散较多，奥氏体中含碳量较高，加热较低的部分（离半熔化区稍远），由于石墨片中的碳向周围奥氏扩散较少，奥氏体中的含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较慢，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。共析转变冷速加快时，会产生高碳马氏体组织。由于以上的原因，电弧冷焊后该区硬度比母材有较大的提高。奥氏体含碳量越高的区域，其转变后的马氏体硬度越高。熔焊时，采用适当工艺措施，使该区缓冷，使奥氏体直接析出石墨，而避免析出二次渗碳体，也可防止马氏体的形成。焊后采用600高温回火也可使淬研区硬度降至300HBS以下。4重结晶区 其加热温度范围在共析转变上、下限温度之间，约为780-820，故该区很窄。该区的原始组织已部分转变成奥氏体。在随后的冷却过程中，奥氏体转变成珠光体，冷速加快时，可能会出现马氏体。其他温度加热更低的区焊后组织变化不明显或无变化。二、铸铁焊接接头易形成冷裂纹与热裂纹1冷裂纹：这种裂纹一般发生在500以下，故称为冷裂纹，铸铁焊接时，冷裂纹可发生在焊缝或热影响区。当焊缝为铸铁型时，较易出现这种裂纹。当采用异质焊接材料焊接，使焊缝成为奥氏体、铁素体或铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，配合采用合理的冷焊工艺，焊缝金属不会出现冷裂纹。铸铁型焊缝发生裂纹的温度，经测定一般在500以下。裂纹发生时常伴随着可听见的较响的脆性断裂的声音。焊缝较长时或焊补拘束较大的铸铁缺陷时，常发生这种裂纹。这种裂纹很少在500以上发生的原因，一方面是焊缝所产生的拉应力，随其温度下降而增大，500以上时，焊缝所承受的拉应力也小。当焊缝为片状石墨的灰铸铁时，经研究裂纹的裂源一般为片状石墨的尖端。焊接过程中，由于工件情况受热不均匀，焊缝在冷却过程中，会承受很大的拉应力，这种拉应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝为灰铸铁时，由于石墨呈片状存在，不仅减少焊缝的有效工作截面，而且石墨如刻槽一样，在其两端呈严重的应力集中状态。灰铸铁强度低，500以下基本无塑性，当应力超过此时铸铁的抗拉强度时，即发生焊缝冷裂纹。由于焊缝强度低且基本无塑性，裂纺很快扩展，并呈脆性断裂。当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收割率比灰口铸铁大，前者为2.3%左右,后后者为1.26%左右,加以其中渗碳体性更脆,故焊缝更易出现冷裂纹.焊缝中渗碳体越多,焊缝中出现裂纹数量越多.当焊缝基体全为珠光体与铁素体组成,石墨化过程进行得较充分时,由于石墨化过程伴随着体积膨胀过程,可以松驰部分焊接应力,有利于改进焊缝的抗裂性.焊缝石墨形态对焊缝抗裂性有较大影响,粗而长的片状石墨容易引起应力集中,会降低牵抗焊缝的抗裂性.石墨以细片状存在时,可改善焊缝的抗裂性.焊缝为灰铸铁型时,由于灰铸铁焊缝强度低,基本无塑性,当焊补处拘束度较大时,为避免裂纹的产生,应主要从减弱焊接应力着手.避免裂纹产生的最有效的方法是对焊补工件进行整体预热(600-700),使温差降低,大大减弱焊接应力.2热裂纹：当采用镍基焊接材料（如焊芯为纯镍的EZNi焊条，焊芯为Ni55，Fe45的EZNiFe焊条及焊芯为Ni70、Cu30的EZNiCu焊条等）及一般常用的低碳钢焊条焊接铸铁时，焊缝金属对热裂纹较敏感。采用镍基焊接材料焊接铸铁时，焊缝对热裂纹敏感的原因可以从两方面说明，其一是铸铁含S、P杂质高，镍与硫形成Ni3S2，而Ni-NI3S2的共晶温度很低（644）；镍与磷生成Ni3P，而Ni-Ni3P的共晶温度也较低（880）。其二是单相奥氏体焊缝晶粒粗大，晶界易于富集较多的低熔点共晶。利用普通低碳钢焊条焊接铸铁，第1、2层焊缝会从铸铁熔入较多的C、S及P，这会使第1、2层焊缝的热裂纹敏感性增大。有一种研究认为铸铁焊接时。熔合区剥离性裂纹属热裂纹。熔合区包括母材上的半熔化区及焊缝底部的未完全混合区，未完全混合区也主要是铸铁母材成分。熔合区剥离性裂纹是沿熔合区形成，并使焊缝金属沿熔合区与铸铁母材好生剥离的现象。这种裂纹多发生在焊缝金属为钢或Ni-Fe合金的多层焊情况下。认为熔合区剥离性裂纹属热裂纹的根据是裂纹开裂时无冷裂纹时可听到的金属开裂的声音，另外，从裂纹的机制，并提出以下的看法：灰铸铁的固相线温度（TS）约为1150，而灰铸铁单层电弧堆焊时，不同焊条所焊焊缝的TS是不同的。低碳钢焊条时，其TS为1340；高钒焊条时其TS为1345；镍铁焊条时，其TS为1240，纯镍焊条时，其TS为1215。铜芯铁粉焊条时，其TS为1042。这说明除铜芯铁粉焊条的焊缝金属的TS低于灰铸铁外，其他碳钢或Ni-Fe合金的焊缝金属的TS均高于灰铸铁。这表明钢焊缝和Ni-Fe合金焊缝