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?；诣T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)，不存在白口組織問題；當(dāng)焊縫為鑄鐵成分時(shí)，由于熔池冷卻速度快，碳來不及析出形成石墨，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。由于加熱溫度超過固相線，鑄鐵的基體被完全奧氏體化。在冷卻過程中，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快，影響了鑄鐵的石墨化過程造成的。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。

在焊接過程中，可以通過增加焊縫的石墨化元素含量或使焊縫成為非鑄鐵組織來改變焊縫的化學(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，基本無塑性，承受塑性變形的能力幾乎沒有，因此非常容易產(chǎn)生冷裂紋，尤其是在焊接過程中，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，無法產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，極易引起開裂。

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

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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