灰口铸铁的焊接
出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《焊工简明实用手册》第532页（3608字）
灰口铸铁焊接目前主要应用于铸造缺陷的焊补和已损坏的铸铁成品件的焊接修复。
1．灰口铸铁的焊接性
灰口铸铁焊接时存在的问题主要有两个，一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织，另一方面焊接接头易出现冷、热裂纹。
(1)焊接接头的白口组织
在焊接时，如果熔池冷却很快，或碳、硅等石墨化元素含量较低，则Fe3C来不及分解析出石墨，便以渗碳体(Fe3C)形态存在，即产生白口组织。
作为母材的灰铸铁，其组织中碳以片状石墨存在。焊接时靠近焊缝的母材熔合区，温度可达1150～1250℃，在这个温度下，石墨全部溶解于奥氏体；在焊接接头冷却过程中，如果冷却速度快，则奥氏体中的碳来不及析出石墨，室温下就以Fe3C的形态存在，这种组织形态就被称为白口组织。冷却得越快，在熔合区处就越容易产生白口组织。
如果选择的焊接材料其熔敷金属与母材同质时，如果冷却速度快，则焊缝与熔合区一样，都会产生白口组织；当焊缝与母材异质时，如果冷却速度仍然很快，则熔合区就会产生白口组织，只是随着所用焊接材料的不同或焊接工艺不同，白口组织出现的程度有所差别。目前采用纯镍焊条对铸铁冷焊时，可以使熔合区的白口组织减到最少。无论是焊缝还是熔合区出现白口组织，都会引起严重后果，因为白口组织既硬又脆，其硬度在500～800HBS之间，极容易引发裂纹，又给机械加工带来困难。
当采用铸铁型焊接材料时，在焊接材料中加入强烈促进石墨化的元素如硅、碳，使其在焊缝中的含量高于母材就可以减少或避免白口组织产生；当采用非铸铁型焊接材料时，焊缝金属不产生白口组织，只在熔合区上产生白口组织。产生的程度与所用焊接材料有关。如果采用含镍或含铜的焊接材料。则利用镍、铜促进石墨化的作用，可以减少熔合区的白口组织。
防止焊接铸铁时接头出现白口组织的途径主要是：
①减小焊接过程中和焊后的冷却速度，焊前预热，焊时保温和焊后缓冷是减少和避免白口组织的有效措施。对同质焊缝，预热至400～700℃一般可以避免焊缝和熔合区产生白口组织。采用异质焊缝时，通常是冷焊(即在室温下，不预热焊件的熔焊工艺)时，要完全避免熔合区白口组织比较困难。如果能低温预热和焊后保温缓冷，也能减少白口的产生。
②利用石墨化元素，促使渗碳体分解石墨化进程；并控制白口化元素的加入量，从焊接材料的成分控制方面达到减少和消除白口组织的目的。
(2)焊接接头的淬硬组织
当采用低碳钢或某些合金钢焊条冷焊铸铁时，此时的焊缝为非铸铁焊缝，碳含量并不高。焊接过程由于母材的熔入，使焊缝金属中碳含量增加，在快速冷却下焊缝金属就会产生高碳马氏体组织，其硬度很高(500HBS左右)，淬硬组织也和白口组织一样，易引发裂纹和给切削加工带来困难。
电弧冷焊过程，在热影响区的半熔化区其温度范围可达1150～1250℃；奥氏体区的温度范围可达820～1150℃，在如此高温下快速冷却，热影响区就会产生脆硬的渗碳体组织。
防止或减少淬硬组织的途径：一是降低冷却速度，这与防止白口组织一致；二是在采用钢质焊接材料时，尽量避免母材熔化过多而恶化焊缝。
(3)铸铁的焊接裂纹
铸铁焊接时很容易产生裂纹。裂纹的类型主要是冷裂纹，其次是热裂纹。
①冷裂纹。焊接铸铁时产生冷裂纹的温度一般在400℃以下，多发生在焊缝和热影响区上。产生冷裂纹的主要原因：
a．灰铸铁强度低，塑性几乎为零，无塑性变形能力。
b．焊件在受到不均匀的加热和冷却时，产生热应力和收缩应力。焊件上温差越大，这些应力也越大。
c．焊接接头产生了白口组织和淬硬组织，这些组织比灰铸铁硬而脆，尤其白口组织。
防止冷裂纹的措施：减小焊接接头的应力和避免焊接接头出现渗碳体和马氏体(即白口组织和淬硬组织)是防止灰铸铁冷裂纹的基本措施。
a．焊接铸铁型焊缝时，注意焊前预热，焊后缓冷。这样既可减小焊接应力又能避免白口等脆性组织的产生。
b．焊接非铸铁型焊缝时，选用使焊缝具有良好塑性的焊接材料，这样可以松弛焊接应力。
c．在焊补厚大铸铁件时，采取开窄坡口、内填板等措施以减小焊缝体积，达到减小焊接应力的目的；焊前还可以采用坡口内栽丝以分散焊接应力的做法。
d．在工艺上采用短段焊、断续分散焊和焊后锤击焊缝等手段减小焊接应力。
②热裂纹。铸铁焊接产生的热裂纹主要出现在焊缝上。铸铁型焊缝对热裂纹不敏感，因为焊缝高温时石墨析出，使体积增加，有助于减小焊接应力；在非铸铁型焊缝中，如果用碳钢焊条，则焊缝极易产生热裂纹，用镍基焊条焊灰铸铁，也有一定热裂倾向。
产生热裂纹的原因：用低碳钢焊条焊接灰铸铁的第一层焊缝最容易发生热裂纹，因为作为母材的灰铸铁其碳、硫和磷含量高，熔入第一层焊缝的量较多。使钢质焊缝平均含碳、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热裂纹几率最大。用镍基焊条焊接灰铸铁时，也因母材熔入焊缝使硫、磷有害元素增加，易生成低熔共晶而导致热裂倾向。
防止焊缝金属产生热裂纹的途径：需要从冶金处理和焊接工艺两方面采取措施。在冶金方面，通过调整焊缝化学成分，使其脆性温度区间缩小：加入稀土元素，增强脱硫、去磷能力以减少焊缝内低熔物质，并可细化晶粒。在工艺上要正确制定焊接操作工艺，尽量降低焊接应力和使母材熔入焊缝中的比例(即熔合比)尽可能小等。
2．灰口铸铁的焊接工艺
铸铁的焊接性差，因此须正确选择焊接方法及其所用的焊接材料，同时还需要制定一套与之相适应的焊接工艺措施配合焊补才能取得成功。
(1)灰铸铁的焊接方法
焊补灰铸铁的常用方法有电弧焊和气焊，此外还有钎焊和手工电渣焊。电弧焊中以焊条电弧焊应用最多，气体保护焊用得较少。手工电弧焊常用的焊接材料及应用范围见表7．8－6。
表7．8－6 铸铁焊接材料及相应焊接方法特点
①冷焊法是采用非铸铁型焊条，对铸铁件不预热就进行电弧悍的一种方法。此法劳动条件好，但焊缝性能和颜色与母材常有差异。
②热焊法是采用铸铁型焊接材料电弧焊或气焊。焊前应对被焊铸铁件整体或较大范围局部预热600～700℃(呈暗红色)左右，在400℃以上开始焊接。焊后在600～700℃保温以消除焊接应力。此法效果很好，但劳动条件差。结构复杂且刚性大的铸铁件宜整体预热，局部预热只适用于结构简单刚性小的铸铁件。
③半热焊法与热焊法的区别在于预热温度较低，在400℃左右，使用的焊接材料与方法与热焊法相同。表7．8－7给出了各种焊接方法焊接灰口铸铁的工艺要点。
表7．8－7 各种焊接方法焊接灰口铸铁的工艺要点
