关于灰铸铁的焊接性的探讨

2014-03-13费翔FEIXiang

价值工程 2014年5期

费翔FEI Xiang

（石家庄煤矿机械有限责任公司，石家庄 050031）

（Shijiazhuang Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China）

0 引言

灰铸铁中碳主要以石墨状态存在，呈现片状，断口呈灰色，也称灰口铸铁。灰铸铁的化学成分主要是碳和硅，同时硫和磷的杂质含量较高，使得在焊接过程中极易产生冷裂纹和热裂纹。同时还具有强度低、塑性极差且在焊接过程中具有冷却速度快及焊件受热不均匀易产生较大焊接应力的特性，这就直接导致了其焊接性能很差。突出表现在焊接接头易产生白口和淬硬组织及冷热裂纹等方面。

1 焊接接头的白口和淬硬组织产生的原因及防止措施

常用灰铸铁中，含碳约3%，含硅约2.5%，对其用焊条电弧焊进行施焊时，焊接过程中白口组织主要集中在焊缝区、熔合区和奥氏体区。

焊缝区在焊接加热过程中处于液相温度以上。由于所选焊接材料的不同，焊缝成分分两种：一种是铸铁成分，另一种是非铸铁成分。当焊缝为非铸铁成分时，不存在白口组织问题；当焊缝为铸铁成分时，由于熔池冷却速度快，碳来不及析出形成石墨，焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体和珠光体组成。焊缝区基本呈现白口组织。即使在焊接过程中，增大焊接热输入，一定程度上可以减少白口组织的产生，但仍然不能将其消除，这是由铸铁组织的特性决定的。

熔合区温度范围很窄，处于液相线和固相线之间，温度约为1150—1250℃，在焊接加热过程中，部分铸铁母材融化变为液体，部分固态母材转化为高碳奥氏体。冷却时，转变为液相的铸铁将在共晶温度区间继续发生转变，产生共晶渗碳体+奥氏体+二次渗碳体，最终将其产生的奥氏体全部转换成珠光体白口铸铁。

奥氏体区处于固相线和共析温度上限之间，加热温度范围约为820—1150℃，此时，只存在固态相变。由于加热温度超过固相线，铸铁的基体被完全奥氏体化。在冷却过程中，奥氏体首先析出二次渗碳体，而后进行共析转变。当温度缓慢降低时，奥氏体将转变成珠光体组织，当温度急速降低时，奥氏体直接转变成马氏体组织。

很多铸件补焊后要求加工，但是焊接接头中所产生的白口组织和马氏体组织硬而脆，容易引起裂纹，给加工带来了很大的困难。白口组织和马氏体组织主要是由于焊接接头冷却速度过快，影响了铸铁的石墨化过程造成的。所以，改变焊缝的化学成分或降低焊接接头的冷却速度能够有效的防止这些组织产生。

在焊接过程中，可以通过增加焊缝的石墨化元素含量或使焊缝成为非铸铁组织来改变焊缝的化学成分。使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性，更利于机械加工。该方法可以有效解决焊缝区的白口组织问题。但要想解决熔合区的白口现象，就必须减慢冷却速度，延长熔合区处于红热状态的时间，让石墨有充分时间析出，焊接前充分预热，一般400-700℃，焊后保温缓冷。确保接头的有效石墨化。

2 焊接裂纹的产生的原因及防止措施

灰铸铁焊接过程中易产生的裂纹有两种：冷裂纹和热裂纹。

灰铸铁的焊接裂纹主要是冷裂纹，灰铸铁本身强度低，基本无塑性，承受塑性变形的能力几乎没有，因此非常容易产生冷裂纹，尤其是在焊接过程中，局部受热或冷却时，焊件本身的焊接应力集中且较大，一旦释放，必将产生裂纹现象。而且焊接接头中的白口组织和淬硬组织又硬又脆，无法产生塑性变形。当受到应力作用时，极易引起开裂。

灰铸铁焊接冷裂纹可以发生在焊缝中，也可以发生在热影响区中，一般多发生在含有较多渗碳体及马氏体的熔合区中。在焊缝较长或补焊刚度较大的铸件缺陷时，若焊缝中存在白口组织，其收缩率比灰铸铁大，焊缝中极易出现冷裂纹。

综上所述，灰铸铁焊接冷裂纹产生的原因是焊接应力。

防止铸铁型冷裂纹产生的最有效的方法是对焊件进行整体预热550-700℃，并且焊后在相同温度下消除应力。还可以采用镍基或铜基焊接材料，使焊缝成为塑性良好的非铁合金，达到一定程度的消除应力的作用，减少冷裂纹的产生。也可以从工艺角度，采用分段焊接或断续焊接等工艺措施减小或消除焊接应力；或者采用小电流焊接规范，减小热输入，减少熔合区的白口组织及淬硬层宽度，以减小焊接应力，进而达到防止裂纹的产生。

灰铸铁焊接的热裂纹主要出现在焊缝上，当焊缝为铸铁时，采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊条焊接材料时，焊缝区易产生热裂纹。最简单的防止方法就是增强焊缝的脱硫磷能力，或者采用冷焊工艺降低焊接应力。