鑄鐵異種材料的焊接鑄鐵具有成本低、耐磨性和切削加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，按質(zhì)量比統(tǒng)計(jì)，在汽車、農(nóng)機(jī)和機(jī)床中鑄鐵用量約占50%90%。鑄鐵異種材料的焊接具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)引起我國科技人員的高度重視，是我國下一步發(fā)展焊接技術(shù)的方向之一。鑄鐵焊接主要應(yīng)用于以下三個(gè)方面。 鑄鐵缺陷的焊接修復(fù) 我國各種鑄鐵的年產(chǎn)量約為800萬噸，有各種鑄造缺陷的鑄件約占鑄鐵年產(chǎn)量的10%15%。采用焊接方法修復(fù)這些鑄鐵件，可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 已損壞的鑄鐵成品件的焊接修復(fù) 由于各種原因，鑄鐵成品件在使用過程中會(huì)受到損壞，出現(xiàn)裂紋等缺陷。若要更換新的部件，不僅價(jià)格昂貴，而且從訂貨、運(yùn)貨到安裝調(diào)試需要很長時(shí)間。若用焊接方法及時(shí)修復(fù)出現(xiàn)的裂紋，可獲得事半功倍的效果。 鑄鐵零部件的生產(chǎn) 這是指用焊接方法將鑄鐵件、各種鋼件或有色金屬件焊接起來而生產(chǎn)出零部件。我國目前在這方面比較落后，處于剛起步階段。1. 鑄鐵的種類和性能鑄鐵的性能取決于化學(xué)成分和金相組織。工業(yè)中常用的鑄鐵含有大于2%碳、1%3%硅和少量鋁，還含有少量錳及硫、磷等雜質(zhì)。為了獲得某種特殊性能，可添加一定量的其他合金元素，如鉻、鉬、銅、鎳等。與鋼相比，鑄鐵熔點(diǎn)較低，通常為11001250，密度為6.77.6g/cm3，線膨脹系數(shù)約為10.610-6-1，塑性低，焊接性較差，使其在焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到一定的限制。1.1 鑄鐵的分類鑄鐵按碳的存在狀態(tài)（化合物或游離石墨）及石墨的存在形式（片狀、球狀、團(tuán)絮狀等）分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、白口鑄鐵和合金鑄鐵五大類，其中灰口鑄鐵和球墨鑄鐵應(yīng)用最廣。除了基體組織（鐵素體、珠光體或鐵素體+珠光體）之外，鑄鐵的性能在很大程度上由石墨的形狀、大小、分布和數(shù)量等所決定的。（1）灰口鑄鐵灰口鑄鐵（HT）中的碳全部或大部分以片狀石墨形態(tài)存在，分布于不同的基體上，斷口呈暗灰色。這類鑄鐵的生產(chǎn)工藝簡單，價(jià)格低廉，具有優(yōu)良的耐磨性和切削加工性等，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。由于基體中的石墨呈片層狀分布，與基體結(jié)合力弱。因此灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低、硬度低，塑性幾乎為零。灰口鑄鐵的化學(xué)成分見表1，灰口鑄鐵的力學(xué)性能、特點(diǎn)及用途見表2。表1 灰口鑄鐵的化學(xué)成分牌號基體組織化學(xué)成分CSiMnPSHT100 珠光體30%70%粗片狀，鐵素體70%30%，二元磷共晶少于73.43.92.12.60.50.60.30.15HT150 珠光體40%90%中粗片狀，鐵素體10%60%，二元磷共晶少于73.23.52.02.41.92.31.82.20.50.80.50.80.60.90.030.15HT200珠光體90%中片狀，鐵素體少5%，二元磷共晶少于43.23.53.13.43.03.31.62.01.51.81.41.60.70.90.70.90.81.00.30.12HT250 珠光體98%粗片狀，二元磷共晶少于23.03.32.93.22.83.11.51.81.41.71.31.60.81.00.91.11.01.20.20.12HT300珠光體多于98%中細(xì)片狀，二元磷共晶少于23.03.32.93.22.83.11.41.71.31.61.21.50.81.00.91.11.01.20.150.12HT350 珠光體多于95%粗片狀，二元磷共晶少于12.83.12.83.12.83.01.31.61.21.51.11.41.01.31.01.31.11.40.150.10處理方法為孕育。表2 常見的灰口鑄鐵的力學(xué)性能、特點(diǎn)及用途牌號金相組織抗拉強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa硬 度/HBS特點(diǎn)及用途舉例HT100鐵素體100260175 強(qiáng)度低，用于制造對強(qiáng)度及組織無要求的不重要鑄件，如油盤、蓋、鑲裝導(dǎo)軌的支柱等HT150鐵素體+珠光體150330150200 強(qiáng)度中等，用于制造承受較高載荷的耐磨鑄件，如機(jī)床底座、工作臺等HT200珠光體200400170220 強(qiáng)度較高，用于制造承受較高載荷的耐磨鑄件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、液壓泵、閥門殼體、機(jī)床機(jī)身、汽缸、中等壓力的液壓筒等HT250珠光體250470190240HT300孕育鑄鐵300540210260 強(qiáng)度高，組織為珠光體基體，用于承受高載荷的耐磨件，如剪床、壓力機(jī)的機(jī)身、車床卡盤、導(dǎo)軌、齒輪、液壓筒等HT350孕育鑄鐵350610230280HT400孕育鑄鐵400680207269注：灰口鑄鐵的牌號采用“HT+數(shù)字”表示，其中數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。（2）球墨鑄鐵 灰口鑄鐵在澆注前，進(jìn)行石墨球化處理即可得到球墨鑄鐵。球墨鑄鐵（QT）基體中石墨呈球狀，對基體的割裂最小，大大降低應(yīng)力集中，所以具有較高的強(qiáng)度和韌性，而且能通過熱處理來改善力學(xué)性能。主要應(yīng)用于制造承受較大動(dòng)載荷的重要零件，如柴油機(jī)的曲軸、連桿、汽缸蓋、汽缸套和齒輪等；還可以在一定范圍內(nèi)代替鑄鐵件用來制造受壓閥門、機(jī)器底座和汽車后橋殼等。球墨鑄鐵的主要化學(xué)成分見表3。表3 球墨鑄鐵的主要化學(xué)成分CSiMnPS34230.41.00.10.04表4 常用球墨鑄鐵的牌號及力學(xué)性能牌 號抗拉強(qiáng)度b/MPa屈服強(qiáng)度s/MPa伸長率/%硬 度HBS金相組織QT400-1840025018130180鐵素體QT400-1540025015130180鐵素體QT450-1045031010160210鐵素體QT500-75003207170230鐵素體+珠光體QT600-36003703190270珠光體+鐵素體QT700-27004202225305珠光體QT800-28004802245335珠光體或回火組織QT900-29006002280360貝氏體或回火組織注：球墨鑄鐵的牌號采用“QT數(shù)字?jǐn)?shù)字”表示，第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示伸長率。（3）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵（KT）又稱展性鑄鐵，白口鑄鐵毛坯經(jīng)9001000長時(shí)間（幾十小時(shí)）退火，使?jié)B碳體在固態(tài)下分解，形成團(tuán)絮狀石墨，得到強(qiáng)度和塑性都比一般灰口鑄鐵高的可鍛鑄鐵。根據(jù)化學(xué)成分和組織不同，可鍛鑄鐵可分為鐵素體可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵兩類。其主要化學(xué)成分見表5，常用可鍛鑄鐵的牌號及力學(xué)性能見表6。表5 常用可鍛鑄鐵的主要化學(xué)成分材料CSiMnPS鐵素體可鍛鑄鐵2.22.61.01.30.30.40.120.18珠光體可鍛鑄鐵2.83.20.61.10.450.100.15表6 常用可鍛鑄鐵的牌號及力學(xué)性能牌 號抗拉強(qiáng)度b/MPa屈服強(qiáng)度s/MPa伸長率/%硬 度HBSKTH300-063006120163KTH330-083308120163KTH350-1035020010120163KTH370-1237012120163KTZ450-054502705150200KTZ550-045503404180230KTZ650-026504302210260KTZ700-027005302240290注：可鍛鑄鐵的牌號采用“KT數(shù)字?jǐn)?shù)字”表示，第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示伸長率。KTH表示鐵素體可鍛鑄鐵，KTZ表示珠光體可鍛鑄鐵。（4）蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵（簡稱蠕體，RT），力學(xué)性能介于基體組織相同的灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間。蠕鐵的抗拉強(qiáng)度為300500MPa，伸長率為16。蠕墨鑄鐵的金相組織由蠕蟲狀石墨和基體組成，有三種類型：鐵素體蠕墨鑄鐵、鐵素體+珠光體蠕墨鑄鐵、珠光體蠕墨鑄鐵。由于蠕化劑中含有球化元素Mg、稀土等，蠕蟲狀石墨總是與球狀石墨共存。與片狀石墨相比，蠕蟲狀石墨較短而厚，頭部較圓，對基體的切割作用減小，應(yīng)力集中減小，故蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、疲勞強(qiáng)度等均優(yōu)于灰口鑄鐵，而接近鐵素體基體的球墨鑄鐵。此外，蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性、鑄造性、可切削加工性均優(yōu)于球墨鑄鐵，而與灰口鑄鐵相近。（5）白口鑄鐵白口鑄鐵（BT）中的碳幾乎全部以滲碳體（Fe3C）狀態(tài)存在，斷口呈白色，硬而脆，不易機(jī)加工，在冶金、礦山、橡膠塑料等軋制機(jī)械中獲得越來越廣泛地應(yīng)用。常用白口鑄鐵的主要化學(xué)成分為C2.1%3.8%，Si1.2%。有時(shí)添加Mo、Cr、W等合金元素以提高力學(xué)性能。1.2 影響鑄鐵性能的因素鑄鐵的性能主要取決于鑄鐵的組織。鑄鐵的基體組織有鐵素體、珠光體及鐵素體+珠光體三大類，相當(dāng)于鋼的組織。鑄鐵的組織特點(diǎn)可以看成是在鋼的基體上分布有不同形狀的石墨?；瘜W(xué)成分和冷卻速度，對鑄鐵組織性能的影響最為顯著。（1）化學(xué)成分的影響合金元素會(huì)影響鑄鐵結(jié)晶時(shí)的石墨化程度、石墨的形態(tài)及基體的組織。根據(jù)化學(xué)元素對鑄鐵結(jié)晶時(shí)石墨化程度的影響，把合金元素分為促進(jìn)石墨化元素，如C、Si、Al、Ni、Cu等；另一類是阻止石墨化（促進(jìn)白口化）的元素，如S、V、Cr、Mo、Mn等。合金元素對鑄鐵性能的影響結(jié)果見表7。表7 合金元素對鑄鐵性能的影響合金元素影 響 結(jié) 果C、Si 強(qiáng)烈的石墨元素，能改變石墨析出的數(shù)量、形態(tài)和大小，隨著碳、硅含量的增加，促使石墨的聚集和粗大S 強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，是鑄鐵中的有害元素，易形成熔點(diǎn)很低的FeS。與Fe3C形成共晶時(shí)，易造成偏析，降低晶界強(qiáng)度，使高溫鑄件開裂Mn 阻礙石墨化的元素，促進(jìn)形成Fe3C；可與硫形成高熔點(diǎn)的MnS，從而減弱了硫的有害作用；錳同時(shí)可促進(jìn)珠光體基體形成，從而提高鑄鐵的強(qiáng)度；但錳量過高會(huì)阻礙第二階段石墨化，有二次滲碳體沿晶界析出，使鑄鐵強(qiáng)度降低，脆性增加P 磷在固溶體中的溶解度很低，且隨含碳量的增加而降低。當(dāng)磷含量超過溶解度極限時(shí)，會(huì)生成Fe3P以磷共晶形式存在，磷共晶硬而脆，沿晶界分布，增加鑄鐵的脆性，易在鑄件冷卻過程中產(chǎn)生裂紋，故磷是鑄鐵中的有害元素，一般控制在0.3%以下NI、Cu 促進(jìn)石墨化，同時(shí)促進(jìn)生成和細(xì)化珠光體，對壁厚懸殊的鑄件有良好的作用。可促進(jìn)壁薄處組織石墨化，防止產(chǎn)生白口；對壁厚處，可使奧氏體穩(wěn)定而獲得細(xì)密的珠光體，使鑄件組織均勻化Cr、Mo、W、V 與碳生成合金碳化物，強(qiáng)烈地阻礙石墨化，同時(shí)可強(qiáng)化鑄鐵基體，提高鑄鐵的強(qiáng)度和耐磨性（2）冷卻速度的影響冷卻速度的變化既影響鑄鐵的石墨化程度，又影響鑄鐵基體組織。在（C+Si）量一定時(shí)，不同的冷卻速度可產(chǎn)生不同的鑄鐵組織。當(dāng)液態(tài)鑄鐵冷卻速度很快時(shí)，形成由珠光體和滲碳體構(gòu)成的白口鑄鐵；冷卻速度足夠慢時(shí)，形成由鐵素體和石墨構(gòu)成的灰口鑄鐵；當(dāng)冷卻速度介于上述兩者之間時(shí)，形成珠光體灰口鑄鐵或珠光體+鐵素體灰口鑄鐵。（3）基體組織對鑄鐵性能的影響鑄鐵基體中鐵素體相越多，鑄鐵塑性越好；基體中珠光體數(shù)量越多，則鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度越高。但普通灰口鑄鐵由于粗片狀石墨對基體的強(qiáng)烈割裂作用，即使得到全部鐵素體基體組織，塑性和韌性仍然很低。因此，只有當(dāng)石墨為團(tuán)絮狀、蠕蟲狀和球狀時(shí)，改變金相組織才能顯示出對性能的影響。（4）石墨對鑄鐵性能的影響石墨抗拉強(qiáng)度小于20MPa，伸長率趨近于零。石墨的數(shù)量、大小和分布對鑄鐵的性能有顯著影響。片狀石墨數(shù)量越多，對基體的削弱作用和應(yīng)力集中程度越大，灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性越低。石墨數(shù)量一定時(shí)，雖然石墨片越粗應(yīng)力集中程度減弱，但在局部區(qū)域使承載面積急劇減少，性能也顯著下降；石墨片增多，應(yīng)力集中程度增大。當(dāng)石墨片相互連接時(shí)，承載面積也顯著下降。當(dāng)石墨的數(shù)量和尺寸一定時(shí)，石墨分布不均勻，產(chǎn)生方向性排列，則灰口鑄鐵的強(qiáng)度和塑性也顯著下降。當(dāng)石墨形成封閉的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，鑄鐵的力學(xué)性能最低。石墨形狀也影響鑄鐵的性能?；w為珠光體的鑄鐵，石墨由灰鐵的粗片狀分別變成細(xì)片狀（孕育鑄鐵）、團(tuán)絮狀（可鍛鑄鐵）和球狀（球墨鑄鐵）時(shí)，抗拉強(qiáng)度、伸長率及沖擊韌性依次提高。鑄鐵的力學(xué)性能主要受基體和感恩控制。因此，強(qiáng)化鑄鐵時(shí)，一方面要改變石墨的數(shù)量大小，開頭和分布，盡量減少石墨的有害作用；另一方面又可通過合金化、熱處理和表面處理方法調(diào)整基體組織，提高基體性能，改善鑄鐵的強(qiáng)韌性。2. 鑄鐵與鋼的焊接鑄鐵的焊接性很差，鑄鐵與鋼焊接，主要問題在鑄鐵一側(cè)，焊接性和焊接工藝主要考慮鑄鐵的焊接特點(diǎn)，而鋼一側(cè)幾乎可不考慮。根據(jù)鑄鐵與鋼的化學(xué)成分、填充金屬類型、接頭形式和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求等選擇合適的焊接方法。在生產(chǎn)中主要是各種鋼與灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵的焊接。鑄鐵與鋼焊接時(shí)填充金屬按表8選擇?？梢韵仍阼T鐵待焊面用小直徑的鎳基或鑄鐵焊條堆焊過渡層，堆焊要分段、間隔、交錯(cuò)進(jìn)行。再用E5015焊條等在過渡層上堆焊中間層。最后用E5015將鋼與鑄鐵焊接起來，焊接時(shí)應(yīng)將電弧指向碳鋼母材。表8 鑄鐵與鋼焊接時(shí)填充金屬的選擇被焊材料手工電弧焊CO2氣體保護(hù)焊氬弧焊釬 焊釬 料釬 劑低碳鋼+灰口鑄鐵AWSENi-CL-A(95%Ni)Ni337EZ116H08Mn2SiA53Ni-45Fe藥芯焊絲Ni112H62HSCuZn2HSCuZn3CuZnBCuZnABCu-ZND硼砂，硼酸鹽低碳鋼+可鍛鑄鐵EZCQEZNi-1EZNiFe-1EZNiFeCuEZNiCu-1E5015E4303E4301Ni337ENi-C1A（95%Ni）ENi-C1（93%Ni）銀315Bag-3Bag-4QJ101ak Q102低碳鋼+球墨鑄鐵EZNi-1EZNiFe-1EZNiFeCuNi337ENi-C1-AE501535Sn-30Pb-35Zn軟釬料2.1 灰口鑄鐵與碳鋼的焊接（1）灰口鑄鐵與碳鋼的焊接特點(diǎn)灰口鑄鐵與碳鋼的焊接，在機(jī)床床身、底座、機(jī)架、齒輪箱及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上應(yīng)用較多，主要焊接特點(diǎn)如下。 灰口鑄鐵與碳鋼焊接時(shí)，鑄鐵中的碳以片狀石墨形式存在，分布在鐵素體、珠光體或珠光體+鐵素體基體上。石墨片相當(dāng)于孔洞和裂紋，割裂基體的連續(xù)性，降低了接頭的力學(xué)性能。 焊接接頭承受拉伸應(yīng)力時(shí)，容易在片狀石墨尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而裂紋傾向增加，并容易產(chǎn)生氣孔。 當(dāng)焊接接頭承受壓縮應(yīng)力時(shí)，石墨割裂基體和造成的應(yīng)力集中很小。因此具有較高的抗壓強(qiáng)度。 灰口鑄鐵與碳鋼的焊縫中石墨數(shù)量越多、越粗大、片狀分布越明顯，割裂基體作用越大，力學(xué)性能也越差。 由于鑄鐵中含碳量高、雜質(zhì)多，焊接接頭容易產(chǎn)生白口組織，在焊接應(yīng)力作用下極易發(fā)生裂紋和斷裂。 灰口鑄鐵與碳鋼的焊接性差，必須選擇合適的焊接方法及填充材料，采取特殊的焊接工藝措施，才能獲得優(yōu)良的焊接接頭。（2）灰口鑄鐵與碳鋼的焊接工藝灰口鑄鐵與碳鋼焊接時(shí)，所采用的焊接方法主要是手工電弧焊（包括熱焊法、冷焊法）。此外，還可以采用CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊（TIG、MIG）、等離子弧焊、釬焊和擴(kuò)散焊等方法。1) 灰口鑄鐵與碳鋼的電弧熱焊所謂電弧熱焊，就是焊前將鑄鐵母材被焊部位預(yù)熱到400700（暗紅色），然后進(jìn)行焊接，焊后再進(jìn)行緩冷的焊接方法。施焊前去除鑄鐵和鋼表面的氧化皮、油脂、水分。焊條可選用Z208、Z408或結(jié)構(gòu)鋼焊條J422、J507。電弧熱焊的工藝過程如下。 焊前將鑄鐵件被焊部位加熱到400600，此時(shí)鑄鐵的屈服點(diǎn)很大，內(nèi)應(yīng)力很小，可以大大減少裂紋傾向，防止出現(xiàn)白口組織。 選用鑄鐵芯焊條（在焊芯外面涂石墨化藥皮），通過焊芯和藥皮向焊縫過渡碳、硅等石墨化元素。也可選用鋼芯石墨化藥皮焊條（Z208），通過藥皮向焊縫過渡石墨化元素。 熱焊時(shí)，電弧稍傾向鑄鐵母材金屬側(cè)，焊接過程中兩種母材金屬溫度不低于400，否則易出現(xiàn)裂紋。采用直徑為4mm的Z208焊條焊接時(shí)，電弧長度為35mm；采用直徑為10mm的鑄鐵芯焊接時(shí)，電弧長度為810mm。 焊接電流的選擇可參考單獨(dú)焊接灰口鑄鐵的工藝參數(shù)。焊接電流過大，兩種母材金屬熔化量過金我，對焊縫石墨化不利。 焊接坡口根部和邊緣時(shí)，不要用電弧直接加熱，通過熔池金屬將熱量傳至坡口使之熔化，這樣既可保證焊縫的熔合比，又能避免咬邊或熔合不等缺陷。 焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，將冷卻至100200的焊接接頭加熱到600620，每25.4mm保溫1h，然后緩冷（冷卻速度28/h），以防止產(chǎn)生裂紋，降低硬度。也可采用石棉墊或草木灰覆蓋緩冷至常溫。2) 灰口鑄鐵與碳鋼的電弧冷焊所謂電弧冷焊，就是焊前對鑄鐵被焊部位不預(yù)熱，或低溫預(yù)熱（400以下）再進(jìn)行焊接的方法。電弧冷焊與電弧熱焊相比，焊前母材金屬不預(yù)熱，減少了工藝過程，節(jié)省焊接時(shí)間，具有一定的推廣價(jià)值，焊接生產(chǎn)中應(yīng)用較多，焊件形狀和大小不受限制，易于大批量生產(chǎn)。電弧冷焊的工藝過程如下。 焊前認(rèn)真清理灰口鑄鐵與碳鋼的接頭表面，露出純凈的基體金屬。焊接坡口參照碳鋼的坡口形式及尺寸。采用對接接頭時(shí)，灰口鑄鐵一側(cè)開3545的單面V形坡口；碳鋼一側(cè)開1525的V形坡口。搭接時(shí)，灰口鑄鐵一側(cè)開2025的V形坡口。 灰口鑄鐵與碳鋼裝配時(shí)，裝配間隙要盡量小，通常為0.52.0mm。為了提高焊接接頭的強(qiáng)度，可在坡口上鉆孔、攻絲及擰上螺釘，螺釘可裝在坡口一側(cè)或兩側(cè)。接頭厚度與安置螺釘?shù)年P(guān)系見表9。表9 接頭厚度與安置螺釘?shù)年P(guān)系材料名稱接頭形式板厚/mm螺釘直徑/mm螺釘間距/mm螺釘深度/mm螺釘外露長/mm低碳鋼+灰口鑄鐵對接V形坡口10+10 (以下)3581015205812+125101015202581214+14101215202530121516+16121430253035152018+18141625283536202520+20161828303540252625+25(以上)1820303540452630 焊接有白口傾向的鑄鐵和剛度大的碳素鋼時(shí)，先對被焊接頭進(jìn)行退火或回火處理，以便消除殘余應(yīng)力。 當(dāng)用電弧冷焊法對灰口鑄鐵與碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，宜選用高鎳、鎳鐵等焊機(jī)。電弧冷焊焊條的選擇見表10。填充材料必須進(jìn)行150200烘干，保溫時(shí)間為12h。選用鎳基焊條電弧冷焊灰口鑄鐵與碳鋼時(shí)，焊條直徑與焊接電流的關(guān)系見表11。表10 電弧冷焊焊條的選擇焊條種類焊條牌號符合國標(biāo)型號主要特點(diǎn)鋼芯鑄鐵焊條Z100Z116Z208EZFe-1EZVEZC低碳鋼芯，氧化性藥皮鋼芯釩合金化藥皮，抗裂性好強(qiáng)石墨化藥皮，抗裂性較差，成本低鎳基焊條Z308Z408Z508EZNiEZFeNi-1EZNiCU-1純鎳芯，強(qiáng)還原性石墨型藥皮，抗裂性好，機(jī)加工性好鎳鐵合金焊芯，石墨型藥皮，抗裂性好，強(qiáng)度高鎳銅焊芯，石墨型藥皮，收縮率大，抗裂性較差，易加工銅芯鑄鐵焊條Z607Z616銅芯鐵粉銅餅鐵皮結(jié)構(gòu)鋼焊條J422J423J507E4303E4301E5015工藝性能優(yōu)良，適于全位置焊接，交、直流兩用電弧穩(wěn)定，脫渣性好，全位置焊接，交、直流兩用抗裂性好，力學(xué)性能優(yōu)良，適于全位置焊接表11 灰口鑄鐵與碳鋼電弧冷焊的工藝參數(shù)焊條種類焊條牌號符合國標(biāo)型號焊條直徑/mm焊接電流/A鎳鐵焊條Z408EZFeNi-12.02.53.25060609090100鎳銅焊條Z508EZNiCu-13.24.05.0100120120150200250 電弧冷焊時(shí)，通常先在鑄鐵一側(cè)坡口中堆焊過渡層，在過渡層上堆焊一層中間層，以利于碳素鋼的連接。然后用碳鋼焊條將中間層與碳鋼連接起來。 施焊過程中應(yīng)采用小電流、短弧、小線能、窄道焊、錘擊焊道松馳應(yīng)力等工藝措施。電弧冷焊過程中，灰口鑄鐵一側(cè)的熱量應(yīng)占20%，碳鋼一側(cè)的熱量應(yīng)占25%,焊條熱量占30%，電弧熱量占25%。 電弧冷焊后的焊接接頭必須緩慢冷卻，出現(xiàn)裂紋等缺陷時(shí)用電弧吹掉，重新焊接。 釬焊采用釬焊方法時(shí)，在450510催化的熔融鹽池中清除石墨、表面氧化物等，以改善釬料在鑄鐵表面的潤濕性。釬焊時(shí)母材不熔化，不參與冶金反應(yīng)，這時(shí)鑄鐵焊接非常有利?；铱阼T鐵與碳鋼的釬焊工藝要點(diǎn)。 灰口鑄鐵與Q235低碳鋼釬焊，多采用氧乙炔焰作熱源，有時(shí)也采用氬?。═IG）作為熱源。 多采用銅基釬料，一般銅為52%56%，其余為鋅。這種釬料接頭強(qiáng)度低（117.6147MPa），焊后釬縫顏色為黃色，與鑄鐵顏色相差很大。若要求釬縫顏色與鑄鐵、鋼表面顏色相近，可以采用如下釬料：Cu 4850%，Mn 9.5%10.5%，Ni 3.5%4.5%，Sn 0.3%0.7%，Al 0.20.4%，其余為Z。 一般采用硼砂作為釬劑。 釬焊前清理工件表面，利用噴砂或火焰清除灰口鑄鐵表面上的石墨。 為提高釬焊縫的強(qiáng)度，釬焊后可在700750退火處理20min，以利于增強(qiáng)釬料與母材互相擴(kuò)散。2.2 可鍛鑄鐵與碳鋼的焊接可鍛鑄鐵與碳鋼焊接的最大問題，是可鍛鑄鐵焊接加熱時(shí)一經(jīng)熔化，就容易造成白口，可鍛鑄鐵一側(cè)未熔化區(qū)形成白口層，容易產(chǎn)生焊接裂紋。此外，焊接區(qū)中任何部位溫度超過850時(shí)，急冷后都會(huì)出現(xiàn)使可鍛鑄鐵返回白口鑄鐵組織的可能性?？慑戣T鐵與碳鋼焊接時(shí)，碳鋼熱導(dǎo)率比可鍛鑄鐵大，線膨脹系數(shù)也有較大差別。因此焊接接頭的應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生裂紋?？慑戣T鐵與碳鋼焊接常用的方法有手工電弧焊（包括熱焊與冷焊）、氧乙炔氣焊、釬焊、CO2氣體保護(hù)焊和真空擴(kuò)散焊等。（1） 電弧熱焊和冷焊采用電弧熱焊和冷焊焊接可鍛鑄鐵與碳鋼時(shí)，操作技術(shù)和焊接工藝與灰口鑄鐵和碳鋼的電弧熱焊和冷焊相似。工藝參數(shù)可根據(jù)可鍛鑄鐵與碳鋼兩種母材的物理特性、化學(xué)成分及對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求來確定?？慑戣T鐵與碳鋼的手工電弧焊，多采用電弧冷焊，選擇鋼質(zhì)焊縫的焊條或是合金焊縫的焊條。工藝上應(yīng)注以下問題。 焊縫金屬盡量選擇線膨脹系數(shù)與可鍛鑄鐵相近的焊條，這樣有利于減小焊接應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。 嚴(yán)格控制焊接電流，選用小直徑焊條，采用短弧、小電流，熔深要淺，焊接電弧始終傾向于碳鋼一側(cè)，盡可能使可鍛鑄鐵一側(cè)半熔化區(qū)及熱影響區(qū)窄小，避免半熔化區(qū)出現(xiàn)白口或淬硬組織。 降低焊縫的熔合比，焊接速度要快，焊接時(shí)不擺動(dòng)，窄焊道，多層焊，焊后輕擊焊縫以消除應(yīng)力。 嚴(yán)格控制在850以上的停留時(shí)間，避免可鍛鑄鐵返回白口鑄鐵；采用鎳基焊條可減小可鍛鑄鐵成分在焊縫中的比例。 焊接參數(shù)及工藝措施與灰口鑄鐵焊接時(shí)相同。（2） CO2氣體保護(hù)焊生產(chǎn)中常采用細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊焊接可鍛鑄鐵與碳鋼，這樣可獲得良好的焊接接頭，以可鍛鑄鐵KTH350-10與35號鋼的焊接為例，汽車工業(yè)生產(chǎn)中，越野車備胎拖架與螺栓的連接即屬于此種情況，焊接時(shí)可選擇0.61.0mm的H08Mn25SiA，也可選用Z508焊條手工電弧焊?？慑戣T鐵KTH350-10與35號鋼焊接的工藝參數(shù)見表12。表12 可鍛鑄鐵KTH350-10與35焊焊接的工藝參數(shù)焊接方法空載電壓/V焊接電壓/V焊接電流/A焊速/cm.s-1氣壓/MPa氣體流量/L.min-1焊絲干伸長度/mm送絲速度/m.min-1手工電弧焊8022100180201301CO2焊26.221.59820.29411810527.2239521.4711810526.2229621.47118106可鍛鑄鐵與碳鋼CO2氣體保護(hù)焊過程中要特別注意以下幾個(gè)問題。 焊接起弧處和收弧處，最容易出現(xiàn)缺陷，一是起弧要搭接，二是要填滿弧坑。 要保證CO2氣體純度，使用預(yù)熱器能有效地保證低氫性的特點(diǎn)。 盡量使用0.60.8mm的細(xì)焊絲，少用1.0mm的焊絲，這樣可保證鑄鐵件的質(zhì)量。2.3 球墨鑄鐵與碳鋼的焊接球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，對基體的割裂作用和應(yīng)力集中比灰口鑄鐵小得多，因而基體抗拉強(qiáng)度可達(dá)400600MPa。但是，球墨鑄件中的球化劑（如鎂、稀土及硅鈣合金等）起阻礙石墨化作用，所以球墨鑄鐵白口化傾向更大。球墨鑄鐵與碳鋼焊接時(shí)，半熔區(qū)更容易形成白口層，奧氏體區(qū)更容易形成馬氏體組織，由此引起更大的裂紋傾向。另外，球墨鑄鐵的強(qiáng)度高，對焊縫金屬強(qiáng)度的要求也相應(yīng)提高。球墨鑄鐵與碳鋼的物理性能、化學(xué)成分有很大差別，焊接時(shí)在碳鋼一側(cè)熔合區(qū)附近會(huì)集聚很大的應(yīng)力，因此焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)焊縫與母材金屬可出現(xiàn)“剝離”現(xiàn)象。球墨鑄鐵與碳鋼焊接時(shí)必須預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度在500700，焊接過程要保溫，焊后要緩冷。常采用焊接方法有手工電弧焊、氧乙炔氣焊、CO2氣體保護(hù)焊、真空擴(kuò)散焊和釬焊等。（1）手工電弧焊對球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵焊前準(zhǔn)備時(shí)可用噴丸方法去除鑄鐵表面的氧化層。為保證接頭質(zhì)量，往往采用電弧熱焊法，焊前預(yù)熱500700。如果選擇塑性好、抗裂性高的鎳基合金焊條時(shí)，球墨鑄鐵與碳鋼焊接也可采用電弧冷焊法。采用電弧冷焊的主要特別是生產(chǎn)率高，但是，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，必須注意以下幾個(gè)問題。 電弧冷焊冷卻速度快，球墨鑄鐵中的球化劑嚴(yán)重阻礙石墨化過程，焊縫容易出現(xiàn)白口組織；不僅影響機(jī)械加工，而且收縮率大，焊接變形大，在焊接應(yīng)力作用下，焊縫極易產(chǎn)生裂紋，靠近球墨鑄鐵母材一側(cè)的焊縫裂紋傾向尤為嚴(yán)重。 為防止異質(zhì)焊縫出現(xiàn)白口組織，通常選用高釩焊條和鎳鐵焊條，如選用Z408焊條或Z438焊條，焊縫的抗裂性能和機(jī)械加工性能明顯地得到改善。 焊前選用直徑1.0mm的H08Mn25SiA焊絲先在球墨鑄鐵坡口上堆焊過渡層。工藝參數(shù)為：焊接電壓1820V，焊接電流95105A，焊接速度0.2780.333cm/s。為了確保堆焊層質(zhì)量，兩個(gè)相鄰堆焊焊道的寬度應(yīng)重疊1/3為佳。 電弧冷焊時(shí)，將堆焊好的球墨鑄鐵件與碳鋼嚴(yán)格定位，接頭根部間隙為38mm。用J506(E5016)或J507(E5015)焊條進(jìn)行焊接，為了防止接頭處產(chǎn)生角變形，應(yīng)進(jìn)行雙面焊。 球墨鑄鐵焊后應(yīng)立即放入593649的加熱爐中，升溫到899，保溫24h，冷卻到704時(shí)保溫5h，再爐冷到593，然后在空氣中冷卻，有利于獲得好的效果。圖1所示為球墨鑄鐵與碳鋼的焊接接頭，先用鎳基焊條在球鐵坡口上堆焊過渡層，然后將碳鋼板與之裝配，留有足夠間隙，圖1（a）間隙為3mm，圖1(b)間隙為8mm，最后采用J506焊條將焊縫填滿。（3） CO2氣體保護(hù)焊以汽車傳動(dòng)軸萬向節(jié)球墨鑄鐵（QT400-10）與15號鋼的連接為例，在生產(chǎn)中，可采用管狀藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊方法施焊。首先堆焊過渡層，采用含釩的小直徑鑄鐵焊條（如Z116、Z117等），小電流、淺熔深，嚴(yán)格控制熔合比。然后用CO2氣體保護(hù)焊將坡口焊滿，采用直徑0.60.8mm的管狀藥芯焊絲（焊絲為H08Mn2SiA），熔敷金屬化學(xué)成分見表13。最后對接頭進(jìn)行9203h或7204h熱處理并隨爐緩冷。表13 管狀藥芯焊絲與鑄鐵焊條熔敷金屬的化學(xué)成分材料化 學(xué) 成 分 / %過渡系數(shù)/%熔敷系數(shù)/%VSiMnCSP藥芯焊絲10.440.630.440.230.0170.0159036Z11612.51.420.150.240.0230.042763. 鑄鐵與銅的焊接3.1 鑄鐵與銅的焊接性鑄鐵與銅的焊接性很差，這兩種材料焊接時(shí)存在下列問題。（1） 鑄鐵基體與銅基體不易結(jié)合鐵在銅中的溶解度相當(dāng)小，在1094時(shí)溶解度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.0，在7000時(shí)溶解度為0.3，室溫時(shí)溶解度小于1.310-5。焊接時(shí)，鐵在銅中的含量超過其溶解度時(shí)，鐵與銅不能形成連續(xù)固溶體，即兩種母材基體不結(jié)合。（2） 異質(zhì)焊縫成分不均勻 鑄鐵和銅的密度不同，鐵的密度為7.87 g/cm3，銅的密度為8.9 g/cm3。焊接時(shí)可能出現(xiàn)“翻鐵”現(xiàn)象，鐵的化合物漂浮在銅表面上，造成焊縫的硬度、組織和成分不均勻。 鐵在銅中的化合物由于分布不均勻，會(huì)產(chǎn)生“成分偏析”，導(dǎo)致焊縫的化學(xué)成分不均勻，力學(xué)性能下降。（3） 焊接接頭區(qū)容易產(chǎn)生裂紋 鑄鐵與銅焊接時(shí)產(chǎn)生的游離石墨能阻隔鐵與銅、鐵與鐵之間的聯(lián)系。 在鐵與銅的液態(tài)熔池中產(chǎn)生的SiO2薄膜，能阻礙鐵與銅的連接。 鑄鐵本身硬而脆，銅在高溫能與鐵的氧化物形成低熔點(diǎn)的共晶體，因此在兩種母材側(cè)都容易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷裂。（4） 焊接接頭變形大 鑄鐵與銅的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等相差較大，焊后收縮量不同，接頭處易產(chǎn)生很大變形。 鑄鐵的塑性很差，在電弧作用下，自由膨脹沒有銅大，所以鑄鐵母材一側(cè)的焊接應(yīng)力較大，焊接變形也比銅母材一側(cè)大。3.2 鑄鐵與銅的焊接工藝要點(diǎn)（1） 焊前預(yù)處理 焊前對鑄鐵和銅的待焊部位均需清除油污、氧化物和其他雜質(zhì)。 鑄鐵與銅焊接時(shí)，焊前要預(yù)熱以減緩金屬熔池的冷卻速度，降低高溫金屬的變形速度。預(yù)熱溫度通常為400600。 用銅基合金粉末堆焊鑄鐵時(shí)，可先用熔劑改善工藝性能，增強(qiáng)脫氧、造渣能力。效果較好的熔劑有無水硼砂（Na2B4O7）、硼酐（B2O3）或50%的脫水硼砂+50%硼酸H2B4O7)等。（2） 填充材料的選擇 采用電弧焊焊接鑄鐵與銅異種金屬時(shí)，應(yīng)選用適于兩種母材且抗裂性能好的銅合金焊條，如選用T237焊條（型號為TCuAl）。 采用氧氣乙炔火焰氣焊或等離子弧堆焊時(shí)，應(yīng)選用自熔性好的銅基合金粉末，如牌號為F422的合金粉末。（3） 制定合理的焊接工藝鑄鐵與銅異種金屬的焊接，根據(jù)兩種母材的成分與性能的差異，可采用的焊接方法有：手工電弧以焊、惰性氣體保護(hù)焊、氧氣乙炔（或液化氣）火焰氣焊、釬焊、真空擴(kuò)散焊和等離子弧堆焊等。 采用氧氣乙炔火焰氣焊時(shí)，選用中性焰，火焰向銅母材一側(cè)傾斜30為佳。 采用等離子弧堆焊時(shí)，轉(zhuǎn)移弧電流過大時(shí)，鑄鐵基體稀釋率增大，會(huì)產(chǎn)生“翻鐵”現(xiàn)象。 采用釬焊工藝時(shí)，應(yīng)選用弱規(guī)范，以保證釬料足以把鑄鐵與銅連接牢固。（4） 焊縫的焊后處理 鑄鐵與銅異種金屬接頭焊后應(yīng)采取保溫、緩冷措施，防止出現(xiàn)裂紋?？捎檬迚|覆蓋焊接接頭。 采取熱處理措施，消除焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力。例如熱處理溫度控制在680720可有效地消除焊接應(yīng)力。3.3 鑄鐵與銅的焊接實(shí)例鑄鐵與銅的等離子弧堆焊產(chǎn)品的示意職圖2所示。鑄鐵牌號為HT200，銅基粉末牌號為F422。鑄鐵與銅異種金屬等離子弧的堆焊工藝過程如下。 堆焊前灰口鑄鐵HT200工件進(jìn)行清理，去除氧化層、硬化層、砂眼、油污及雜質(zhì)。對堆焊表面進(jìn)行機(jī)械加工或噴砂處理，使表面粗糙干凈。 對合金粉末F422進(jìn)行烘干處理，烘干溫度為150200，烘干時(shí)間為2h。 對等離子弧堆焊設(shè)備進(jìn)行檢查和調(diào)試，如水路、電路、氣路以及通風(fēng)、除塵裝置、引弧裝置等。非轉(zhuǎn)移弧及轉(zhuǎn)移弧形態(tài)等要保證正常。 將鑄鐵工件HT200預(yù)熱到500。 引弧堆焊。等離子弧堆焊過程中要注意工藝參數(shù)的穩(wěn)定，若出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)排除。堆焊過程中對操作人員采取必要的安全防護(hù)措施。鑄鐵與銅異種金屬等離子弧堆焊的工藝參數(shù)見表14。表14 鑄鐵與銅異種金屬等離子弧堆焊的工藝參數(shù)合金粉末粉末粒度/mm送粉量/g.min-1堆焊速度轉(zhuǎn)移弧焊槍擺動(dòng)電流/A電壓/V頻率/次. min-1幅度/mm離子氣/L.h-1送粉氣/L.h-1F4220.0710.28040每轉(zhuǎn)230120140325512350400注：采用LH-300型等離子弧焊機(jī)堆焊，選用刮板式送粉器，堆焊層為3mm。4. 鑄鐵與鋼的焊接實(shí)例4.1 灰口鑄鐵與碳鋼的焊接實(shí)例（1） 灰口鑄鐵與Q235低碳鋼的電弧焊生產(chǎn)中采用手工電弧冷焊焊接灰口鑄鐵與Q235低碳鋼的操作工藝如下。 首先在灰口鑄鐵一側(cè)坡口上用Z116或Z208焊條堆焊一層過渡層。焊條直徑為2.5mm時(shí)，焊接電流為5080A；焊條直徑為3.2mm時(shí)，焊接電流為70110A。 堆焊過渡層時(shí)，坡口邊緣與垂直線成15角，焊條與垂直線也成15角。在鑄鐵坡口上堆焊過渡層的順序如圖3所示。焊縫較長時(shí)，過渡層的焊接要分段、間隔、交錯(cuò)進(jìn)行，每段過渡層冷卻到5070時(shí)（用手觸摸稍有溫?zé)岣校?，再進(jìn)行下一段焊接。 過渡層焊好以后，用J422(E4303)焊條或J507(E5015)焊條在過渡層上堆焊一薄層中間層。焊接電弧指向前面的熔敷金屬，焊條與鑄鐵母材的夾角為3035，焊條與低碳鋼母材的夾角為3540，每段焊道應(yīng)取2040mm，在平焊位置焊接為佳。 中間層焊好以后，選用J422（E4303）焊條或J507(E5015)焊條把低碳鋼與中間層焊接起來，焊接時(shí)電弧應(yīng)始終指向低碳鋼母材，以使焊接接頭溫度分布合理。 焊接過程中若出現(xiàn)裂紋，要用電弧吹掉，重新焊接，直至沒有裂紋為止。 電弧冷焊后，用圓頭小錘輕輕錘擊焊縫周圍，錘擊方式是沿焊縫周圍首尾相接，連續(xù)進(jìn)行，這樣有利于焊接應(yīng)力的疏散和消除。焊縫周圍5070mm范圍上覆蓋石棉布或干砂緩冷。（2）灰口鑄鐵與碳鋼的真空擴(kuò)散焊灰口鑄鐵與碳鋼真空擴(kuò)散焊時(shí)，不需特殊焊接工藝即可獲得良好的焊接接頭，而且焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。焊接時(shí)還可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來改善接頭區(qū)域的金相組織和力學(xué)性能。直徑為15mm，長度為30mm的灰口鑄鐵HT100與Q235低碳鋼管進(jìn)行真空擴(kuò)散焊時(shí)，采取改變焊接溫度，不改變保溫時(shí)間、壓力及真空度的工藝。焊后接頭經(jīng)過外觀檢查和磁粉探傷檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。只在鑄鐵母材一側(cè)出現(xiàn)脫碳層，低碳鋼母材一側(cè)出現(xiàn)碳的擴(kuò)散層。脫碳層厚度隨焊接溫度的變化而不同，溫度在750以下時(shí)，沒有脫碳層；當(dāng)焊接溫度增高時(shí)，脫碳層和擴(kuò)散層均開始增厚，這是因?yàn)闇囟葘μ荚訑U(kuò)散有很大的影響。脫碳層的最大厚度可達(dá)0.25mm?；铱阼T鐵（HT100）與碳鋼真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)見表15。表15 灰口鑄鐵（HT100）與碳鋼真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)被焊材料焊接溫度/焊接時(shí)間/min焊接壓力/MPa真空度/PaHT100+Q2357001000109.81.3331021.333103HT150+45號鋼850900514.51.3331021.333104HT200+50號鋼9501000514.51.3331021.333104HT150-32+45號鋼8505101.51.3331021.333103HT210-40+50號鋼9006101.51.3331021.3331034.2 可鍛鑄鐵與碳鋼的焊接實(shí)例可鍛鑄鐵牌號為KTH350-10，碳鋼牌號為35號鋼。采用細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，填充焊絲為H08Mn2SiA。焊接時(shí)使用的氣體保護(hù)焊焊機(jī)型號為NBC-300，焊接電源為ZPG-300型平特性弧焊整流器。焊槍為手槍式，送絲機(jī)構(gòu)為拉絲式?？慑戣T鐵KTH350-10與35號鋼細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)見表16。采用不開坡口的對接接頭，根部間隙為00.8mm。CO2氣體純度（體積分?jǐn)?shù)）為98.6%。對異質(zhì)焊縫的金相分析結(jié)果表明，可鍛鑄鐵KTH350-10一側(cè)為馬氏體+碳化物+鐵素體+石墨+貝氏體，35號鋼一側(cè)組織為珠光體+鐵素體。表16 KTH350-10與35號鋼細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)兩種母材厚度/mm焊絲直徑/mm焊絲伸出長度/mm焊接電壓/V焊接電流/A焊接速度/cm.s-1氣體流量/L.h-11.5+1.51.08122080850.206502+21.08122185900.206803+31.0812231001100.1987004+41.2812241101300.198720注：焊