（材料科学与工程专业论文）微合金化铸铁同质焊条（丝）成形工艺及其焊接性能研究.pdf

摘要 论文题目：微合金化铸铁同质焊条( 丝) 成形工艺及其焊接性能研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：翟波 指导教师：徐锦锋教授 翟秋亚副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 弘 根据真空吸铸原理，设计、制造出了细直径铸铁焊丝( 芯) 专用成形装置。该装置的 使用，使铁液在自身重力和真空负压双重作用下，其填充细直径型腔的能力显著增强，在 真空度约1 5 k p a ，浇注温度为1 3 0 0 t 穗、 1 4 0 0 c 的铸造工艺下，制备出了f 5x4 ( r ) m m 和f 3 x 4 0 0 m m 两种规格的铸铁焊丝( 芯) 。统计分析表明：f 5 m m 焊丝( 芯) 成品率较 高，达8 0 以上；而f 3 m m 焊丝( 芯) 的成品率较低，l 3 0 0 m m 设定为焊丝 合格标准，则焊丝( 芯) 的合格率提高到5 1 5 1 。 采用氧一乙炔火焰气焊的方法研究了微合金化铸铁焊丝的焊接性能，获得了与铸件同 质的焊接接头。焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。焊缝与母材熔合良好，热影响 区较宽，焊缝和熔合区无白口形成。随焊丝中b i 含量增加，焊缝石墨化能力增强，当b i 含量达1 0 0 p p m 时，焊缝基体为纯铁素体组织，焊补区硬度较低，焊缝硬度仅有2 2 2 h b ， 熔合区硬度为2 3 5 h b ；当焊丝b i 含量增加到1 2 0 p p m 时，焊补区硬度略有升高。砸元素 的加入对焊接接头性能的影响较为复杂，在含量较低时，随着焊丝中面含量的增加，焊 缝石墨化能力急剧降低，当，n 含量为0 1 时，焊缝硬度为2 6 2 h b ，熔合区硬度为2 7 8 h b ； 随着焊丝含量的进一步增加，焊缝石墨化能力逐渐增强，当面含量达到0 3 时，焊 缝铁素体含量达到极大值，焊缝、熔合区硬度分别只有2 2 3 i - i b 、2 3 9 i - i b ；当焊丝面含量 增加到0 4 时，焊补区硬度再次升高。h t l 5 0 气焊接头强度超过1 6 3 3 m p a 。 铸铁焊芯外涂石墨化药皮得到微合金化铸铁同质焊条。采用小电流打底、大电流连续 焊工艺研究了微合金化铸铁同质焊条的焊接性能，试验结果表明，随着预热温度升高，焊 缝石墨化能力增强，7 0 = 2 0 0 时，焊缝组织由珠光体、铁素体和细片状石墨和菊花状片墨 组成，铁素体含量达到2 3 6 6 ，熔合区则由珠光体、少量碎块状铁素体及过冷石墨片组 成。焊缝、熔合区硬度分别为1 7 6 h b 、1 9 8 h b ，焊接接头机械加工性能优异，接头力学 性能良好，焊缝熔敷金属抗拉强度达4 5 1 m p a 。 关键词：充型能力；微合金化铸铁气焊丝；微合金化铸铁电焊条；接头组织与性能 a b s t r a c t t i t l e ：f o r m i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o - a l l o y e dc a s t - i r o ne l e c t r o d ea n d r o d m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g in a m e ；、b oz h a i s i g n a t u r e ： s u p e r v i e o r ：p r o f j i n f e n gx u 阢撕 s i g n a t u r e ：j 王磁 a s s o c i a t ep r o f o i u y az h a i s i g n a t u r e ： a b s t r a c t as p e c i a ld e v i c ef o rt h ef o r m a t i o nt e n u o u sc a s ti r o nw e l d i n gr o di sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt os u c t i o nc a s t i n gp r i n c i p l e w i t ht h i sd e v i c e ，t h ef i l l i n gc a p a c i t yo f l i q u i dm e t a li n c r e a s e sr e m a r k a b l yu n d e r t h ed o u b l er o l e so fm e l t sg r a v i t ya n dv a c u u ms u c t i o n a n dt w ok i n d so fw e l d i n gr o d sw i t ht h es i z eo ff 5 m m x 4 0 0 m ma n df 3 m m x 4 0 0 m ma r e p r o d u c e du n d e r av a c u u ml e v e la t1 5 k p aa n dp o u r i n gt e m p e r a t u r ea tt h er a n g ef r o m1 3 0 0 t 0 1 4 0 0 c o n d i t i o n s s t a t i s t i ca n a l y s e ss h o wt h a tt h et e c h n o l o g i c a ly i e l dr a t eo ff 5 m m w e l d i n g r o di su pt 08 0 a n dt h et e c h n o l o g i c a ly i e l dr a t eo ff3 m mw e l d i n gr o di sl o w e rr e l a t i v e l y n e m a i np r o p o r t i o no ff3 m mw e l d i n gr o db e l o n g st ot w ol e n g t hs c a l e s ：l 3 0 0 m m ， t h e nt h ep e r c e n tp a s sw o u l dr e a c ht o5 1 5 1 t h ew e l d i n gp e r f o r m a n c eo fm i c r o - a l l o y e dc a s ti r o nr o di ss t u d i e db yo x y g e n - - a c e t y l e n e f l a m ew e l d i n ga n dt h eh o m o g e n e o u sw e l d i n gj o i n t sa r eo b t a i n e d t h ej o i n tc o n s i s t so fw e l d , b o n d i n gz o n ea n dh e a ta f f e c t e dz o n e n cw e l dh a sw e l lf u s e dw i t hb a s em e t a l ，a n dt h e h e a t a f f e c t e dz o n ei sw i d e r t h e r ei sn oc h i l lm i c r o s t m c t u r ei nf u s i o nz o n e w i t ht h ei n c r e a s eo f b ic o n t e n ti nw e l d i n gr o d ，t h eg r a p h i t i z e da b i l i t yi n c r e a s e s w h e nt h ec o n t e n to fb ir e a c h e st o 1 0 0 p p m ，t h ew e l dm a t r i xi sp u r ef e r r i t ew i t hl o w e rh a r d n e s s ，玎l eh a r d n e s so fw e l di sm e r e l y 2 2 2 h b ，w h i l et h ef u s i o nz o n ei s2 3 5 h b w h e nt h eb ic o n t e n tr e a c h e st o1 2 0 p p m ，t h ew e l d h a r d n e s si si n c r e a s e ds l i g h n y 1 1 1 ee f f e c to ft io nj o i n t p r o p e r t i e si sc o m p l e x w h e nt ic o n t e n t i sl o w ，t h ew e l dg r a p h i t i z a t i o nd e c r e a s es h a r p l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft ic o n t e n t w h e nt h et i c o n t e n ti nr o di s0 1 ，t h ew e l dh a r d n e s si s2 6 2 h ba n dt h eh a r d n e s so ff u s i o nz o n ei s2 7 8 h b ， a n dg r a p h i t i z a t i o ni nw e l di si n c r e a s i n gg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s i n gt h et ic o n t e n t w h e nt h et i c o n t e n tr e a c h e st o0 3 ，f e r r i t ep e r c e n t a g ei nw e l dr e a c h e st om a x i m u ma n dt h ew e l dh a r d n e s s i s2 2 3 h b ，t h eh a r d n e s so ff u s i o nz o n ei s2 3 9 h b 1 n h eh a r d n e s so fw e l d i n gz o n ew i l li n c r e a s e a b s t r a c t o n c 圮m o r ew h i l et ic o n t e n tr e a c h e dt o0 4 啊1 es t r e n g t ho fh tl5 0c a s ti r o nj o i n ti sm o r et h a n 1 6 3 3 m p a m i c r o - a l l o y e dc a s ti r o nh o m o g e n e o u se l e c t r o d ei sm a n u f a c t u r e db yc o a t i n gg r a p h i t i z a t e x l c o a to nw e l d i n gr o d t h ew e l d i n gp r o p e r t i e so fe l e c t r o d ei ss t u d i e dv i at h et e c h n o l o g yo f b a c k i n gw e l d i n g 、7 l r i t l ll o w - c u r r e n ta n dt h e nc o n t i n u o u sw e l d i n gw i t hh i g h - c u r r e n t 1 f l l er e s u l t s s h o wt h a t t h ea b m t yo fw e l dg r a p h i t i z a t i o ni n c r e a s ew i t ht h ee l e v a t i o no fp r e h e a t i n g t e m p e r a t u r e w h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r er e a c h e st o2 0 0 。c ，t h em i c r o s t r u e t u r eo fw e l d c o n s i s t so fp e 砌i t e ，f e r r i t e ，f i n ef l a k yg r a p h i t ea n dr o s e t t eg r a p h i t e ，t h ep e r c e n t a g eo ff e r r i t e r e a c h e d2 3 6 6 ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ff u s i o nz o n ec o n s i s t so fp e a r l i t e ，s m a l ls h i v e rf e r r i t ea n d u n d e r c o o l e dg r a p h i t e 硼1 eh a r d n e s so fw e l da n db o n d i n gz o n ei sl7 6 髓a n dl9 8 耶，s e p a r a t e l y 1 1 1 em a c h i n i n gp r o p e r t i e so f w e l d i n gz o n ei se x c e l l e n t ，t h ej o i n th a s e x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n dt h e s t r e n g t ho fw e l dm e t a lc a nr e a c ht o4 5 1m p a k 呵w o r d ：m o u l df i l l i n gc a p a c i t y ：m i c r o - a l l o y e dc a s t - i r o nr o d ；m i c r o - a l l o y e dc a s t i r o n e l e c t r o d e ； m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f j o i n t i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：塑玺沙辟弓月斗日 本人 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：翟农导师签名： 撕年事月t 4 日 绪论 1 绪论 1 1 引言 铸铁是含碳量大于2 1 1 的铁碳多元合金，是人类最早发现和应用的金属材料之一， 应用历史已有3 0 0 0 多年，而且迄今仍是广泛应用的结构合金。铸铁家族中以灰铸铁和球 墨铸铁的应用最广，铸铁具有成本低、良好的铸造性能、很高的减摩和耐磨性、良好的消 震性和切削加工性以及缺口敏感性低等一系列优点，从而广泛应用于机械制造、冶金、石 油化工、交通、建筑和国防工业各部门。1 9 4 9 年之前，中国的铸铁业与西方有较大差距。 1 9 4 9 年以来，我国的铸铁生产有了质的飞跃，产品质量不断提高。开发了许多新工艺和 新材料，多方面改进了生产技术，丰富了产品品种。灰铸铁技术一直向强韧化和功能化方 向发展。球墨铸铁则经历了从无到有的过程，经过多年努力，普通球墨铸铁现已得到全面 推广，而且生产了高强韧性球墨铸铁件，目前我国的铸铁产量已能满足国民经济需要，并 有部分产品出口，据2 0 世纪末统计，我国已有1 1 0 0 0 座铸铁厂( 车间) ，约占世界总数的 1 3m 。1 9 9 8 年生产8 0 0 万吨铸铁件眨1 ，其中灰铸铁占6 3 0 万吨，球墨铸铁占1 4 3 万吨， 分别占总产量的7 8 5 、1 8 、总产量仅低于美国，居世界前列。随着时间的推移，铸铁 产量还将继续增长。 铸铁件的铸造工艺工序繁多，难以精确控制，特别是形状复杂的铸铁件，成型过程中 的控制更是很困难。因此，铸铁件在成型过程中难免会产生气孔、夹渣、缩孔、缩松、砂 眼、裂缝、浇不足等铸造缺陷，以年产铸铁件8 0 0 万吨，不良品率1 0 - - , 1 5 计算，每年 缺陷铸铁件有8 0 - - 1 2 0 万吨，按1 9 9 7 年铸铁平均价格计算，其损失高达1 0 亿元以上，这 些铸件大部分可以进行修复，因此，对铸铁件进行修复有很大的经济价值，此外，其中一 部分铸铁件缺陷是在加工过程中或加工之后才被发现的，此时的铸件已经增值，倘若报废 则损失更大。铸铁件的修复主要采用焊接的方法，由于其成本低，不仅可获得巨大的经济 效益，而且有利于工厂及时完成生产任务。气焊1 3 1 电弧焊t 4 1 钎焊5 1 、电渣焊 6 1 摩 擦焊 7 1 液膜溶解扩散焊嘞都可以用于铸铁件的修复，并各有优缺点，其中应用最广泛 的是气焊与电弧焊。另外，焊接也逐步应用于零部件的生产，即制造中的铸铁焊接，在美 国，1 9 9 3 年制造中的铸铁焊接只占铸铁焊接总量的5 ，至2 0 0 3 年则上升到2 0 ，我国 在制造中的焊接方面较国外落后，但已开始发展，制造中的铸铁焊接是我国下一步发展铸 铁焊接技术的方向，蕴藏着巨大的经济利益1 9 1 。 铸铁中硫、磷等杂质元素含量高、强度低，塑性差。其固有的凝固特性决定了铸铁在 焊接修复过程中，焊补区容易产生白口和裂纹 9 1 0 尤其在冷焊条件下，白口和裂纹倾向 更大，严重地影响了铸件的机械加工性能和使用性能。因此，开发和应用先进的焊接材料、 采用合理的焊补工艺对获得优质焊缝十分重要。上世纪6 0 年代，铸铁合金还属于一种新 型工业材料，苏、美、日等发达国家即对铸铁合金焊接性、焊接工艺及焊接材料进行了研 究。我国对铸铁合金焊接的研究相对较晚，始于上世纪7 0 年代末，吉林工大的周振丰教 西安理工大学硕士学位论文 授1 1 0 - 1 2 1 重庆大学彭高峨教授3 。1 7 1 的研究具有代表性。1 9 8 8 年形成了铸铁焊材国家标 准( g b1 0 0 4 4 8 8 ) 。其中包括异质焊条z 3 0 8 纯镍焊条、z 4 0 8 镍铁焊条、z 5 0 8 镍铜焊条， 同质焊条2 ；2 0 8 和z 2 3 8 焊条。镍基焊条可成功应用于冷焊条件下铸铁件各种缺陷的挽救 和修复，但只有同质焊材才可满足铸件修复的综合性能要求，如颜色一致性、性能匹配性 等。当前为适应外商对出口铸件生产质量苛刻要求，镍基焊条由于焊缝成分组织和性能与 铸件不匹配，无法满足修复要求，而同质焊条z 2 0 8 和z 2 3 8 焊条在冷焊条件下所获得的 焊缝机加工性能不良，热态焊虽然具有良好的匹配性，但能源消耗大、生产周期长，劳动 强度大，无疑增加铸件的生产成本。而美国通用汽车公司开发研制的合金铸铁焊条可获得 理想的焊缝，但价格昂贵，每公斤7 0 0 0 元人民币，中国的企业根本用不起。因此，研发 一种色泽一致性好、抗裂、可加工、在室温或较低温度下施焊即能满足高性能铸铁件焊接 ( 补) 需要的铸铁同质焊材已刻不容缓。 1 2 铸铁焊丝( 芯) 成形方法 1 2 1 普通砂型铸造 砂型铸造n 鄹是用型( 芯) 砂制作铸型的一种最常用的铸造方法。普通砂型铸造一般 分为手工造型和机器造型两大类，全部手工或手动工具完成的造型工序成为手工造型，手 工造型操作灵活、工艺装备( 模样、芯盒、砂箱) 简单、生产设备时间短、适应性强，造 型质量一般可满足工艺要求，但生产率低、劳动强度大、铸件质量较差，所以主要用于单 件小批量生产。机器造型即由造型机完成造型过程中的填砂、紧实和起模等主要动作。与 手工造型相比较，机器造型可以大大提高生产率，改善劳动条件，提高铸件精度和表面质 量。机器造型虽然需要使用专用砂箱、模板和设备等，一次性投资较大，但大量生产时， 铸件的单件成本却成大大降低。 砂型铸造适用性强，工艺设备简单，可用于生产不同尺寸、形状及各种合金的铸件。 尤其对产品批量小，更新快和大型复杂铸件的生产更显示其优越性，目前铸造生产中有 8 0 - 9 0 的铸件都是砂型铸造的，是目前为止，仍是应用最广泛的铸造方法，砂型铸造也 是其他一切铸造方法的基础。型砂的导热系数较低，对液态金属的激冷能力较弱，可以提 高金属液的充型能力，因此采用砂型铸造的方法制备细直径铸铁焊丝( 芯) 是可行的，但 是砂型铸造只是靠金属液的重力作用充填铸型，充型能力受到一定限制，用此方法制各细 直径铸铁焊丝( 芯) ，很容易出现浇不足缺陷。因此，必须对砂型铸造进行改革，借助除 金属液重力以外的其他力量提高铁液的充型能力，才可以用来制备细直径铸铁焊丝( 芯) 。 1 2 2 金属型铸造 。- 金属型铸造n 卵是用自由浇注的方法将定量的液态金属浇入用铸铁或钢制造的铸型中 而获得铸件的一种铸造方法，其工艺过程和浇注系统与砂型铸造类似，只是铸型材料不同， 金属型可以反复利用，因此可以大大降低铸造成本。 2 绪论 金属型寿命长，可以连续使用，不需要经常造型，节省了造型时间，也节约了大量的 型砂及复杂的型砂处理设备，提高了生产率。金属型内腔光洁，尺寸精度高，故所得铸件 表面质量较高，在这一点上有利于焊条药皮的压涂。但是金属型的导热能力强，使金属液 充型能力下降，为了保证顺利充型，浇注温度一般比砂型铸造高2 0 , - , 3 0 ，但是细直径铸 铁焊丝的直径只有痧3 m r a ，而长度三却达到了4 0 0 r a m ，因此采用激冷能力很强的金属型 制造很容易产生浇不足缺陷，焊丝( 芯) 的长度达不到预期的效果。另外，每根焊丝( 芯) 的成形过程都需要一个金属型腔，每根焊丝( 芯) 所需的铁液量都很少，而将一炉铁水充 分利用全部浇铸成铸铁焊丝( 芯) 的话则需要很多的细直径金属型，无疑大大增加了成本。 可以看出采用金属型铸造制备细直径铸铁焊丝( 芯) 不仅技术上有一定的难度而且成本上 不允许，因此用金属型铸造制备细直径铸铁焊丝( 芯) 不合适。 1 2 3 真空密封造型 真空密封造型2 啦! 1 简称真空造型，又称真空薄膜造型法、减压造型法和“v 法造 型，1 9 7 1 年由日本人发明，在1 9 7 4 年的国际铸造学会上首次发表。真空密封造型法是一 种全新的物理造型方法，它的基本原理是在特制的砂箱内，填入无水无粘结剂的干石英砂， 用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差使型砂紧实和成型。使用此种 方法有以下特点：( 1 ) 铸件的尺寸精度和表面光洁度较高；( 2 ) 金属利用率高，金属液充 型能为强，能够铸出3 m m 左右的薄壁件，可以减薄铸件的设计壁厚；( 3 ) 工艺装置寿命 长，模型和砂箱的使用寿命长；( 4 ) 操作条件大为改善，由于浇注过程中一直用真空泵向 外抽气，空气污染少。 基于真空密封造型法以上优点，可以借鉴真空密封造型法中抽真空方法来提高金属液 充型能力的优点来解决铸铁焊丝( 芯) 成形困难的问题，对真空密封造型法进行改进，并 结合砂型铸造方法，进而形成一种专用制备铸铁焊丝( 芯) 的新型铸造方法。 1 3 铸铁件气焊修复 用氧乙炔焰作热源熔化母材和焊丝焊补铸件的方法为气焊法，气焊是一种焊接铸铁 件的常用方法，氧乙炔火焰温度一般小于3 4 0 0 ，热量不集中，比较适合薄壁铸铁件的 焊补，一般气焊时，需要较长时间才能将焊补处加热到焊补温度，而且加热面积又较大， 实际上相当于焊补处先局部预热再进行焊接的过程，故采用适当成份的铸铁焊丝对薄壁件 缺陷进行气焊焊补时，由于冷却速度较慢，有利于石墨化过程的进行，焊缝易得到灰铸铁 组织，且焊接热影响区也不易产生白口或其它淬硬组织。但一般气焊时，加热时间长，焊 件受热面积较大，焊接热应力较大，故焊补拘束度较大的缺陷时，比热焊容易出现冷裂纹， 般气焊主要适用于拘束度小的薄壁件缺陷的焊补，对缺陷拘束度大的薄壁件焊补，为了 减低焊接应力，防止裂纹出现，宜采用焊件整体预热的气焊热焊法进行，预热温度为 6 0 0 7 0 0 ( 2 ，焊后应采用缓冷措施。我国第一汽车厂对汽车缸体及缸盖结构复杂的薄壁灰 铸铁件的铸造缺陷就是用连续式加热炉进行高温预热后气焊修复。 3 常用铸铁气焊丝的化学成分如表1 1 所示：一般的气焊焊缝冷却速度较快，为了提高 焊缝的石墨化能力，保证焊缝有合适的组织及硬度，其r z c 2 焊丝含碳量及硅量较热焊 时焊丝稍高，气焊过程中碳和硅都有一些氧化烧损，故焊缝实际含碳、硅量较焊丝有一定 降低，其焊缝中w ( c + s i ) = 7 ，采用r z c - l 焊丝进行气焊热焊时，其焊丝中平均的c 、s i 含量有所降低，焊缝中平均w ( c + s i ) 左右。 表1 - 1 常用铸铁焊丝的化学成分9 1 t a b l e 1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f w e l d i n gr o d s 铸铁气焊时，由于硅易氧化而生成酸性氧化物s i 0 2 ，其熔点( 1 7 1 3 ) 较铸铁熔点 要高，粘度较大，流动性不好，妨碍焊接过程的正常进行，而且易使焊缝造成夹渣等缺陷， 故应设法去除，去除的办法是加入以碱性氧化物为主所组成的熔剂，使其结成低熔点的渣， 浮到熔池表面上以便加以清除勉1 ，一般常用的铸铁气焊熔剂为牌号为c j 2 0 1 铸铁焊剂。 焊接时宜采用中性焰或弱碳化焰，采用氧化焰焊补铸铁件是不恰当的，会增大熔池金 属中碳、硅的烧损，对焊接质量不利。焊补铸铁件宜选用功率较大的焊炬，使其加热速度 快，并使接头缓冷，同时对清除焊缝中的气孔、夹渣也是有利的，铸件壁厚在2 0 m m 以 下，可选用0 2 m m 孔径的焊嘴，壁厚在2 0 m m 以上，可选用0 3 m m 孔径的焊嘴。 1 4 铸铁件电弧焊修复 1 4 1 手工电弧焊 手工电弧焊是电弧焊中的一种，也是电弧焊中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊 接方法。焊接时，焊条和工件之间产生电弧，电弧的高温将外部涂有涂料的焊条和工件局 部加热到熔化状态，电弧在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧，涂料在电弧热作用下一 方面可以产生气体保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周 围空气的相互作用，同时焊芯熔化后形成的熔滴和熔化的母材熔合在一起形成熔池。随着 电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却至凝固结晶，形成焊缝。 手弧焊使用的设备简单，方法简便灵活，适应性强，可以应用于维修及装配中的短缝 焊接，特别是可以用于难以达到的短缝焊接，手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业 用碳钢、不锈钢、铸铁：铜、铝、镍及合金等，但其对焊工操作技术要求高。焊接质量在 一定程度上决定于焊工操作技术。此外，手工电弧焊劳动条件差，生产率低，因此手工电 弧焊适用于焊接单件或小批量的产品，短的和不规则的、各种空间位置的以及其它不易实 现机械化焊接的焊缝，工件的厚度在1 5 m m 以上，l m m 以下的薄板不适于手工电弧焊。 4 绪论 我国的铸铁件焊补方法主要以手工电弧焊为主。而且铸铁的种类多，且对焊接接头的 要求多种多样，如焊接接头是否要进行机械加工；对焊缝的颜色是否要求铸件颜色一致： 焊接接头是否要求承受很大的工作应力；对焊缝金属及焊接接头的力学性能是否要求与铸 铁件相同：以及焊补成本的高低等，因此，对铸铁焊补材料的研究就十分重要。为满足不 同的要求，焊接工作者对不同的铸铁焊接材料进行了研究。 1 4 2 异质铸铁焊条 az 1 0 0 z 1 0 0 采用h 0 8 或h 0 8 a 碳钢焊芯，外涂强氧化性药皮制成，在药皮的配方中加有大 量的大理石和赤铁矿，在焊接过程中，药皮的氧化性和释放的大量热量能将熔池中的c 和s i 烧损，使焊缝成为碳钢组织，以承受焊缝变形和提高抗裂能力，但由于焊接熔池存 在的时间甚短，来不及充分氧化，焊缝金属中的碳依然较高，致使焊缝不能进行切削加工， 常用来焊补不要求加工的次要件或农业机械零件t 2 3 1 。 bz l16 、z 1 1 7 z 1 1 6 、z 1 1 7 是两种常见的高钒铸铁焊条。c 与v 的亲和力大于c 与f e 的亲和力， 是强碳化物生成元素，高钒铸铁焊条的设计主要是利用了这一点，当熔池中含有较多的v 时，y 与c 化合形成v c 、v 4 c 3 ，便以点状弥散形式分部于铁素体的基体上，阻止f e 3 c 的生成，降低焊缝的硬度和产生裂纹的倾向2 4 1 。 庙于z 1 1 6 z 1 1 7 操作性能好，焊缝强度较高，具有较好的抗裂性，颜色与母材接近， 因此在很多情况下可代替贵重的镍基焊条冷焊修复铸铁件。常用于大型、高强度的灰铸铁、 球墨铸铁、可锻铸铁件的冷焊修复。焊接过程中母材中的c 常常越过熔合线在焊缝一侧 形成v 4 c 3 聚集带，熔合区硬度较高，接头的机加工性不如镍基焊条。可在焊条药皮中加 入适量的稀土剂s i r e 3 3 ，利用稀土降低v 在焊缝中的凝固偏析程度，改善z 1 1 6 、z 1 1 7 的焊接性能1 2 5 j 。 cz 3 0 8 z 3 0 8 是一种纯镍型铸铁焊条。n i 与f e 可以无限互溶，因此可以用纯镍焊芯制造焊 条来实现铸铁的焊补修复，纯镍焊芯电阻较小，不容易红尾，硬度较低，常用于强度要求 不高的灰铸铁和球墨铸铁件的加工面，具有优良的机械加工性能，很受工厂欢迎。但也有 缺点，n i 容易与s 、p 形成低熔点共晶，l q i - n i 3 s 2 共晶温度为6 4 4 ，n i - n i 3 p 共晶温度为 8 8 0 ，而铸铁中含s 、p 量较高，故用纯镍焊条焊补铸铁件时，焊缝对热裂纹是非常敏 感的。另外纯镍铸铁焊条焊缝为单相奥氏体组织，晶粒粗大，更加剧了焊缝对热裂纹的敏 感性。生产实践表明，电弧冷焊拘束度较大的铸铁缺陷时，即使严格采用铸铁冷焊的特殊 工艺，纯镍型铸铁焊条的焊缝金属也会出现较多的热裂纹。国内对z 3 0 8 焊条进行改性研 究较多眩每2 9 1 ，主要在焊条药皮中加入合适的合金元素来抑制焊接热裂纹的产生，具有较 高的生产实际意义。 dz 4 0 8 西安理工大学硕士学位论文 z a 0 8 是一种镍铁型铸铁焊条，其主要也是利用了n i 与f e 之间无限互溶的特点，焊 芯为镍铁合金，因此较纯镍铸铁焊条有更高的接头强度，较低的价格，z 4 0 8 主要用于高 强度灰铸铁和球墨铸铁的焊补。与z 3 0 8 相似，镍铁焊缝中的n i 容易与s 、p 反应生成低 熔点共晶组织，故镍铁型铸铁焊条也有较高的热裂纹敏感性，焊缝脆硬共晶组织的存在， 在一定程度上影响了焊接接头的可加工性和抗裂性。国内外对镍铁型铸铁焊条进行了较多 的研究，主要集中在开发高抗热裂纹及高强度镍铁铸铁焊条的研究上3 幻。 ez 5 0 8 z 5 0 8 是一种镍铜型铸铁焊条，焊芯主要成分为n i 7 0 、c u 3 0 ，药皮为强还原性石 墨型药皮，也称蒙乃尔焊条，主要用于对强度要求不高的灰铸铁件的焊补1 3 3 1 。n i 、c u 都 属于扩大奥氏体区的元素，镍铜合金是均一的固溶体组织，且n i 、c u 都不与c 形成化合 物，故镍铜合金能很好的溶解c ，而不形成硬脆组织，同时n i 、c u 都是较强的石墨化元 素，对于阻止或减弱熔合区白口组织的产生有利，这也就是镍铜合金可用来焊补铸铁件的 原因。镍铜铸铁焊条焊缝熔敷金属抗拉强度在镍基焊条中最低，约为2 0 0 n r a m 2 ，硬度与 镍铁型铸铁焊条相近，可进行机械加工。但镍铜型铸铁焊条焊缝含n i 量较高，不仅易与 s 、p 反应生成低熔点共晶组织，且晶界易形成c u - s i 低熔点共晶，另外n i c u 合金的收 缩率( 约2 ) 远大于灰铸铁的收缩率( 约1 2 6 ) ，造成较大的内应力，非常容易产生裂纹。 因此，z 5 0 8 已经很少使用。 fz 6 0 7 、z 6 1 2 z 6 0 7 、z 6 1 2 是两种铜铁型铸铁焊条，z 6 0 7 为铜芯铁粉焊条，z 6 1 2 为铜芯铁皮焊条。 c u 具有较好塑性，有利于松弛接头焊接应力，减小裂纹形成倾向。c u 的熔点为1 0 8 3 ， 比铸铁低，焊接时母材熔化速度小于焊条熔化速度，可降低熔合比，减少母材中c 、s 、 p 等杂质向熔池过渡，有利于减小焊缝自口化及裂纹倾向，焊条中适量的f e 可减小热裂 性还有助于减少气孔。c u 和f e 的互溶度很小，因此焊缝一般为c u 和高碳钢的机械混合 物，铜基部分塑性好，高碳钢部分因存在着马氏体及渗碳体，硬度很高，因此铜铁焊条多 用于低强度灰铸铁件非加工面的焊补。 1 4 3 同质铸铁焊条 az 2 0 8 、z 2 4 8 z 2 0 8 、z 2 4 8 是常见的两种灰铸铁同质焊条，其中z 2 0 8 以h 0 8 a 为焊芯，外涂碱性石 墨化药皮，z 2 4 8 为灰铸铁焊芯，外涂石墨化药皮，两者主要用于灰铸铁的热态焊和半热 态焊，热态焊时可以形成灰铸铁同质焊缝，半热态焊时主要防止焊接热影响区生成马氏体， 防止熔合区形成冷裂纹，减小焊接接头高硬度区宽度，从而改善焊接接头的机械加工性能。+ 冷焊时，z 2 0 8 、z 2 4 8 白口倾向大，焊缝颜色与基体不一致，易生成裂纹，加工性能差。 用z 2 0 8 、z 2 4 8 冷焊灰铸铁件时，冷裂纹倾向较大，其形成过程可分为：石墨断裂或 石墨与基体分离、片状石墨间基体金属局部塑性变形、基体裂纹萌生与扩展三个阶段。灰 铸铁同质焊缝裂纹产生随焊缝所承受的拘束度而变化，在拘束度3 9 6 0 1 5 5 0 0 n m m 2 条件 6 绪论 下，断裂温度范围为7 9 - 3 3 4 。c ；焊缝冷裂纹开裂为准解理断裂方式进行铘1 。近年来对 铸铁同质焊条的研究较多瑚力，主要是通过在焊条药皮中添加合适的石墨化元素来提高 焊缝的石墨化程度，实现得到同质焊缝的目的，虽然取得了一定的进展，但整体效果仍不 好。 bz 2 3 8 、z 2 5 8 z 2 3 8 、z 2 5 8 是两种球墨铸铁同质焊条，z 2 3 8 以h 0 8 a 为焊芯，外涂带有球化剂的碱 性石墨化药皮，而z 2 5 8 是球墨铸铁焊芯，外涂石墨化药皮，两者主要用于球墨铸铁的热 态焊，热态焊时可形成同质焊缝。由于球墨铸铁中m g 、y 、c e 等球化剂增大了熔池的过 冷度，球墨铸铁焊缝比灰铸铁焊缝更容易形成白口组织，且使焊接热影响区形成马氏体的 倾向有所增大。为了抑制铸铁型焊缝裂纹、白口组织的产生，改善铸铁型焊缝的加工性能， 国内学者对球墨铸铁同质焊材进行了研究3 蝴1 ，主要选用合适的石墨化元素强化焊缝及 半熔化区的孕育处理，改进焊接性能。主要方法为在药皮中加入石墨化元素，促进焊接熔 池中石墨的形核，促进焊缝的石墨化。 除了以上常用铸铁焊条，在人们进行铸铁件修复过程中总结了各种修复铸铁件的方 法，并取得了一定的效果。h 0 8 a 低碳钢芯外涂石墨化药皮仍是主要的方法4 1 啦! ，还有对 其他焊条进行改进，进而改变焊条的特性使之可以对铸铁进行焊接修复，罗启昌4 3 1 对 a 1 3 2 焊条改进制备出了一种较好抗裂性的铸铁焊条，李宇1 以j 5 0 6 碱性焊条作基材， 对焊条药皮进行改进得到一种新型的铸铁冷焊焊条，李垠平4 以j 4 2 6 焊条作基材，在 焊条药皮中增加了一种添加剂得到一种可改善白口、裂纹的新型铸铁焊条。吕天军4 们还 发明了一种用低氢型焊条焊接铸铁材料的新方法。国外有学者研制了一种在3 0 0 1 2 条件下 可消除白口的铸铁焊条，但预热温度仍稍高，使用不方便1 4 7 1 0 综上所述，高钒铸铁焊条焊缝成分、颜色、性能与母材不一致，且焊缝硬度高，不可 加工；改进后的镍基铸铁焊条虽在一定程度上降低了抗热裂性，但焊缝成分、性能和色泽 与铸件不匹配；都无法满足外商对出口铸件的苛刻要求。传统铸铁同质焊条适用于热态、 半热态焊，增加了铸件的生产成本；改进之后的铸铁同质焊条由于大部分仍为h 0 8 a 焊芯， 通过药皮过渡石墨化元素，因此在焊接冶金较短的时间内过渡率并不高，石墨化能力极其 有限，在冷焊条件下仍存在的白口、冷裂纹倾向，焊缝加工性能不良。因此，开发一种色 泽一致性好、抗裂性好、可机械加工、在室温或较低温度下施焊即可满足高性能铸铁件焊 补的铸铁同质焊材势在必行。 要满足以上条件，理想的铸铁焊缝组织为适量珠光体+ 适量铁素体+ 石墨，这种基体 的焊接接头将有更大的塑性储备，它能够松弛在冷却过程中产生的焊接内应力，避免冷裂 纹产生，且只有这种焊缝才能满足焊接后切削加工提出的硬度要求。传统通过药皮过渡合 金元素的方法，过渡率低，且焊接过程中合金元素烧损严重，造成熔敷金属内的残余量不 足，石墨化效果较差，因此必须探索增强石墨化和铁素体化的新途径。可采用物理冶金的 方法直接将不同含量、不同配比的微量石墨化元素加入到铸铁焊芯中，以提高石墨化元素 7 西安理工大学硕士学位论文 的过渡率。 1 5 焊缝的合金化 所谓焊缝金属合金化，就是将某些合金元素通过一定的方式渗入焊缝金属中去。焊缝 金属合金化的目的主要有两个：( 1 ) 补偿合金元素在焊接过程中的烧损和蒸发：( 2 ) 满足 焊缝金属成分设计的要求，以改善焊缝的组织和性能t 2 3 | 。焊条的种类不同，对焊缝合金 化的要求也不同。 1 5 1 合金化方式 对手工电弧焊来说，使焊缝合金化有两种方式，一种是通过药皮合金化，即将合金成 分加在药皮中，通过焊接冶金过程使焊缝金属合金化；一种是通过焊芯即利用合金钢焊芯 或管状药芯焊芯。 利用药皮过渡合金是将所需要的合金元素以纯金属或铁合金形式加入焊条药皮中，采 用普通焊芯。这种方法简单，灵活，方便，制造容易，在生产上应用很广。但氧化烧损较 大，合金利用率低；而通过焊芯过渡合金使焊缝金属合金化，具有焊缝成分均匀，可靠， 合金元素损失少的优点。 1 5 2 合金化机理 通过药皮合金化，当药皮熔化时，其中的合金剂在多数情况下来不及完全熔化，因为 药皮中的其它材料比金属能在更低的情况下熔化。此时，合金剂的颗粒以悬浮状态存在与 液态熔渣中，有一部分被熔渣的对流运动带到熔渣与金属的界面上被液态金属表面层所溶 解，然后在由表面层扩散( 或对流) 到金属的内部，并逐步使成分均匀化，从而最终实现 焊缝金属的合金化。通过药皮合金化时，合金元素的过渡主要是在熔化金属与熔渣界面上 进行的，它的过渡方向和数量，主要取决与合金元素的数量、颗粒度、金属、熔渣的成分 和性质以及动力学特征。 通过焊芯进行合金化机理比较简单，焊芯熔化后，合金元素就溶解在液态金属中，并 过渡到熔池内，使焊缝金属合金化。 1 5 3 合金过渡系数 焊条中的合金元素在焊接冶金过程中，有一部分被氧化，起到脱氧作用，而自身氧化 烧损和上述残留在熔渣中的损失以及飞溅和蒸发的损失等。表明合金元素在焊接冶金过程 中不可能全部过渡到焊缝金属中，而只是有一部分过渡到焊缝金属中去。所谓合金元素过 渡系数是指焊接材料的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比。一般可 近似地用式1 1 表示： 合金元素对氧的亲和力越大，则越易氧化，其过渡系数越小，对氧亲和力小于f e 的 合金元素一般都可以全部过渡；随焊芯、药皮合金元素的增加，过渡系数也相应增大；增 大合金剂的颗粒度，可减小表面积从而减小氧化烧损，提高合金过渡系数；药皮的氧化性 8 绪论 越强，合金过渡系数过小；焊接工艺系数对过渡系数也有影响，工艺系数增强，氧化烧损 越大，合金过渡系数越小。 n ，7 ：二坐l 1 1 k + c o 刀合金元素过渡系数； 合金元素在熔敷金属中的浓度； c 硎合金元素在药皮中的浓度： 合金元素在焊芯中的浓度； 瓦药皮重量系数。 1 6 合金元素对接头质量的影响 普通铸铁中主要有c 、s i 、m a 、s 、p 五种元素，对于铸铁焊缝来讲，也由这5 种元 素组成。 c 是铸铁焊缝中最主要的元素，它本身是焊缝中析出石墨的来源，而且是最强的石墨 化元素，焊缝中c 原子聚集体的数量增加，可以方便石墨晶核的形成，有利于游离的c 以石墨形态析出。提高焊缝中c 含量，可以促进焊缝的石墨化过程，焊缝中铁素体含量 亦相应增多，焊缝中铁素体含量的增多，不仅有利于提高焊缝的塑性和韧性而且降低了焊 缝的硬度，焊缝的抗裂性和可加工性都可以得到一定的改善。因此，焊缝中的含碳量一般 大于铸铁母材的含碳量。有研究“8 1 发现改变焊缝中c 含量，石墨的形态没有明显变化， 但焊缝基体组织变化明显，随着焊缝中c 含量增大，焊缝中莱氏体减少至消失，焊缝铁 素体含量增多，焊缝硬度一直下降，当焊缝w ( c ) = 3 4 0 时，焊缝硬度达到2 0 1 h b 。但是 同时含c 量过高容易引起石墨漂浮，因此必须选择合适的含c 量。 s i 也是铸铁焊缝中主要的元素，是一种石墨化能力很强的元素，其石墨化能力仅次 于c ，s i 固溶于奥氏体中，减小了c 在