灰口铸铁的焊接.doc

目录内容摘要2一、绪论31、灰口铸铁焊接的现状32、 研究的意义33、产生白口和裂纹的原因3（1） 产生白口的原因3（2） 产生裂纹的原因44、预防产生白口和裂纹的措施4二、灰口铸铁的焊接方法51、选择原则52、焊接方法原理5三、实验过程61、实验材料和焊前准备62、焊接方法73、补焊工艺74、讨论85、实验结果9四、结论9五、致谢9参看文献：10内容摘要 铸铁是含碳量在2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为24。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁可分为：灰口铸铁。含碳量较高（2.74.0），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。 下面主要介绍灰口铸铁。灰口铸铁的碳以片状石墨的形式分布于铸铁基体中，断面呈暗灰色，故称灰口铸铁。由于片状的石墨割裂了铸铁的基体组织，因此，灰口铸铁的抗拉强度低，缺乏塑性。灰口铸铁具有良好铸造性和切割性能，同时由于灰口铸铁中石墨以片状存在，它具有良好的耐磨性，抗震性和切削加工性并具有较高的抗压强度，故在汽车、拖拉机和机制行业中运用极为广泛。 灰口铸铁目前常以铸件的形式运用于生产，由于铸造工艺的特点，铸件往往存在着各种不同程度的缺陷，在生产现场中也有许多因各种原因而损坏的铸件。铸铁的焊接实际上就是对存有缺陷或者损坏的铸件进行补焊。所以铸件补焊具有很大的经济意义。 灰铸铁的典型石墨形态a)片状石墨b)蠕虫状石墨c)团絮状石墨d)球状石墨普通灰口铸铁：石墨呈粗片状析出，如图本文根据灰口铸铁的现状，通过实验，得出应该采用什么样的方法进行焊接。一、绪论1、灰口铸铁焊接的现状 灰口铸铁的应用领域非常广泛，因为它价钱比较低廉，下面介绍一下灰口铸铁的应用领域：a、铸件毛坯的焊补 由于铸造的铸造的成品率较低，所以采用焊补方法修复铸件毛坯既可保证完成生产，又可降低铸件成本。b、铸铁零件的焊补 在使用过程中，由于某些原因使铸件零件损坏，进行焊接修复不仅可以保证正常生产，还可以节约大量资金。c、零件的制造 将铸铁件和钢件或其他金属件焊接在一起，制成异种金属零件，可以满足某些特别需要并且降低成本。2、 研究的意义铸铁在铸造过程中经常产生气孔，渣孔，加砂，缩孔，裂缝，浇不足等缺陷。而在使用过程中超负荷，机械事故以及自然损坏的原因，造成铸铁机件的损坏也很多，对于这些有缺陷和损坏件，应根据铸铁的特点，采取相应的焊补工艺进行焊补修复。灰口铸铁的焊接性很差，特别是在焊条电弧焊时，如果选择焊条不当或者没有采取一些特殊措施，则会在焊接过程中产生一系列缺陷，这些缺陷中危害最严重的就是白口和裂纹。所以本实验就是根据灰口铸铁的一系列问题来选择焊接方法3、产生白口和裂纹的原因（1） 产生白口的原因由于母材近缝区在焊接时受到高温加热，当受热温度860以上时，原来灰口铸铁中的游离状态的石墨开始部分也熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。当冷却时，一般认为在30-100/s的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是产生白口的主要原因。一般在窄小的高温度熔合区内，焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。（2） 产生裂纹的原因裂纹是焊接灰口铸铁的主要问题，灰口铸铁焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能在基本金属即母材上。母材的裂纹一般出现近缝区，可能是纵向，横向或斜向的。由于灰口铸铁塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度又低，所以在焊接应力及铸件本身应力（组织应力）的共同作用下，当局部应力大于强度极限时，就产生裂纹。严重时，会使焊缝金属和母材分离，即焊缝从基本金属上脱离下来，即所谓剥离。如果焊缝强度较高而母材强度较低，或结合处产生白口时，由于白口铸铁收缩率（1.6-2.）比灰口铸铁收缩率（0.9-1.8）大，且塑性也差，故均产生剥离。焊缝金属内的裂纹，一般常见的是横向裂缝，有时也有纵向及斜向裂纹，在焊缝断口处没有高温氧化时常见的蓝颜色。裂纹生成时常发出清脆的金属开裂声。通常裂纹发生在热态焊缝金属的暗红色消失后，即600以下，直到焊缝与焊件整体温度均匀化之前。最容易发生裂纹的温度在400以下，通常这种在热应力和组织应力的共同作用下发生的裂纹称为热应力裂纹。 合金灰口铸铁裂纹4、预防产生白口和裂纹的措施（1） 预防白口的措施a、改变化学成分，增加焊缝中石墨化元素的含量，如在焊条或焊丝中加入大量的碳、硅元素，使焊缝形成灰口组织。此外还可以采用非铸铁焊接材料（镍基，铜基、高钒钢）来避免焊缝金属产生白口或其他脆硬组织的可能性。b、减慢冷却速度，延长熔合区处于红热状态的时间，以便石墨充分的析出。例如采用铸铁热焊法和气焊焊补法，将汗布区局部预热至600-700左右，使焊件焊补区的冷却速度减慢，防止焊缝及熔合区产生白口组织。c、采用钎焊焊接法，因钎焊焊接过程中焊件不熔化，也可使熔合区产生白口组织。（2）预防裂纹的措施：主要是从减少或消除焊接应力着手，常采用的措施方法有:a、热焊法：焊前将铸件预热至600-700，焊接过程中焊接温度不能降至400以下，这样可以减少整个工件上温度分布不均匀所引起的焊接应力。焊后在立即加热至700左右，进行消除应力的热处理。b、加热减应区法：使焊补区能够自由的进行热胀冷缩。c、使焊缝成为缩性较好的金属组织，例如采用铜钢、镍钢，镍，镍铁、高钒钢及碳钢等焊接材料。d、采用小电流连续焊、分散焊、在尽量窄的缩口中多层焊等办法来防止焊补区局部的热输入，以减小与整体间的温度差别及由此引起的热应力。e、冷焊时基本金属熔化越多，熔合区白口层越厚，焊缝也就越易剥离。所以焊底层最好用细直径焊条，小电流焊接。f、通过锤击焊缝消除应力，防止裂纹。5、研究方法本实验通过实验的方法，通过采用不同的焊接方法，来验证采用什么样的焊接方法最适宜。二、灰口铸铁的焊接方法灰口铸铁的焊接一般可以分为热焊，冷焊，气焊，手工电弧焊，钎焊等。1、选择原则（1） 根据不同的切削加工性、颜色、强度、致密性等，选择不同的焊接方法。（2） 针对不同焊件的体积、形状、厚度、成分、缺陷的情况及使用的工况条件等，选择不同的焊接方法。2、焊接方法原理（1）热焊法：在焊接前将焊件全部或局部加热到600-700，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高，工艺复杂，生产周期长，焊接时劳动条件差，因此应尽量少用。（2）冷焊法. 电弧焊冷焊法就是焊件在焊前不预热,焊接过程中也不辅助加热,因此可以加速焊补生产率,降低成本,改善劳动条件,减少焊件因预热时受热不均匀而产生的变形和焊件已加工面的氧化.目前冷焊法正在推广,并迅速发展.但是冷焊法在焊接后因焊缝及热影响区的冷却速度很大,极易形成白口组织.此外因焊件受热不均匀,常形成极大的内应力,会造成裂纹,在冷焊时应注意以下几点: a、 焊前应彻底清理油污,裂纹两端要打上裂孔,加工的坡口形状要保证便于焊补及减少焊件的熔化量。b、 采用钢芯或铸铁芯的以外的焊条,小直径焊条应尽量用小的焊接电流,以减少内应力和热影响区的宽度。c、 采用短焊道焊接法.一般每次焊10-40mm,待其充分冷却后再焊。d、 采用分段倒退焊.这样可以降低拉应力,对防裂有好处。e、每项焊一短焊道后,用圆头锤沿焊逢向外锤击。冷焊焊条按焊后焊缝的可加工性分为两大类:一类用于焊后不需要机械加工的铸件,如钢芯铸铁焊条(EZCQ)，只适用小型薄壁铸件刚度不大部位的缺陷焊补；另一类用于焊后需要机械加工的铸件，如纯镍焊条（EZNi-1）镍铁铸铁焊条（ EZNiFe-1）镍铜铸铁焊条（ENiCu-1）等。（3）气焊：火焰温度比电弧温度低得多，因而焊件的加热和冷却比较缓慢，这对防止灰口铸铁在焊接时产生的白口组织和裂纹都很有利。所以用气焊焊补的铸件质量一般比较好，因气焊成为补焊铸铁的常用方法。但气焊与焊条电弧焊相比，焊工的劳动强度高，焊件变形较大，焊补大型铸件时难以焊透。但由于气焊铸件的质量较好，易切削加工，使许多工厂中的中小型灰口铸件，还是较多用气焊焊补。a、手弧焊热焊法对于要求质量高，切削加工性能好的铸件最合适。选用铸铁型大直径焊条铸208、铸248，采用大电流连续焊补大型铸件，生产率高，但人工劳动条件差。b、手弧焊冷焊法适合于机加工的表面及不利于预热的大型铸件。由于它的优点甚多，所以也是发展方向，采用非铸铁型焊条焊接。手工电工三、实验过程1、实验材料和焊前准备某一产品的缸体，材料为HT20-40灰口铸铁，厚度为18 mm。裂纹程度：且横、纵向交错，有穿透和未穿透的。(1) 钻止裂孔：在距离裂纹末端23 mm处钻一个直径为68 mm的止裂孔。对穿透性裂纹，止裂孔要打透；对非穿透性裂纹，止裂孔要比裂纹深23 mm。(2) 开坡口：采用机械方法，在裂纹开裂部位刨出坡口。对穿透性裂纹，开坡口时要排除裂纹，坡口底部呈园弧状，坡口尺寸见图1所示。 图1焊缝坡口形式(3) 焊前清理：将坡口周围的油污，铁锈等脏物清除干净，直到露出光泽为止。2、焊接方法本实验采用多种焊接方法来补焊中强度ht20-40灰口铸铁。3、补焊工艺(1) 将工件倾斜放置，使焊缝处于上坡焊或半立焊，以减小熔合比。(2) 焊前将坡口周围预热，温度为200250 ，以缩小焊缝与工件的温差。 (3) 焊条选用铸308，直径D3.2 mm和4 mm。焊前应将焊条经150 左右烘焙2 h。(4) 第1、2、3层焊道施焊时选用D3.2 mm焊条，电流为90100 A。后两层焊道，选用D4 mm焊条，电流130160A。采用直流正接。(5) 每层焊后清熔渣。(6) 焊后，在焊接区周围200 mm范围内，加热到300350 ，保温30 min，用石棉粉复盖使之缓冷。(7) 焊接注意事项为：在坡口两侧为减小熔深，可采取快速不摆动焊。而焊缝中间可稍作摆动，但摆动幅度要小。补焊工件较厚时，坡口截面较大，采用多层多道焊。焊缝截面较大，产生的收缩应力很强，容易形成焊缝剥离。故采用合理的焊接顺序(1、2、3)如图2所示。采用短段焊、断续焊、分散焊、逐步退焊法。短段焊，即每段长约1040 mm。断续焊，即焊一段后停留片刻，待工件冷到5060 时再焊下一道焊缝，以防止热量集中。分散焊，在一个部位焊一段后再到另一部位焊接，以减少温差，降低应力。逐步退焊法，它与连续焊相比，可使焊缝的拉应力峰值有很大减低，故有利于防止焊缝裂纹的产生。锤击焊缝。锤击焊缝时温度应在400 以上进行，用小圆头锤击焊缝，使焊缝金属延展，松驰焊补区的应力。焊接第一层和最后一层不要锤击。焊接顺序4、讨论(1) 选用纯镍的铸308焊条。有较好的抗裂性和切削加工性。镍是扩大奥氏体区的元素，当铁镍合金中镍量大于30%时，合金凝固后一直到室温都保持硬度较低、塑性较好的奥氏体组织，不发生相变。它也是非碳化物形成元素，不会与碳形成高硬度的碳化物。而且以镍为主要成分的奥氏体，能溶解较多的碳。纯镍在1300 时可溶解2%的碳。温度下降后，少量碳由于过饱和而析出细小的石墨，故焊缝有一定的塑性和强度，且硬度较低。镍又促使石墨化形成元素。液态时镍的扩散能力较强，可扩散到半熔化区，对减弱半熔化区的白口宽度起到作用。所以采用纯镍焊条焊接，白口区宽度最小(根据有关资料介绍可减少至0.05 mm)呈断续分布，机加工性能和抗裂性能均较好。(2) 控制熔合比。将工件倾斜成上坡焊和坡口底部开成圆弧形都是为了减小熔合比。减小熔合比，可减小母材中的碳、硫等有害元素进入焊缝。硫是促进形成热裂纹的有害元素。如果碳含量多，可使马氏体量也相对增多，冷裂敏感性增大。所以减小熔合比，有利于提高焊缝质量。(3) 选用小直径焊条，小电流、快速焊。小规范焊接，其优越性有3条。第一，可使熔池小，熔深浅，减少母材中碳和硫等有害元素进入焊缝。第二，焊接规范小，其线能量也小，降低了焊接应力，使焊接区出现裂纹