铣床底座铸造缺陷补焊.doc

摘要 大多数铣床底座由灰铸铁铸造而成，在其铸造过程中可能会出现缺陷。采用焊接方法修复这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且还可大大降低铸件成本。灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向是比较大的，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及化学成分有关。为防止焊接时产生裂纹，在生产中主要时采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。要获得好的焊接质量，不仅要根据补焊要求来正确选择焊接材料，而且要注意掌握焊接工艺要点。异质焊缝的电弧冷焊工艺要点可归纳为四句话：“准备工作要做好，焊接电流适当小，短段断续分散焊，焊后立即小锤敲”。 焊前准备工作很重要，通常是指清除焊件缺陷处的油污等其它杂质，正确观察缺陷的情况（如裂纹的长度等）及将缺陷制成适当的坡口，以备焊接。常用的铸铁清理方法有两种，一种采用砂轮、钢丝刷或扁铲等工具的机械清理法；另一种是采用三氯乙烯、苛性钠、汽油、丙酮等化学溶剂洗涤的化学方法。清除油污也可用火焰将铸件分段加热，加热到不冒烟为止，否则焊缝易出现气孔等缺陷。为防止产生过大的热应力，加热温度应控制在400以下。关键词: 铣床底座、灰铸铁、 焊接性、焊接工艺39Abstract Most milling machine base is made of gray cast iron, in its casting process defects may occur. The method of welding repair of the casting defects of castings that is not only conducive to the timely completion of production tasks, but also can greatly reduce the cost of castings. Gray cast iron welding, the welded joint is more inclined to crack, which mainly related to the performance of their cast iron, welding stress, joint organizations and the relevant chemical constituents. In order to prevent cracking when welding in the production of the main welding to take to reduce stress, change in weld alloy systems, as well as restrictions on impurities in materials, such as measures to melt into the weld. To obtain good welding quality, not only in accordance with the requirements of the correct choice for repairing welding material and welding technology to grasp the main points of attention. Heterogeneity of the arc weld cold welding process can be summarized in four sentences the main points: the preparatory work to do, an appropriate welding current small, short paragraphs scattered intermittent welding, welding Knock with a hammersmall immediately after. Preparatory work before welding is very important, usually refers to removal defects Weldment oil and other impurities, the correct observation of defects (such as the length of cracks, etc.) and defects in the appropriate groove made to prepare for welding. Cast iron clean-up methods used there are two types of the use of grinding wheel, wire brush or a flat shovel and other tools of the mechanical cleaning method; the other is the use of trichlorethylene, caustic soda, gasoline, acetone and other chemicals of the chemical solvent washing. Oil can also be used to remove the flame will be sub-casting heat, until heated to not smoke or weld defects such as pores easily. To prevent excessive thermal stress, the heating temperature should be controlled at below 400 . Key words: Milling machine base , gray cast iron, Weldability ,welding technology目录摘要IAbstractII第一章 绪论4第二章 铣床的基本知识52.1 铣床应用52.2铣床的结构特点5第三章 铣床底座对材料性能的要求63.1 成分 组织73.2 性能特点8第四章 铣床底座缺陷104.1 铣床底座在使用过程中产生问题104.2 铣床底座浇注缺陷10第五章 灰铸铁焊接性135.1 白口及淬硬组织145.2 焊接冷裂纹165.3焊接热裂纹18第六章 铣床底座的补焊186.1 焊接方法的选择196.2焊接材料的选择216.3 焊前准备23第七章 焊接检验277.1 焊缝外观检验277.2 铣床底座的无损检测30结论36致谢37参考文献37第一章 绪论 铸铁具有成本低，铸造性能、减震性能、耐磨性能与切削加工性能优良等很多优点，而且熔炼设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用。灰铸铁中的石墨以片状存在，应用广泛，其焊接主要应用于以下方面：（1）铸造缺陷的补焊 很多工厂都有铸造车间，一般铸件废品率都很高，采用焊接方法修复这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且还可大大降低铸件成本。（2）损坏铸铁件的补焊 由于各种原因，使铸铁在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使产品报废。要更换新的，有的一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机械加工的，价格往往也很贵。若能及时用焊接方法修补，不仅有利于生产任务的完成，而且可以节约大批资金。 （3）零件的生产 这是指用焊接的方法将铸铁(主要是球墨铸铁)件与铸铁件、各种钢件或有色金属焊接起来而生产出零件。我国目前在这方面比较落后，处于刚起步阶段。如我国山东某厂已用高效离心铸造的大直径球墨铸铁管与一般铸造方法生产的变直径球墨铸铁法兰用焊接方法连接而制成产品。制造中铸铁焊接已成为我国下一步发展铸铁焊接技术的方向。它往往具有巨大的经济效益。灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向是比较大的，这主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及化学成分有关。为防止焊接时产生裂纹，在生产中主要时采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。第二章 铣床的基本知识2.1 铣床应用 铣床是一种用途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮、棘轮）、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面、回转体表面。2.2铣床的结构特点铣床种类很多，一般是按布局形式和适用范围加以区分，主要有升降台铣床、龙门铣床、单柱铣床和单臂铣床、工作台不升降铣床、仪表铣床、工具铣床和其它铣床（键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床等）。其中升降台铣床又分为万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小零件，应用最广。其结构如图2-1所示。图 2-1 万能升降台铣床1、主轴 主轴是前端带锥孔的空心轴，锥度一般是7：24，用来安装刀具。它是主要部件，要求旋转时平稳，无跳到和刚性好，所以要用优秀结构钢制造，并需经过热处理和精密加工。 2、主轴变速机构： 它安装在床身内，作用是将电动机的额定转速通过齿轮变速，变换成（18种）不同转速，传递给主轴，以适应铣削的需要。3、横梁及挂架： 横梁安装在床身的顶部，挂架装其上，主要是支持刀轴的刚性。4、纵向工作台： 有三个T型槽，用来安装夹具和工件，作纵向移动。5、横向工作台： 在纵向工作台下面，带动其作横向移动（万能可回转45）。6、升降台：安装在床身前侧的垂直导轨上，中部有丝杠和底座螺母相连接，主要作用支持工作台并带动其上、下移动。进给电动机变速、操纵机构等都安装在升降台上。升降台的刚性和精度要求都很高。7、进给变速机构： 安装在升降台内，作用是将进给电动机的额定转速通过齿轮变速传递给机构，实现工作台的移动的不同速度以适应铣削要求。8、底座： 是整部机床的支撑部件。具有足够的刚性和强度，升降丝杠的螺母也安装在底座山上，其内腔盛装切削液。9、床身： 床身是铣床的主体。用来安装和连接其它部件，其刚性、强度和精度对铣削效率和加工质量影响很大。因此，一般用优质灰铸铁铸成。内壁有肋条，以增加其刚性和强度。第三章 铣床底座对材料性能的要求3.1 成分 组织绝大部分铣床底座都是由灰铸铁铸造而成。灰铸铁的化学成分见表31表3-1 灰铸铁的化学成分 化学成分（质量分数，）CMnSiSp2.73.60.51.30.12.20.150.3 C对铸铁的石墨化起决定性作用。C是形成石墨的基础，增大铸铁中C的浓度，有利于形成石墨。Si是强烈促进石墨化的元素，Si含量越高，石墨化进行的越充分，越容易获得灰口组织。Mn阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。Mn还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。Si是强烈促进石墨化的元素，Si含量越高，石墨化进行的越充分，越容易获得灰口组织。S是强烈阻碍石墨化的元素。S使C以渗碳体的形式存在，促使铸铁白口化。此外，S还会降低铸铁的力学性能和流动性。因此，铸铁中含S越少越好。P是微弱促进石墨化的元素，并能提高铸铁的流动性，但含量过高会增加铸铁的冷裂倾向，因此要限制P的含量。灰铸铁是因断面呈灰色而得名。灰铸铁中的碳以片状石墨的形式存在于珠光体或铁素体或二者混合的基体中（图3-1）。图3-1 灰铸铁显微组织典型灰铸铁的金相组织由白色不规则块状的铁素体，渗碳体与铁素体层状分布的珠光体，端部尖锐、灰色长条状的片状石墨组成，有时含有少量的磷共晶。石墨片以不同的数量和尺寸分布在基体中，对灰铸铁的力学性能产生很大影响。一般来说，石墨含量高且呈粗片状时灰铸铁抗拉强度低，石墨含量低呈细片状时，其抗拉强度高。基体为纯铁素体时，灰铸铁抗拉强度和硬度低，以纯珠光体为基体的灰铸铁，抗拉强度和硬度均较高。3.2 性能特点（1）力学性能 灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨的形态。由于石墨的强度极低，因此可以将铸铁看做成布满裂纹和空洞的钢。石墨的存在，不仅破坏了金属基体的连续性，减少了金属基体承受载荷的有效面积，使实际应力大大增加；另一方面，在石墨尖角处易造成应力集中，使尖角处的应力远远大于平均应力。所以，灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对力学性能的影响越大。但石墨的存在对灰铸铁的抗压强度影响不大，因此抗压强度主要取决于灰铸铁的基体组织，灰铸铁的抗压强度与钢相近。因此，灰铸铁“抗压不抗拉”。铁素体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用最少；珠光体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度；铁素体-珠光体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。（2）铸造性能 灰铸铁件铸造成形时，不仅其流动性好，而且还因为在凝固过程中析出比容较大的石墨，减少凝固收缩，容易获得优良铸件，表现出良好的铸造性能。（3）减震性能 石墨对铸铁件承受振动能起缓冲作用，减弱晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能，所以灰铸铁具有良好的减震性。（4）减磨性能 铸件摩擦面上的石墨构成大量的显微凹穴，起储油作用，可维持油膜的连续性，石墨本身也是一种良好的润滑剂，脱落在摩擦面上的石墨可起润滑作用，因此灰铸铁具有良好的减磨性能。（5）切削加工性能 石墨的存在造成基体的不连续性，使切屑易脆断，故灰铸铁切削加工性能好。（6）缺口敏感性能 片状石墨相当于许多微小缺口，从而减少了铸件对外来缺口的敏感性，表面加工质量不高或内部组织的缺陷对铸铁疲劳强度的不利影响要比钢的影响小得多。由于灰铸铁具有以上一系列性能特点，并且灰铸铁生产工艺和设备简单，成本低廉，因此在工业生产中得到普遍应用。灰铸铁的牌号、力学性能、及用途见表3-3。牌号显微组织抗拉强度/MPa硬度HBW（仅供参考）特点及用途举例基体石墨HT100铁素体粗片状100175 强度低，用于制造强度及组织无要求的不重要铸件，如外壳、镶装导轨的支柱等HT150铁素体+珠光体较粗片状150150200强度中等，用于制造承受中等载荷的铸铁，如机床底座等HT200珠光体中等片状250170220 强度较高，用于制造承受较高载荷的耐磨铸件，如发动机的汽缸体、中等压力的液压缸等HT250细片状珠光体较细片状250190240HT300细片状珠光体细小片状300210260强度高，基体组织为珠光体，用于承受高载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车床卡盘、导板、齿轮、液压缸等HT350细片状珠光体细小片状350230280表3-3 灰铸铁的牌号、力学性能及用途（部分摘自GB/T 9439-1988）第四章 铣床底座缺陷4.1 铣床底座在使用过程中产生问题铣床在使用过程中,由于输入能量而运转,产生摩擦、振动、疲劳,致使相对运动的零部件实体产生磨损,称为使用磨损铣床的磨损可以分为自然磨损(无形磨损)和有形磨损。自然磨损无论在铣床使用还是在闲置过程中都会发生。但因为铣床闲置中容易失去正常的维护保养,闲置中铣床自然磨损比正常使用更加显著。因此闲置铣床为延长使用寿命,尤其需要维护保养。铣床设备的磨损规律与故障变化规律相对应,通常可以分为三个阶段:第一阶段是初期磨损阶段(也称磨合磨损阶段),一般是新投入使用或经过大修理后的设备在早期故障期的磨损状态,磨损速度快,主要原因是零件加工粗糙表面在负载运转中的快速磨损,安装不良,操作者对新设备不熟悉等。第二阶段是正常磨损阶段,磨损速度缓慢,设备处于最佳技术状态,应注意维护保养。第三阶段是剧烈磨损阶段,当主要零部件的磨损程度已经达到正常使用极限时,继续使用,磨损就会急剧上升,造成设备精度、技术性能、生产效率明显下降。故障率急剧上升。铣床使用中应及时发现正常使用极限,当设备磨损程度使其技术状况下降到合理的临界时,应该及时进行修理,防止故障发生。4.2 铣床底座浇注缺陷 1.裂纹裂纹（见图4-1）分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是铸件在凝固末期或凝固后不久尚处于强度和塑性很低状态下，因铸件固态收缩受阻而引起的裂纹。热裂纹是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中常见的铸造缺陷之一。热裂纹在晶界萌生并沿晶界扩展，其形状粗细不均，曲折而不规则。裂纹的表面呈氧化色，无金属光泽。铸钢件裂纹表面近似黑色，而铝合金则呈暗灰色。冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。冷裂纹总是发生在冷却过程中承受拉应力的部位，特别是拉应力集中的部位。裂纹预防措施：（1）改善铸件结构 壁厚力求均匀，转角处应做出过渡圆角，减少应力集中现象。轮类铸件的轮辐必要时可做成弯曲状。（2）提高合金材料的熔炼质量 图4-1 裂纹采用精炼和除气工艺去除金属液中的氧化夹杂和气体等。控制有害杂质的含量，采用合理的熔炼工艺，防止产生冷裂纹。（3）采用正确的铸造工艺措施 使铸件实现同时凝固 不仅有利于防止热裂纹，也有助于防止冷裂纹。合理设计浇冒口的位置和尺寸，使铸件各部分的冷却速度尽量均匀一致，减少冷裂纹倾向。2.气孔铸件中的气孔是指在铸件内部，表面或接近表面处存在的大小不等的光滑孔洞（见图4-2）。形状有圆的，长的及不规则的，有单个的，也有聚集成片的。颜色有白色的或带一层暗色，有时覆有一层氧化皮。由于气体的来源和形成原因不同，气孔的表现形式也各不相同，有侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔。侵入性气孔体积较大，形状近似梨形，常出现在铸件上部靠近型芯壁或浇注位置处，主要是由于砂型芯中产生的气体侵入金属中未能逸出造成的，梨形气孔小端位置，表明气体由该处进入铸人件。反应性气孔是由于金属一铸型界面发生化学反应而产生的气孔，因其分布均匀且往往在铸件表皮以下（有时在一层氧化皮下面）出现，所以又称为皮下气孔。又由于这种气孔多呈细长形针孔状，其长轴与铸件表面垂直，又可将其称为针孔。 图4-2 气孔气孔的预防措施：（1）采用洁净干燥的炉料，限制含气量较多的炉料的使用，降低熔炼时金属的吸气量；浇包要烘干烫包；可以适当提高浇注温度以利于气体扩散。（2）浇注时控制好压头和速度，保证钢水平稳充填砂型型腔，避免产生紊流，防止卷入气体。（3）减少发气量，控制型（芯）砂水分及发气原料的含量，减少砂型在浇注过程中的发气量，不使用受潮，生锈或有油污的冷铁和芯撑等。（4）改善砂型的透气性，选择合适的砂型紧实度，提高砂型和型芯的透气性；合理安排出气眼，使型（芯）内气体能顺利排出。（5）提高气体进入金属液的阻力.合理设计浇注系统,避免浇注时卷入气体,在型（芯）表面涂刷涂料以减少少金属一铸型的界面作用。3.其他铸造缺陷（1）变形 长、板状铸件比较容易变形.某些铸件加工后,放置一段时间后会出现变形。预防措施：适当添加加强筋;适当增加加工余量;采用反变形工艺；将铸件进行去应力退火,消除铸件的内应力；采用时效处理。（2）冷隔 在铸件上有未完全融合的缝隙或凹坑,其交界边缘是圆滑的。预防措施：提高浇注温度和浇注速度;改善浇注系统;浇注时不断流。（3）浇不足 由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺肉。预防措施;提高浇注温度和浇注速度;不要断流和防止跑火;浇注后期的点浇补缩到位（4）缩孔、缩松 在铸件厚断面内部,热节处或轴心等最后凝固的地方,形成不规则的表面粗糙的孔洞,该处晶粒粗大,往往带有树枝晶.孔洞大而集中的为缩孔,孔眼小而分散的称为缩松.主要是由于铸件在冷却凝固时所产生的液态收缩和凝固收缩远远大于固态收缩,且在铸件最后凝固的地方得不到金属液的补充造成的; 尽量减少铸件的热节部位。预防措施：尽量降低注温度和浇注速度,浇注后期的补浇要充分到位; 合理设计浇冒系统,壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固,壁厚大且不均匀的铸件采用由薄向厚的顺序凝固,使铸件得到充分补缩; 在铸件厚断面部位,合理放置内,外冷铁 需要强调的是,在采各种缺陷的预防措施的同时,还必须强化工艺纪律检查,对违反工艺操作的现象进行监督、纠正和考核。第五章 灰铸铁焊接性灰铸铁的化学成分特点是碳、硅的质量分数较高，同时硫、磷杂质的质量分数也高，例如HT150, 其化学成分见表5-1。这就增大了焊接接头对冷却速度表5-1 HT150化学成分牌号化学成分（质量分数，）HT150CSiMnPS3.23.51.82.20.50.80.20.15及对冷、热裂纹大的敏感性；灰铸铁的力学性能特点是强度低、基本无塑性。而焊接过程具有冷却速度快及焊件受热不均匀而产生较大的焊接应力等特殊性，导致铸铁的焊接性很差，其主要表现是焊接接头易产生白口和淬硬组织及裂纹。5.1 白口及淬硬组织灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近焊缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半融合区将会产生大量的渗碳体，形成白口组织。图5-1是碳和硅的质量分数分别为3和2.5的常用灰铸铁焊条电弧焊时焊接接头组织变化图。由图可见，焊接接头中产生白口组织的区域主要是焊缝区、熔合区和奥氏体区。产生原因（1） 焊缝区 焊缝区在焊接加热过程中处于液相温度以上。由于所选用焊接材料不同，焊缝成分有两种类型：一种是铸铁成分，另一种是非铸铁成分（钢、镍、镍铁或镍铜等）对于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，即焊缝基本为白口铸铁组织。增大焊接热输入，焊缝会出现一定量的灰铸铁，但不能消除白口组织。图5-1 灰铸铁焊接接头各区组织变化图（2） 熔合区（半熔合区） 该区域温度范围很窄，处于液相线和固相线之间，温度为11501250，焊接时处于半熔化状态，故也称半熔合区。焊接加热时部分铸铁母材熔化变为液体，部分固态母材转变为高碳奥氏体。冷却时，上述液相铸铁将在共晶温度区间转变为共晶渗碳体奥氏体，继续冷却时，奥氏体因碳的溶解度下降而析出二次渗碳体，在共析温度区间奥氏体转变为珠光体，最终得到共晶渗碳体二次渗碳体珠光体的白口铸铁。在快冷条件下，还可能出现奥氏体转变为马氏体的相变过程。（3）奥氏体区 该区域处于固相线和共析温度上限之间，加热温度范围约为8201150，没有液相出现，只有固态相变。由于加热温度超过共析线，铸铁的基体被完全奥氏体化，但碳在奥氏体中的含量是不一样的，加热温度较高的部分（靠近熔合区），石墨片中的碳扩散能力强，向奥氏体扩散较多，因而奥氏体含碳量较高;加热温度较低的部分（距离熔合区稍远），石墨片中的碳扩散较多，因而奥氏体含量较低。在随后的冷却过程中，首先从奥氏体析出二次渗碳体，而后进行共析转变。若冷却速度较慢时，奥氏体转变为珠光体类型组织；若冷却速度较快时，奥氏体直接转变为马氏体。 熔焊时采取适当工艺措施使该区域缓冷，可使奥氏体直接析出石墨，从而避免二次渗碳体的析出，同时可防止马氏体的形成。 由以上分析可知，灰铸铁焊接接头的白口化问题是指焊缝及熔合区易出现白口组织。 其原因一般由电弧焊方法焊接时，因接头冷却速度过快，影响了铸铁的石墨化过程造成的。 防止措施很多铸铁件补焊后要求机械加工，但接头中出现的白口组织和马氏体组织给机械加工带来很大困难。同时白口组织收缩率高，白口及马氏体组织硬而脆，容易引起裂纹，因而应采取措施防止这些有害组织。常用方法是改变焊缝的化学成分或降低焊接接头冷却速度。（1）变焊缝的化学成分 主要是增加焊缝的石墨化元素含量或使焊缝成为非铸铁组织。例如，在药芯或药皮中加入石墨化元素碳、硅等，使其含量高于母材，以促进焊缝石墨化；或者选用异质焊接材料，如镍基合金、高钒钢、镍铜和铜铁等焊条，使焊缝形成奥氏体、铁素体或非铁金属等非铸铁组织。这样可改变焊缝中碳的存在形式，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性。该方法虽可解决焊缝的白口组织问题，但对消除熔合区的白口层效果不明显。对熔合区的白口层，只能通过控制焊接参数将白口层的宽度缩小到机械加工的范围（即宽度小于0.1）。（2）减慢焊接冷却速度 可延长熔合区处于红热状态的时间，有利于石墨的充分析出，故可实现熔合区的石墨化过程。通常采用焊前预热和焊后保温缓冷。为了确保接头充分石墨化，焊接时的预热温度较高，一般为400700,同时还要保温缓冷。 (3)采用钎焊焊接方法，由于钎焊过程中焊件不熔化，也可避免熔合区产生白口。5.2 焊接冷裂纹 焊接冷裂纹产生的原因灰铸铁焊接接头产生的裂纹主要是冷裂纹，其产生原因主要有以下几个方面： 1）铁本身强度低，基本无塑性，承受塑性变形的能力几乎为零，因此容易开裂。2）焊接过程对焊件的局部加热和冷却，势必使焊件产生焊接应力，将是导致焊件产生裂纹的又一重要原因。3）焊接接头的白口组织和淬硬组织又脆又硬，不能产生塑性变形，在受到应力作用时容易引起开裂，严重时会使焊缝与热影响区的整个界面开裂而分离。灰铸铁焊接冷裂纹可能发生在焊缝，也可在热影响区。一般在铸铁型焊缝时容易产生焊缝冷裂纹，发生该种裂纹的温度一般在400以下，裂纹发生时常伴有可听见的脆性断裂的声音、焊缝较长时或补焊刚度较大的铸件缺陷时，常发生这种裂纹。这种裂纹很少在400以上发生的原因：一是400以上铸铁有一定的塑性;二是400以上焊缝所承受的拉应力较小。当焊缝中存在白口组织时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁大，又因渗碳体性能更脆，故焊缝更容易出现冷裂纹，且焊缝中的渗碳体越多，焊缝出现裂纹的可能性越大，裂纹数量也会越多。焊接冷裂纹多发生在含有较多渗碳体及马氏体的熔合区，个别情况下也可能发生在热影响区的低温区域。在不预热电弧焊条件下，灰铸铁焊接接头的熔合区会产生渗碳体及马氏体等淬硬组织，它们硬度高，但抗拉强度低，当焊接应力超过抗拉强度时，就会在相应位置出现冷裂纹。当采用异质材料焊接灰铸铁，形成钢焊缝或镍基合金焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，配合采用合理的工艺措施，焊缝金属不易产生冷裂纹。但由于焊缝金属收缩率大，当焊缝体积较大或焊接工艺不当时，也会造成焊缝底部或热影响区裂纹，严重时会使焊缝金属全部与灰铸铁母材分离，称之为剥离性裂纹。该裂纹产生于熔合区、热影响区，沿焊缝与热影响区的交界扩展，通常没有开裂声，断口呈脆性断裂特征。产生原因是由于母材、热影响区及熔合区不能承受焊接时过大的焊接应力引起的。防止灰铸铁冷裂纹的措施 灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要原因是焊接应力，所以避免裂纹产生也主要是从降低应力着手。 （1）预热 防止铸铁型焊缝冷裂纹最有效的方法是对焊件进行整体预热（550700），使温差减少，降低焊接应力，同时促进焊缝金属石墨化，并要求焊后在相同温度下消除应力。 （2）焊接材料 采用镍基或铜基焊接材料，使焊缝成为良好的非铁合金，对冷裂纹不敏感。镍与铁无限互溶，碳与镍不形成碳化物而以石墨的形式存在，因此镍及镍合金是焊接灰铸铁非常好的焊接材料。即便如此，焊接时如不及时消除应力也会产生裂纹，因为焊接应力随焊缝长度的增加而积累，达到一定程度时也会引起开裂。（3）工艺措施 用异质焊接材料焊接灰铸铁时，常采用“短段焊”、“断续焊”等工艺措施，并及时锤击焊缝，使焊缝金属发生塑性变形，以减少和消除应力。另一工艺措施是采用小规范焊接，较小的焊接电流既可减小热输入，又可减小熔合区白口及淬硬层宽度，从而减小焊接应力，有利于防止裂纹。但是，采用小电流会增加热影响区的淬硬性和脆化倾向，可采用“退火焊道”来降低热影响区的淬硬性。5.3焊接热裂纹灰铸铁焊接的热裂纹大多出现在焊缝上，为结晶裂纹。当焊缝为铸铁时，由于液态铁在凝固过程中析出石墨，体积膨胀且流动性好，不会形成热裂纹。但采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊接材料时，焊缝有很大的热裂倾向。当采用低碳钢焊条焊接铸铁时，即使采用小电流焊接，第一层焊缝中的碳的质量分数仍高达0.71.0；由于铸铁含硫、磷量也较高，促使形成FeS和Fe的低熔点共晶（熔点为988），高的含碳量会增加热裂纹的敏感性，从而导致形成焊缝底部裂纹，甚至宏观裂纹，有时在裂纹断口上可观察到高温氧化色（蓝紫色）。这种热裂纹与冷裂纹不同，发生时没有开裂声，又往往隐藏在焊缝底部，从焊缝表面不易察觉。采用镍基焊条焊接灰铸铁时，由于铸铁中含有较多的硫、磷，焊缝易生成NiNi3S2（熔点为644）和NiNi3P（熔点为880）的低熔点共晶，且镍基焊缝凝固后为较粗大的单相奥氏体柱状晶，低熔点共晶在奥氏体晶界易呈连续分布，促进热裂纹形成，因此，采用镍基焊条焊接灰铸铁时，焊缝对热裂纹有较大的敏感性。解决上述问题应从冶金处理和焊接工艺两方面考虑。在冶金方面可通过调整焊缝化学成分，加入稀土元素，增强焊缝脱硫、磷的能力，以及细化晶粒等途径，提高焊抗热裂纹能力。在焊接工艺方面，采用正确的冷焊工艺，使焊接应力降低，并减少母材中的有害杂质熔入焊缝等，均有助于防止焊接热裂纹的产生。 由以上分析可知，灰铸铁焊接接头裂纹倾向较大，这主要与灰铸铁本身的性能特点、焊接应力、接头组织及化学成分等因素有关。为了防止焊接裂纹，在生产中主要是采用减小焊接应力、改变焊缝合金系统及限制母材中有害杂质熔入焊缝等措施。第六章 铣床底座的补焊现有一个铣床底座是用灰铸铁HT150铸造而成，由于铸造工艺不当，产生了一个长约300的穿透性裂纹，见图6-1。图6-1 存在铸造缺陷的铣床底座6.1 焊接方法的选择灰铸铁常用的焊接方法有焊条电弧焊、气焊、钎焊和手工电渣焊。其中最常用的是焊条电弧焊（同质焊缝的焊条电弧焊和异质焊缝的焊条电弧焊）、气焊和钎焊。1.焊条电弧焊灰铸铁形成铸铁型焊缝的焊条电弧焊工艺可分为热焊（包括半热焊）和冷焊两种。 （1） 热焊（包括半热焊）将焊件整体或有缺陷的局部位置预热到600700度，然后进行补焊，焊后并进行缓冷的铸铁补焊工艺，人们称之为“热焊”。 采用电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本于母材相同，颜色与母材一样，具有良好的切削加工性，焊后残佘应用力小，接头质量高，但是，由于铸件的预热的温度高，使操作者的工作条件恶化；同时加热消耗燃料多，会使补焊成本增高；另外，焊接工艺复杂化，增加了生产周期，使生产效率降低。因此，电弧热焊工艺的应用和发展都受到了较大的限制。预热温度范围为300400度称为“半热焊”。 为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当的提高焊缝的石墨化能力，采用300400摄氏度的整体或局部的预热，用于钢度较小的铸件焊接，也以收到较小的效果。由于预热温度有一定程度的降低，与前述热焊相比，可以使劳支条件有所改善，并可降低补焊成本，当预热温度在400摄氏度左右时，铸铁的弹性变形能力略有增加，故在铸件补焊处应较小时，往往采用这种半热焊工艺。（2）冷焊 电弧冷焊的特点是焊前对被补焊的焊件不预热。所以电弧冷焊有很多优点，焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过程短，补焊效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热的以加工面等情况更适于采用冷焊。铸铁型焊条电弧冷焊较电弧热焊工艺简便，焊接成本交低，在补焊较大缺陷时，只要运用工艺适当，焊后焊缝的最高硬度不超过250HBS，加工性能好。当补焊区的刚性较小时，由于焊缝能自由收缩，焊后一般不会产生裂纹，而且性能、颜色与母材一致。 但是，由于焊缝仍为灰铸铁组织，强度低、无塑性，所以采用大电流连续焊工艺，焊件局部受热严重，故补焊大刚度缺陷时容易出现焊缝裂纹。但在补焊钢度不大的中、大型缺陷时，可获得满意的效果。该法在机床厂及铸造厂等中等厚度以上焊件的缺陷补焊上得到一定应用。 异质焊缝又称为非铸铁型焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常用的方法。因铸件在焊接中不需要预热，使焊接过程大大简化，不仅降低了焊接成本，而且使焊接操作者的工作条件得到改善。此外，它还有适应范围广，可进行全位置焊接及焊接效率高等特点，所以异质焊缝电弧冷焊是一种很有前途的焊接工艺方法2.气焊 氧乙炔焊温度比电弧温度低很多，而且热量不集中，很适于薄壁铸件的补焊。一般气焊时，需要较长时才能将补焊处加热到补焊温度，而且加热面积又较大，实际上相当于补焊处先局部预热再进行焊接的过程。故在采用适当成分的铸铁焊芯对薄壁件缺陷进行气焊补焊理，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，而焊接热影响区也不易产生白口或其他淬硬组织。但由于一般气焊时加热时间长，焊任件受热面积较大，焊接热应力较大，故补焊高度较大的缺陷时，比热焊容易发生冷裂纹，所以一般气焊主要适用于刚度较小的薄壁件的缺陷补焊。对刚度大的薄壁件缺陷补焊时，为了减接焊接应力，防止裂纹出现，宜采用焊件整体预热的气焊热焊进行。预热温度为600700摄氏度，焊后应采取缓冷措施。由于热焊具有能量消耗大，劳动条件大等缺点，焊接工作者又探索成功了较简便宜的“加热减应区”的气焊方法，对某些刚度较大的缺陷的补焊也获得了成功。3.钎焊 钎焊时母材不熔化，故对避免铸铁焊接接头出现白口是非常有利的，使接头有优良的加工性。此外，钎焊温度较低，焊接接头应力较小，二接头上又无白口等组织，对发生裂纹的敏感性也较小，所以研究钎焊方法来补焊铸铁很早就被人们所注意。与电弧焊、气焊不同，钎焊前必须用机械方法将钎焊处露出金属光泽，否则钎焊不上，这可能影响在铸铁钎焊上的推广，且该法不适用于受力场合。考虑到铣床底座需承受一定的机械运动压力，且焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过程短，补焊效率高，故采用非铸铁型（异质）焊缝电弧冷焊。6.2焊接材料的选择对焊条电弧焊来说，目前国内可供选用的焊条有20余种，基本上可分为两大类，一类是同质焊缝型即铸铁型；另一类则是异质焊缝型如：钢（碳钢或者合金结构钢等）、纯Ni、Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Fe-Cu、Fe-Cu等。在选用焊条时，可按不同的铸铁材料，不同的切削加工要求，不同的服役条件和重要程度，不同的结构特点，刚度大小等进行选用。1.钢基焊缝铸铁焊条（1）EZV(Z116/Z117) 铸铁焊条说明：低碳钢芯、低氢型高钒铸铁焊条，焊缝形成以铁素体为基体以及碳化钒弥散分布的钢组织，具有较好的抗裂性，采用直流反接。 用途：用于铸铁件缺陷的焊补，如汽车缸体、机架齿轮箱等，也焊补高强度铸铁件及球墨铸铁件，焊件可不进行预热，焊后可进行切削加工，但加工性不如Z508、Z308和Z408 （2）EZFe-1(Z100)铸铁焊条说明：该焊条为强氧化型铸铁焊条，采用低碳钢焊芯（H08），焊缝成分和组织很不均匀，第一层且靠近母材一侧的焊缝含碳量往往达到高碳钢的成分，由于母材中的碳向焊缝一侧扩散，使熔合区白口层宽度增大，焊接接头硬度高，难以机械加工，产生裂纹的倾向比较大。但是，该焊条成本低，焊缝与母材熔合好，并且熔渣流动性好，脱渣容易。用途：只能用于灰铸铁钢锭模等不要求加工和致密性、受力小部件铸件缺陷的补焊。（3）EZFe-2(Z122Fe)铸铁焊条 说明：低碳钢芯铁粉钛钙型冷焊铸铁焊条，由于加入大量铁粉并通过药皮向焊缝过渡，从而稀释铸铁中的碳，焊缝与铸铁熔合牢固，但熔合区硬度高，难以机械加工，具有良好抗裂，工艺性好，操作方便，电弧稳定飞溅小，脱渣容易，焊缝成形美观，交、直流两用。 用途：用于各种灰口铸铁件非加工面的焊补。2.镍基焊缝铸铁焊条（1）纯镍铸铁焊条EZNi(Z208) 说明：纯镍焊芯、强还原性强石墨化的铸铁焊条，施焊时，焊件可不预热，具有良好的抗裂性和加工性能，交、直流两用，工艺性能好。高韧性、高耐磨、耐冲涮磨损等。可焊性好。抗岩石砂磨粒磨损，延长设备使用寿命4-8倍。 用途：用于铸铁薄件及加工面的补焊，如汽缸盖、发动机座、齿轮箱以及机床导轨等重要灰口铸铁件,或用作其他焊条的打底层焊接。镍价格昂贵，应在其他焊条不能满足要求时才可选用。（2）镍铁铸铁铸铁焊条EZNiFe(Z408) 说明：镍铁合金焊芯、强还原性强石墨化的铸铁焊条，具有强度高、塑性好、线胀系数低等特点。抗裂性对灰口铸铁与Z308差不多，但对球墨铸铁则比Z308强，对含磷较高(0.2%P)的铸铁也有良好的效果。切割性比Z308和Z508稍差，用于常温或稍经预热（至200左右）灰口铸铁及球墨铸铁的焊接，交、直流两用，电弧稳定，工艺性好。 用途：用于重要的高强度灰口铸铁及球墨铸铁的焊补，如汽缸、发动机、座齿轮等。 (3)镍铜铸铁焊条EZNiCu(Z508)说明：镍铜合金（蒙乃尔）焊芯、强石墨型铸铁焊条，工艺性和切削加工性都接近Z308,但由于收缩率较大,抗裂性较差,焊接接头强度较低,不宜用于受力部位的焊接,可用于常温或低温预热(至200)灰口铸铁的焊接,可交、直流两用,电弧稳定,工艺较好 。 用途：用于强度不高的灰口铸铁件焊补。3.铜基焊缝铸铁焊条说明：铜基焊缝强度较高，同时还具有良好的塑性，抗裂性能使好，可用于灰铸铁补焊，因为焊缝金属铜基体很软，而马氏体及渗碳体又很硬，故接头加工性不好，另外铜基焊缝颜色与母材差别较大，对补焊区颜色有要求时不宜采用。用途：一般用于修理行业中非加工面铸铁件的补焊。（1）专用铜基铸铁焊条 专用铜基铸铁焊条分为两种：一种是纯铜焊芯、低氢型药皮，并在药皮中加入较多的低碳铁粉，使焊缝中的铜铁含量比达到80:20，该焊条又称铜芯铁粉焊条；另一种是用钢带将铜芯紧紧包裹起来，外涂低氢型药皮或钛钙型药皮，焊缝中的铜铁含量比同样达到80:20。（2）铜合金焊条 除了专用铜基铸铁焊条以外，还可以将铜合金焊条直接用于焊接铸铁。如铜合金焊条ECuSn-B（T227），其中含Sn7.09.0和少量磷，焊后焊缝以锡青铜为基体，接头白口较窄，可以机械加工。通过上述分析，修补铣床底座选择Z308纯镍基焊条最为理想，但用量较大，仅焊条费用就需上千块。为了节省开支，只在打底时选用Z308，其他部位选用J5063.2mm低氢碱性焊条，该焊条不仅价格低廉，而且其熔敷金属的冲击韧性也好，加工性较好，因此，只要焊接工艺合理就可满足质量要求。6.3 焊前准备焊前准备通常是指用机械或化学的方法将缺陷表面清理干净，并制备适量大小和形状的坡口等工作。(1) 钻止裂孔 对于裂纹缺陷，可用肉眼或放大镜观察，必要时可借助水压试验、煤油试验、着色探伤等方法检测出裂纹两端的终点。煤油试验时，用棉纱涂以煤油渗入裂纹深处，并且有干棉纱擦去表面煤油，再刷上白灰粉，用手锤轻敲裂纹周围，过一会沿白灰粉上就显示出裂纹的延伸痕迹，注意残留的煤油量不易过多，以免焊接时引起火灾。为了防止在焊接过程中裂纹扩展，应在距离裂纹端部35mm处钻止裂孔（58mm）。凡裂纹长度大于100mm，其中间钻分段减应孔，孔距取6080mm。裂纹两端钻止裂孔。止裂孔大小视工件厚度而定；若焊件厚度612 mm，孔径为68 mm；若焊件厚度1215 mm，孔径为812 mm；若焊件厚度在25mm以上，可以不钻孔。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。焊接时，需注意止裂孔和分段减应孔应最后焊接。（2）开坡口 当铸件厚度或缺陷深度大于5mm时，应开坡口进行补焊。开坡口的方法可以用机械方法，也可以直接用电弧或氧乙炔火焰，坡口表面应尽可能平整，为使熔敷金属与基体金属溶合良好，应沿裂纹开底部为圆弧形的坡口，坡口表面要光洁。若焊件厚度15mm以下，可开V形坡口；若焊件厚度超过15mm，应开U形坡口。坡口宽度宜窄不宜宽，宽焊道收缩力大，容易造成裂纹。在保证顺利施焊及焊接质量的情况下，尽量减小坡口角度以减小熔合比，从而降低焊接应力及焊缝中的碳、硫含量，以防止裂纹的产生。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。焊缝坡口基本形式和尺寸见GB/T985-1988。 （3）焊前清理 焊补处的油污等赃物可用碱水、油漆、汽油、丙酮等化学溶剂清洗，或用气焊火焰加热清除，也可用砂轮、钢丝刷或扁铲等工具机械清除。 将坡口周围的油污，铁锈等脏物清除干净，然后再用角向砂轮机打磨裂纹表面及其两侧各30mm左右，直到露出光泽为止。 6.4 焊接工艺(1) 预热 焊前用焊炬或割炬将坡口两侧预热150，加热采用中性焰，它是由氧气和乙炔按11.2:1的比例混合燃烧而成的一种火焰，点燃焊炬或割炬后，逐渐增加氧气流量，火焰有长变短，颜色由淡红色变成蓝白色，当焰心、内焰和外焰的轮廓逐渐清楚时，就可以得到标准的中性焰。需要注意：预热时升温均匀，以免产生裂纹而成为裂纹源，同时可降低冷却速度，使工件与焊缝的温差缩小，从而防止白口及裂纹的产生。（2） 焊条烘干 将两种焊条放入烘干箱，3.2mmZ308焊条进行150烘干 ，保温1h；3.2mmJ506焊条380烘干，保温1.52h，烘干后应缓冷放置110120的保温箱中存放、待用，使用时均放在保温筒内，随用随取。需注意：烘焙焊条时，焊条不应成堆，应铺