第4章 铸铁的焊接PPT课件

精选,1,第4章铸铁的焊接,精选,2,铸铁焊接主要应用于以下方面：(1)铸造缺陷的补焊(2)损坏铸铁件的补焊(3)零件的生产4.1铸铁的种类及性能一、铸铁的种类及成分铸铁是w(C)2的铁碳合金。1、按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁五类。2、白口铸铁中的碳绝大部分以渗碳体(Fe3C)状态存在，断口呈白亮色，故称之白口铸铁。在机械制造上较少应用，主要用于轧辊等。,精选,3,3、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中的碳基本以石墨状态存在，部分存在于珠光体中。4、目前以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。可锻铸铁的石墨化退火处理时间长，费用贵，故在许多场合已为球墨铸铁所逐步代替。蠕墨铸铁尚处于初期推广应用阶段。二、铸铁的组织与性能铸铁(不包括白口铸铁)实际可以看成是具有严重夹杂物石墨的碳钢，其性能主要取决于石墨的形状、大小、数量及分布特点等，同时基体组织也有一定的影响。铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件的冷却速度(壁厚)及其化学成分。,精选,4,关于铸铁的小知识：,1、四种铸铁中石墨存在的形式是不同的：灰口铸铁：铁素体基体+片状石墨可锻铸铁：铁素体基体+团絮状石墨球墨铸铁：铁素体基体+圆球状石墨蠕墨铸铁：铁素体基体+蠕虫状石墨2、由于石墨存在形式的不同，对基体性能削弱的作用有很大差异，故四种铸铁的力学性能有明显差别。3、铸铁的塑性和韧性要比钢低得多。4、生产中改变灰铸铁的基体组织主要是改变其珠光体的数量，以改善其硬度和耐磨性，至于灰铸铁的强度、弹性、塑性、韧性等，则主要由石墨所决定的。5、球墨铸铁可通过合金化或热处理等途径来强化或改变其基体组织，以达到提高力学性能的目的。,精选,5,铸件壁厚（冷却速度）及化学成分对铸铁组织的影响,麻口铸铁:碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁,断口中呈黑白相间的麻点。,精选,6,铸铁牌号的含义：HT250：HT表示灰铸铁；250表示抗拉强度最小值为250MPaQT400-18：QT表示球墨铸铁；400表示抗拉强度最小值为400MPa；18表示延伸率为18%,精选,7,4.2灰铸铁的焊接性,灰铸铁的成分特点是碳高、硫磷杂质高焊接性不良主要有两个问题：一方面是焊接接头容易出现白口及淬硬组织；另一方面焊接接头易出现裂纹。一、焊接接头的白口及淬硬组织1、白口原因：灰铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近缝区冷速远大于铸铁在砂型中的冷速，故会产生大量的渗碳体，形成白口铸铁组织。2、白口区域：主要是焊缝区、半熔化区和奥氏体区。3、灰铸铁中常见的硫是强烈促进白口化的元素；磷对石墨化影响不大，但磷多了会生成脆硬的磷共晶，降低灰铸铁的力学性能。,精选,8,灰铸铁焊接接头组织变化图,精选,9,二、焊接裂纹(一)冷裂纹1焊缝中的冷裂纹,3）铸铁型焊缝发生裂纹的温度，经测定一般在400以下。裂纹发生时常伴随着可听见的脆性断裂的声音。4）焊缝较长时或补焊刚度较大铸铁缺陷时，常发生这种裂纹。,1）当焊缝为铸铁型时，较易出现这种裂纹。,2）当采用异质焊接材料焊接，使焊缝成为奥氏体、铁素体或铜基焊缝时，配合采用合理的冷焊工艺，焊缝金属不易出现冷裂纹。,精选,10,2热影响区的冷裂纹多数发生在含有较多渗碳体及马氏体的热影响区（图4-7），另外，当铸铁件较薄时，其中微量铸造缺陷(气孔、夹渣等)就对减少焊件有效工作截面产生较大的影响。此种情况，冷裂纹可能发生在离熔合线稍远的热影响区。采取工艺措施来降低焊接接头的应力及防止焊接接头出现渗碳体及马氏体，如采用预热焊，可防止上述冷裂纹的产生。,精选,11,(二)热裂纹1、灰铸铁的焊接，异质焊缝时结晶裂纹敏感性较大：当焊缝为铸铁型时，焊缝对热裂纹不敏感。但当采用低碳钢焊条与镍基铸铁焊条冷焊时，则焊缝较易出现属于热裂纹的结晶裂纹。用低碳钢焊条焊接铸铁时，第一层焊缝容易发生热裂纹，这种热裂纹往往隐藏在焊缝下部，从焊缝表面不易察觉。,精选,12,2、防止：生产中主要是采取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。,利用镍基铸铁焊条焊接铸铁时，其焊缝对热裂纹有较大的敏感性。,精选,13,4.3灰铸铁的焊接工艺,一、同质(铸铁型)焊缝的熔焊(一)电弧热焊及半热焊将焊件整体或有缺陷的局部位置预热到600-700(暗红色)，然后进行补焊，并且焊后进行缓冷的铸铁补焊工艺，人们称之为“热焊”。预热温度范围为300-400称为“半热焊”。1热焊及半热焊焊条：均有两种类型，一种为铸铁芯石墨化铸铁焊条(Z248)；另一种为钢芯石墨化铸铁焊条(Z208)。“Z248”主要用于补焊厚大铸件的缺陷，多由使用单位自制；“Z208”焊条采用低碳钢焊芯(H08)，外涂强石墨化药皮，焊缝为铸铁型。一般专业焊条厂均可生产。,精选,14,铸铁焊条牌号表示方法牌号前加“z”表示铸铁焊条。牌号第一位数字，表示焊缝金属主要化学成分组成类型，按下列附表编排。牌号第二位数字，表示同一焊缝金属主要化学成分组成类型中的不同牌号，可有从09，10个牌号。牌号第三位数字，表示药皮类型及焊接电流种类。,精选,15,2热焊工艺：(1)预热：结构复杂的铸件，宜采用整体预热；而结构简单的铸件，可采用局部预热。整体预热的方法一般是将铸件整体用地炉或砖砌明炉加热，局部预热可采用气焊或煤气火焰加热。(2)焊前清理铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰加热除净，然后根据缺陷的情况，可采用手砂轮、扁铲、风铲等工具进行加工(铲、磨)。制作坡口时应铲(磨)到无缺陷后再开坡口，开出的坡口应是底部圆滑、上口稍大，以便于操作和保证焊接质量。,精选,16,(3)造型：对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证原定的焊缝成形，还应在待焊部位造型，其形状尺寸如下图所示。造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置耐高温的石墨片(一般用石墨废电极制成)，以防止造型材料受热熔化或下塌，并应在焊前进行烘干。,图5.5热焊补焊区造型示意图a)中间缺陷补焊b)边角缺陷补焊,精选,17,(4)焊接焊接时，为保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流、长弧、连续焊。采用适当的长弧焊将有利于药皮的熔化以及石墨向焊缝中过渡。电弧热焊适用于中厚(lOmm以上)铸件的大缺陷补焊。对于8mm以下的薄壁铸件补焊时，因容易烧穿，故不宜使用。(5)焊后缓冷：常用保温材料(如石棉灰等)覆盖，最好随炉冷却。3半热焊工艺为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当提高焊缝的石墨化能力，采用300-400的整体或局部预热，用于刚度较小铸件的焊接，也能收到较好的效果。在铸件补焊处应力较小时，往往采用这种半热焊工艺。一般情况下可采用“Z208”或“Z248”铸铁焊条。半热焊工艺过程基本与热焊时相同，即大电流、长弧、连续焊，焊后保温缓冷。电弧半热焊只能用于补焊区刚度较小或铸件形状较简单的情况。,精选,18,(二)气焊很适于薄壁铸件的补焊。一般气焊主要适用于刚度小的薄壁件的缺陷补焊。对刚度大的薄壁件缺陷补焊，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600700，焊后应采取缓冷措施。1气焊焊接材料焊丝中碳、硅含量应较热焊时稍高。一般气焊时(实际相当于局部预热)，焊缝中w(C+Si)总量约为7。我国焊接铸铁所用气焊熔剂的统一牌号为“CJ201”2灰铸铁气焊工艺1)气焊前要对铸件进行清理2)应根据铸件厚度适当选用较大号码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能率，增大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化焰。3)在焊接中应尽量保持水平位置。4)铸件气焊焊后可自然冷却.,精选,19,5）一般较小的铸件气焊时，凡是缺陷位于边角和刚度较小的地方，可用冷焊方法。6）当缺陷位于铸件中央，接头刚度较大或铸件形状较复杂时，采用冷焊的效果往往不好，应采用预热温度为600-700的热焊法，或者是“加热减应区”法焊接。加热减应区法：是气焊铸铁的常用方法，这种方法又叫“对称加热焊”，用这种方法在焊接前，要在铸件上选定加热后可使接头应力减小的部位，该部位称为“减应区”，减应区一般是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。在焊接时，先将减应区加热到一定的温度(通常为600700，最低也应在450以上)加热减应区焊接的关键是选取减应区。如何选择“加热减应区”范围?a.减应区一般是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位，加热后可使接头应力减小。b.还应注意，该区的变形应对铸件其他部位无不良影响。c.根据铸件的状态和需要，加热减应区可选择一处，也可选择两处或多处。,精选,20,注意1：由于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，故补焊刚度较大的缺陷时，比电弧热焊更容易发生冷裂纹；注意2：采用加热减应区法焊接铸件，不适于全位置焊接。,精选,21,(三)焊缝为铸铁型的电弧冷焊在冷焊条件下，解决出现白口问题的途径从二方面着手：一是进一步提高焊缝石墨化的能力；二是提高焊接热输入，如采用大直径焊条、大电流连续焊工艺，以减慢焊接接头的冷却速度。1电弧冷焊焊条目前，同质焊缝冷焊焊条的牌号也是“Z208”和“Z248”，但具体配方与热焊焊条有些差别，其焊缝碳、硅总量为W(C+Si)=7.5-l0。2铸铁型焊缝电弧冷焊工艺要点应采用大直径焊条，大电流、连续焊工艺。使用直流反接电源(也可使用交流电源)，进行大电流、长弧、由中心向边缘连续焊接。在补焊刚度不大的中、大型缺陷时，可获得满意的结果。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的推广应用。,精选,22,二、异质(非铸铁型)焊缝的电弧冷焊异质焊缝电弧冷焊是一种很有发展前途的焊接工艺方法。(一)异质焊缝电弧冷焊材料异质焊缝冷焊主要是通过调整焊缝化学成分的方法来改善接头的组织和性能。非铸铁型焊缝按其焊缝金属的性质可分为钢基、铜基和镍基3种。1钢基焊缝电弧冷焊焊条(1)强氧化型铸铁焊条：型号EZFe-1(牌号Z100)工艺性能好：焊条的成本低，焊缝与母材能很好的熔合，并且熔渣流动性好，脱渣容易。但是，由于其焊缝加工性不好，只能用于铸件非加工面、焊缝不要求致密及受力不大处缺陷的焊补。,精选,23,(2)碳钢焊条EZFe一2(Z122Fe)是低碳钢焊芯铁粉型焊条，药皮为钛钙型。药皮中加入了一定量的低碳铁粉。具有焊条来源充足，价格便宜，焊接操作容易等特点，故在生产实际中得到了一定的应用。(3)高钒铸铁焊条EZV(Z116、Z117)采用低碳钢(H08)焊芯，并在药皮中加入了大量钒铁，故其焊缝为高钒钢组织。用高钒铸铁焊条焊接的焊缝具有较高的强度和塑性，且致密性好，不易出现气孔，抗裂能力强，故适用于焊补高强度灰铸铁和球墨铸铁。(4)C02气体保护焊细丝H08Mn2Si细丝C02气体保护焊焊补铸铁在汽车、拖拉机修配厂已有一些应用，但目前尚未广泛使用。,精选,24,2镍基焊缝电弧冷焊焊条纯镍焊缝的加工性能最好。我国目前所使用的三种镍基焊条，因合金含量不同，性能也有一定的差异。(1)纯镍焊条EZNi(Z308)有利于进行机械加工。纯镍焊缝的强度与灰铸铁接近，而且塑性很好，因此具有良好的抗冷裂性能。但镍属于贵金属，故在焊接中不宜大量使用。(2)镍铁焊条EZNiFe(Z408)适合于焊接强度要求高的铸铁。镍铁焊缝的线胀系数小，接头抗裂性能较好。镍铁焊条的性能优于纯镍焊条，且价格在镍基焊条中最便宜，故在生产中应用较多。(3)镍铜焊条EZNiCu(Z508)也称为蒙乃尔焊条，是应用最早的一种铸铁焊条。镍铜焊条在镍基焊条中性能最差，成本也比镍铁焊条高，只能用于焊缝强度要求不高，但表面需要加工的铸铁件补焊。目前，这类焊条已逐渐被镍铁焊条所取代。,精选,25,在铸铁焊接中，镍基焊条多用于焊缝要求较高的小缺陷补焊，当补焊处面积较大时，主要用于坡口面打底，然后用其他价格便宜的焊条填充，以节约贵重的镍金属，降低生产成本。,精选,26,3铜基焊缝电弧冷焊焊条目前铜基铸铁焊条中的铜铁比以80:20为宜。整个焊接接头加工性不良，主要用于修理行业中非加工面铸铁件的补焊。铜钢焊条所焊焊缝颜色与母材差别较大，故某些要求颜色与母材一致的地方难于采用。铜钢焊条有多种形式：(1)铜芯铁粉焊条(Z607)：药皮为低氢型；焊缝堆焊成分为w(Cu)为80、w(Fe)为20。(2)铜芯铁皮焊条(Z616)：焊缝堆焊成分为：w(Cu)为80、w(Fe)为20。(3)奥氏体钢-铜焊条：焊条中的W(Cu)应大于80，以保证焊缝有较好的抗裂性能。铜钢焊条抗裂性能好，材料容易解决，因此，目前在铸铁焊接中尚有一定的应用。,精选,27,(二)异质(非铸铁型)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”。1焊前准备：通常是指清除焊件缺陷处的油污等其他杂质，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。常用的铸件清理方法有两种，一种是采用砂轮、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。2冷焊工艺要点（1）保证电弧稳定及焊透情况下均应采用合适的最小电流焊接。（2）异质焊缝电弧冷焊时，应采用短段焊、断续分散焊及焊后锤击的冷焊工艺。,精选,28,异质焊缝冷焊之“栽丝法”:,采用栽丝法(图4-17)就是人为地使该区应力的大部分由栽丝材料(低碳钢)来承担，从而防止剥离性裂纹的发生。焊接时，先绕螺钉施焊，再焊螺钉之间。必要时，为了减少焊接金属量，减低收缩应力，还可以在焊缝中间放入窄的低碳钢板条，这样做的另一个好处是提高焊接效率及节省焊条。栽丝法多用于承受较大工作应力的厚大焊件(如大型机器机座等)的裂纹焊补。,3厚大件多层焊的焊补工艺特点1)合理安排多层焊焊接顺序;2)必要时采用栽丝法：栽丝法多用于承受较大工作应力的厚大焊件(如大型机器机座等)的裂纹焊补。,精选,29,图4-17栽丝焊示意图,精选,30,三、灰铸铁的钎焊1、灰铸铁的钎焊的优点：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，而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。2、国内外一般都采用氧乙炔焰钎焊铸铁。3、过去一直多采用黄铜钎料，其成分为：W(Cu)53-55，其余为Zn。这种钎料我国有定型产品，型号为“HL103”。钎剂可用硼砂。黄铜钎焊铸铁在我国有一定的应用。4、黄铜钎焊的缺点是：钎焊接头强度偏低，一般为117.6-147MPa。钎焊处呈金黄色，与母材颜色差异大。故黄铜钎焊在一些修配厂应用还是可以的，但应用于要求较高的新铸铁件缺陷的补焊上往往难于满足要求。,精选,31,5、近年来，我国已经研制出新型的锰镍铜锌钎料及相应的钎剂(见表)，用于铸铁的钎焊取得较好的效果。,上述锰镍铜锌钎料与钎剂，主要用于加工面上小缺陷焊补。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。,精选,32,四、灰铸铁补焊的工程实例(一)灰铸铁带轮轮辐的补焊如下图所示，灰铸铁带轮轮辐“1”处发生断裂，现采用气焊进行补焊。若用气焊对断裂处直接进行冷焊，其接头刚性很大，难以获得良好的焊接质量，故宜采用加热减应区法进行焊接。该铸件轮缘较厚，在焊接中阻碍焊缝收缩，所以加热减应区确定为“2”处。,带轮加热减应区焊接1-轮辐2-加热减应区3.4-轮的薄弱处,1)焊接时，先将“2”处加热到一定温度，当该区温度升高时，轮缘受热会向外膨胀，断裂部位的裂纹间隙也将随之扩大；,精选,33,2)当间隙扩大到一定程度后，迅速将火焰移至断裂处加热，进行焊接。在焊接过程中，应问隔加热“2”处，使其保持红热状态(约600700)，以具有一定的塑性，减小对“l”处的拘束作用。3)焊接结束后，应不断用火焰加热“2”处，使之与接头同时收缩。焊后在室内自然缓冷。由于加热减应区使铸件轮缘的拘束作用降低，故接头裂纹倾向减小。,注意:采用加热减应区法焊补时，要做到既要降低应力，又要使加热变形不超过允许范围(以防新的开裂)。如上例带轮焊接，减应区加热温度越高，则轮辐断裂处的间隙就越大，焊后接头处的应力就会越小；但是，会使轮辐的膨胀量过大，不能缩回原来的位置。这相当于被焊轮辐增长，不仅会造成轮缘不圆，还可能会使相邻的薄弱处(如“3”和“4”处)应力过大而产生断裂。,精选,34,一、球墨铸铁的焊接性1)球墨铸铁的白口化倾向及淬硬倾向比灰铸铁大，2)由于球墨铸铁的强度、塑性与韧性比灰铸铁高，故对焊接接头的力学性能要求也相应提高，常要求与各强度等级球墨铸铁母材相匹配。目前，球墨铸铁焊接的最常见方法是气焊和电弧焊。二、球墨铸铁