铸铁第2部分：焊接

GB/Z184.2-20261铸铁第2部分：焊接重要提示：本文件电子版本载有彩色信息，有助于正确理解文件内容。建议用户采用彩色打印机打印。1范围本文件给出了帮助设计工程师理解并掌握铸铁材料焊接技术的相关知识，从而充分利用焊接技术的优势为特定铸铁选择最适用的焊接方法。由于焊接技术的应用及焊接冶金学通常不属于工程类学科的常规教学内容，因此相关人员对铸铁焊接技术的基础理论掌握有限。本文件阐述了铸铁材料焊接的可行性及其原因，但并非焊接技术的教科书，以便帮助用户针对具体应用场景选择最适用的焊接工艺和条件。本文件适用于铸铁产品焊接（包括精焊和连接焊接）和焊补。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1产品焊接productionwelding最终交付给用户之前，在制造过程中进行的任何焊接。注：产品焊接包括精焊和连接焊接。3.1.1精焊finishingwelding为保证铸件的约定质量进行的产品焊接。示例：精焊用于消除铸件表面的不连续性缺陷，例如气孔、夹砂／夹渣、不可接受的缩孔或裂纹等。此类缺陷会影响铸件的使用性能或严重损害外观，因此需在生产过程中、铸件交付给客户前予以清除。3.1.2连接焊接jointwelding用于将零部件装配成整体单元的产品焊接。示例：当需将铸件与其他铸件或部件连接（如金属薄板或钢型材）以形成复杂结构单元时，采用连接焊接。此类焊接属于制造流程的环节，既能在铸造厂内执行，也能在加工分包商的场地完成。3.2焊补repairwelding在铸件最终交付给用户之后进行的焊接。示例：某机器立柱铸件发生断裂，导致用户面临严重停机及经济损失。若采购新铸件周期过长，将造成不可接受的生产延误。此时对断裂铸件进行焊补可更快速、经济地解决问题。GB/Z184.2-202624焊接冶金学焊接过程中产生的高温会使液态金属基体中的石墨发生溶解。熔池的碳饱和度与焊缝的冷却速率，决定了焊缝中生成的组织是马氏体还是莱氏体或两者兼有。就莱氏体而言，其在极短时间内（不大于40ms）于熔池区域生成，因此在实际生产中，莱氏体的生成几乎无法避免。马氏体和莱氏体均具备高硬度和高脆性的特点，二者均会阻碍焊接接头在载荷作用下发生形变，妨碍焊缝的机械加工，同时还会促进焊接裂纹的产生，除非采取适宜的应对措施。采用合适的焊接工艺（如压焊工艺），能完全去除焊接坡口中的莱氏体。通过对焊接区域单独预热或对整个铸件预热，能避免马氏体的产生。若执行恰当的焊后退火工艺，马氏体和莱氏体能被彻底消除或被控制在最低限度。为实现上述效果，宜将母材与焊缝之间材料特有的关联性转换为生产参数，从而为控制焊缝特性提供具有针对性且工艺安全的参数设定。供选用的焊接参数／控制变量如下。a）预热温度：为避免马氏体形成，宜将焊缝区预热至马氏体转变起始温度以上，但预热无法阻止莱氏体形成。b）热输入：焊接过程中宜尽可能小。c）焊接速度：随所采用的焊接工艺、铸铁牌号及对应材质的化学成分而变化。d）冷却曲线：理论上依据对应铸铁的时间-温度—转变（TTT）图能确定所需的冷却曲线。例如，采用闪光对焊机进行焊接时，按照适配的TTT图实施连续的冷却控制能避免马氏体的生成。采用手工焊接方法时，冷却速率会受到所选预热温度的影响。e）焊接工艺／焊接参数：适用于自动化焊接过程。f）填充金属：当采用手工或机械化电弧焊时，填充金属的选用需与焊缝或焊接接头的性能要求相匹配。具体取决于焊接过程中所采用的填充金属是属于同质型、半同质型还是异质型。无需填充金属的压力焊接将在后文中描述。g）焊后热处理：能采取以下措施去除不良组织，如：-马氏体能通过亚临界退火（回火）去除；-莱氏体只能在奥氏体化温度下通过石墨化退火去除。然而，上述控制参数不是相互独立的，需与采用的焊接工艺相匹配。5适用焊接方法5.1概述以下各条款描述了5类焊接方法：-电弧焊，详见5.3.2,5.3.3,5.4.2,5.4.3,5.4.4,5.5,5.6,5.8.2；-电子束焊，详见5.7；—电阻焊，详见5.8.1；-氧乙炔气焊，详见5.2；—压焊，详见5.8.1,5.8.2,5.8.3。注：ISO4063[6］根据代号对焊接方法进行分类。在本文件中，与焊接方法有关的代号依据本章的标题。5.2氧乙炔焊（311）氧乙炔焊采用手工操作的火焰作为热源。火焰由氧气和乙炔混合的气体燃烧提供能量，氧气与乙GB/Z184.2-20263炔在焊炬内混合。火焰的特点是两阶段燃烧过程，从而提高了焊接效果，尤其是提供了能抵御大气环境的保护罩。火焰可设置为中性至微还原性时，氧乙炔焊宜优先选用同质焊丝和大输出焊炬。为防止氧化和再溶解在预热过程中形成的氧化物，采用产生中性气氛的焊剂，焊剂制成焊丝药芯或药皮，或者单独添加。异质填充金属亦有应用。焊缝力学性能数据见参考文献［19］。5.3电弧焊（1）5.3.1概述该方法利用放电产生的焊接热，采用同质、半同质或异质焊条进行焊接。电弧的核心温度范围：5300K~6000K。在焊件和熔化焊条（电极）之间引燃电弧。焊条（电极）上的涂层有以下用途：—隔绝空气，熔渣覆盖层和保护气体保护电弧中的金属熔滴；—易于电弧引燃；-通过对弧柱区的离子化稳固电弧；—焊缝熔覆金属合金化；—冷却过程中覆盖焊缝；-通过添加铁粉提高熔敷速率；—调整优化焊接参数，如电流、极性、焊缝形状、碱度和电流强度等。手工电弧焊优先选用药皮焊条（电极）(ISO1071[2]），焊芯一般为纯镍或镍铁合金。具体的力学性能参数能在参考文献［19］中查阅到。对于某些领域，Ni-Cu,Cu-Al和✓合金的焊条已成功应用。所选的焊接参数宜确保获得较窄的热影响区，且该区域仅生成少量硬脆组织。网状马氏体和／或莱氏体转变产物和热影响区的存在都是不利因素，因其会在铸件中引发残余应力。脆性相呈岛状分布时，铸件的焊接区域残余应力较小。通过采取以下部分或全部措施，能将残余应力降至最低，具体内容见参考文献［25]：—采用芯线直径尽可能小的焊条（电极）；-采用尽可能低的焊接电流，以产生短弧；—施焊长度为20mm~30mm、截面较小的短直线焊道；-在各层焊道之间预留足够的冷却时间；—在各焊层之间改变焊接方向；—保持焊条与焊接表面垂直。5.3.2焊条电弧焊（111）为实现焊缝的快速填充，并尽可能维持稳定的预热温度，选用大直径药皮焊条配合大电流（高达1500A）的电弧焊工艺进行焊接。焊接球墨铸铁时，所用药皮焊条（电极）能由球墨铸铁或钢制成的焊芯构成。若采用钢制焊芯，则碳、硅以及球化所需的镁、铈或其他稀土元素从焊条药皮中补充。用于氧乙炔焊的球墨铸铁焊条也能使用。由于这类焊条中含有的球化元素镁在电弧中易烧损，为降低石墨退化倾向，更推荐使用专用的药皮焊条或非合金化焊丝。焊丝和药皮焊条（电极）的设计以及焊接材料要求见参考文献［2］。5.3.3自保护药芯焊丝电弧焊（114）药皮和焊条（电极）长度限制了手工电弧焊的机械化程度和焊接效率的潜在提升。连续送进焊丝显著提升焊接效率。GB/Z184.2-20264适用的焊接方法有：—光焊丝（电极）气体保护电弧焊；—光焊丝（电极）埋弧焊。目前普遍采用的自保护药芯焊丝有：—带或不带气体保护使用的自保护药芯焊丝（电极），当焊接过程中不用气体保护时，焊丝药芯中间会加入造渣剂，宜在药芯中加入足量的除氧剂；—气体保护（CO2）光焊丝（电极）。由于经济性原因，药芯焊丝电弧焊变得越来越重要，因为该工艺能实现自动化焊接。该焊接方法具备较高的焊接金属熔敷率，还能实现多样化的合金化调控。由于较高的预热温度能造成焊件热变形，因此需用自保护药芯焊丝替代气体保护焊丝。5.4气体保护电弧焊（13/14）5.4.1概述因气体保护电弧能量密度高且热影响区窄，钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）、熔化极活性气体保护焊（MAG）在进行异质填充金属焊接时具有独特优势。5.4.2钨极惰性气体保护焊（TIG焊）(141）在惰性气体保护下，电弧在钨极（非熔化极）与工件之间燃烧。保护气体从喷嘴中喷出，隔绝空气以保护电极和熔池。惰性气体如氩气（Ar）、氦气（He）或是两种气体的混合用于保护钨极。氧化性气体如氧气、二氧化碳（CO2），不能用作保护气体。然而，焊接某些金属时，有时加入少量的氢气（H2）。该工艺适配填丝或无填丝的半机械化或全机械化焊接。通常安装焊丝时要关闭电源。5.4.3熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）(131/132/133）一般情况下，在惰性气体保护下，电弧在焊丝（熔化电极）与工件之间燃烧。保护气体与TIG焊相同。即使在电弧高温下，惰性气体也不与焊缝发生反应。MIG焊适用于焊接铝及铝合金、镁及镁合金。MIG/MAG焊能用于连接焊接，且实现自动化后，能用于大规模连接焊接生产。MIG/MAG焊在表面硬化堆焊以及焊补中的应用日益广泛。通过采用短弧及脉冲技术降低热输入，获得极窄的热影响区，从而改善力学性能，见参考文献［20］。主要保护气体通常为氩气。目前，仅推荐MAG焊的保护气体中加入少量二氧化碳（CO2）。二氧化碳含量偏高被认为存在弊端，因其会对镁产生氧化作用，并可能引起铸铁中的石墨退化。5.4.4熔化极活性气体保护焊（MAG焊）(135/136/138）与MIG焊相比，唯一区别是焊接过程中保护气体由惰性气体变为活性气体，如和混合气体或和混合气体。MAG焊与MIG焊的焊接设备相同。在活性气体保护下，电弧在焊丝（熔化极）和工件之间燃烧。MAG焊与MIG焊相比，当采用相同的焊接电流和电压的情况下，保护气体会对电弧形态、长度以及上下焊道产生影响。未焊接与焊接状态下，铁素体球墨铸铁（左图）和珠光体球墨铸铁（右图）的弯曲疲劳强度，见图1，这些结果与强度等级相同的黑心可锻铸铁的结果高度一致（见参考文献［16］、［21]）。GB/Z184.2-20265图1未焊接与焊接状态下铁素体（左）和珠光体（右）球墨铸铁弯曲疲劳强度图1经德国杜塞尔多夫市德国联邦铸造厂授权使用。5.5埋弧焊（12）埋弧焊是一种覆盖电弧的焊接方法。电弧在焊丝（熔化极）和工件之间燃烧。电弧通过松散的颗粒状（未结块）、易熔焊剂进行保护，该技术防止产生火花和飞溅。焊剂保护熔池免受空气侵入、防止熔池急冷，塑造焊缝形状并有助于焊缝金属内气体排出，同时对焊缝金属化学成分产生冶金影响。埋弧焊、采用实心焊丝或药芯焊丝的电渣焊，主要用于大型铸件的焊补。5.6有／无填充金属的等离子弧焊（15）等离子弧焊利用高热等离子体（由分子、原子、离子、电子组成）进行焊接。该等离子体始终保持电中性。使用两种不同的电弧，辅助电弧和工作电弧，其中辅助电弧用于点燃工作电弧。辅助电弧由高频电流引燃。工作电弧引燃后辅助电弧熄灭。工作电弧在钍钨极（非熔化极）和工件之间燃烧。水冷收束式铜喷嘴作为正极，钛电极作为负极。等离子气被吹入正负极之间的环形集流腔内。铜喷嘴使电弧产生横向收缩，使能量密度提升并相应提高等离子束温度。调整参数使该工艺适用于焊接或切割作业。等离子弧连接焊接，除等离子气外，还使用第二股保护气（99.95％氩气），以隔绝空气保护焊接熔池。多数等离子弧焊设备中，还使用第三股气体，即聚束气体，用于在收束式喷嘴外侧进一步压缩等离子气。无论是否使用填充金属，等离子弧焊大多属于面向实际应用的焊接工艺，例如用于管道接头焊接，见图2。GB/Z184.2-20266图2离心铸管与球墨铸铁法兰的等离子弧连接焊图2经德国杜塞尔多夫市德国联邦铸造厂授权使用。5.7电子束焊（511）若追求节约能源，电子束焊宜作为备选焊接方法（见参考文献［21]）。电子束焊具有非常有利的热输入。无填充金属焊接的效果不佳。然而，通过添加镍嵌层，母材的硬化区减至最低。由于工艺较为复杂，电子束焊很可能仍会局限于某些特定的特殊应用场景。5.8压力焊（4）5.8.1闪光对焊（24）压力焊是通过加热和加压使母材产生宏观变形并实现结合。闪光对焊属于电阻压力焊方法。焊接热是直接通过焊接单元中的感应电流产生的电阻热。将焊接工件反复压合，使接触面通过电流产生闪光（有时也称电弧）加热，重复这一过程直至接触面获得足够能量实现连续闪光。在闪光阶段，带电工件端部接触时会产生“熔合接触”。过渡区中产生的极高电流会迅速加热并熔化金属。接触面压缩不足引起的高电阻增加了焊缝熔敷率。由于某些区域金属蒸发，焊接表面会产生蒸汽压力。蒸汽压力使液态金属从焊接间隙溅出，形成“保护气体氛围”，防止大气中的氧气进入焊缝。持续进行闪光过程，直至达到所需的焊接温度。随后启动设备控制程序，先执行顶锻，再切断电流。大型厚壁铸件通常在预热后进行焊接。薄壁铸件通常不需要“反向”操作。该方法被称为非预热闪光对焊，或“冷闪光对焊”。现代焊接设备能在工件仍处于设备内时，进行电阻焊后热处理，从而避免中间冷却过程中可能产生马氏体组织而导致开裂的风险。闪光对焊过程分为以下几个步骤：—初始闪光，以产生平行的表面；-闪光，以生成足够的热量用于顶锻操作；-顶锻，压缩两个表面以形成接头，并将莱氏体从焊缝区挤出；-控制冷却速度，焊后热处理，以防止马氏体的形成并确保形成所需的组织（见参考文献［22］、［23］、［24］和［48]）。该工艺步骤和过程监控见图12、图14和图15（见7.1.2.2）。GB/Z184.2-202675.8.2磁激弧对接焊（185）磁激弧对接焊，有时也称为MagnetarcTM，是一种能利用磁场控制电弧多向偏转的电弧压力焊接方法。根据磁场方向和强度，电弧既能绕轴自转，亦能通过编程形成电流密度可调的椭圆形转动。在多数情况下，电弧在两根待焊管材之间移动。焊接采用全机械化或自动化焊接设备实施。工件在机器中对中并夹紧后，两个待焊面接触瞬间即刻引燃电弧。电弧随即在对接端面间加速旋转熔化工件，全过程采用直流电。电弧旋转速度达30m/s~150m/s（相当于旋转频率200Hz~2000Hz)，具体取决于电流强度、磁场强度和使用的保护气体。经预设时长后，两工件被焊合在一起，随后切断焊接电流（见图3）。图3磁激弧对接焊过程示意图图3经德国奥格斯堡市KUKA公司授权使用。工艺参数范围示例：-电流强度：200A~1200A；-顶锻力：0.5kN~450kN；-焊接时间：0.3s~5s；-磁场：100G~500G；-电弧长度：1.5mm~3mm；-保护气体：主要为5.8.3摩擦焊（42）摩擦焊属于热压焊接方法的一种，利用接触面相对运动产生的摩擦热在压力下实现连接。需区分常规摩擦焊和惯性摩擦焊：常规摩擦焊接由大功率电动机驱动旋转部件完成加速与制动；而惯性摩擦焊接所需热能由飞轮质量和转速提供。摩擦焊能通过合理组合和安排焊接过程中施加的接触压力及／或设定旋转圈数成功实现。采用先GB/Z184.2-20268进的控制系统，获得各种压力—速度曲线的组合方案，压力或转速调整既能采用连续调控模式，也能选择分步调控模式。通常转速范围约为500r/min~3000r/min，压力范围为20N/mm~100N/m㎡。当接合面充分加热后，摩擦主轴旋转运动突然减速并进入顶锻阶段，两工件被锻压结合。顶锻在主轴限定转速时实施，也可在主轴制动后执行。所施顶锻压力通常高于摩擦阶段压力值。摩擦焊的连续工艺步骤，见图4。a）阶段1：夹紧两工件，旋转其中一个工件b）阶段2：加热：两工件在压力F（摩擦力）作用下压合两工件结合面在旋转速度n和顶锻压力F1共同作用下产生摩擦加热c）阶段3：焊接：工件停止旋转（有时可选择减少时间），同时施加更大的顶锻压力F2图4摩擦焊的工艺阶段图4经德国奥格斯堡市KUKA公司授权使用。旋转对称性是摩擦焊工件的重要设计考量。非旋转对称工件虽能实现极小角度错位连接，但该工艺不推荐采用。摩擦焊的优点如下：-摩擦焊可实现大多数异种材料的可靠连接；-同种材料焊接通常不受壁厚限制（即全截面焊接）；—焊接时间短（10s~30s)；-焊接无需填充金属。异种材料摩擦焊通常仅限于空心型材。其他限制包括：—铸铁材料因需挤出焊接过程中生成的莱氏体，其壁厚受到限制，具体见7.1.2。与以电能为输入的焊接相比，摩擦焊工艺参数的设定更为复杂。参数是基于精心建立的大量数据库，以及通过多年实践和无数试验积累的经验。设备和工艺的可重复性，要求工艺参数通过合适的控制系统进行记录、评估与归档，从基础模拟系统（见图5）到全图形化的计算机控制系统均能够适配（见图6）。GB/Z184.2-20269图5速度n、摩擦／顶锻压力p，移动距离s工艺参数的时间曲线图5经德国奥格斯堡市KUKA公司授权使用。图6摩擦焊—基于计算机的全图形化系统过程监控图6经德国奥格斯堡市KUKA公司授权使用。5.9其他的焊接方法其他的焊接方法是铸焊和金属浇注焊：—铸焊：通过将液态金属浇入铸件上特制的坡口中进行焊接（参考文献［15])；-金属浇注焊：辅以焊条电弧焊工艺进行的焊接（参考文献［15]）。GB/Z184.2-2026106适用焊接工艺6.1同质填充金属焊接同质填充金属是指熔敷金属与母材显微组织类型一致的填充材料（见参考文献［2]）。图7展示了一个采用同质填充金属（即含有石墨的铁基体）生产的铸铁焊件案例。图7使用同质Fe-C-Si填充金属（右侧）焊接JS/400-15铸件（左侧）焊缝过渡区金相组织图7经Krefeld,SiempelkampGiessereiGmbH公司授权使用。为避免马氏体和／或贝氏体形成，宜预热铸件整体（有时仅对焊缝区域）。预热与缓慢冷却具有相同的效果。预热温度范围宜控制400℃～700℃（见参考文献［17］和［18])，具体取决于铸铁类型和牌号。焊接过程中宜对焊接温度进行监控，并确保符合第7章表格限定值。工作温度升高及铸铁较窄的凝固区将显著增加熔池塌陷风险，此时需采用熔池背面衬垫支撑。必要时能在焊后实施热处理以获得目标组织，铸件宜以足够缓慢的速率冷却以降低残余应力。同质焊填充金属适用焊接方法包括：—无保护气体自保护药芯焊丝电弧焊；-药皮焊条（电极）手工电弧焊；—氧乙炔气焊；—铸焊；—金属浇注焊。以上5种方法宜采用最大热输入量。宜从ISO1071[2］中选取适用的焊接材料。使用同质焊丝氧乙炔焊宜匹配大输出焊炬，并采用中性至微还原焰。为防止氧化并使预热阶段形成的氧化物重溶，选用提供中性保护氛围的焊剂，焊剂制成焊丝药芯或药皮，或单独添加。若对焊缝有断后伸长率性能要求时，能进行固溶退火热处理（见参考文献［18]）。6.2半同质填充金属焊接半同质填充金属指熔敷金属呈现钢型显微组织（即不含石墨）的焊材（见参考文献［2]）。该工艺仅适用于可锻铸铁及球墨铸铁焊接。部分文献报道了球墨铸铁采用钢焊条进行焊接的案例（见参考文献［38])，但需严格控制焊接温度GB/Z184.2-202611参数并保持在较窄的范围内，以避免焊缝过渡区产生裂纹。宜退火处理消除马氏体，以获得高塑性焊接接头。在250℃～550℃进行预热，能显著减少焊后马氏体形成。典型力学性能见参考文献［19］。6.3异质填充金属焊接异质填充金属是指熔敷金属显微组织不同于母材的焊材（见参考文献［2]）。适用的焊接方法如下：-使用药皮焊条与纯镍或镍／铁焊丝的手工电弧焊（某些应用已成功使用了Ni/Al、、Cu/A、Cu/Sn合金）；-钨极惰性气体保护焊（TIG)；—熔化极惰性气体保护焊（MIG)；—熔化极活性气体保护焊（MAG）。采用异质填充金属（如高镍材料）焊接时，所形成的焊缝显微组织与母材存在差异（见参考文献［2])，其基体组织可在很大程度上不含铁元素。与同质填充金属焊接相比，该焊接方式最明显的区别特征在于奥氏体填充金属与母材之间存在颜色差异。在熔合区内，镍基填充金属从母材中溶入铁元素形成镍马氏体。凝固过程中碳以小石墨球状析出，因石墨析出引发体积膨胀，降低残余应力，使焊缝保持良好韧性。在焊缝处于热态时对其进行轻度喷丸处理，还能引入有利的压应力，从而最大程度降低焊接工艺带来的残余应力。图8所示为采用镍铁异质填充金属焊接ISO1083/JS/450-10材料，其焊缝过渡区的典型金相组织。图8使用Ni-Fe填充金属（右侧）焊接ISO1083/JS/450-10球墨铸铁（左侧）异质焊缝过渡区典型显微组织图8经Krefeld,SiempelkampGiessereiGmbH公司授权使用。镍基焊缝通常无需预热，但高能量密度工艺（如气体保护焊或大直径焊条手工焊）建议在100℃～250℃进行预热，能避免较高热输入导致的连续马氏体焊缝，但无法消除熔合区镍马氏体及石墨球周围的莱氏体［见图9a)～图9c)］。GB/Z184.2-202612a）使用Ni-Cu填充金属，未预热处理焊接球墨铸铁焊缝的熔合区组织：莱氏体和马氏体b）使用Ni-Fe填充金属，预热至350℃焊接球墨铸铁焊缝的熔合区组织：莱氏体和马氏体图9球墨铸铁焊缝微观组织GB/Z184.2-202613c）多道焊焊接组织：受焊接热循环影响，下层焊缝的岛状莱氏体转变为珠光体，同时在周围铁素体基体中析出细小球状石墨图9球墨铸铁焊缝微观组织（续）图9经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。热输入越高，莱氏体岛越大，极端情况下能形成连续莱氏体带。因莱氏体几乎没有变形能力，且仅在长时间高温退火下才会发生分解，故异质填充金属焊接含石墨铸铁时宜尽量采用最小热输入。对于多层焊，上层焊缝能对下层焊缝产生热处理作用［见图9c)］。厚壁铸铁凝固速率较慢，导致石墨夹杂物数量减少而尺寸增大。石墨间距增加抑制莱氏体岛融合，其形成塑性熔合线的倾向高于薄壁铸件。因此即使不进行焊后热处理，焊缝脆性断裂风险亦显著降低。铁素体基体铸铁比珠光体基体铸铁更容易焊接。因为铁素体基体中，导致硬化的奥氏体内碳元素需从石墨球中重新析出，该过程耗时较长，从而降低工艺敏感性。6.4无填充金属焊接无填充金属焊接需对焊接接头施加压力。常用方法如下：-闪光焊；—磁激弧对焊；—摩擦焊。这些方法已成功应用于球墨铸铁与球墨铸铁焊接以及球墨铸铁与钢材焊接。这三种方法均有如下3个特点。—均无需填充金属。通过在终焊阶段顶锻加压，实现同质或半同质填充金属焊接头。-压力作用下将焊接生成的莱氏体挤向焊瘤区，消除对接面应力传递干扰，焊后机加工能彻底清除焊瘤内莱氏体。GB/Z184.2-202614-均能实现自动化，适用于量产安全关键零件，如汽车工业。工艺参数能够被监控，焊接数据能实时记录以实现过程控制。7铸铁焊接案例7.1球墨铸铁焊接7.1.1精焊7.1.1.1同质填充金属精焊采用ISO1083/JS/450-10U球墨铸铁制成的9缸气缸体采用同质填充金属进行精焊的典型案例，见图10。该缺陷所处的位置，要求壳体需以竖立姿态预热，焊接区域的温度最高达700℃。电阻退火元件通过多个控制电路进行系统布置。难点在于既要保证足够高的焊接温度，又要避免铸件自重导致的变形。所选焊接工艺是药芯焊丝电弧焊。整个焊接过程由第三方注册评估员监督。图7展示了使用同质填充金属焊接ISO1083/JS/400-18球墨铸铁的典型显微组织（见6.3）。铸件质量：约53t。轮廓尺寸：10m×3m×2.5m。图10大型铸铁件9缸气缸体竖立姿态预热焊补，作业高度10m图10经Krefeld,SiempelkampGiessereiGmbH公司授权使用。7.1.1.2异质填充金属精焊采用ISO1083/JS/400-18U球墨铸铁制成的18缸气缸体采用异质填充金属实施精焊的案例，见图11。铸件质量约23t，尺寸为7m×2m×2m。贯穿铸壁的型砂夹渣缺陷采用熔化极活性气体保护焊（MAG焊）封堵。该焊接工序要求操作人员GB/Z184.2-202615具备较高的操作技能与工艺控制水平。按需方要求经过表面检测及射线探伤验证，确保铸件修复部位材质完好。使用Ni-Fe异质填充金属焊接球墨铸铁的典型组织，见图8（见6.3）。图1118缸气缸体精焊图11经Krefeld,SiempelkampGiessereiGmbH公司授权使用。7.1.2连接焊接7.1.2.1概述所有焊接方法与配套填充金属均适用于球墨铸铁连接焊接。为保证焊接效果达标，宜考虑并协商确定焊接工艺、铸件壁厚、采购方要求的性能指标、焊缝结构以及焊接条件与各项参数。下文结合汽车工业典型案例，阐述球墨铸铁连接焊接技术的应用（需满足特定工艺能力要求）。3个实例表明：球墨铸铁铸件不仅能够通过连接焊接用于安全结构件并承受高载荷，而且该工艺能够具有成本效益。3种实例描述了不同的连接焊接技术：闪光焊（客车轴）、磁激弧对焊（拖曳臂）和摩擦焊（前轴总成）。在选择适用于大规模生产的连接焊接工艺时，宜考虑以下方面：-经济性，即主要为缩短工艺时间（包括焊接和焊后热处理）；-工艺能力，如焊接工艺机械化或自动化保障工件焊接质量一致性。莱氏体分解耗时长，与经济性要求相悖。压焊工艺终锻阶段将莱氏体挤出焊缝间隙，该工艺在成本效益与冶金适配性方面具有双重优势。另外，该工艺无需填充金属进一步降低成本，并最大程度减小了焊缝各项性能的波动。7.1.2.2闪光焊案例：客车后轴闪光焊接过程的关键步骤，见图12。GB/Z184.2-202616a）在焊机中装夹半轴梁c）焊机内焊缝焊后退火，见图13

b）初始表面闪光、预热及闪光阶段的典型飞溅形态d）焊机内退火处理后轴梁热影响区（回火色）16图12闪光焊关键工艺步骤图12经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。7.1.2.3在焊接设备中的焊后退火图13为典型成分球墨铸铁的连续冷却转变曲线图（TTT图），图中展示了客车轴在焊接设备内进行焊后退火时的冷却曲线。对显微组织的检测结果证实，其与该转变图的预期结果一致：未生成马氏体，仅形成了珠光体；闪光阶段产生的莱氏体则被完全挤入了焊缝熔池底部。GB/Z184.2-202617图13曲线A和B的时间-温度-相变图图13经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。该方法的优势和局限性。优势：—对焊缝接触区域的形状无特殊要求；-壁厚受莱氏体挤出能力的限制；-锯切加工即可满足接头制备要求；-依据TTT转变图（见图13）控制焊后冷却，以防止马氏体生成；—无需填充金属；-由于可监控焊接参数，减少了无损检测（NDT）要求，见图14和图15；-无需焊前预热或额外的焊后热处理。最先进的焊接技术会对焊接过程的参数进行监控，并能在焊接循环结束时自动判定焊接部件是否合格。局限性：—因焊后冷却循环，导致加工时间较长；—设备投资成本较高；-当前技术限制最大壁厚不大于30mm。7.1.2.4过程监控最先进的焊接技术会对焊接过程的参数进行监控，且能在焊接循环结束时自动判定焊接部件是否GB/Z184.2-202618合格，见图14和图15。图14焊接过程图：所有关键参数都在规范范围内图14经Zurich,SchlatterIndustriesAG公司授权使用。图15焊接过程图：红色标注的焊接参数超出公差范围图15经Zurich,SchlatterIndustriesAG公司授权使用。7.1.2.5测试结果针对客车轴，在脉动弯曲应力条件下开展了疲劳强度测试。对比测试涵盖了系列钢制轴梁，以及由球墨铸铁（ISO1083/JS/600-03）制成的两段式焊接轴、整轴。测试装置如图16所示，测试结果如图17所示。GB/Z184.2-202619图1610吨级球墨铸铁（ISO1083/JS/600-3）轴梁，置于伺服控制的600kN万能试验机上图16经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。图17客车轴疲劳强度测试结果图17经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。图18展示了闪光焊在部件轮廓设计方面的灵活性。案例：客车轴闪光焊GB/Z184.2-202620图18能采用闪光焊的部件，其焊接面的轮廓设计自由度概览图18经Schaffhausen,GeorgFischerAutomotiveAG公司授权使用。7.1.2.6磁激弧对焊案例：后桥拖曳臂与闪光对焊不同，磁激弧对焊（磁性焊）需满足：—封闭型几何结构；—优先采用旋转对称部件；也适配偏差结构（如椭圆轮廓）。优势和局限性。优势：-焊接工艺成本低，焊接时长约10s；—无需使用填充金属；-焊接工艺可靠，在实际应用中工艺稳定性已获得百万次验证（迄今已为前驱驱动的ASTRA和ZAFIRA紧凑型多功能车累计生产超过600万个后桥控制臂）。局限性：-铸件壁厚不能超过6mm。（当前研究旨在通过预热焊接区域，将可行性提高至8mm~10mm壁厚。）图19所示为采用ISO1083/JS/400-15球墨铸铁制成的Astra/Zafira后桥拖曳臂，而图3（见5.8.2）所示为正在实施的磁控电弧焊工艺。图19Astra-Zafira用拖曳臂GB/Z184.2-202621图19经Schaffhausen,Opel,RusselsheimandGeorgFischerAutomotiveAG授权使用。7.1.2.7过程监控当前先进的焊接技术会对焊接过程的参数进行监控，在焊接循环结束时自动判定焊接部件是否合格（见图20）。阀壳、车轴控制臂等都是成熟应用案例。图24所示为通用汽车ASTRA与ZAFIRA车型的焊接后桥。两件采用ISO1083/JS/400-15球墨铸铁制成的拖曳臂（图19)，被焊接至改性22MnB5级钢制扭转型材上（参考文献［54]）。截至目前，已生产超600万个后桥（即超1200万道焊缝），且尚未出现任何现场故障报告。这一应用案例表明，采用磁激弧焊工艺连接球墨铸铁与钢制安全部件，不仅工艺可靠，也适用于大规模生产。图20具备数字参数显示与时序功能的最新一代工艺监控系统图20经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。7.1.2.8二次热处理由于焊接电流一断开，焊缝就会快速冷却，因此只有通过预热整个铸件或仅预热焊接区域，才能避免马氏体的生成。仅对焊接区域进行焊后热处理／回火，能消除已生成的马氏体。因此，对于汽车安全部件的大规模生产而言，最终处理（焊后热处理／回火）是必不可少的。针对拖臂式后桥开展的密集试验表明：在焊接设备的循环时间内，以13s升温至750℃、保温30s的感应回火（图21)，足以消除所有多余的马氏体。案例：中频退火—乘用车后桥GB/Z184.2-202622图21ISO1083/JS/400-15球墨铸铁拖曳臂和钢管中心件焊接接头的感应回火图21经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。22与图23分别为未经热处理、经感应回火后的硬度分布图，通过对比未退火与经热处理后的硬度分布，展示了焊后热处理的效果。图22未经热处理的硬度分布图图22经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。GB/Z184.2-202623图23经感应回火后的硬度分布图图23经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。7.1.2.9补充要求为满足拖曳臂焊后珠光体含量上限的附加要求，铸造厂需调整该材料常规化学成分中的硅含量。生产实况：图24为磁弧焊后桥，图25为焊接生产线。图24磁性焊接汽车后桥GB/Z184.2-202624图25磁性焊接生产线图24和图25经Opel,Russelsheim授权使用。图26和图27所示为其他采用磁激弧对焊的部件案例。12 3标引序号说明：1-差速器轴；2-差速器轴；3-各类后轴。图26磁激弧对焊轴图26经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。GB/Z184.2-20262523 4标引序号说明：1-后桥；2-阀体；3-驱动轴；4-轴控制臂。图27磁激弧对焊部件图27经Augsburg,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。7.1.2.10摩擦焊案例：前桥壳体的摩擦焊接。德国某铸造厂开发了一种复合结构，前桥壳体采用ISO1083/JS/400-18铁素体球墨铸铁制成，桥管则由S355J0钢制成，两者通过摩擦焊接与壳体相连（图28）。传动系统的定位精度是关注要点：大型部件的定位精度小于＝；小型部件的定位精度约为±30＇。图28ISO1083/JS/400-18球墨铸铁前桥壳体与钢质（S355J0）桥管摩擦焊接件图28经Dusseldorf,KUKASystemsGmbHIndustrialSolutions授权使用。GB/Z184.2-2026267.1.3焊补7.1.3.1概述焊补能用于所有牌号普通和合金球墨铸铁。大型铸件出现开裂时，通常不能及时替换，替换损坏铸件造成停机时间可能过长。此时采用焊补具有显著的经济效益，焊补能用于修复断裂的半铸件、部件破损段以及填补因严重磨损而缺失的金属。需方宜仅在焊补后性能与焊前相同情况下同意补焊。因此，焊补企业需具备专业性，配备必要的焊接设备、热处理设施、技术熟练且受监管的人员，以及质量管理体系，以确保修复成功。需方通常要求的焊补条件如下：-静态、动态材料特性与母材完全一致；-母材与填充金属在颜色及耐腐蚀性上保持一致；—满足“修复后”铸件的交付日期。多数情况下，焊补使用同质填充金属。焊接前，需充分拆解部件，以便开展焊接作业。宜尽可能将需要修复的部件或子部件放入预热炉。焊接宜由持证焊工操作。填充金属宜选用合适的标准填充金属，或通过添加合金元素及微量元素调整成分以匹配母材的填充金属。宜制定详细的焊接工艺方案并记录，宜包括：母材分析、设备配置、使用持证人员、预热参数、焊接工艺、焊后处理以及各作业工序的操作指导书。7.1.3.2案例案例：大型气缸体焊补。本条详细给出了焊接工艺流程各步骤技术细节，见参考文献［49］。图29所示为18缸船用柴油机气缸体焊补，技术参数如下：—缸孔数：18；-铸件长度：约12000mm；—铸件质量：120t；—铸件宽度：约2000mm；-铸件牌号：ISO1083/JS/400-18；—铸件高度：约3000mm。图29大型气缸体焊补GB/Z184.2-202627图29经Remscheid,CasparHahnGmbH&CoKG授权使用。图30所示为喷砂清理和初加工后经超声波检测发现的缺陷点。图30喷砂清理和初加工后经超声波检测发现的缺陷点图30经Remscheid,CasparHahnGmbH&CoKG授权使用。在大型铸件上使用同质填充金属进行精焊，在某种程度上可与焊补的要求相同。出于安全与质保考虑，有必要对焊接区域进行裂纹检测。在将部件放入退火炉前，需清除所有检测到的缺陷。对焊补区域进行预热时，部件宜处于平焊位置以便于焊接。铸铁材料的同质焊接不宜在铸件处于立焊或仰焊位置时进行。随后对部件进行定位，确保打开分段罩时可轻松触及焊接区域（见图31）。在本案例中，退火炉以30K/h速率加热至预热温度550℃～650℃，通过监测铸件温度来控制炉温，以保持焊接区域附近的预热温度稳定。图31退火炉内气缸体图31经Remscheid,CasparHahnGmbH&.CoKG授权使用。机加工件实施焊补时，加热速率取决于待修铸件的尺寸、壁厚、机加工及材料牌号，预热与工作温度应保持在低温区间。要成功焊补，通常采用熔化极电弧焊方法，该工艺使用铸铁焊条（电极）熔化母材周边区域。焊条GB/Z184.2-202628直径的选择取决于焊缝熔敷体积，一般为8mm~25mm，焊接电流最高达1700A（见图32）。采用成分与铸件匹配的铁水（见图33)，该铁水需经过孕育处理；必要时，还需在小型浇包内对其进行精炼处理（如根据待焊接材料添加FeSi和／或Mg等）。图32铸造焊条熔化母材周边区域图33焊条与同质铸铁铁水谨慎填入焊接熔池图32和图33经Remscheid,CasparHahnGmbH&CoKG授权使用。焊接过程中，需利用焊条电弧使母材边缘区域持续熔化，以确保填充金属与母材形成牢固的焊接接头。此过程持续进行，直至焊模被完全填满。熔池稳定后立即关闭退火炉。随后整体铸件在550℃进行去应力处理，在规定的保温时间结束后以30K/h速率将铸件冷却至200℃，随后空冷至室温。焊缝微观结构宜满足客户要求，通常比母材更细密均匀，在图34所示的显微图片中清晰可见。焊接结束后，宜对焊缝进行裂纹与气孔检查。需方验收前，需对完工焊缝进行表面裂纹及气孔检GB/Z184.2-202629查，以确保焊缝无气孔、无气体夹杂，且母材与焊缝结合区域的表面下及结合区内无裂纹。图34焊缝区显微组织一焊缝石墨析出，含理想球状石墨结构图34经Remscheid,CasparHahnGmbH&CoKG授权使用。焊补是一种获得认证机构认可的可靠工艺，其优势在于能将焊接区域的显微组织调整至与母材一致，且由于部件在焊接后会进行去应力处理，后续精加工工序中出现变形的可能性更低。案例：球墨铸铁机床工作台焊补。图35所示为修复前四柱压力机机床工作台的两个断裂件，图36所示为焊补完成后、即将重新装配到机床立柱之前的部件。该焊补作业累计消耗320kg同质填充金属。图35修复前机床墡作台GB/Z184.2-202630图36修复后机床工作台图35、图36经Remscheid,CasparHahnGmbH&CoKG授权使用。机床工作台的技术参数：-质量：约4000kg；—宽度：约1800mm；-长度：约5000mm；-牌号：球墨铸铁ISO1083/JS/400-15。7.2灰铸铁焊接7.2.1概述人们普遍存在误区，认为灰铸铁不能焊接。在许多用户规范及标准中，明确禁止灰铸铁焊接，其依据是焊缝会形成应力集中源导致零件失效。需要理解这些顾虑，不推荐灰铸铁与异种材料焊接，因焊接件通常无法满足使用要求。7.2.2精焊若内部缺陷不太大，并由专业人员操作，能实施精焊。灰铸铁精焊的难点在于熔池内的材料通常凝固极快，形成的组织是珠光体基体中分布着硬质铁碳化物（莱氏体），尤其是采用电弧焊的情况，此时熔池的热输入量较大，热影响区因急速冷却形成马氏体，导致焊接件中形成多种不良组织的复杂混合物。能采用以下两种方案能解决。方案一：能选用粉末熔焊技术，该技术采用气焊工艺，对周边材料的热输入量低，减少或避免马氏体形成（见参考文献［50]）。已有研究针对该术展开，将铁试4断并记录其性能参数，随后将断裂试棒在夹具中进行粉末焊接以保证直线度，再重新测试。所有结果均显示：拉伸试棒的断裂位置不在焊缝，且焊件抗拉强度高于母材。采用该技术时，建议在焊接前将铸件预热至300℃～400℃，若焊补区域较大则需进行正火处理。方案二：能用铸铁焊条与合适的焊剂对铸件进行气焊修复。考虑到熔池中硅的损耗，焊条的硅含量需比铸件高约0.5％。铸件宜根据前文所述进行预热，最终焊接后缓慢冷却，若焊接区域较大，则需进行正火处理。对非常微小的表面缺陷，有时会采用电弧焊进行外观修复。但出于前文所述的原因，这种工艺通GB/Z184.2-202631常并不理想。此外，焊条通常是高镍材料，当焊缝周边金属开始变色时，这种焊接的弊端就会明显显现。7.2.3连接焊接该方法实践经验较少，因此当前不推荐，需进一步技术开发。7.2.4焊补焊补是常见工艺。案例：开裂压力机立柱焊补。螺旋压力机立柱发生了断裂。通过焊补成功修复了该立柱，从而大幅缩短了因制造、加工、并在现有设备中组装新件引起的停机时间。图37和图38记录了采用ISO185/JL/250灰铸铁（片状石墨铸铁）制成的螺旋压力机立柱的焊补成功案例。图37所示为焊补前断裂件，通过采用同质填充金属的焊补工艺将其连接，恢复为完整的立柱（图38)，本次修复工作共消耗填充金属410kg。图37焊补前螺旋压力机立柱GB/Z184.2-202632图38焊补后螺旋压力机立柱图37和图38经Remscheid,CasparHahnGmbH&.CoKG授权使用。立柱技术参数：-质量：120t；-牌号：灰铸铁ISO185/JL/250；—铸件长度：约3120mm；-铸件宽度：约1750mm；—铸件高度：约60mm。7.3蠕墨铸铁焊接蠕墨铸铁不适用于连接焊接，但能采用灰铸铁与球墨铸铁的焊接工艺方法实施精焊和焊补。7.4可锻铸铁焊接7.4.1概述只要经过充分脱碳处理，白心可锻铸铁就能轻松焊接。脱碳工艺会去除铸件表面的所有碳，形成铁素体基体，这使得白心可锻铸铁能够与普通碳钢焊接。为成功将低碳铁素体钢与白心可锻铸铁焊接，白心可锻铸铁的理想显微组织宜为完全脱碳的铁素体材料，通常会包含“空穴”，即原本容纳回火碳颗粒的微小孔洞，这些空穴对材料性能无不利影响，因为原本占据该位置的碳颗粒本身强度就很低。有时这些空穴能自行“愈合”或闭合，在显微镜下不可见。对于脱碳不充分的材料，其表面显微组织可能是铁素体加空穴、内部含回火碳颗粒（甚至芯部残留珠光体）。这种情况下，焊接能否成功取决于熔池深度，若熔池延伸至存在回火碳颗粒的区域，碳溶解后可能形成碳化物，从而损害焊缝。一般而言，装配焊接优先选用完全脱碳的白心可锻铸铁。通过添加珠光体稳定元素或调整热处理周期，可能会对材料进行脱碳处理，以获得不含回火碳颗GB/Z184.2-202633粒的珠光体基体。焊接时，焊缝附近可能形成相变产物，因此需要额外的处理＊降低这种可能性。因白心可锻铸铁是在氧化性炉气氛中进行脱碳退火的，其组织会随壁厚变化，碳含量向内递增（见39）。图39白心可锻铸铁铸件显微组织图39经Dusseldorf,BundesverbandderDeutschenGiesserei-Industrie授权使用。黑心可锻铸铁始终含有退火石墨，因此焊接过程中必然会形成碳化物。能采用与球墨铸铁相同的焊接技术，采用粉末焊接技术，或采用特殊铸焊条进行气焊，以复现母材性能。需注意的是，黑心可锻铸铁的退火石墨是通过热处理形成的，无法在从液态熔池凝固的金属中复现这种组织。该问题可能会让部分用户担忧，他们会认为这在使用中会成为应力集中源，因此这种情况下需要谨慎决策。7.4.2精焊由于传统可锻铸铁铸件尺寸较小，精焊工艺较少实施。多数情况下，铸造新件比通过焊前准备、实施精焊与焊后热处理消除缺陷的成本更低廉。7.4.3连接焊接案例：阀壳。通过延长脱碳工艺，可焊性可锻铸铁在壁厚不大于8mm时，脱碳至残余碳含量最高为0.3%，以保证可焊性不受影响。与常规白心可锻铸铁牌号ISO5922/JMW/400-5相比，可焊可锻铸铁牌号ISO5922/JMW/360-12的抗拉强度略低，但伸长率与韧性更优。图40所示为ISO5922/JMW/360-12可焊性可锻铸铁阀壳的成型试验。存在许多连接焊接的案例：可焊性、白心及黑心可锻铸铁之间的焊接，以及可锻铸铁与钢的焊接（见参考文献［52］、［53］、［55］和[56])。GB/Z184.2-202634图40成型测试后的阀体图40经Dusseldorf,BundesverbandderDeutschenGiesserei-Industrie授权使用。7.4.4焊补可锻铸铁件能进行焊补，但通常由于与精焊（见7.4.2）相同的原因而避免采用。ISO/TR10809本部分无案例说明。7.5耐磨铸铁焊接通常不推荐耐磨铸铁焊接。7.6奥氏体铸铁焊接7.6.1概述奥氏体铸铁能采用7.1所述的任何方法进行焊接（见参考文献［28］、［29］和［30]）。由于铸件材料本身含镍，且高镍填充材料的配色效果较好，因此这类填充材料通常会被选用。部分高镍填充材料在热影响区易产生微裂纹，焊接研究表明：添加铌可以有效避免此问题发生。目前标准中仅一个牌号规定了铌的添加量，但其他任何牌号遇到焊接难题时均能添加该元素。只要铌的添加量符合要求且处于规定范围内，就不会产生不利影响。奥氏体铸铁的焊补与连接焊接尤为重要。含片状石墨牌号的常规焊补不会出现重大问题。球墨铸铁牌号因对焊缝及热影响区要求更苛刻而焊接难度更高，但其应用领域更为关键。多数奥氏体球墨铸铁在热影响区具有裂纹形成倾向，这一倾向与化学成分密切相关。针对核心牌号ISO2892/JSA/XNiCr20-2奥氏体球墨铸铁的研究（见参考文献［32］、［33]）表明：磷与硫会产生较强的有害影响，而锰（尤其是铬）则能降低裂纹形成倾向（见图41）。图42所示为合金元素对ISO2892/JSA/XNiCr20-2奥氏体球墨铸铁焊接裂纹倾向的影响［37］。GB/Z184.2-202635图41铬元素对裂纹形成倾向的影响图42磷、硅、镁、铌元素对裂纹形成倾向的影响图41、图42经Dusseldorf,BundesverbandderDeutschenGiesserei-Industrie授权使用。较高的铬含量必然会对良好的补缩性能与高韧性要求产生不利影响。硅和镁元素的协同作用具有不利影响，需对其含量加以限制，见公式（1)（见参考文献［40])：%Si+75%Mg≤6.3(见参考文献[28]和[29]) (1)添加铌能进一步提升材料的可焊性，铌的最佳含量取决于磷、硅与镁的含量。基于铌的有利作用，现已开发出可焊性牌号ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2。表1列出了使用该牌号获得无裂纹焊缝的材料成分建议。为避免焊补过程中出现问题，多数铸造厂对大型铸件采取成分限制与铌合金化的常规控制措施，如交付牌号ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2替代ISO2892/JSA/XNiCr20-2，两者的其他性能相当。GB/Z184.2-202636表1牌号ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2无裂纹焊缝推荐的化学成分ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2化学成分低P质量分数%常规P质量分数%C总2.5~3.0Si1.5~2.2Mn1.0~1.5Cr2.0~2.5Ni19.0~22.0MgPNb0.06~0.110.12~0.177.6.2精焊手工电弧焊是精焊的主要方法。原则上，宜尽可能降低热输入量，以防止热影响区因碳化物析出、缩松及裂纹或断裂导致热影响区脆化（见参考文献［33]）。这意味着焊接过程无需预热，且每道焊层可能需要冷却至50℃以下。例如，某海水淡化厂多台开裂泵壳按照此规范进行焊接成功完成修复，焊后对泵壳均进行了去应力处理。镍含量为60％的商用镍铁焊条是首选焊接材料。有时会使用同质或纯镍焊条，纯镍焊条的强度值最高，但产生裂纹的风险也最大（见参考文献［32]）。对于不同制造商的焊接材料，其性能与焊缝质量在一定程度上存在显著差异。对于其他磷、镁含量最低的牌号，以下内容适用于合适的镍铁焊条（电极）进行手工电弧焊。对于片状石墨牌号及ISO2892/JSA/XNiMn13-7、ISO2892/JSA/XNiSiCr30-5-5和ISO2892/JSA／XNiSiCr35-5-2牌号，建议预热至300℃～350℃（参考文献［2]）。控制炉温在此温度范围，以防止冷裂纹产生；但针对采用ISO2892/JSA/XNiSiCr35-5-2制成的排气歧管，已有研究表明（见参考文献［34］和［35])，即使不预热也能稳定获得无裂纹焊缝。对于无铬及低铬牌号ISO2892/JSA/XNi22、ISO2892/JSA/XNiMn23-4和ISO2892/JSA／XNi35而言，几乎无法获得无裂纹焊缝。适用于ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2的化学成分限制与铌添加要求，在此类牌号中也有帮助，但无法在所有情况下都获得完全无裂纹的焊缝。焊接这些牌号时宜无需预热。进行大型焊接作业时，建议在接头两侧设置缓冲层以防止裂纹产生。其他适用的焊接工艺包括TIG焊和MIG焊。由于气焊热输入量过高，通常不予推荐。焊接后，根据铸件类型与焊接范围，建议在650℃～680℃进行热处理，甚至950℃～1050℃的正火或石墨化退火处理，后者可溶解熔池与热影响区中形成的碳化物。当奥氏体铸铁与不锈钢焊接时，碳可能会从铸铁扩散到钢中，导致铬碳化物析出，这不仅能引起组织脆化，还会因铬偏析而降低耐蚀性。热处理通过加剧碳扩散进程，进一步恶化此现象。但对于耐热部件，如排气歧管，因其抗氧化性能较高，此类组合已被证实可行（见参考文献［5］和［38]）。膨胀元件已通过焊接方式嵌入排气歧管中，铸造法兰与不锈钢管连接形成排气歧管，铸造排气歧管或涡轮增压器GB/Z184.2-202637壳体与铁素体钢制催化剂壳体之间也实现了界面连接。7.6.3连接焊接连接焊接所用的焊材与工艺需谨慎选择并加以监控。需考虑前文所述的化学成分调整限制，且需进行铌合金化处理。焊后宜尽可能进行石墨化退火，以分解所有脆性碳化物。若退火不可行（如现场施工时），可行的解决方案是在接头两侧使用镍铁焊条（电极）设置缓冲层，并在焊接前对单个部件进行退火处理，但其强度会低于使用同类焊条时的强度。需确保铸件焊缝周围的显微组织致密且无夹杂物，因为裂纹易从气孔与夹杂物处扩展。案例：歧管组件。图43所示为钢管与ISO2892/JSA/XNiCrNb20-2牌号奥氏体球墨铸铁法兰进行连接焊接的歧管组件。图43歧管组件图43经Dusseldorf,BundesverbandderDeutschenGiesserei-Industrie授权使用。对奥氏体球墨铸铁牌号ISO2892/JSA/XNiSiCr35-5-2、ISO2892/JSA/XNi35、ISO2892/JSA／XNiMn23-4、ISO2892/JSA/XNiCr20-2及奥氏体灰铸铁牌号ISO2892/JLA/XNiCuCr15-6-2进行的同质摩擦焊试验已取得成功（见参考文献［36]）。采用管材与实心件焊接时，接头力学性能达良好至合格水平，且具备优良耐蚀性。通过后续热处理可进一步提升塑性变形能力。不同铸铁牌号间亦能实现可靠焊接，然而尽管焊接时间较短，不锈钢的摩擦焊接头仍存在与常规熔焊接头类似的缺陷问题。7.6.4焊补尚无经验。7.7奥铁体球墨铸铁焊接7.7.1概述有时需要对奥铁体球墨铸铁件进行焊接，这需要适配的焊接工艺。通过控制焊缝金属成分及冷却速率，能在焊态下直接获得奥氏体一贝氏体组织。尽管自1996年起，已有多篇关于奥铁体球墨铸铁焊接的研究论文发表（见参考文献［39]~[47])，但迄今为止未见实际应用。GB/Z184.2-202638由于奥铁体球墨铸铁主要用于要求高强度高韧性的场合，焊接操作宜始终在等温淬火热处理前进行。按照此工序前提下，若选用专用焊材（见参考文献［45］和［46])，热影响区较低的韧性能被大幅改善，甚至达到母材性能水平。前期关于焊接材料（电极）应用和焊缝金属显微组织分析的研究（见参考文献［43]）表明：焊接过程中，焊缝附近的母材受热形成热影响区，热影响区的成分与奥铁体球墨铸铁母材一致，且无法通过添加合金元素调整，故该区域焊态组织与力学性能焊缝金属和原始母材存在差异。通常，热影响区韧性较差，且该区域容易产生焊接裂纹，能极大地降低整个焊接接头的力学性能。为了研究焊接热循环对热影响区显微组织和力学性能的影响，在光学显微镜和电子显微镜下观察了焊接接头的显微组织。分析了焊接接头中的相变过程及其特征。试验采用140mmx80mmx15mm奥铁体球墨铸铁试板，试板先在900℃下奥氏体化，随后在375℃下进行等温淬火处理。在试板中心加工直径40mmx深10mm的试验孔，孔底埋设热电偶，孔周多点钻设测温点，随后采用试验焊条（合金元素为Ni、Mo）填充该孔，全程对温度进行了测量并记录。表2为奥铁体球墨铸铁焊接试板焊缝金属成分。表2焊缝金属化学成分CSiMnCaBaA1BiSPCeNiMo3.54%3.3%0.35%0.002%0.006%0.45%0.004%≤0.015%0.016%8.10%0.20%孔洞直径及焊接热输入量能影响冷却速率，焊接过程中宜保持工艺参数稳定：焊接电流约190A，电压约24V。试板沿试验孔中心剖开，采用光学显微镜与电子显微镜观察焊接接头显微组织。焊接接头分为5个特征区域，各区域的显微组织如下：-焊缝区：奥氏体和贝氏体（奥铁体）；-部分熔合区：球状石墨加珠光体和少量马氏体；-奥氏体转变区：球状石墨加珠光体或索氏体；-重结晶区：珠光体和贝氏体；-母材金属：贝氏体（奥铁体）和奥氏体。焊缝金属的焊态显微组织为贝氏体（奥铁体）和奥氏体。拉伸试样取自接头横向截面。试验发现，试样均断裂于奥氏体转变区，接头抗拉强度为695MPa，整体接头断后伸长率为2％。7.7.2精焊以上研究表明：宜采用同质或半同质填充金属的手工电弧焊工艺实施精焊及连接焊接均是可行的。本文件未提及预热与焊后退火信息，但通过孔洞直径和／或热输入量能调控冷却速率。对于具有奥铁体组织的铸件（即完成最终等温淬火的铸件），不建议进行精焊作业。当前对该材料的焊接实践经验有限，若要达到球墨铸铁或可锻铸铁的焊接技术水平，还需开展大量研发工作。7.7.3连接焊接分析奥铁体铸铁生产流程的工序顺序时，奥铁体化退火始终是最后一道工序。因此，将此原理应用于连接焊接工艺似乎具有实用价值。这样，普通或低合金球墨铸铁的丰富焊接经验也能用于奥铁体GB/Z184.2-202639铸铁的焊接，并且所有适用于球墨铸铁的焊接方法都能采用。连接焊接作为一个典型案例。以普通或低合金球墨铸铁为基体组织的组件和／或待精焊缺陷的奥铁体化处理将成为焊接后的最后工序，即焊后热处理即为向奥铁体转变的退火处理。然而，在ISO/TR10809本部分发布时，该工艺的适用性尚未得到验证。7.7.4焊补虽然没有相关经验，但该工艺将比连接焊接所描述的工艺更为复杂，且与精焊工艺非常相似（见参考文献［38]）。8铸铁焊接的汇总数据本系列表格以EN1011-8:2004[15］中表B.1为基础编制。表格中提供了大多数铸铁铸件的焊接工艺、方法及填充金属类型的信息（含同质、半同质或异质填充金属）。本文件中未包含数据不足的案例。注1：本文件发布时，关于球墨铸铁、可锻铸铁（白心、可焊和黑心），片状石墨（灰）铸铁、奥氏体灰铸铁、奥氏体球墨铸铁材料的信息已十分成熟。注2：关于球墨铸铁、灰铸铁、可锻铸铁以及奥氏体灰铸铁和奥氏体球墨铸铁的成功焊接应用，无论是铸铁与铸铁的焊接还是铸铁与钢的焊接，均已积累了丰富的知识和经验。表3为球墨铸铁焊接建议（ISO1083[3]）。表4为层状石墨铸铁／灰铸铁焊接的建议（ISO185[1）。表5为蠕墨铸铁焊接建议（ISO16122[11）。表6为白心可锻铸铁焊接建议（ISO5922[7]）。表7为可焊可锻铸铁焊接建议（ISO5922[7]）。表8为黑心可锻铸铁焊接建议（ISO5922[7]）。表9为奥氏体灰铸铁、奥氏体球墨铸铁焊接建议（ISO2892[4]）。注3：需注意，这些建议取决于不同铸铁焊接工艺的知识储备与实践经验、特定焊接条件下铸铁材料的冶金反应认知、焊缝材料性能与组织的控制能力、焊后热处理等。注4：实际工程经验可能远超本文件收录范围。表格中提示未来需加强铸铁焊接的研发，新焊接工艺或能带来突破性技术进展。表3球墨铸铁焊接建议（ISO1083）焊接工艺焊接方法ISO1083球墨铸铁件使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁焊前准备准备清除铸件焊接区及其邻近区域的铸件表皮，并进行清洁-热加工等离子弧切割、粉末火焰切割（碳弧气割酌情使用，火焰切割不适用）-机械加工加工、磨削、清根使用背面衬垫-石墨材料、黄土、陶瓷、球墨铸铁、非合金钢热处理（局部或铸件整体）1）预热同质填充金属：（取决于材料和／或工艺）最高300℃半同质填充金属：最大加热速率取决于铸件或部件2）焊接时铸件温度同质填充金属：焊缝区域外大于或等于450℃道间温度GB/Z184.2-202640表3球墨铸铁焊接建议（ISO1083)（续）焊接工艺焊接方法ISO1083球墨铸铁件使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁热处理（局部或铸件整体）2）焊接时铸件温度半同质填充金属：焊缝区域外大于或等于250℃道间温度3）冷却速率取决于铸件或部件的复杂程度空冷对于应力敏感的铸件：从450℃～150℃，≤50K/h焊后热处理额外进行热处理或利用焊后余热任何热处理方法均能使用，取决于母材、铸件形状和尺寸以及其他要求填充金属的应用氧乙炔焊（311）球墨铸铁焊丝金属粉末焊条电弧焊（111）球墨铸铁焊条（电极），有或无药皮根据ISO1071选取有药皮的焊条熔化极气体保护电弧焊（13）合金或非合金焊丝（电极），仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊丝（电极）、涂有药皮的焊丝（电极）TIG焊（141）（TIG＝钨惰性气体）焊丝，填充丝，仅用于道道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊条、填充焊条、实心焊丝、填充焊丝自保护药芯电弧焊(114)药芯焊丝、球墨铸铁熔融金属根据ISO1071选取药芯焊丝（电极）铸焊球墨铸铁熔融材料-金属浇注焊与铸焊相同，但额外使用焊条-等离子弧焊（15）添加或不添加少量填充金属-焊剂的应用-添加或不添加合金，能用于改善焊接条件自动压力焊闪光焊已被证明成功应用，质量稳定，无需填充金属，无需进行焊后热处理（仅在闪光对焊机内对马氏体进行回火处理）磁激弧对焊已被证明成功应用，质量稳定，无需填充金属，建议按照推荐的焊接工艺进行焊后热处理（马氏体回火处理）摩擦焊预热温度注：括号内数字为熔焊工艺参考代号，见第5章。表4层状石墨铸铁焊接建议（ISO185）焊接工艺焊接方法ISO185灰铸铁（层状石墨）使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁焊前准备准备清除铸件焊接区及其邻近区域的铸件表皮，并进行清洁-热加工等离子弧切割、粉末火焰切割（碳弧气割酌情使用，火焰切割不适用）-机械加工加工、磨削、清根使用背面衬垫-石墨材料、黄土、陶瓷、球墨铸铁、非合金钢GB/Z184.2-202641表4层状石墨铸铁焊接建议（ISO185)（续）焊接工艺焊接方法ISO185灰铸铁（层状石墨）使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁热处理（局部或铸件整体）1）预热同质填充金属：（取决于材料和／或工艺）最高300℃（Tp＝预热温度）半同质填充金属：最大加热速率取决于铸件或部件2）焊接时铸件温度同质填充金属：焊缝区域外大于或等于450℃道间温度半同质填充金属：焊缝区域外大于或等于250℃3）冷却速率取决于铸件或部件的复杂程度空冷对于应力敏感的铸件：从450℃～150℃，≤50K/h焊后热处理额外进行热处理或利用焊后余热任何热处理方法均能使用，取决于母材、铸件形状和尺寸以及其他要求填充金属和粉末的应用氧乙炔焊（311）灰铸铁焊丝、球墨铸铁焊丝金属粉末焊条电弧焊（111）灰铸铁或球墨铸铁焊条（电极），有或无药皮根据ISO1071选取有药皮的焊条有合金涂层的钢焊条有药皮的焊条熔化极气体保护电弧焊（13）合金或非合金焊丝（电极），仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊丝（电极）、焊条（电极）TIG焊（141）（TIG＝钨惰性气体）焊丝，填充丝，仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊条、填充焊条、实心焊丝、填充焊丝自保护药芯电弧焊(114)药芯焊丝、球墨铸铁熔融金属根据ISO1071选取药芯焊丝（电极）铸焊灰铸铁熔融材料或球墨铸铁熔融材料-金属浇注焊与铸焊相同，但额外使用焊条-等离子弧焊（15）添加或不添加少量填充金属-焊剂的应用-添加或不添加合金，能用于改善焊接条件自动压力焊闪光焊该工艺的适用性尚未得到验证，如适用，一般无填充金属，也不宜采用焊后热处理（在闪光对焊机上进行马氏体回火处理）。需要对灰铸铁进行焊接参数优化磁激弧对焊摩擦焊Tp＝预热温度注：括号内数字为熔焊工艺参考代号，见第5章。GB/Z184.2-202642表5蠕墨铸铁焊接建议（ISO16122）焊接工艺焊接方法ISO16122蠕墨铸铁（紧密石墨）使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁焊前准备准备清除铸件焊接区及其邻近区域的铸件表皮，并进行清洁-热加工等离子弧切割、粉末火焰切割（碳弧气割酌情使用，火焰切割不适用）—机械加工加工、磨削、清根使用背面衬垫-石墨材料、黄土、陶瓷、球墨铸铁、非合金钢热处理（局部或铸件整体）1）预热同质填充金属：（取决于材料和／或工艺）最高300℃（Tp＝预热温度）半同质填充金属：最大加热速率取决于铸件或部件2）焊接时铸件温度同质填充金属：焊缝区域外大于或等于450℃道间温度半同质填充金属：焊缝区域外大于或等于250℃3）冷却速率取决于铸件或部件的复杂程度空冷对于应力敏感的铸件：从450℃～150℃，≤50K/h焊后热处理额外进行热处理或利用焊后余热任何热处理方法均能使用，取决于母材、铸件形状和尺寸以及其他要求填充金属的应用氧乙炔焊（311）球墨铸铁焊丝金属粉末焊条电弧焊（111）球墨铸铁焊条（电极），有或无药皮根据ISO1071选取药皮焊条有合金涂层的钢焊条有药皮的焊条，根据ISO1071规定熔化极气体保护电弧焊（13）合金或非合金焊丝（电极），仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊丝（电极）、焊条（电极）TIG焊（141）（TIG＝钨惰性气体）焊丝，填充丝，仅用于道道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊条、填充焊条、实心焊丝、填充焊丝自保护药芯电弧焊(114)药芯焊丝、球墨铸铁熔融金属根据ISO1071选取药芯焊丝（电极）铸焊球墨铸铁熔融材料-金属浇注焊与铸焊相同，但额外使用焊条-等离子弧焊（15）添加或不添加少量填充金属-焊剂的应用-添加或不添加合金，用于改善焊接条件自动压力焊闪光焊该工艺的适用性尚未得到验证，如适用，一般无填充金属，也不宜采用焊后热处理（在闪光对焊机上进行马氏体回火处理）。需要对蠕墨铸铁进行焊接参数优化磁激弧对焊摩擦焊预热温度注：括号内数字为熔焊工艺参考代号，见第5章。GB/Z184.2-202643表6白心可锻铸铁焊接建议（ISO5922）焊接工艺焊接方法ISO5922白心可锻铸铁使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁焊前准备准备清除铸件焊接区及其邻近区域的铸件表皮，并进行清洁-热加工所有方法-机械加工加工、磨削、清根使用背面衬垫-石墨材料、黄土、陶瓷、球墨铸铁、非合金钢热处理（局部或铸件整体）1）预热同质填充金属：（取决于材料和／或工艺）壁厚不大于3mm，无需预热取决于壁厚（脱碳）。壁厚不大于3mm，不需要预热；壁厚大于3mm，推荐550℃（Tp＝预热温度）半同质填充金属：最大加热速率取决于铸件或部件2）焊接时铸件温度同质填充金属：焊缝区域外大于或等于450℃道间温度半同质填充金属：焊缝区域外大于或等于250℃3）冷却速率取决于铸件或部件的复杂程度空冷对于应力敏感的铸件：从450℃～150℃，≤50K/h焊后热处理额外进行热处理或利用焊后余热任何热处理方法均能使用，取决于母材、铸件形状和尺寸以及其他要求填充金属的应用氧乙炔焊（311）球墨铸铁焊条金属粉末焊条电弧焊（111）球墨铸铁焊条（电极），有或无药皮根据ISO1071选取有药皮的焊条有涂层的钢焊条（电极），涂层为合金涂层或非合金涂层有药皮的焊条熔化极气体保护电弧（13）合金或非合金焊丝（电极），仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取实心焊丝、涂有药皮的实心焊丝TIG焊（141）（TIG＝钨惰性气体）填充丝、药芯焊丝，仅用于道间温度不大于300℃（以保持保护气体特性）根据ISO1071选取焊丝（电极）、填充丝自保护药芯电弧焊(114)药芯焊丝、球墨铸铁熔融金属根据ISO1071选取药芯焊丝铸焊一般不采用金属浇注焊一般不采用等离子弧焊（15）添加或不添加少量填充金属一般不采用焊剂的应用-添加或不添加合金，能用于改善焊接条件GB/Z184.2-202644表6白心可锻铸铁焊接建议（ISO5922)（续）焊接工艺焊接方法ISO5922白心可锻铸铁使用同质或半同质填充金属焊接铸铁使用异质填充金属焊接铸铁自动压力焊闪光焊目前尚未稳定生产，如果选用，一般无需填充金属，也不需要在闪光对焊机上进行焊后热处理（马氏体回火处理）。该工艺的适用性尚未得到验证。如果适用，则无需填充金属，且焊后热处理（在闪光焊机内对马氏体进行回火）不宜采用。需对可锻铸铁（JMW）进行