铸铁设备裂纹、断裂的焊接

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一、概述
铸铁材料具有良好的铸造性能和切削加工性能，并具有摩擦系数小、减振和价格低廉等特点，因此在船机零部件的应用上非常广泛。铸铁船机零部件占所有船机零部件总重量的一多半，其中基本上都是灰口铸铁材料。由于灰口铸铁材料几乎没有塑性，强度极限低和耐腐蚀性差，因此铸铁船机零部件在使用中容易出现裂纹、磨损、锈蚀或烧蚀。在修船工作中，经常遇到因裂纹、磨损、锈蚀或烧蚀而损坏的铸铁船机零部件。例如，气缸盖或气缸套裂纹、增压器壳体裂纹或锈蚀、铸铁活塞环槽磨损等。
焊接是修复这些损坏的船机铸铁零部件常用的、有效的工艺。但是由于灰口铸铁的含碳量和硫、磷杂质的含量较高，强度低、塑性几乎为零，对冷却速度敏感性强，而焊接过程一般都具有加热快、冷却快以及工件受热不均匀等特点，因此给铸铁焊接带来了很大的困难。
船用铸铁件焊接时经常出现的问题有：（1）焊缝产生白口组织；（2）焊缝产生裂纹；（3）焊缝金属产生气孔；（4）焊液不润湿工件母材表面（即发生焊滴“打滚”现象），下面就这些问题产生的原因及防止方法进行简要探讨。
二、产生白口组织的原因和防止办法
1.   产生白口组织的原因
焊接接头一般可划分为# 个区域：即焊缝区、半熔化区（ 或称熔合区）和热影响区。现对这个区域产生白口组织的原因分别分析如下：
?   焊缝区。焊缝区金属是由熔化了的焊材金属与熔化了的母材金属掺和而成的，但以焊材金属为主。因此，焊缝金属的组织和性能主要取决于所采用的焊材类型，若焊材为有色金属等非铸铁（即异质焊缝）时，则焊缝不会产生白口；如果焊缝为铸铁成分（即同质焊缝）时，在快速冷却条件下则会出现白口。
?   半熔化区。半熔化区系指焊缝区与母材金属之间的过渡区。该区金属是由熔化了的和局部熔化了的母材金属与焊材金属混合而成，但以母材金属为主。当采用非铸铁成分（即异质焊缝）的焊材焊接时，由于半熔化区的促进石墨化元素碳、硅元素要向焊缝区扩散，致使该区的碳、硅含量降低。一般该区的碳、硅含量界于焊缝区和母材碳、硅含量之间（例如用结构钢碱性焊条，焊补含碳量为#& 的铸铁时，焊缝区的含碳量为’% (&—!% ’&，而半熔化区的含碳量则在!&—#& 之间变化）。由于半熔化区中促进石墨化元素碳、硅含量的减少，加之半熔化区接近母材，冷却速度较快，这时已经溶解在焊液中的碳来不及析出，而是与铁生成)*#+，于是形成了白口组织。当采用铸铁成分的焊材（即同质焊缝）焊接时，半熔化区的碳、硅含量虽然变化不大，但若施焊工艺不当，造成该区冷却速度过快，也会形成白口。
   热影响区。热影响区系指母材中紧靠半熔化区，因受焊接热的影响（但未熔化）而发生组织和性能变化的区域。由于热影响区的温度不会使母材熔化，因此该区不会产生白口组织。但热影响区加热温度比较高的部位的基体组织将发生奥氏体转变，在快冷情况下会发生淬火现象，奥氏体将转变为马氏体，因此该区在焊后硬度会升高，但升高的幅度较半熔化区产生白口组织的硬度要低得多，对机械加工的影响也小得多。
2.   防止白口组织的办法
避免形成白口组织的途径有# 种：一是减慢冷却速度，二是合理的选择焊接材料，三是采用钎焊工艺。
减慢冷却速度，在工艺措施上表现为焊前预热、焊中保温和焊后缓冷。通过这些措施，可以延长焊缝区及半熔化区处于红热状态的时间，以使石墨充分地析出，从而防止或基本消除焊缝区及半熔化区的白口组织。例如采用热焊法，在焊前将焊补区预热至!""—#""$，并在焊后缓冷，可以减缓冷却速度，从而防止或基本消除白口组织。采用铸铁心石墨化型焊条焊补时，还可以通过特殊的操作工艺（如大电流、连续焊工艺），利用电弧热减慢半熔化区的冷却速度来防止白口组织。合理地选择焊接材料，改变焊缝材料中的化学成分，可以在一定条件下防止焊缝金属产生白口组织。例如，在气焊用铸铁焊丝中增加石墨化元素碳、硅的含量，碳、硅含量较普通灰口铸铁要高，并采用中性焰或还原焰施焊，以防止碳、硅元素过分烧损，这样在预热、缓冷的条件下可以防止焊缝产生白口组织。采用电弧焊时，所用的铸铁焊条也要求有较强的石墨化能力，以便在一定焊接工艺的配合下，使焊缝金属形成灰口组织。此外，采用非铸铁成分的焊接材料（如镍基材料）施焊，可以避免焊缝区产生白口组织。但即使采用非铸铁成分的焊接材料（ 如镍基材料）进行冷焊时，在半熔化区也不可避免地要产生白口组织。此时为了减轻白口组织的危害，坡口的根部应开得圆滑一些，并采用细焊材、小电流、短电弧，这样可减小母材的熔深和白口层的厚度。例如采用镍基焊条冷焊或低温（%""$ 左右）预热焊，可以得到很薄的（ 约"&"’((）和不连续的白口层组织，比较容易进行机械加工。采用钎焊工艺时，由于施焊温度低，铸铁母材不熔化，故钎焊接头不会形成白口组织。但钎焊时如果铸铁母材的加热温度超过灰口铸铁共析转变的上限温度)%"$，则在快冷条件下，在焊缝的热影响区会产生马氏体组织。
三、产生裂纹的原因和防止办法
铸铁焊接时产生的裂纹有冷裂纹和热裂纹% 种。现分别对冷裂纹和热裂纹产生的原因和防止办法进行探讨。
（一）产生冷裂纹的原因及防止办法
冷裂纹产生的原因
由于灰铸铁强度较低，塑性很差，在力的作用下不能产生伸长、弯曲等塑性变形来松弛应力，而在焊接过程中，整个工件受热不均匀，熔池处于熔化状态，熔池附近处于高温状态，体积膨胀。如果焊补区处于铸铁件约束度较大的部位，红热的金属向外膨胀时受到周围金属的限制，焊补区产生压缩塑变。而在焊后的快速冷却过程中，焊补区已经被压缩的部分体积要进一步缩小，此时又受到周围金属的牵制，于是应力状态发生了变化。原来受压应力的焊补区，此时开始受到拉应力，在冷至’""$以下时，拉应力继续增大，当应力大于焊缝金属的抗拉强度时，便产生了裂纹。当焊缝产生白口组织时，由于白口铸铁的收缩率较灰口铸铁的收缩率大，也增加了母材与焊缝间的应力，促使焊缝裂纹产生。
冷裂纹产生的特征
冷裂纹是在焊后冷却收缩过程中产生的，一般低于$%%&，产生裂纹的同时伴随着程度不同的金属开裂的响声。
冷裂纹的方向与主应力的方向垂直，即顺着焊道的方向。
防止冷裂纹产生的工艺措施
防止冷裂纹产生的主要途径首先是减小焊接应力，其次是防止或减少白口组织
的产生。当工件各部分的温差大、热影响区的宽度大和焊接部位的约束度大时所引
起的热应力较大。因此，防止冷裂纹的主要工艺措施是：
采用热焊或半热焊。以提高工件的整体温度、减小各部分温差。
冷焊时采用细焊材、小电流、短电弧、短焊道和断续分散焊及焊后立即锤击的焊补工艺。
焊接速度不宜过慢，焊条和焊枪不要做横向摆动。因为焊接速度越慢，焊条横向摆动越大，则焊接区处在较高温度区的宽度越大，热应力增大。
坡口开成&形，坡口开得越小则填充金属越少，焊后收缩产生的热应力也就越小。
正确选择加热减应区，可有效地减少焊接应力。
（二）产生热裂纹的原因及防止办法
热裂纹产生的原因
热裂纹大多产生在非铸铁焊材的焊缝上，当焊缝为铸铁组织时，则不易产生热裂纹。这是因为铸铁的结晶区间小，液、固相转变快；加之铁水流动性好，所以焊缝为铸铁组织时，热裂纹倾向较小。当采用镍基焊材时，由于铸铁中含有较多的硫和磷，焊接时铸铁母材中的硫和磷熔入焊缝后与镍形成低熔点共晶，高熔点的镍基焊缝金属结晶后，这些低熔点的共晶在晶粒间呈连续分布，在焊接应力的作用下，晶粒间这些低熔点的共晶薄层就被拉裂，从而产生了热裂纹。
热裂纹产生的特征
热裂纹是在高温结晶过程中产生的，无金属开裂的响声。
热裂纹的断口因高温氧化而造成发蓝或发黑的氧化颜色。
防止热裂纹产生的工艺措施
由于热裂纹的产生与熔池金属中的硫、磷杂质的含量有关，因此为了防止热裂纹
的产生，必须控制铸铁母材向熔池中的熔化量，其工艺措施是：
在保证焊透的前提下，熔深越浅越好，即采用小焊接电流以减少熔深。修磨焊接部位，去掉尖角和尖锐棱边，坡口底部应呈. 形，这样可以减少母材在焊缝中的比例。
（!）采用具有抗热裂纹性能碱性焊条，焊接速度不宜过慢，焊条和焊枪尽量不要做横向摆动，以减少焊缝金属在熔融状态下的时间。
四、产生气孔的原因和防止办法
直气孔产生的原因
铸铁的含碳量很高。在焊接过程中，碳被氧化形成大量的一氧化碳气体，如果这些气体在冷却结晶时来不及析出，便在焊缝金属中形成气孔。另外，焊补区坡口内存在油、锈、污垢、水分以及焊条吸潮等都可产生气孔。
防止气孔产生的工艺措施
（"）焊接前严格清理坡口，除去焊补区表面的油、锈和污垢。可用角磨机打磨，也可用汽油或丙酮擦洗，或用气焊火焰烧，但温度要控制在$%%&以下。
采用气焊焊补时，要采用良好的熔剂，可保护熔池使铁水不被氧化。
焊条使用前要烘干，特别是碱件焊条和石墨化型焊条。
使用直流焊机时要反接。
五、焊缝金属与母材不熔合的原因和解决办法
焊补在高温条件下长期使用的铸件时，如柴油机排气管、气缸盖排气阀孔和锅炉片等，有时会出现焊液不润湿工件母材表面，即焊滴在母材上“打滚”而不与母材熔合的现象。这是由于灰铸铁在长期高温工作后，碳元素不断析出，基体组织由原先的珠光体( 铁素体组织转变为铁素体基体，石墨增多且不断长大为粗大片状石墨。由于石墨熔点高、量多又粗大，因此出现不熔合现象。又由于粗大片状石墨结构疏松，工作介质气体（如燃烧废气）容易进入基体组织，使基体金属进一步氧化，形成)等氧化物，这些氧化物熔点高，阻碍熔池金属与铸铁母材熔合。这种铸铁称为变质铸铁。
解决的办法是：采用电弧焊时，选用脱氧性强的焊条，其药皮中含有强脱氧元素，可使变质铸铁中的氧化物在一定程度上被还原，从而改善熔合性。也可采用气焊碳化焰焊补法。即采用碳化焰，内焰长度约为焰心的! 倍，用内焰端部烘烤焊补部位，开始时熔池中无清亮的铁水，有一些白色的氧化物，但维持数分钟后，熔池中的白色氧化物即可减少，提高了可焊性。这也是因为碳化焰具有脱氧还原性，使熔池中的氧化物一定程度上被还原的缘故。另外，还可采用金属扣合法进行修复，并且修复效果更加可靠。