铸铁零件的常用焊接方法

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由于铸铁的一些优点，在汽车制造材料中占有很大的比重。铸铁零件大多是加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器壳体等。铸铁零件在制造及使用过程中，经常会出现裂纹、气孔、损坏等情况。据统计，汽车在正常使用情况下，这类零件达到磨损极限时，其尺寸变化只有0.08％～0.40％，质量损失只有0.1％～1.8％，此时将零件报废，无疑是非常浪费的。因此，研究和利用先进的修理经验，合理地修复铸铁零件是十分必要地。焊接就是一种非常有效地修复铸铁零件的方法。铸铁含炭量高、杂质多，并具有塑性低、焊接性差、对冷却速度敏感等特性， 焊补后容易出现白口组织和产生裂纹。为改善铸铁零件的焊补质量，可采取以下方法。
1．热焊法
焊前将工件整体或局部预热到600～700℃ ， 补焊过程中不低于400℃，焊后缓慢冷却至室温。采用热焊法可有效减小焊接接头的温差，从而减小应力，同时还可以改善铸件的塑性，防止出现白口组织和裂纹。
    常用的焊接方法是气焊和焊条电弧焊。气焊常用铸铁气焊丝，如HS401或HS402，配用焊剂CJ201，以去除氧化物。气焊预热方法适于补焊中小型薄壁零件。焊条电弧焊选用铸铁芯铸铁焊条Z248或钢芯铸铁焊条Z208，此法主要用于补焊厚度较大(大于10mm ) 的铸铁零件。
    热焊法的焊接设备主要有加热炉、焊炬、电炉(油炉或地炉)等，焊接工艺如下：
    1)焊前准备和预热：清除缺陷周围的油污和氧化皮，露出基体的金属光泽：开坡口，一般坡口深度为焊件壁厚的2／3， 角度为70°～120°；将焊件放入炉中缓慢加热至600～700℃(不可超过700℃)。
    2)施焊：采用中性焰或弱碳化焰(施焊过程中不要使铁水流向一侧)，待基体金属熔透后，再熔入焊条金属；发现熔池中出现白亮点时，停止填入焊条金属，加入适量焊剂，用焊条将杂物剔除后再继续施焊；为得到平整的焊缝， 焊接后的焊缝应稍高出铸铁件表面， 并将溢在焊缝外的熔渣重新熔化， 待降温到半熔化状态时，用焊丝沿铸件表面将高出部分刮平。
    3)焊后冷却：一般应随炉缓慢冷却至室温(一般需48h以上)，也可用石棉布(板)或炭灰覆盖，使焊缝形成均匀的组织， 同时防止产生裂纹。
2．冷焊法
    此方法是焊前不对工件进行预热，或预热温度不超过300℃。常用焊条电弧焊进行铸铁冷焊。根据铸铁工件的要求，可选用不同的铸铁焊条，如补焊一般灰铸铁零件非加工面选用Z100焊条，补焊高强度灰铸铁及球墨铸铁零件选用Zll6或Z117焊条。
    冷焊法的焊接设备为普通的电弧焊设备，焊接工艺如下：
    1)焊前准备：清除焊修表面的油污及杂质，使其露出基体的金属光泽：如果存在裂纹，应在裂纹两端各钻一个止裂孔， 以免施焊时裂纹延伸；沿裂纹开出坡口，其型式和大小由焊修部位的厚度和工艺要求而定。如果是大型铸件，还可以在焊缝处拧上一定数量的螺钉，使接头得到加强。螺钉直径一般不超过16mm(如果壁厚小于15mm，则螺钉直径应小于或等于6mm )，螺钉的数量可按断面面积计算， 即螺钉的总断面面积不大于铸件裂纹断面面积的25％ ， 且这些螺钉应均匀分布在裂纹两边。
    2)焊修规范的选择：焊条直径由焊修部位的厚度确定，一般应尽量选用小直径的焊条， 以减少输入焊件的热量：在保证焊条金属与基体熔合的情况下，焊修电流也应尽量选用小的， 以免焊件温度过高产生应力； 电弧长度一般是焊条直径的0．5～1．1倍， 以保证燃烧稳定：如果采用直流电源，则一般选焊件为负极，以免焊件受热，温度过高。
    3)操作工艺要求：一般应遵循“先内后外(先孔内，后机体外侧，再后机体上平面)、短段、断续、分散焊、多层多道(第一层焊完后，用砂轮在整个焊缝上磨去一些焊肉，检查确实不存在气孔、裂纹后再焊第二层；每层先从坡口两侧焊起，后焊中间)、小电流、锤击焊缝”的原则。
    ① 将整条焊缝分成若干小段，不可连续施焊，每段长度视焊件厚度而定，一般在10～50mm：每段焊完后，应冷却至室温再焊下一段：每个小焊波不要横跨到坡口两侧，这样有利于未焊部分自由收缩，并避免电弧在坡口两侧停留太久。
    ② 焊后金属温度在800℃左右时， 应锤击焊缝， 使其表面呈麻点状，以松弛焊接应力，清除裂纹和气孔：温度低于300℃ 时不能再锤击，以免产生冷脆裂纹。
    ③ 施焊中以直线划小圈式运条手法为佳，焊缝应与母材呈圆滑过渡，以利于焊缝应力走向。
3．加热减应焊法
    此方法是不事先加热焊件，而在施焊前和施焊中加热焊件的“加热减应区”， 使其不阻碍焊缝的收缩，从而减少内应力， 避免产生裂纹。加热减应区可选取一处或多处，其选取原则为：
    1)应是阻碍焊缝膨胀的部位。当该部位加热冷却时， 使焊缝有获得自由热膨胀和冷收缩的可能。
    2)应是与其它部位联系不多且强度较大的部位。
    3)自身的变形对其它部位应无很大影响，不至于因它的变形而损坏其它部位。
    在选择焊接方法时应注意以下原则：
    ① 针对不同的切削加工性、颜色、强度等选择不同的焊接方法。焊条电弧焊热焊法对于要求质量高、切削加工性好的铸件最适合，焊条电弧焊冷焊法则适宜于机加工的表面及不便于预热的大型铸件。
    ② 针对不同的焊件体积、形状、厚度及使用条件等选择不同的焊接方法。对于中小型薄壁零件(如气缸)采用气焊、冷焊、热焊均可，对于较大的零件应采用气焊热焊法。

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一般来说，铸铁是含2.5-4.5％碳，0.5-3.0％硅以及少量的硫，锰和磷的脆而多孔的铁碳合金，当熔融的铸铁被注入铸模并缓慢冷却时，碳以片状石墨的形式均匀的分布于整个铸件中。铸成的铸件是可以进行机械加工的，含有的石墨使铸铁件具有润滑性。正是铸铁中不同寻常的碳含量决定了铸铁主要的特性，并造成铸铁难以焊接。

铸铁是用途广泛的金属，它被铸成现代工业和商业装备的每一种主要设备的重要零部件，它在熔融状态下极好的流动性使它成为铸造和制造许多不同种类铸件（包括结构最复杂的铸件）的理想的金属。

但是，铸铁由于其物理性能和化学性能特殊，以前一直是最难以进行电弧焊的金属之一，由于万能770的开发成功，铸铁焊接的问题已经得到解决。

问题1：

在焊接过程中，铸铁和焊缝在加热时膨胀和在冷却时收缩产生了多向应力，由于铸铁是脆性的，这些应力趋向大于铸铁的抗拉强度，铸铁和焊缝便产生裂纹，这种破裂通常是在焊完后马上发生的。在其他情况下，这些应力被锁在里面。在以后的某一天，这些应力自己释放出来，就造成焊缝破裂。

万能770熔敷金属的高延展性以及均衡的屈服强度与抗拉强度比抵消了焊接金属在冷却时的收缩因素。于是，焊接金属与基体之间的结合在发生收缩时所受的影响就相对的比较小。

问题2：

普通铸铁焊条在其焊接电弧温度所传递的强烈又不均衡的热量，结合着焊接金属的四散流动，造成许多的碳或片状石墨熔入铁中，之后空气的冷却和热量耗散于周围的基体金属，使这些碳颗粒结晶，从而形成很硬的，不能进行机械加工的成为马氏体的组织。

万能770具有独特的合金成分和药皮，这种结合可在小电流情况下形成可控的，流动性特别好且流动均匀的熔敷金属。这就提供了热传导均匀，温度最低，流动性特别好和熔敷率高的因素。即为避免形成马氏体和获得完全进行机械加工的过度区所需要的全部因素。

问题3

铸铁的多孔性使它可吸收油脂，稀油和其他杂质。在焊接温度下，这些杂质变成气体，逸出的气体造成焊接金属气孔，降低焊缝强度，更容易因应力而损坏。

用化学-冶金法制造的万能770解决了与铸铁电弧焊有关的主要问题之一。药皮中的乳化剂和溶剂在焊接金属流动之前，冲刷掉基体金属的杂质，从而避免了杂质变成的气体造成气孔。

问题4

铸铁焊接的大问题之一是实际上世界的每一块铸铁都是不相同的，现在已有300种以上的常用铸铁。但是，这些铸铁还以许多不同的类型存在，因为每一种铸铁在铸模中的凝固情况随每个炉次的不同而异。所有生产用的焊条的供应商都供应许多不同种类的铸铁焊条。他们承认他们的焊条是生产焊接用的，通用性很小，这就是说，如果维修部门采用这些生产焊接用的焊条，则他们必须储存很多种不同的焊条，而且当他们需要焊接一件损坏了的铸铁件时，还有一个确定采用哪一种焊条的问题。

焊条供应商通常提供很多种焊条，包括：

焊接厚铸铁用的                   焊接薄铸铁用的

焊接磷含量高的铸铁用的           焊接其本身及焊缝都必须机械加工的铸铁用的

焊接脏的及变质铸铁用的           焊接要求高强度的焊接件用的

将铸铁和钢和各种其他材料焊接在一起的

现在工业上采用很多种铸铁，包括：

许多种灰口铸铁                     许多种改性铸铁

冷硬铸铁                           球墨铸铁

可锻铸铁                           各种其他铸铁

在一般的生产焊接中，焊接只能用于一种，或最多只用于几种的铸铁，某些焊条供应商供应8-10种不同种类的铸铁焊条。但是他们推荐每一种焊条只用于一种铸铁。

这对于生产焊接的用途来说是不成问题的，因为要焊接铸铁的生产厂从可获得的6-10种焊条中选择一种，就足以满足该厂由实验室确定的一种用途的需要。

在维修焊接的情况下，情况就完全不同了。维修人员不知道要他去焊接的铸铁是什么铸铁，在没有万能770的情况下，他必须储存8-9种铸铁焊条。以后当他要修复损坏的铸铁件时，他就遇到需要知道他面对的铸铁件的化学成分的问题。他必须决定选用这9种焊条中的哪一种。万能公司用万能770这种焊条解决了这一问题，因为用它可以焊接所有种类的铸铁。

万能770被认为是为铸铁开发的最惊人的产品，因为：

1）  它可焊接所有的铸铁

2）  它完全可以进行机械加工

3）  它具有超长的强度

4）  它的延伸性能至少为镍型焊条的两倍

5）  它有不平常的药皮，可使它与脏的铸铁结合牢固

6）  它具有高的抗裂性

7）  它能将钢与铸铁焊接在一起

8）  它可成功地用于焊接厚的和薄的铸铁

9）  万能770的颜色与铸铁颜色大体相同

10）    万能770可在所有的部位和所有的条件下进行焊接，因此，它是铸铁维修焊接用的理想焊条。