棘手问题：HT300导轨面淬火后开裂后可以焊补吗？

StoneFeng

同行同学的一个棘手问题，他们在对一机床件进行淬火后发现导轨面开裂，用纯镍焊条根本焊不上，希望各位帮忙解决。愿以50热币答谢。

晨曦2008

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% W- m$ ]2 P1 k. l& n    灰口铸铁的补焊工艺和操作技术
  r( h7 v* w: K, r0 k一 前言
& H3 M8 p9 P& s6 |6 \- |　　灰口铸铁是铸铁中的一种，灰口铸铁的碳以片状石墨的形式分布于铸铁基体中，断面呈暗灰色，故称灰口铸铁。由于片状的石墨割裂了铸铁的基体组织，因此，灰口铸铁的抗拉强度低，缺乏塑性。灰口铸铁具有良好铸造性和切割性能，同时由于灰口铸铁中石墨以片状存在，它具有良好的耐磨性，抗震性和切削加工性并具有较高的抗压强度，故在工业上运用极为广泛。
　　灰口铸铁目前常以铸件的形式运用于生产，由于铸造工艺的特点，铸件往往存在着各种不同程度的缺陷，在生产现场中也有许多因各种原因而损坏的铸件。铸铁的焊接实际上就是对存有缺陷或者损坏的铸件进行补焊。所以铸件补焊具有很大的经济意义。
　　1.灰口铸铁的焊接性能较差，在焊接时容易出现下列问题
　　1.1焊后产生白口组织
　　在补焊灰口铸铁时，经常会在熔合区生成一层白口组织。产生白口组织的原因是：由于母材近缝区在焊接时受到高温加热，当受热温度860℃以上时，原来灰口铸铁中得游离状态的石墨开始部分也熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。当冷却时，一般认为在30-100℃/s的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是产生白口的主要原因。一般在窄小的高温度熔合区内，焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。防止白口产生主要措施是适当调整填充金属的化学成分和冷却速度。改善焊缝技术的化学成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定条件下防止焊缝金属产生白口。例如气焊用铸铁焊丝的碳，硅含量要比母材高（C3.0％－3.8％，Si3.6%-4.8%）特别是冷焊灰口铸铁时，焊丝中的含硅量可高达4.5％焊后缓冷和延长熔合区处于红热状态的时间，使石墨充分析出，这是避免熔合区产生白口的主要工艺途径。采取的具体措施是焊前预热和焊后保温。由于气焊时冷却速度较慢。因此。对于防止白口极为有力。
　　1.2 焊接街头出现裂纹
; }: b5 O$ y2 O3 ^$ ^. Y! B. u　　裂纹是焊接灰口铸铁的要问题，灰口铸铁焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能在基本金属即母材上。母材的裂纹一般出现近缝区，可能是纵向，横向或斜向的。由于灰口铸铁塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度又低，所以在焊接应力及铸件本身应力（组织应力）的共同作用下，当局部应力大于强度极限时，就产生裂纹。严重时，会使焊缝金属和母材分离，即焊缝从基本金属上脱离下来，即所谓剥离。如果焊缝强度较高而母材强度较低，或结合处产生白口时，由于白口铸铁收缩率（1.6％-2.％）比灰口铸铁收缩率（0.9％-1.8％）大，且塑性也差，故均产生剥离。焊缝金属内的裂纹，一般常见的是横向裂缝，有时也有纵向及斜向裂纹，在焊缝断口处没有高温氧化时常见的蓝颜色。裂纹生成时常发出清脆的金属开裂声。通常裂纹发生在热态焊缝金属的暗红色消失后，即600℃以下，直到焊缝与焊件整体温度均匀化之前。最容易发生裂纹的温度在400℃以下，通常这种在热应力和组织应力的共同作用下发生的裂纹称为热应力裂纹。
6 W4 U' X3 B, u2 g; s/ A　　（1） 焊前预热和焊后缓冷的措施：
　　焊前将焊件整体或局部预热和焊后缓冷不但能减少焊缝的白口倾向，并能减小焊接应力和防止焊件开裂。
　　（2） 采用电弧冷焊减小焊接应力的措施：
1 D3 ?+ W" J* a( o; v, q　　选用塑性较好的焊接材料，如用 镍,铜,镍 铜,高钒钢等作为填充金属，使焊缝金属可通过塑性变形松弛应力，防止裂纹；用细直准焊条，小电流，断续焊，分散焊的方法可减小焊缝处和基本金属的温度差而减小焊接应力；通过锤击焊缝可以消除应力，防止裂纹。
　　使焊缝冷却时能补受阻碍底自由收缩，从而避免用力过大而导致裂纹。
) u% F/ O6 l& l- u% h　　（3） 采用热焊法并控制好温度.
- n, \7 @/ e: z! a　　当温度高于600℃时,由于产生于一定的塑性变形.而使部分内应力得到消除,一般在600℃以上焊接时就不会产生热应力裂纹.
　　二 灰口铸铁的焊接性能较差，在焊接时容易出现下列问题
　　1. 焊后产生白口组织
) @  a' d; U  }: l# D  U　　在补焊灰口铸铁时，经常会在熔合区生成一层白口组织。产生白口组织的原因是：由于母材近缝区在焊接时受到高温加热，当受热温度860℃以上时，原来灰口铸铁中得游离状态的石墨开始部分也熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。当冷却时，一般认为在30-100℃/s的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是产生白口的主要原因。一般在窄小的高温度熔合区内，焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。防止白口产生主要措施是适当调整填充金属的化学成分和冷却速度。改善焊缝技术的化学成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定条件下防止焊缝金属产生白口。例如气焊用铸铁焊丝的碳，硅含量要比母材高（C3.0％－3.8％，Si3.6%-4.8%）特别是冷焊灰口铸铁时，焊丝中的含硅量可高达4.5％焊后缓冷和延长熔合区处于红热状态的时间，使石墨充分析出，这是避免熔合区产生白口的主要工艺途径。采取的具体措施是焊前预热和焊后保温。由于气焊时冷却速度较慢。因此。对于防止白口极为有力。
　　2. 焊接街头出现裂纹
% u$ W+ p( y9 R$ q　　裂纹是焊接灰口铸铁的要问题，灰口铸铁焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能在基本金属即母材上。母材的裂纹一般出现近缝区，可能是纵向，横向或斜向的。由于灰口铸铁塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度又低，所以在焊接应力及铸件本身应力（组织应力）的共同作用下，当局部应力大于强度极限时，就产生裂纹。严重时，会使焊缝金属和母材分离，即焊缝从基本金属上脱离下来，即所谓剥离。如果焊缝强度较高而母材强度较低，或结合处产生白口时，由于白口铸铁收缩率（1.6％-2.％）比灰口铸铁收缩率（0.9％-1.8％）大，且塑性也差，故均产生剥离。焊缝金属内的裂纹，一般常见的是横向裂缝，有时也有纵向及斜向裂纹，在焊缝断口处没有高温氧化时常见的蓝颜色。裂纹生成时常发出清脆的金属开裂声。通常裂纹发生在热态焊缝金属的暗红色消失后，即600℃以下，直到焊缝与焊件整体温度均匀化之前。最容易发生裂纹的温度在400℃以下，通常这种在热应力和组织应力的共同作用下发生的裂纹称为热应力裂纹。
2 T) a' n2 w; a# m0 }　　2.1 焊前预热和焊后缓冷的措施：
; I: @# ]) d3 B: [2 Y, W- H: Y5 {　　焊前将焊件整体或局部预热和焊后缓冷不但能减少焊缝的白口倾向，并能减小焊接应力和防止焊件开裂。
　　2.2 采用电弧冷焊减小焊接应力的措施：
　　选用塑性较好的焊接材料，如用 镍,铜,镍 铜,高钒钢等作为填充金属，使焊缝金属可通过塑性变形松弛应力，防止裂纹；用细直准焊条，小电流，断续焊，分散焊的方法可减小焊缝处和基本金属的温度差而减小焊接应力；通过锤击焊缝可以消除应力，防止裂纹。
/ F% T9 V1 {6 n, h0 x( a; L　　使焊缝冷却时能补受阻碍底自由收缩，从而避免用力过大而导致裂纹。
　　2.3 采用热焊法并控制好温度
; B, a4 c. o6 U1 {　　当温度高于600℃时,由于产生于一定的塑性变形.而使部分内应力得到消除，一般在600℃以上焊接时就不会产生热应力裂纹。
( I( Z5 j) J1 M" b, T4 L$ E　　三 灰口铸铁的补焊方法
　　灰口铸铁的补焊方法主要采用焊条电弧焊,气焊,钎焊.。.按照焊件在焊前是否预热可以把焊条电弧焊分为冷焊,半热焊 (预热温度400℃以下)和热焊(预热温度600-700℃).
! i& |) b9 H; {) n7 ?" K　　四 灰口铸铁的补焊工艺
　　4.1.1 冷焊法. 电弧焊冷焊法就是焊件在焊前不预热,焊接过程中也不辅助加热,因此可以加速焊补生产率,降低成本,改善劳动条件,减少焊件因预热时受热不均匀而产生的变形和焊件已加工面的氧化.目前冷焊法正在推广,并迅速发展.但是冷焊法在焊接后因焊缝及热影响区的冷却速度很大,极易形成白口组织.此外因焊件受热不均匀,常形成极大的内应力,会造成裂纹,在冷焊时应注意以下几点:
　　① 焊前应彻底清理油污,裂纹两端要打上裂孔,加工的坡口形状要保证便于焊补及减少焊件的熔化量.
: X* j# U. U1 Z0 h2 g' V3 u　　② 采用钢芯或铸铁芯的以外的焊条,小直径焊条应尽量用小的焊接电流,以减少内应力和热影响区的宽度.
+ Y% y. x! K3 f) W　　③ 采用短焊道焊接法.一般每次焊10-40mm,待其充分冷却后再焊.
　　④ 采用分段倒退焊.这样可以降低拉应力,对防裂有好处.
　　⑤每项焊一短焊道后,用圆头锤沿焊逢向外锤击.
　　冷焊焊条按焊后焊缝的可加工性分为两大类:一类用于焊后不需要机械加工的铸件,如钢芯铸铁焊条(EZCQ)，只适用小型薄壁铸件刚度不大部位的缺陷焊补；另一类用于焊后需要机械加工的铸件，如纯镍焊条（EZNi-1）镍铁铸铁焊条（ EZNiFe-1）镍铜铸铁焊条（ENiCu-1）等。
2 X3 Y$ @8 A# P( g) o　　4.1.2 热焊法
( \; h* R1 \" {$ `4 e0 d　　热焊法是在焊接前将焊件全部或局部加热到600-700℃，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高，工艺复杂，生产周期长，焊接时劳动条件差，因此应尽量少用。
　　4.2气焊焊补灰口铸铁的补焊工艺：
　　气焊火焰温度比电弧温度低得多，因而焊件的加热和冷却比较缓慢，这对防止灰口铸铁在焊接时产生的白口组织和裂纹都很有利。所以用气焊焊补的铸件质量一般比较好，因气焊成为补焊铸铁的常用方法。但气焊与焊条电弧焊相比，焊工的劳动强度高，焊件变形较大，焊补大型铸件时难以焊透。但由于气焊铸件的质量较好，易切削加工，使许多工厂中的中小型灰口铸件，还是较多用气焊焊补。
　　4.2.1 焊前准备
7 d' r8 x2 S" T4 s; y　　① 在焊件清除完毕后,检查缺陷.焊件上的缺陷可起码接观察,也可用10-20倍的放大镜查找.
　　② 裂纹找出后,在裂纹的两端钻直径φ4-6mm的 裂孔,以防止裂纹扩展.焊接灰口铸铁时可选用铸铁焊丝,丝401A或丝401B. 焊接时气焊熔剂选用气剂201,铸铁气焊熔剂熔点为650℃成碱性,能将铸铁气焊时产生的二氧化硅(熔点为1350℃)变为易熔的盐类.铸铁用气焊熔剂进行灰口铸铁补焊时,应选择较大号的焊炬,以提高焊接头焰效率,有利于气孔夹渣等缺陷.焊嘴孔径可根据焊补处的壁厚确定。.
8 |: Z( E- @1 k7 O. z3 m3 }* W* G　　4.2.2 操作技术
# p% i  x% m' j　　在气焊过程中,必须选用中性焰或弱碳化焰;在焊接结束时可用碳化焰使焊缝缓冷,这样可以减少碳和硅的烧损,消除过厚的氧化膜,防止白口冷硬现象;当消除缺陷的底部或开坡口时可用氧化焰.焊接时,在要基本金属熔化后再加入焊丝,以防止熔合不良;发现熔池中有小气孔和白亮点夹杂物时,可以往熔池中加入少量气焊熔剂,有助于消除平渣,但气焊熔剂不宜加入过多,否则反而容易产生夹渣,气孔;适当加大火焰的功率,提高熔池铁水温度,有利于气体及杂质浮起,因而能减少气孔,夹渣;操作时应注意火焰始终盖住熔池;加入焊丝时,经常用焊丝轻轻搅动熔池,促使气体,熔渣浮出;焊补将完毕时应使焊缝稍高于焊件表面,并用焊丝刮去杂质较多的表层面.由于表层内含杂质较多,冷却后硬度较高,所以,刮去表面层可提高焊缝的切削性能.
　　当补焊被焊区刚性较大或补焊石积较大,以及材质较差,组织疏松的铸件时,可采用热焊.焊后用石棉布或炭灰将铸件盖好,使焊缝缓慢冷却,以防止产生裂纹和白口组织.
　　五 结论
　　灰口铸铁采取合理的焊补工艺,可使焊件获得较好的切削性和致密性.所以灰口铸铁焊补只要焊补工艺得当,白口组织和裂纹的产生.

晨曦2008

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    铸铁焊补时产生裂纹的原因及预防措施

铸铁焊补时可能产生冷裂纹和热裂纹两种类型的裂纹。
; T+ [  n) k( ?: E　　(1)冷裂纹。冷裂纹可能出现在焊缝或热影响区上，并且发生在400℃以下。
　　当焊缝为铸铁型时，易于出现焊缝冷裂纹。裂纹发生时常伴随着可听见的较响的脆性断裂声音，焊缝较长时或焊补刚性较大的缺陷时，常发生这种裂纹。其产生的原因是：焊接过程中由于焊件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中受到很大的拉应力，由于铸铁强度低，400℃以下基本无塑性，当拉应力超过此时铸铁的抗拉强度时，即发生焊缝冷裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率(2.3%)比灰铸铁的收缩率(1.26%)大，故焊缝更易出现冷裂纹，特别是当焊缝强大大于母材时，冷却过程中母材牵制不住焊缝的收缩，结果在结合处母材被撕裂，这种现象称为“剥离”。
　　当焊接接头刚性大、焊补层数多，焊补金属体积大，使焊接接头处于高应力状态时，如焊缝金属的屈服点又较高，难于通过其塑性变形来松弛焊接接头的高应力，则焊接裂纹易于在热影响区的白口区或马氏体区产生，形成热影响区冷裂纹。
　　防止冷裂纹最有效的方法是对焊补件进行550~700℃的整体预热，其次是采用异质焊缝的焊接材料。
　　(2)热裂纹。当采用镍基焊接材料(如Z308、Z408、Z508焊条)及一般常用的低碳钢焊条焊补铸铁时，焊缝金属对热裂纹较敏感。产生的原因是：采用镍基材料焊补铸铁时，由于铸铁含S、P高，形成较多的低熔点共晶物，Ni-Ni3S2(熔点664℃)、Ni-Ni3P(熔点880℃)；采用低碳钢焊条焊补铸铁时，第一、二层焊缝会从铸铁溶入较多的C、S及P，因此使第一、二层焊缝的热裂程度增加。
防止产生热裂纹的方法是调整焊缝的化学成分，加入稀土元素，增强脱硫、脱磷的能力，减小熔合比，降低焊接应力等。