球墨铸铁的焊接工艺特点

时间：March 21, 2020  |   点击： 2422

球墨铸铁焊接主要是铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁的焊接，而奥-贝球墨铸铁应用的增多也要求解决相应的焊接材料和焊接工艺。

球墨铸铁由于含有球化剂，加剧了焊缝和半熔化区液相金属的过冷倾向，促进形成白口铸铁。球化剂元素还增加奥氏体的稳定性，促进奥氏体区形成马氏体组织。因此，球墨铸铁的焊接性比灰铸铁差。铁素体球墨铸铁的抗拉强度为400-500MPa，伸长率高达10%~18%；珠光体球墨铸铁抗拉强度提高到600~80MPa，伸长率下降到2%~3%；铁素体+珠光体混合组织的球墨铸铁，力学性能处于二者之间。球墨铸铁良好的力学性能对焊接提出了较高要求。近年来国内外推广应用铸态铁素体球墨铸铁，也向焊接领域提出了在焊态下获得纯铁素体基体球墨铸铁焊缝的要求。此外，球墨铸铁力学性能接近于钢，焊接方法不仅用于球墨铸铁件铸造缺陷的修复，还用于球墨铸铁与其他金属之间的焊接结构制造。

 1.气焊

由于气焊具有火焰温度低、焊接区加热及冷却缓慢的特点，对降低焊接接头的白口及淬硬组织形成倾向有利。另外，可以减少球化剂的蒸发，有利于保证焊缝获得球墨铸铁组织。

有些气焊用球墨铸铁焊丝含有少量球化剂，球化剂分为轻稀土镁合金和钇基重稀土合金两种。用不同球化剂的球墨铸铁焊丝进行小缺陷气焊焊补时，由于熔池存在时间短，焊缝均球化良好。但焊接较大缺陷时，熔池存在时间较长，由于钇的沸点高，抗球化衰退能力强，更利于保证焊缝石墨球化，实际应用较多。所谓球化衰退是指焊接熔池停留一定时间后球化效果下降甚至消失的现象。

气焊球墨铸铁焊态下组织为珠光体+铁素体+球状石墨，工艺合适时半熔化区无白口。由于焊接熔池体积小，冷却速度快，与球墨铸铁母材相比，焊缝中的球状石墨尺寸较小，但数量较多，这也与球化剂中含有的硅、钙等元素的孕育作用有关。增加了石墨形核的异质核心，使球状石墨数量增加。焊后经正火热处理，焊接接头的抗拉强度为622MPa，伸长率为2.7%，可以满足珠光体球墨铸铁的力学性能要求。焊后经退火热处理，焊接接头的抗拉强度为467MPa，伸长率为10%，可以满足铁素体球墨铸铁的力学性能要求。

按照传统球墨铸铁铸造生产工艺，铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁都是通过对铸态球墨铸铁件进行相应的热处理获得的。这种条件下，焊补工艺一般安排在铸造清砂之后，工艺要点是防止焊接接头裂纹，焊后热处理与铸件的整体热处理同时进行。铸造及焊补工艺流程为：铸造→清砂→焊补→热处理→机械加工→检查出厂。

随着铸造技术的进步，可以在铸态下直接获得铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁，这就要求焊态下也要得到铁素体或珠光体球墨铸铁焊缝。在气焊条件下，通过选用合适的焊丝，工艺方面注意控制焊缝金属的冷却速度，可以避免焊缝白口，获得接近珠光体球墨铸铁的焊缝组织并防止裂纹。对于铸态铁素体球墨铸铁件，研究表明，可以通过加强对焊缝金属孕育处理，形成更多的异质石墨核心，并加强石墨化，得到焊态铁素体焊缝金属。例如，焊缝化学成分为：W_C=3.34%、W_Mn=0.4%、W_RE=0.073%、W_S=0.015%、W_P=0.026%，当W_Si≥3.40%时，能可靠地消除焊缝中的共晶渗碳体。继续少量增加焊缝金属含硅量，铁素体增多，珠光体减少，且石墨球数量增加。加入少量铝，由于Al₂O₃可以作为球状石墨的异质核心，使基体组织中铁素体又有所增加，焊缝中铝的质量分数为0.27%较好。再往球墨铸铁焊缝金属中加入微量铋（W_Bi=0.009%~0.012%），由于Bi与Ce能形成高熔点的金属间化合物Ce₄Bi₃、CeBi、Ce₃Bi，熔点分别为1630℃、1520℃、1400℃，它们都可以作为球状石墨的异质核心。利用铋的球化和孕育作用，使石墨球数明显增加，基体组织含碳量减少，仅出现少量珠光体，可以认为焊态焊缝已经成为铁素体球墨铸铁。观察焊接接头的半熔化区和奥氏体区，未出现白口和马氏体组织。

在上述基础上，可以用少量铜、锰、镍、锡等元素，对球墨铸铁焊缝合金化，在焊态下可以获得珠光体球墨铸铁焊缝。

气焊的缺点主要是焊接生产率较低。

 2.同质焊缝（球墨铸铁型）电弧焊

由于母材和焊接材料中都存在一定量的球化剂，严重阻碍石墨化，焊条电弧焊时焊缝和半熔化区容易出现白口铸铁。这不仅影响焊接接头机械加工性能，而且促进焊接接头出现裂纹。因此，要求完全避免白口需要高温预热（如700℃）。如果焊后铸铁件要进行整体热处理，可以考虑较低温度预热（如500℃）。由于高温预热消耗能量大，焊补条件差，故采取冶金和工艺措施，以期在不预热焊接条件下获得无白口的球墨铸铁焊接接头，是焊接工作者努力的方向，许多国家都进行了研究，取得了一些进展。
我国采用的球墨铸铁焊条型号为EZCQ，制造方法有两种：一是采用铸铁焊芯外涂强石墨化药皮（Z258），二是采用低碳钢焊芯外涂强石墨化药皮（Z238），药皮中加入适量球化剂。球墨铸铁焊条在使用时，要求将母材预热到500℃以上，焊后保温缓冷。

球墨铸铁焊条电弧焊的困难在于：

1）很难获得石墨稳定球化的焊缝。电弧温度很高，而所有的球化元素熔点、沸点都较低，容易蒸发，且与氧的亲和力很强，易氧化，难以稳定过渡到熔池中；熔池温度也较高，随着熔池存在时间增长而氧化、蒸发；空气、水分也会从坡口间隙、裂缝间隙侵入熔池加剧氧化，球墨铸铁熔池液体金属流失或倾倒出来会立即剧烈燃烧发光就是证明。

2）已知的球化元素都增大白口倾向，在石墨球化的同时促进焊缝白口。
如何防止石墨球化元素在焊接时的蒸发氧化，提高熔池抗球化衰退能力、减小白口倾向，成为研制高球化稳定性、低白口倾向同质铸铁焊条的关键。我国于20世纪80年代初研究采用强脱氧、强脱硫、强孕育来达到石墨球化稳定、白口倾向小的目的。由于将强烈阻碍石墨化和阻碍球化的元素S降低到很低的水平，并限制了白口倾向较大的球化元素的加入，选择采用C、Si、Al、Ca、Ba、Ce等强脱氧元素或兼有强脱硫能力，因而也有强孕育能力，并试验确定了合适的含量或加入量，不仅稳定了球化，而且由于石墨结晶晶核数量大增，球状石墨也相应增加，白口倾向大为降低。

为了符合球墨铸铁焊接的要求，加入微量球化元素可获得稳定的球状石墨。当用稀土镁时因Mg的沸点仅为1107℃，大部分蒸发氧化，焊缝中Mg残留含量不稳定而且很低，有时其质量分数小于0.009%；而以Ce为主的轻稀土因Ce沸点高达2930℃，蒸发量少得多，在强脱氧脱硫条件下过渡较多而稳定，其质量分数在0.01%~0.02%之间，实验证明在这样微量条件下没有增大白口倾向。Ce也生成CeO₂、CeS作为石墨结晶核心，还可以促进石墨化。但用重稀土Y做球化元素时，虽然同样可达到稳定球化的效果，力学性能也很好，但白口倾向有所增大。

使用Ce-Ca-Ba三元合金球化剂时，钙和钡与硫和氧的亲和力大，容易形成相应的硫化物和氧化物，可以作为石墨的结晶核心起孕育作用，使焊缝中石墨球数增加，基体组织中铁素体增多，莱氏体减少。铝是最强的石墨化元素，在球墨铸铁焊缝中加入适量铝，由于共晶转变的含碳量降低而转变温度升高，促进碳以石墨形式析出。铝的氧化物也可以作为球状石墨结晶核心起孕育作用，结果使球状石墨数量成倍增加，焊缝基体组织中铁素体量增加。以这种技术路线研制的球墨铸铁焊条（Z268），其石墨化能力与RZCQ-1及RZCQ-2焊丝气焊球墨铸铁相当，而略逊于Z248焊补灰铸铁。

对于厚大件球墨铸铁的不预热连续焊，随着缺陷尺寸变小焊缝硬度会升高，所以，只能在一定的结构、刚度、壁厚条件下采用不预热焊。

3.异质焊缝（非球墨铸铁型）电弧焊

球墨铸铁同质焊缝焊条电弧焊时，焊接材料价格较低，但一般要求高温预热，缺陷体积较小时，采用不预热焊难以保证焊补质量。因此，可以将一些力学性能好的灰铸铁异质焊接材料用于球墨铸铁电弧冷焊，如镍铁铸铁焊条和高钒铸铁焊条。特别是制造球墨铸铁与球墨铸铁、墨铸铁与其他金属焊接结构件的发展，进一步推动了镍基铸铁焊接材料和工艺的发展。

高钒铸铁焊条（EZV型）的焊缝组织对冷却速度不敏感，细小的碳化钒（V₄C₃）对铁素体的弥散强化作用使焊缝金属具有较好的力学性能，可以满足多种球墨铸铁对焊缝金属的力学性能要求。但是，焊接接头半熔化区白口铸铁层较宽，焊缝底部有一条碳化钒颗粒组成的高硬度带状组织，使接头加工性差，只在非加工面缺陷焊补时有一些应用。

球墨铸铁异质焊接材料主要采用镍铁铸铁焊条（EZNiFe型），第一层焊缝金属中镍的质量分数约为40%，线胀系数较小，有利于降低焊接应力防止裂纹。在镍基铸铁焊条中，该焊条抗热裂纹性能最好，力学性能最高，但用于球墨铸铁电弧冷焊，焊缝的力学性能仍需提高。例如，焊接QT400-18球墨铸铁时塑性不足，焊接QT600-3球墨铸铁时抗拉强度不够。市场销售的镍铁铸铁焊条成分差别较大，用于灰铸铁焊接时，对焊缝力学性能要求不高都可以用，用于球墨铸铁焊接时应注意选用质量好的镍铁焊条。

研究C-Fe-Ni三元合金焊缝的热裂纹敏感性时，得到焊缝中碳的质量分数为2.38%时抗热裂纹性能好。由于含碳量较高，碳以石墨形式析出，石墨呈点片状存在时，焊缝强度必然较低。因此，提高镍铁铸铁焊条的抗热裂纹性能及其焊缝金属的力学性能，关键是使焊缝具有合适的稀土含量，利用其球化作用促使石墨呈球状析出。

经过试验研究，具有球状石墨的焊缝金属抗拉强度达到430MPa，伸长率高达22.7%，完全可以满足QT400-18球墨铸铁的力学性能要求。在焊缝金属中加入适量的碳化物形成元素钛和铌，将在奥氏体基体中弥散析出很多TiC、NbC小颗粒，同时细化奥氏体晶粒，这种奥氏体+碳化物小颗粒+球状石墨混合组织的焊缝金属，抗拉强度达到600MPa，伸长率仍较高，满足QT600-3球墨铸铁的力学性能要求。但QT600-3球墨铸铁母材的屈服强度为420MPa，而焊缝的屈服强度较低为340MPa，对焊接接头进行拉伸试验发现焊缝先屈服，由于变形集中在焊缝区域使得接头的抗拉强度下降。再加入其他合金元素可以进一步提高焊缝金属的屈服强度。但是，由于焊缝为多种合金元素强化的C-fe-Ni奥氏体，与母材成分差别大，在焊缝底部存在一个成分变化大的区域—未完全混合区，该区为焊接接头的一个薄弱环节，限制了焊接接头强度的提高。另外，半熔化区白口层也使得焊接接头力学性能下降。

镍铁铸铁焊条用于球墨铸铁焊接结构件制造时，由于生产率低，焊条头丢弃使材料成本增加，以及焊条红尾影响焊接质量等原因，工业发达国家发展了适用于自动焊接的药芯焊丝和实芯焊丝。 ERZNiFeMn型实芯气体保护焊丝和ET3ZNiFe型药芯焊丝均可用于球墨铸铁自动焊接。药芯焊丝直径多为2.4mm，实芯焊丝常用直径为0.8~1.2mm。药芯焊丝可以用CO₂气体保护或自保护，焊接电流为330~380A，熔敷效率较高，但半熔化区白口较宽。实芯焊丝用氩气保护，常用电流在100A左右，焊接熔滴为短路过渡，焊接热影响区很窄，接头加工性良好。为了提高自动焊接效率并防止裂纹，最好将球墨铸铁件预热到315~350℃。