灰口铸铁的焊接性

二、灰口铸铁的焊接性

灰口铸铁在化学成分上的特点是含碳量高和硫、磷杂质高，增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性。在快速冷却的条件下，结晶时间很短，石墨化过程不充分，致使熔合区，甚至焊缝上的碳常以化合物状态存在，形成白口及淬硬组织。此外，灰口铸铁在力学性能上的特点是强度低，塑性极低，加上焊接过程冷却速度快、焊件受热不均而形成较大的焊接应力，使灰口铸铁焊接时对冷裂纹和热裂纹的敏感性很大。故灰口铸铁焊接时的主要问题有两方面:一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织;另一方面是焊接接头易出现裂纹。

1．焊接接头易出现白口及淬硬组织

灰口铸铁电弧焊时，接头的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。在快速冷却下，石墨化难以进行，会产生大量的渗碳体，形成白口组织。在焊接接头不同部位，产生白口组织的概率不同。

同质材料焊接铸铁，焊缝成分与灰口铸铁成分相同。由于焊接时冷却速度快，焊缝主要为共晶渗碳体、二次渗碳体和珠光体组成，即焊缝基本上为白口组织。即使增大焊接线能量，白口组织也很难消除。若采用异质材料，如用低碳钢焊条焊接，第一层焊缝中母材成分熔合的比例大，相当于高碳钢成分，在快速冷却的焊接条件下，焊缝易形成脆硬的高碳马氏体组织。

熔合区很窄，温度处于液相线和固相线之间，为1150～1250℃。焊接时，部分铸铁晶粒已熔化，部分铸铁晶粒通过石墨中碳的扩散作用，转变成被碳饱和的奥氏体。由于一般电弧焊过程中，该区冷却速度很快，虽然此区的温度较高，但低于焊缝区，同时又与热影响区相邻，热传导给热影响区的速度很快，加快了冷却速度。因此，该区比焊缝更易形成白口组织和淬硬组织。

奥氏体区处于固相线与共析温度区间上限之间，加热温度范围为820～1150℃，此区无液体出现，加热时组织为奥氏体加石墨。由于奥氏体中含碳量较高，冷却较快时，会产生马氏体或贝氏体组织，硬度比母材高。

重结晶区很窄，加热温度范围为780～820℃。加热时部分组织转变成奥氏体组织，冷却过程中，奥氏体转变成珠光体，快速冷却时会出现马氏体。

2．焊接裂纹

灰口铸铁焊接出现的裂纹主要有冷裂纹和热裂纹两类。

(1)冷裂纹。

当焊缝金属为铸铁型(同质)时，焊接灰口铸铁容易出现冷裂纹。冷裂纹可发生在焊缝上或热影响区上，多在400℃以下温度产生，并多以横向分布。当温度高于400℃时，铸铁具有一定的塑性，同时焊缝承受的拉应力降低，产生冷裂纹的倾向较小。冷裂纹的产生与铸铁的性能和组织有关。灰口铸铁力学性能差，存在片状石墨，不仅削弱了基体组织的连续性，而且片状石墨的尖端极易成为裂纹源。焊接时，因接头的局部不均匀加热和冷却，焊缝在冷却过程中产生很大的拉应力，温度越低，产生的拉应力越大，在拉应力的作用下，石墨片的尖端呈严重的应力集中，当应力超过焊缝金属的强度时，使微裂纹发展成宏观裂纹，并可能扩展到整个焊缝横截面。

焊缝石墨化程度也影响冷裂纹的产生。焊缝石墨化不充分，存在白口层时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁大，更容易产生裂纹。如果焊缝石墨化过程进行得较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀，可以松弛部分焊接应力，有利于焊缝抗裂性。

焊补处的刚度、焊缝体积和焊缝长度对焊缝裂纹的敏感性有明显的影响。刚度大、焊缝体积大、焊缝长都将使焊接应力增大，促使裂纹的产生。

采用异质焊缝金属(如采用低碳钢或某些合金钢焊条)时，由于母材与焊缝金属性能的差别较大以及焊接工艺的影响，熔合区和热影响区产生较多的渗碳体和马氏体，裂纹主要出现在熔合区和热影响区交接处，沿熔合区开裂，多为纵向分布，也有横向或斜向分布的。

(2)热裂纹。

当焊缝为铸铁型时，若焊缝基体为灰口铁，一般对热裂纹不敏感。但采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊条时，焊缝易出现结晶裂纹，常见的热裂纹有火口裂纹、焊缝横向裂纹及沿熔合线焊缝内侧的纵向裂纹。采用镍基焊条焊接含碳及硫、磷杂质较高的铸铁时，硫、磷易与镍形成低熔点共晶体，增加了焊缝对热裂纹的敏感性。若采用氧化铁型焊条焊接灰铸铁，由于熔合比增大，母材中的碳、硫和磷大量溶入焊缝金属，形成大量铁的低熔点共晶体，同样易产生热裂纹。