郑州科技学院
本科生毕业论文
文献综述
题 目：新型铸铁焊接材料------Z318焊
条焊接工艺的研究
专 业：机械设计制造及其制动化
班 级：机制本科六班
姓 名：李昱霖
指导教师：李凤云(教授)
所在学院：郑州科技学院
1. 概述
现如今，铸铁和铸铁的焊接件越来越多，而且铸铁具有成本低，铸造性能好，容易进行切削加工等优点，而且熔化设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用，特别是四十年代末，球墨铸铁问世以后，由于其机械性能接近铸钢，原先不少的铸钢及锻钢件现已为球墨铸铁所代替。所以铸铁的应用范围更广泛。
[1]工业上常用的铸铁实际上是含碳1.75%~4%的Fe —C —Si 三元合金。碳在铸铁中除少量溶解与金属基体之中外，大部分是以石墨或碳化物形式存在，根据碳在铸铁中存在的状态不同，可将铸铁分为灰口铸铁，可锻铸铁，白口铸铁和球墨铸铁。白口铸铁中的碳全部以渗碳体状态存在，断口呈白亮色，故称之白口铸铁，渗碳体性硬而脆，其硬度为HB800左右，无法机械加工，故白口铸铁在机械制造上很少应用，焊接这种铸铁的机会时很少的。
灰口铸铁，可锻铸铁及球墨铸铁中的碳基本以石墨状态存在，部分存在与珠光体中，但在这三种铸铁中，石墨存在的形式是不同的，灰口铸铁中的石墨是以片状存在的; 可锻铸铁（由白口铁经石墨化退火而得）中的石墨以团絮状存在；而球墨铸铁（铁水经球化剂处理）中的石墨以圆球状存在。由于石墨存在形式的不同，对基体性能消弱的作用有很大差异；故三种铸铁的性能有很大差异。在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁机械性能（强度及塑性）为最高，可锻铸铁次之。可锻铸铁的石墨化退火处理时间长，费用贵，故许多地方已为球铁所代替。
[2]焊接技术的发展趋势 1、提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力。2、提高准备车间的机械化，自动化水平是3、焊接过程自动化，智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向。 4、新兴工业的发展不断推动焊接技术的前进。当前世界先进工业国家的重点发展方向。5、热源的研究与开发是推6、节能技术是普遍关注的问题动焊接工艺发展的根本动力。
1.1铸铁焊接的主要应用：
[3]1.1.1 铸铁缺陷的焊补，
很多工厂都有铸铁车间，一般铸件的废品率都比较高，采用焊接方法修复
这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且可以大大降低铸件成本。
1.1.2已损坏铸件的焊补：
由于各种原因，铸铁件（如气缸，空气锤等）在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使产品报废。若要更换新的，有的新铸件一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机械加工的，价格也往往很贵，若能及时用焊接的方法修复，不仅有利于生产任务的完成，而且可以节约大批资金。
1.1.3零件的生产
即把铸铁件（主要是球墨铸铁件）与钢件或其他金属件焊接起来作成零部件。
2. 灰口铸铁的可焊性分析
2.1焊接接头
焊接接头易产生裂纹的原因的分析
[4]灰口铸铁在凝固冷却过程中对冷却速度很敏感，而且强度低，塑性性能很差，一般常用的电弧焊过程又具有冷却快及工件受热不均匀，焊接应力较大的特征，故焊接铸铁的主要问题是白口化及裂纹等问题。裂纹是焊接灰口铸铁的主要问题，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。
焊接接头产生裂纹的防止措施
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：
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。
（3） 采用热焊法并控制好温度.
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.
2.2焊接后产生白口组织
焊后产生白口组织原因分析
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
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。
3 焊条的分析
[5]焊条有药皮和焊芯两部分组成，焊芯的作用主要是导电，在焊条端部形成电弧。同时，焊芯靠电弧热熔化后，却形成具有一定成分的熔敷金属。药皮的主要作用，把涂料压涂到焊芯上称为焊条药皮，它便于焊接操作，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。药皮的主要作用：a 保证电弧的集中、稳定，使熔滴金属容易向熔池过度。b 在电弧的周围造成一种还原性或中性的气氛，以防止空气中的水分、氧和氮等有害气体进入熔池。c 生成的熔渣均匀的覆盖在焊缝金属表面，减缓了焊缝金属的冷却速度，并获得良好的焊缝外形。d 保证熔渣具有合适的熔点、黏度、密度等，使焊条能进行全位置焊接或容易进行特殊的作业，例如向下立焊等。e 药皮在电弧的高温作用下，发生一系列的冶金化学反应，除去氧化物及S 、P 等有害杂质，还可加入适当的合金元素，以保证熔敷金属具有所要求的力学性能或其他特殊的性能（如耐蚀、耐磨、耐热等）
4 纯镍焊条存在的问题
一 价格昂贵
二 焊接依然存在缺陷
三 资源短缺
5 本次毕业设计所要解决的问题
鉴于焊条的使用不同和现如今技术的缺陷，纯镍焊条的使用还不能完全代替。所以设计的方向就是改变焊条药皮的成分，以达到弥补焊接缺陷，降低焊接
成本，提高焊接质量的目的
参考文献
[1]张清辉，吴宪平，洪波. 焊接材料研制理论与技术. 冶金工业，2002（1）
[2]周振丰. 焊接冶金与金属焊接性. 机械工业，1987（9）
[3]刘会杰. 焊接冶金与焊接性. 机械工业，2007（3）
[4]韩国明. 焊接工艺理论与技术. 机械工业，2007（1）
[5]何少卿、吴国权. 焊条、焊剂制造手册. 化学工业，2009 （1）
[6]李丽. 焊接结构生产. 机械工业出版社，2008（3）
[7]王宗杰. 熔焊方法及设备. 机械工业，2006（12）
[8]中国机械工程学会焊接学会. 焊接金相图谱. 机械工业出版社，
[9]严绍华. 热加工工艺基础. 高等教育出版社，2004（1）
[10]汤酞则. 材料成形技术基础. 清华大学出版社，2008（7）
[11]大西洋焊接材料股份有限公司. 大西洋焊接材料. 2005
1987
郑州科技学院
本科生毕业论文
文献综述
题 目：新型铸铁焊接材料------Z318焊
条焊接工艺的研究
专 业：机械设计制造及其制动化
班 级：机制本科六班
姓 名：李昱霖
指导教师：李凤云(教授)
所在学院：郑州科技学院
1. 概述
现如今，铸铁和铸铁的焊接件越来越多，而且铸铁具有成本低，铸造性能好，容易进行切削加工等优点，而且熔化设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用，特别是四十年代末，球墨铸铁问世以后，由于其机械性能接近铸钢，原先不少的铸钢及锻钢件现已为球墨铸铁所代替。所以铸铁的应用范围更广泛。
[1]工业上常用的铸铁实际上是含碳1.75%~4%的Fe —C —Si 三元合金。碳在铸铁中除少量溶解与金属基体之中外，大部分是以石墨或碳化物形式存在，根据碳在铸铁中存在的状态不同，可将铸铁分为灰口铸铁，可锻铸铁，白口铸铁和球墨铸铁。白口铸铁中的碳全部以渗碳体状态存在，断口呈白亮色，故称之白口铸铁，渗碳体性硬而脆，其硬度为HB800左右，无法机械加工，故白口铸铁在机械制造上很少应用，焊接这种铸铁的机会时很少的。
灰口铸铁，可锻铸铁及球墨铸铁中的碳基本以石墨状态存在，部分存在与珠光体中，但在这三种铸铁中，石墨存在的形式是不同的，灰口铸铁中的石墨是以片状存在的; 可锻铸铁（由白口铁经石墨化退火而得）中的石墨以团絮状存在；而球墨铸铁（铁水经球化剂处理）中的石墨以圆球状存在。由于石墨存在形式的不同，对基体性能消弱的作用有很大差异；故三种铸铁的性能有很大差异。在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁机械性能（强度及塑性）为最高，可锻铸铁次之。可锻铸铁的石墨化退火处理时间长，费用贵，故许多地方已为球铁所代替。
[2]焊接技术的发展趋势 1、提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力。2、提高准备车间的机械化，自动化水平是3、焊接过程自动化，智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向。 4、新兴工业的发展不断推动焊接技术的前进。当前世界先进工业国家的重点发展方向。5、热源的研究与开发是推6、节能技术是普遍关注的问题动焊接工艺发展的根本动力。
1.1铸铁焊接的主要应用：
[3]1.1.1 铸铁缺陷的焊补，
很多工厂都有铸铁车间，一般铸件的废品率都比较高，采用焊接方法修复
这些有铸造缺陷的铸件，不仅有利于及时完成生产任务，而且可以大大降低铸件成本。
1.1.2已损坏铸件的焊补：
由于各种原因，铸铁件（如气缸，空气锤等）在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使产品报废。若要更换新的，有的新铸件一时无法解决，将严重影响生产任务的完成，而且成品铸件都是经过机械加工的，价格也往往很贵，若能及时用焊接的方法修复，不仅有利于生产任务的完成，而且可以节约大批资金。
1.1.3零件的生产
即把铸铁件（主要是球墨铸铁件）与钢件或其他金属件焊接起来作成零部件。
2. 灰口铸铁的可焊性分析
2.1焊接接头
焊接接头易产生裂纹的原因的分析
[4]灰口铸铁在凝固冷却过程中对冷却速度很敏感，而且强度低，塑性性能很差，一般常用的电弧焊过程又具有冷却快及工件受热不均匀，焊接应力较大的特征，故焊接铸铁的主要问题是白口化及裂纹等问题。裂纹是焊接灰口铸铁的主要问题，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。
焊接接头产生裂纹的防止措施
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：
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。
（3） 采用热焊法并控制好温度.
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.
2.2焊接后产生白口组织
焊后产生白口组织原因分析
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
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。
3 焊条的分析
[5]焊条有药皮和焊芯两部分组成，焊芯的作用主要是导电，在焊条端部形成电弧。同时，焊芯靠电弧热熔化后，却形成具有一定成分的熔敷金属。药皮的主要作用，把涂料压涂到焊芯上称为焊条药皮，它便于焊接操作，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。药皮的主要作用：a 保证电弧的集中、稳定，使熔滴金属容易向熔池过度。b 在电弧的周围造成一种还原性或中性的气氛，以防止空气中的水分、氧和氮等有害气体进入熔池。c 生成的熔渣均匀的覆盖在焊缝金属表面，减缓了焊缝金属的冷却速度，并获得良好的焊缝外形。d 保证熔渣具有合适的熔点、黏度、密度等，使焊条能进行全位置焊接或容易进行特殊的作业，例如向下立焊等。e 药皮在电弧的高温作用下，发生一系列的冶金化学反应，除去氧化物及S 、P 等有害杂质，还可加入适当的合金元素，以保证熔敷金属具有所要求的力学性能或其他特殊的性能（如耐蚀、耐磨、耐热等）
4 纯镍焊条存在的问题
一 价格昂贵
二 焊接依然存在缺陷
三 资源短缺
5 本次毕业设计所要解决的问题
鉴于焊条的使用不同和现如今技术的缺陷，纯镍焊条的使用还不能完全代替。所以设计的方向就是改变焊条药皮的成分，以达到弥补焊接缺陷，降低焊接
成本，提高焊接质量的目的
参考文献
[1]张清辉，吴宪平，洪波. 焊接材料研制理论与技术. 冶金工业，2002（1）
[2]周振丰. 焊接冶金与金属焊接性. 机械工业，1987（9）
[3]刘会杰. 焊接冶金与焊接性. 机械工业，2007（3）
[4]韩国明. 焊接工艺理论与技术. 机械工业，2007（1）
[5]何少卿、吴国权. 焊条、焊剂制造手册. 化学工业，2009 （1）
[6]李丽. 焊接结构生产. 机械工业出版社，2008（3）
[7]王宗杰. 熔焊方法及设备. 机械工业，2006（12）
[8]中国机械工程学会焊接学会. 焊接金相图谱. 机械工业出版社，
[9]严绍华. 热加工工艺基础. 高等教育出版社，2004（1）
[10]汤酞则. 材料成形技术基础. 清华大学出版社，2008（7）
[11]大西洋焊接材料股份有限公司. 大西洋焊接材料. 2005
1987