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大型铸铁件的焊接修复技术与工程应用

铸铁是应用较早的结构材料，许多机械设备的零件都采用铸铁制造，同时铸铁件的补焊修复仍是经常遇见的问题。
1．铸铁的分类及其典型材料
铸铁是含碳量大于2％的铁碳合金，一般含有硅、锰元素及硫、磷杂质，有时还加入不同的合金元素，以便获得具有不同性能的铸铁。按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、白口铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。
使用较多的铸铁有灰铸铁和球墨铸铁，如灰铸铁中的HT150(HT15－33)符合GB/T9439－1988，球墨铸铁中的QT500－7(QT50－5)和QT60－2)符合GB/T1348－1988，以上三种典型铸铁都是比较常见的材料，三种铸铁化学成分、力学性能分别见表1、表2。
表1三种铸铁的化学成分（质量分数）％
材料CMnSiSPMgReHT1503.0～3.40.5～0.81.8～2.1≤0.12≤0.20－－QT500－73.6～3.8≤0.62.5～2.9≤0.025≤0.0800.030～0.0500.030～0.050QT600－33.6～3.80.5～0.72.0～2.4≤0.025≤0.0800.035～0.0500.025～0.450表2三种铸铁的力学性能
材料Rm(MPa)ReL(MPa)A(%)HBS主要金相组织HT150≥145－－150～200珠光体+铁素体QT500－7≥5003207170～230铁素体+珠光体QT600－3≥6003703190～2702．铸铁的焊接工艺特点及焊接材料的选用
（1）铸铁焊接时的主要问题
1)焊接接头易出现白口和淬硬组织。由于焊缝金属冷却速度快，不同于铸铁在型砂中的冷却速度，并有部分铸铁母材熔入焊缝，使焊缝的含碳量增高，热影响区的半熔化区和焊缝易产生马氏体淬硬组织，而母材易产生白口组织等性能较差的组织。
当焊缝化学成分为铸铁是地，为了保证铸铁中的碳以石墨形式析出，避免产生白口铸铁，应采取适当的焊前预热工艺措施，减慢焊缝的冷却速度，调整焊缝化学成分，增强焊缝石墨化能力，防止母材中的碳过渡到焊缝中而产生马氏体组织。在冷却过程中铸铁能否析出石墨，主要取决于焊缝化学成分和冷却条件。
2)铸铁焊接是地，焊接接头易出现冷裂纹和热裂纹。冷裂纹通常在400℃以下出现，产生原因是由于铸铁塑性差和焊接拘束应力的共同作用。热裂纹是因低熔点共晶和结晶过程中焊接应力的作用产生的，与硫元素含量有关，多发生在采用镍基和低碳钢焊接材料的异质焊缝金属中。
（2）铸铁焊接的工艺特点
铸铁的焊接工艺一般分为热焊、半热焊、冷焊三种工艺，不同的焊接工艺选用的焊接材料各不相同。
1)铸铁热焊工艺是将铸铁件整体或局部预热至600～700℃，并在焊接过程中保持温度，焊后趁红热状态覆盖石棉粉或其他保温材料，缓慢冷却，有利于石墨析出。热焊方法的优点是降低焊缝与母材的温差，从而降低焊接接头应力水平，有利于防止裂纹产生，避免产生白口及淬硬组织。
2)铸铁半热焊工艺是将铸铁件整体或局部预热到300～400℃，并在焊接过程中保持温度。半热焊方法改善了施工条件，降低了焊接成本，但焊缝抗裂性能下降。
3)铸铁冷焊工艺一般焊前不进行预热，当环境温度较低或焊接拘束较大时，焊前可以预热100～150℃，铸铁冷焊时往往要采用特殊的焊接材料和必要的工艺措施。
（3）铸铁焊接时的焊接材料选择
1)铸铁热焊和铸铁半热焊可以选用铸铁芯的同质焊缝焊接材料，如EZC(Z248)、EZCQ(Z258)焊条；或选用低碳钢芯的异质焊缝焊接材料，如EZFe－2(Z100)、EZC(Z208)、EZCQ(Z238)焊条。
2)铸铁冷焊一般采用异质焊缝焊接材料，即焊缝化学成分与母材成分不相同，包括钢基、镍基和铜基三类焊接材料。如钢基焊条EZV(Z116、Z117)、EZFe－Fe)，镍基焊条EZNi－1(Z308)、EZNiFe－1(Z408)，铜基焊条EZNiCu－1(Z508)。
镍基焊条的焊缝硬度低，半熔化区白口组织薄，且呈断续分布，镍基焊缝的颜色与铸铁母材接近，使用比较广泛，但采用镍基焊条生产成本高。EZNi－1(Z308)焊条是纯镍焊芯，石墨型药皮，焊缝金属具有一定的强度和塑性，半熔化区白口宽度仅为0.05mm，焊后可进行切削加工，主要用于切削加工表面的焊接。EZNiFe－1(Z408)焊条是镍铁合金焊芯，石墨型药皮，焊缝金属抗裂性能优于纯镍和镍铜焊条，半熔化区宽度为0.1mm，焊缝金属抗拉强度高。EZNi-1(Z308)和EZNiFe－1(Z408)镍基焊条的焊缝金属化学成分力学性能见表3。
表3EZNi－1、EZNiFe－1焊条的焊缝金属化学成分、力学性能
焊接材料化学成分（质量分数）（％）力学性能CMnSiSNiFeRm(MPa)HBSEZNi－1(Z308)≤2.0