对铸铁冷焊工艺关键问题的研究与对策

摘要：本文就一些铸铁冷焊工艺的可行性进行了理论分析、模拟实验，找出了冷焊成功的关键所在，介绍了为达到各种不同性能要求的焊缝，在进行冷焊时所采取的一些行之有效的措施。

关键词 :铸铁冷焊 ；焊接应力； 焊接工艺；裂纹；淬硬组织;气孔；

中图分类号： P755.1文献标识码： A

易产生白口及淬硬组织，易产生裂纹和气孔，是铸铁冷焊工艺中最有代表性的缺陷。随着科学技术的发展，新的焊接材料不断出现，冷焊工艺也随之发展起来，在焊接材料的选用、焊接工艺的制定上各家都有独到之处。为进一步总结焊接成功的经验，很有必要对其机理进行研究。现就一些文章中所登的把铸件浸泡在水中，在强制冷却的条件下，采用普低钢焊条（φ2.5~φ3.2E4303）进行焊修的可行性进行讨论。

1理论分析

铸铁冷焊的成功与否，关键在于对白口层及裂纹的控制，因此焊接材料的选择，焊接工艺的制定主要是围绕这两个问题进行的。

白口组织的多少与化学成分和冷却速度有直接关系。石墨化元素不足，冷却速度过快，都是促进白口产生的因素。实践证明，冷却速度的影响较化学元素的影响更大。

裂纹（冷裂纹）的产生与焊接应力的大小及淬硬组织的多少、分布状况有关。应力是根本原因，淬硬组织是必要条件，经测试焊缝金属中心区的 温度与应力关系如图1，从测试图可看出在850℃ 以下开始产生平均应力。在600～700℃之间因发生相变出现某些应力缓和，此后随着温度的降低拉应力直线增加[1]。

当化学元素一定时，冷却速度快有利于白口组织的产生。

有些人试图通过强制性“水冷焊接”达到减少白口及冷裂目的，实际上水冷所能达到的是提高热影响区的冷却速度。可见这种做法只会有利于白口及淬硬组织的产生，同时可能伴随裂纹的出现。

焊缝中热的传播主要靠表面放热和壳体内导热，表面放热包括对流换热和辐射换热。对于较大铸件，使用特定焊接工艺方法，可以通过几种热交换的数值分析[2]来比较水冷焊效果。

壳体内部导热

按文章所说“将铸件放在水里焊补（焊缝露出水面8～12mm）时，导热首先是沿着有焊缝的上平面向四周扩散，然后传到侧面，经8～12mm后，才与水接触。根据大壳体瞬时冷却速度计算公式：

则有：

λ：壳体导热系数，T：某一瞬时温度，T0：室温，q/v：焊接线能量（J/cm））

根据文中所说的条件T空=T水（在同高温时，开始比较空气和水冷条件下时的冷却速度）有：

T0空=T0水（同一室温）；(q/v)水=(q/v)空（同样线能量）

λ水代表在水冷焊时铸铁的导热系数，λ空代表在空气中焊壳体时铸铁的导热系数。

同种材质当温度不同时其导热系数不一样，但按文章所说的特定焊法，传到侧壁8～12mm后的温差很小（用表面温度计测得），故λ水≈λ空。说明从壳体内部导热这方面，在水中和空气中的冷却速度变化不大，没有明显作用。

辐射换热

辐射换热比热流量：qr(卡/公分·秒)

式中εC0为比例系数，其中C0为常量，且C0=1.373x10-4卡/公分2·秒·K4，ε为黑度系数，T0为室温，在水冷、空冷焊时εC0、T0都是一致的。T为焊件被加热的温度。由于采用上述焊接方法，对于较大铸件，在接近水面部位温度基本一致（表面温度计所测），接近室温，此时水的对流交换作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比热流量近似相等。说明在辐射热方面水冷起不到使大铸件快速冷却的效果。

对流换热

对流换热比热流量qk（卡/公分2·秒）

式中：T为固体表面温度，T0为初始温度，αk为对流放热系数（卡/公分2·秒）。

铸件在空冷焊时，全部与空气对流换热；在水冷时，低于焊缝8～12mm的部位是与水进行对流换热（即泡在水中部分），而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以两种焊法空冷部分的qk值可以看成是一样的。对于较大的铸件，在8～12mm以下部分，温度不会有明显升高（由表面温度计测得），即T≈T0≈室温，此时即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在这种焊接方法情况下，在焊缝以下8～12mm的部位因温度上升很少，无论是空冷、水冷对流换热都不明显。

通过以上的理论分析，不难看出，对于大型铸件，采用文章所说的焊法，水冷实际上没有效应，企图通过这种方法提高冷却速度“控制母材的熔化量”是很难做到的。对于一些小型铸件，水冷还是有效的，确实提高了冷却速度，但这是有害作用，是应防止的。它不但增加了白口层厚度，增加了淬硬组织，而且还极易产生裂纹和气孔。

2 实验结果与分析

为能进一步说明问题，我们完全按照文章所介绍的方法进行模拟试验。采用文章所介绍的φ结422焊条。采用了三组不同体积的铸件进行焊接，绘制热循环曲线图，分别比较水冷、空冷效应。最后观察焊道横断面的金相组织，进一步分析水冷效果的利弊。

2.1热循环曲线

（1）管材这是用来代表小体积的。管材外径80mm，壁厚6mm，长150mm。在水冷焊时只露出顶部10mm（这是按文章要求所做）。焊接参数：电弧电压20V；焊接电流：90A；室温：25℃；焊道长：25mm，焊接时间：10秒。其热循环曲线如图2。

（2）壳体 这是代表中体积的（东方红-75正时齿轮室盖）。焊接参数：焊接电压20V；焊接电流：90A；室温：25℃；焊道长：27mm，焊接时间：11秒。其热循环曲线如

图3。

（3）缸盖 这是代表大体积的（东方红-75的缸盖）。焊接参数：电弧电压20V；焊接电流：90A；室温：25℃；焊道长：26mm，焊接时间：10秒。其热循环曲线如图4。

通过以上三种不同大小的铸件，在不同的冷却条件下，按基本相同的参数进行焊接，可以看出以下问题：①对于小铸件，水冷比空冷速度快；②对于大铸件，水冷效果不明显。

2.2 金相分析

通过金相组织分析（如表1）可以看出：①同一铸件在水冷条件下焊接产生的白口组织及马氏体多；②铸件越大，水冷对组织的影响越小。

表1金相组织

组织 部位 焊缝区组织 半熔合区组织及

白口层厚度（mm） 母材组织

缸盖 空冷 P+F+S+M少+A残余 Lα断续 =0.08 F+P+C片

水冷 P+F+S+M少+A残余 Lα断续 =0.102 F+P+C片

壳体 空冷 P+F+S+M少+A残余 Lα断续 =0.075 F+P+C片

水冷 P+F+S+M少+A残余 Lα断续 =0.086 F+P+C片

管材 空冷 P+F+S Lα断续 =0.08 F+P+C片

水冷 P粒状+F少+S+M+A残余 Lα断续+M大量=0.08 F+P+C片