电弧冷焊在球墨铸铁管道生产中的应用
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摘要：通过对球墨铸铁焊接性的分析，确定采用异质材料的电弧冷焊工艺方法， 成功地对离心式双法兰铸铁管道进行了焊接，使焊接
法兰式铸管的批量生产成为可能。
关键词：球墨铸铁； 异质焊缝； 电弧冷焊
中图分类号：tg457．6 文献标识码：b
铸铁是机械制造业中使用最多的铸造材料，与钢相比，虽
其力学性能较低，但却有优良的耐磨性、减震性、铸造性和可
切削性，因此在工业生产中得到广泛应用。但是铸铁的碳含量
很高，焊接性较差，使得铸铁在焊接结构中的应用受到很大的
应用越来越广泛，为了改变以往子母口对接承受压力低的缺
陷，现在普遍采用承受压力高的双法兰铸铁管道，而这种结构
在铸造生产线上生产，工艺复杂，而且质量难以保证，所以采
用焊接结构就成为解决这一大难题的出路，本厂长期从事铸铁
管道的焊接．下面就双法兰铸铁管道的焊接工艺与过程进行分
析介绍，其结构示意图如图l所示。
z
。么
才
圈1 离心式双法兰铸铁管道结构示意圈
2
1 球墨铸铁焊接性分析
铸铁管道及法兰均为球墨铸铁，液态铸铁在浇注前加入
适量球化剂处理．使碳主要以球墨的形态存在于铸铁中。球
状石墨对基体的割裂作用比团絮状小， 在相同基体的情况
下，其力学性能(包括抗拉强度、塑性和韧性)是所有铸铁
中最高的。
球墨铸铁的焊接性与常用灰铸铁的基本相同，焊接接头容
收稿日期：20__—11-27：修回日期：20__—06—15
易产生白口、淬硬组织及焊接裂纹。但由于其化学成分和力学
性能不同，因而又有其自身的特点：①球化剂的存在大大增加
了铁液的过冷倾向，使焊缝和熔合区更容易形成白口和淬硬组
织；②球墨铸铁有较高的强度和一定的伸长率，为了保证球墨
铸铁构件可靠的工作性，一般要求焊接接头的力学性能与母材
基本匹配。这就对球墨铸铁焊接提出了更高的要求。
采用铸铁型焊接材料，焊后所获得的焊缝金属的化学成
分、组织、性能及颜色与母材接近，这类焊缝称铸铁型焊缝，
也称同质焊缝。受劳动环境及工艺条件的影响，双法兰铸铁管
道主要采用异质(非铸铁型)焊缝的电弧冷焊，也就是焊前不
对被焊铸铁件预热的电弧焊，这就使焊接难度大大增加，对焊
接过程控制的要求也非常严格。
2 焊接材料殛设备的选择
异质焊缝可分为钢基、铜基和镍基三类。镍是奥氏体形成
元素。能和铁以任何比例互溶，不和碳形成碳化物，还是较强
的石墨化元素，经试验表明， 焊缝镍含量越高， 白口宽度越
窄。镍基铸铁焊条的最大特点是焊缝硬度较低．半熔化区白口
层薄， 且呈断续分布， 故应用较广泛。常用的镍基焊条是
z408，它是镍铁合金焊芯、石墨型药皮的铸铁焊条，适合焊
接高强度球墨铸铁。我国是贫镍国，纯镍焊条价格昂贵，而
z408焊条中镍仅占1／2，因而该焊条是镍基焊条中较为便宜的，
这也是选用此焊条的重要原因。由于铁的固溶强化作用，该焊
条熔敷金属的力学性能较高，抗拉强度可达390～540 mpa，伸
长率一般大于10％ 。但屈服强度较高，一般为340 mpa，故焊
接面积不宜过大，否则，会在焊缝金属与母材交界处产生剥离
性裂纹。因此，选用镍基异质焊缝较合适。
焊机的选用：z408焊条适合交、直流两用焊机，可选择
较常见的bx一300型交流弧焊机。
80 ·焊工之友· 焊接技术 第36卷第4期20__年8月
3 异质焊缝的电弧冷焊工艺分析
球墨铸铁的异质电弧冷焊除应正确选择焊接材料外．还要
特别重视焊接工艺才能获得满意的焊接质量。
3．1 选择合适的焊接电流
焊接电流过小时． 电弧燃烧不稳定． 焊缝与母材熔合不
好。球墨铸铁中含许多杂质，焊接电流越大，与母材接触的异
质焊缝熔入母材量越多，杂质也随之上升。对镍基焊缝来说，
其中si，s，p杂质含量增大，会明显增大产生热裂纹的敏感
性；铸铁中的fe在大电流下大量融入焊缝，fe量提高，则ni量
相对下降。会增大半熔化区白13宽度。所以，这就必须严格控
制母材对焊缝的稀释作用。同时，随着焊接电流的增大，焊接
热输入增大，使焊接接头拉伸应力增大，产生裂纹的敏感性增
大。母材处于半熔化区温度范围的宽度增大，在电弧冷焊快速
冷却条件下．半熔化区白口宽度加宽。
因此．异质焊缝电弧冷焊时宜选用小直径焊条，选用较小
焊接电流．特别是焊接与母材接触的第1．2层焊缝时更应注
意。焊接电流参考值见表1。
裹l z4惦焊条电弧冷焊焊接电流参考值
焊条直径／roan 3．2 4 0 5 0
焊接电流『a 90-110 l2o一150 l60一l9o
3．2 采用较大焊速及短弧焊接
焊速过快，焊缝成形不良，与母材熔合不好，但在保证焊
缝正常成形及与母材熔合良好的前提下，应采用较快的焊接速
度。这主要是由于随着焊速加快，铸铁母材的熔深、熔宽减
小，母材熔入焊缝量随之减少，焊接热输入也随之减小，这与
降低焊接电流效果相同。电弧电压(弧长)增大，使母材熔宽
增宽．母材熔化面积增大，故应采用短弧焊。
3．3．选择合理的焊接方向及顺序
焊接方向及顺序合理与否对焊接应力的大小及裂纹是否产
生有重要影响。对离心式双法兰铸管来说焊接方向就是沿法兰
的圆周方向顺时针断续施焊。
3．4 采用短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝工艺
随着焊缝的增长，纵向应力增大，产生裂纹的倾向增大，
故宜采用短段焊。采用异质焊接材料进行铸铁电弧冷焊，一般
每次焊缝长度为10 40 nun。当焊缝仍处于较高温度，塑性性
能异常优良时，立即用带圆角的小锤快速锤击焊缝，使焊缝金
属产生塑性变形，以降低焊缝中的应力。为了尽量避免焊接处
局部温度过高，应力增大，应采用断续焊，待焊缝附近的热影
响区冷却至5o 60℃ 时再焊下一道焊缝。必要时可采用分散
焊，也就是不连续在一固定部位施焊．这样可更好地避免焊接
处局部温度过高，从而避免产生裂纹。短段焊、断续焊、分散
焊工艺对焊工的操作技能要求较高，操作不好可能会带来焊缝
中接头明显、连续性差的问题，如图2所示。
图2 焊缝接头
4 生产过程
4．1 装配
法兰与管道为搭接接头，连接形式为过盈配合，如图3所
示，采用此形式可有效地抵消焊接应力．减小冷裂纹的发生
率。装配前将管道放置在可调速的托轮架上，利用角磨机将外
径表面的油漆、铁锈等杂质清理干净。再将法兰放置在烘炉中
加热至6 00～650 oc，使法兰内径增大，当大于管道外径时将其
取出．迅速装配在管道上．利用工装找正后，用z408镍基焊
条进行点固。
图3 搭接接头
4．2 焊接
选用4,4 mm焊条，焊接电流120～150 a，焊接速度80—120
era／rain。焊条在使用前经150℃烘干1 h，然后放在保温简内随
用随取。
采用电弧冷焊法，铸铁管道不需预热，法兰要降至较低温
度，以防热裂纹的产生。当法兰温度降至150—200℃，未焊焊
缝形成过盈配合后开始焊接。焊接位置保持在平焊位置，焊条
角度横向保持在45。，纵向保持在90。。焊接过程中焊条不摆
动，以获得较小的稀释率，并保持80—120 cm／min的焊接速度。
法兰内yl,2条焊缝要由2名焊工同时施焊。
4．3 焊后缓冷
焊后一定要采取保温措施，使之缓冷至室温，为此可用保
温材料将焊缝包起来。
4．4 检验
(1)外观检查
无气孔、裂纹、未熔合等缺陷。
(2)水压试验
将冷却至室温的铸管以2．5 mpa压力进行水压试验， 没有发现渗漏现象，管件合格。
参考文献：
5 结论
经过装配、焊接、冷却、水压试验系列工序．得到1件合
格的承受压力较高的双法兰铸铁管道，可采用此工艺进行批量
生产，这拓宽了离心式铸管的使用范围，大大提高了产品的市
场竞争力。z408焊条在焊后形成的组织为塑性高、硬度低的
奥氏体组织，不发生相变。金属抗拉强度达到400 mpa，焊缝
金属的硬度为hv160 210，半熔化区白口宽度为0．1 mm，热影
响区最高硬度≤hb 300，接头有较好的抗裂性。
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