【摘 要】本文通过讲授铸铁焊接的应用及产生的经济效益，提高学生对本章内容学习的兴趣，通过分析常用铸铁――灰铸铁材料在焊补中存在的两大困难，着重讲解如何克服这两大困难的方法和工艺措施，通过实例“液压缸”的焊补，要求学生在实际生产中灵活应用所学的知识，为企业更好地服务。
【关键词】铸铁；焊条电弧焊；工艺；应用
中职焊接专业的学生在学习焊接专业课“焊工工艺学”时，必然会学到 “铸铁的焊补”这一章的内容。而在中职学校教学的实训课上，几乎都没有安排铸铁焊补的实操练习，学生对这部分内容的理解和掌握，都是依赖教师的讲解。这就给教师“如何讲授铸铁的焊补”提出了更高的要求。在多年的教学过程中，通过总结得出：在讲授“铸铁的焊补”一章内容时，一要降低理论的难度，以适度够用的概念和原则的理解为辅， 二要重点突出实用性，以实际应用的经验和策略为主，通过铸铁焊补实例的讲解，让学生身临其境的感受整个焊补的过程，提高学生对铸铁焊补知识的理解水平和应用能力。
具体从以下四个方面进行讲授：
1．从讲授“铸铁焊接的应用及产生的经济效益”入手，提高学生对本节内容的认识
铸铁是含碳量在2.11％--6.69%的铁碳合金。是工业生产中最重要的工程材料之一。广泛地用于制造：底座、齿轮箱、工作台、汽缸体、齿轮、阀体、活塞、联轴器、轴承座、液压缸等等。因此，铸铁的焊接主要是对各种铸造缺陷或者损坏的铸铁件进行的焊补修复及利用焊接技术生产新的零件。具体表现在以下三个方面：
1．1 铸造缺陷的焊接修复。我国各种铸铁的年产量现约为800万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的10%-15%，即通常所说的废品率为10%-15%，若这些铸造工件报废，其损失每年高达10亿元以上。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁件，由于焊接成本低，不仅可获得巨大的经济效益，而且有利于及时完成生产任务。
1．2 已损坏的铸铁成品件的焊接修复。由于各种原因，铸铁成品件在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使其报废。若要更换新的，价格往往较贵。特别是一些重型铸铁成品件，如锻造设备的铸铁机座一旦使用不当而出现裂纹，就得停止生产，若要更换新的锻造设备，不仅价格昂贵，而且从订货、运货到安装调试往往需要很长时间，所以会造成企业长时间处于停产状态。这方面的损失是巨大的。如新疆建材总厂发泡剂分厂九一年元月三台真空泵全部冻裂，使全厂停产。如到内地去订货，要花几万元资金不说，全厂起码还得停产半年，经用冷焊的方法进行修复，只用了几天便使该厂恢复了生产，节约了大量资金的同时，更为该企业赢得了宝贵的时间。
1．3 零部件的生产。这是指用焊接的方法将铸铁（主要是球墨铸铁）件与铸铁件、各种钢件或有色金属焊接起来而生产出零件。我国目前在这方面比较落后，处于刚起步阶段。如我国山东某厂已用高效离心铸造的大直径球墨铸铁管与一般铸造方法生产的变直径球墨铸铁法兰用焊接方法连接而制成产品。制造中铸铁焊接已成为我国下一步发展铸铁焊接技术的方向。它往往具有巨大的经济效益。
2．从生产中应用最广的铸铁――灰铸铁的可焊性分析入手，探寻灰铸铁焊补中存在的主要困难
2．1 铸铁的性能及分类：铸铁按照碳在组织中存在的形式不同，主要分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。
2．1．1 灰铸铁。灰铸铁中的碳，主要以片状石墨的形式分布于铸铁基体中，断面呈暗灰色，故又称灰口铸铁。灰铸铁的强度低，塑性很差，但具有良好的耐磨性、吸振性和切削加工性，并且成本低，故是工业上运用最为广泛的一种铸铁。
2．1．2 白口铸铁：白口铸铁的碳以渗碳体（同学们在“金属材料与热处理”课程中学习了渗碳体的相关内容）形式存在于金属中，断面呈银白色，故称白口铸铁。其性质硬而脆，冷加工、热加工和切削加工都很困难，工业上应用极少。
2．1．3 可锻铸铁：碳以团絮状分布的铸铁称为可锻铸铁。可锻铸铁具有较高的强度和良好的塑性，并有一定的塑性变形的能力，因而得名可锻铸铁，但实际上并不能够锻造。
2．1．4 球墨铸铁：碳以球状分布的铸铁称为球墨铸铁。球墨铸铁的强度接近于碳钢，具有良好的耐磨性，并能通过热处理提高性能，因此，被广泛用于机械制造业中。
2．2 灰铸铁的焊接性：灰口铸铁目前常以铸件的形式运用于生产，由于铸造工艺的特点，铸件往往存在着各种不同程度的缺陷，在生产现场中也有各种原因而损坏的铸件。灰铸铁的焊接实际上就是对存有缺陷或者损坏的铸件进行补焊。灰铸铁由于含碳量高、杂质多、强度低、塑性差，所以，焊接性差，在焊接中易产生白口组织和裂纹等缺陷。
白口组织：灰铸铁中的碳以渗碳体的形式析出，是一种硬而脆，塑性几乎为零的组织。焊缝中及焊缝周围的热影响区一旦产生白口组织，在焊接不均匀的加热和冷却过程中，极易造成裂纹，从而导致焊接工件的报废。
裂纹：是一种危害最大的焊接缺陷。裂纹不仅降低接头的强度，而且还会引起严重的应力集中，使结构断裂破坏。
另外，由于被焊工件的多样性、化学成分及金相组织的差异，铸件厚度及形状的不同，产生缺陷的位置不同、工作介质的腐蚀状况不同等等因素的影响，均给焊补工作带来很大的困难。
那么，如何进行灰铸铁的焊补？
3．以最常用的焊条电弧焊的方法来讲解灰铸铁焊补的具体方法和工艺措施
灰铸铁焊补方法主要应根据铸件大小、焊补处情况、刚度大小及焊后的要求（如：加工要求、致密性、颜色等）来选择。常用的是焊条电弧焊和气焊，有时也采用CO2气体保护焊、钎焊或电渣焊。主要给同学们介绍：焊条电弧焊补焊灰铸铁的方法和工艺措施。
根据焊件在焊接前是否预热，焊条电弧焊可分为冷焊、半热焊（预热温度在300―400℃）和热焊（预热温度在600―700℃）三种方法。
焊条电弧焊焊补铸铁时，一般采用铸铁焊条，如：EZC型号（Z208、Z408）等。但焊补要求不高，刚度不大的非加工面也可用碳钢焊条，如：E4303、E5015等。
3．1 热焊法：热焊法是焊接前将焊件全部或局部加热到600―700℃，并在焊接过程中保持一定的温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高、工艺复杂、生产周期长、焊接时劳动条件差，因此应尽量少用。只有当缺陷被四周刚度大的部位所包围，在焊接时不能自由热胀冷缩，用冷焊易造成裂纹的焊件才采用热焊。热焊时常用的铸铁焊条型号是EZC(Z208、Z408)。热焊的工艺特点是采用大电流（焊接电流值可达焊条直径的50倍），连续焊，焊后保温缓冷。
3．2 冷焊法：冷焊法是指焊件在焊前不预热，焊接过程中也不辅助加热的一种方法，因此可以大大提高焊补生产率，降低焊补成本，改善劳动条件，减少焊件因预热时受热不均匀而产生的变形和焊件已加工面的氧化。因此，在可能的条件下应尽量采用冷焊法。目前冷焊法正在我国推广使用，并获得了迅速的发展。
但是冷焊法在焊接后因焊缝及热影响区的冷却速度很大，极易形成白口组织。此外，因焊件受热不均匀，常形成较大的内应力，会造成裂纹。目前铸铁冷焊常采用异质焊接材料，如：纯镍铸铁焊条EZNi(Z308)、镍铁铸铁焊条EZNiFe（Z408）、普通低碳钢焊条等来获得非铸铁焊缝组织（如钢焊缝、有色金属焊缝等）。
异质焊接材料电弧冷焊工艺要点是：
3．2．1 采用细焊条、小电流、快速焊接，以减少铸铁母材在焊缝中的融合比，降低焊缝中碳、硫的含量。同时减少了焊接热输入，减少焊接应力，防止裂纹。由于电流小，热影响区窄，使半熔化区的白口铸铁组织层变薄，有利于加工。
3．2．2 采用短段焊、断续焊、分散焊、分段退焊等，并在每焊10―15mm左右长度后，立即用小锤迅速锤击焊缝，待焊缝冷却到不烫手（大约50―60℃）时，再焊下一道，以减少焊接应力，防止裂纹。
3．2．3 坡口较大时，应采用多层焊，后层焊缝对前层焊缝和热影响有热处理的作用，可使接头平均硬度降低。但多层焊时焊缝收缩应力较大，易产生剥离性裂纹，因此应注意合理安排焊接顺序。
3．3 半热焊法。半热焊法是焊接前将焊件预热到300―400℃时进行焊补的一种方法。该法介于冷焊法与热焊法之间，常用于刚度不大的小结构件的焊补。
4．列举焊条电弧焊冷焊法、热焊法在典型工件焊补过程的应用，提高学生对所学知识的实际应用能力
例举实例：液压缸补焊
4．1 液压缸补焊存在的困难：
4．1．1 可焊性差：材料为HT250，其碳当量均为0.6%以上。同时，液压缸体积大，冷却速度快，焊接过程很容易出现淬硬组织，导致裂纹，，所以必须采取预热和焊后高温回火措施。但实际上，液压缸变形受到限制，实现理想的工艺措施是很困难的。
（复习内容：碳当量――是根据钢材的化学成分，粗略判断焊接时产生裂纹倾向的一种方法。一般认为：当碳当量＜时，钢材淬硬倾向不明显，可焊性良好，焊接时不必预热。当碳当量＝0.4%―0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，可焊性有限，需按工件的冷却条件适当的预热，进行控制线能量等工艺措施。当碳当量＞0.6%时，淬硬倾向严重，属于较难焊的材料，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。
4．1．2 要求变形小：液压缸精加工后变形总挠度不得超过0.5mm，由于液压缸几何尺寸复杂，刚度大，在焊接热循环作用下，引起的残余应力也大，加工冷却速度快，容易形成淬硬组织，这就是液压缸补焊的主要困难。
4．1．3 焊缝金属性能要求高：液压缸是在高应力下工作的，并经常受到频繁启动和停机的交变应力作用，因此，要求焊缝金属必须具备一定的耐疲劳性能，抗氧化性能和组织的稳定性。所以，一定要选择相应的优质焊条。
4．2 液压缸补焊的工艺方法及各自的优缺点：
4．2．1 热焊法：同种材料的焊接，常选用型号是EZC(Z208、Z408)焊条。按灰铸铁焊接工艺要求进行预热和焊后缓冷。
热焊法工艺复杂，变形量大，但焊接材料和液压缸相同，焊后组织稳定，运行可靠。
4．2．2 冷焊法：异种材料的焊接，常选用纯镍铸铁焊条EZNi(Z308)、镍铁铸铁焊条EZNiFe（Z408），进行低温预热。
冷焊法工艺简单，考虑到液压缸材料可进行低温预热，采用塑性好的纯镍铸铁焊条EZNi(Z308)、镍铁铸铁焊条EZNiFe（Z408）。
4．3 液压缸的热焊：
4．3．1 焊前准备：
①查清裂纹的起端和尾端，对裂缝及周围进行除油清洗。除油的方法可用丙酮清洗，钢丝刷等刷净，也可用气焊火焰分段加热，烧尽油污至不冒烟为止，加热温度不宜过高，一般不超过400℃，否则会引起裂纹。
②坡口的准备：开坡口前先在裂纹两端钻止裂孔，然后用扁铲，角向砂轮将坡口加工成单边V型或U型，U型坡口可减少焊缝处的熔合比，应尽量采用U型坡口。坡口表面应平整光滑，坡口的大小可根据被焊工件的厚度决定，在能满足强度要求和操作方便的前提下，坡口选择越窄越好。坡口形状要保证便于焊补及减少焊件的熔化量.
③进行预热：对液压缸进行整体预热，采用工频感应加热法可做到升温缓慢，加热均匀，不至因预热引起附加热应力和变形。根据计算和经验，预热温度在250―350℃之间为宜，过高则会引起液压缸的变形，过低如低于250℃会产生淬硬组织，可能要引起裂纹。对于液压缸的边缘部位，如感应加热温度偏低时，可用火焰和电炉进行局部的辅助加热。
4．3．2 焊接过程及工艺：
①选用Z208或Z408，φ=3.2焊条，I=150―160A电流，第一层做单道焊，直线运条。
②从第二层开始，每焊完一道要及时锤击。用圆头半径为1―1.5mm，宽10mm左右锤头的风铲（风压：2―3公斤/cm2)从中间向两侧各击一次，其方法见下图。
锤击后要立即用G01-150焊炬的中性焰跟踪回火，焰心与焊道保持3mmm左右，沿焊道宽度来回摆动，加热时间为焊接时间的三倍，直至焊道表面呈亮红色为止（约900―1000℃左右）。通过跟踪回火，可以达到缓冷和改善接头组织的目的。接着继续进行施焊，形成施焊―锤击―回火―焊下一道的工序，要求衔接紧凑直至填满坡口为止。
③为了防止焊缝收缩应力引起变形，每层应先焊坡口两侧，后焊中间焊道，见下图。
全部焊完后用石棉灰覆盖进行300℃三小时的保温，防止裂纹，最后拆除保温层空冷。
4．4 液压缸的冷焊：
4．4．1 焊前准备：①、②同热焊。
4．4．2 焊接过程及工艺：
①选用塑性好的纯镍铸铁焊条EZNi(Z308)、镍铁铸铁焊条EZNiFe（Z408）。φ=3.2焊条，小电流I=90―100A、快速焊接。从坡口根部开始单道施焊，也可以敷焊两层，待敷焊层焊完后，需用低倍放大镜仔细检查，认为满意后，再用焊条进行堆焊。
②堆焊工艺要求：采用小直径，小电流进行堆焊，焊道要窄，不做横向摆动，焊接速度要快，间隔时间要长，一定要待焊道冷却后（不烫手）再焊下一道。引弧点和收弧点要错开，要填满熔池，防止裂纹。
4．5 液压缸补焊中防止变形的措施：
4．5．1 为了减少液压缸的变形，补焊时应尽量减少坡口和控制焊接热规范。
4．5．2 缺陷距液压缸截面重心较远或集中于重心同一侧时，可不焊的应尽量不焊，对于缺陷位于液压缸重心两侧或接近于重心轴时，可以适当地多焊或对称焊，以利于控制变形。
4．5．3 补焊量较大时，必须事先估计出变形趋势加以预防，如:进行残余变形概算，进行加固等。
4．5．4 为了减少变形，对同时有很多裂纹的液压缸，则应先焊最大的裂纹，使其有伸缩的可能，再对称的补焊相应的裂纹。对于小裂纹，深度一般不超过壁厚10―15%的可以不焊，要磨掉，但需磨成圆滑状以防应力集中。
4．5．5 为防止变形，在有条件时，尽量开双面坡口，即减少填充金属量，又容易控制变形。
4．5．6 在确保强度的情况下，为减少变形，可以酌情不焊满坡口。
4．5．7 尽量提倡冷焊工艺方法。
通过对“铸铁焊补”一节内容的讲授，中职焊接专业学生对铸铁的焊补有了较为全面的认识，在讲授中始终遵循：“以“学生就业最需要的内容”为课程讲授的主要内容，重点突出实用性，降低理论的难度，如：铸铁的化学成分和铸铁的组织的分析及推导产生白口和裂纹的机理部分略讲，而直接告诉同学们最终的结论：铸铁是一种难焊接的材料，主要的问题是焊接过程中产生白口和裂纹。重点讲解焊接过程中产生的白口和裂纹的预防措施和具体的工艺方法。通过实例：液压缸的焊补工艺和操作步骤的讲解，使学生不仅仅知道“是什么”和“为什么”，还明确的教会学生“如何做”以及“如何做的更好”。尽最大的努力让学生体验到企业生产实际的真实情景,弥补了单纯理论授课带来的不足，为学生今后更好地应用本章知识打下了坚实的基础。
收稿日期：2011-10-28
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