1实验过程

1.1母材的选择及制备

将一块HT200母材切割成60mm×40mm×10mm板若干块。

HT200的化学成分（质量分数，）为：2.73.6C，1.02.2Si，0.51.3Mo，P<0.13，S<0.15。

1.2焊条的选择及制备

焊条是涂有药皮的供电弧焊用的熔化电极，它由药皮和焊芯两部分组成。焊条药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层。焊芯是焊条中被药皮包裹的金属芯。焊条药皮具有三个作用：保护作用、冶金作用和使焊条具有良好的工艺性能。

自制的铜铁焊条是用铜丝和普通低碳钢焊条捆绑而成。其方法是：将铜丝均匀地捆绑在直径为3.2mm的E4303焊条，捆绑铜丝的数量根据需要可进行调整，并在焊条头部把铜丝与焊条金属点焊上，使其与焊芯具有良好的导电性。国内其他关于灰铸铁焊条的文章[4]也曾提到自制铜基焊条的做法，其中有提到用铜丝均匀缠绕在焊条上的做法，本试验也曾采用这种做法，但在试验几次的情况下发现这种缠绕方法所制出的焊条焊接时焊条电弧燃烧不稳定且铜丝随焊条产生的高温而向四外弯曲不再紧靠焊条周围，从而容易造成铜丝与焊条熔化速度不一致或铜丝未熔化而未进入焊缝中去。所以本试验采用束装方式制备铜基焊条。

自制的镍铜焊条是将铜丝捆在Z308焊条上制成镍铜合金铸铁焊条，其制法与自制铜铁焊条一样。

Z308焊条除含Ni外还含有Si、S、Mn、C、Fe等元素。

自制的铜铁焊条中铜丝含量占总重量的百分比分别为54、66，镍铜焊条中铜丝含量占总重量的百分比分别为54、66。

1.3实验设备和焊接工艺参数的选择

采用ZX0-250型弧焊整流器，并用直流反接的焊接方式；试样的组织分析用XJL-02A立式金相显微镜；布氏硬度测试采用HB-3000布氏硬度机；用P-2抛光机进纤试样的抛光处理。

由于使用的焊条直径为3.2mm，选择电流的范围可在90110A范围内调整。因为直流电源电弧燃烧稳定，采用反接的方式可以使母材熔化比较充分，从而使填充金属与母材金属能够比较充分的混合。

焊接电流的确定如表1所示，焊接速度为4mm/s。

1.4焊接试样的制备过程

用制好的不同焊条在切好的铸铁板上手工电弧焊。补焊应尽量在室内进行，以防止风吹、潮湿等因素对补焊质量的影响。在补焊前对焊条进行相应的烘干、保温等。在补焊过程中要注意电弧的稳定，为减小热输入量，施焊时焊条不做横向摆动。焊后将焊好金属件空冷后，用DK7732E电火花线切割机配合手锯锯成规格为50mm×40mm×10mm的试样。将试样打磨、抛光、腐蚀并照相，然后做硬度试验。

2实验结果和分析

2.1不同填充材料对焊缝组织的影响

铁的基体组织可以是铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体或奥氏体，但铸铁中尚有石墨相，石墨受高温作用后，碳会向其附近基体迅速扩散，使基体含碳量迅速上升。由于以上原因，铸铁的热影响区的组织与性能变化就有其自身的特点从而影响其焊接性。灰铸铁基体是由珠光体加铁素体组成的，其硬度都在240HBS以下，具有良好的加工性。焊补灰铸铁时，在接头的熔合区往往会产生一层白口组织，这种现象称为铸铁的白口化。白口产生的原因，主要是由于冷却速度快和石墨化不足，白口铸铁硬而脆，难以进行机加工，同时还会产生裂纹。

灰口铸铁的焊接接头大致可以分成六个区域，即：焊缝区、熔合区、奥氏体区、重结晶区、碳化物石墨区、球化区和原始母材区。

（1）焊缝区灰口铸铁HT200中C的质量分数为3～3.3。如果采用普通低碳钢焊条施焊，熔合比约为1/3～1/4，其焊缝区C的质量分数为0.7～1。属于高碳钢。这种高碳钢焊缝在快冷后将出现很多淬硬的马氏体，纯马氏体硬度可高达500HB左右。如果采用铜丝缠绕普通低碳钢焊条施焊，铜丝不断地熔入熔池，铁水的化学成分发生了变化，已不是原来意义上的铸铁，这时石墨的析出量会大量增加，渗碳体的析出量会有所减少。因为在冷却速度一定的条件下，熔池中铁水的化学成分对析出石墨和渗碳体的多少有很大的影响。

S是强烈阻碍石墨化的元素，熔池中的Cu会与S生成硫化铜，从而抵消S的有害作用，促进石墨(用石墨炉检测塑料中铅和镉)化的完成；Mn既是阻碍石墨化的元素，又促进渗碳体的形成，熔池中的Mn再与Cu形成铜锰合金，削弱Mn的这种作用，也就减少了渗碳体的形成，增加了石墨的析出量。正是由于Cu的这些作用，才使得焊缝区的白口化趋势大大减弱，硬度也有所下降。当然在饱和铜的熔池里，同样进行激烈的冶金反应，过量的Cu被烧损。

（2）熔合区灰口铸铁焊接时，该区的温度在1150～1250℃范围内，熔融的Cu也会扩散到这一区域。熔合区中靠近熔池的一侧有Cu参与的冶金反应；靠近母材的一侧会受到片状石墨中C的扩散作用，形成饱和碳的奥氏体，使这里的碳含量比焊缝区相对高一些。随着温度的降低，Fe原子和Cu原子在争夺晶格位置时相互取代，形成金属固溶体，从而削弱了铁碳之间的亲合力，饱和碳的奥氏体便可以石墨形式析出一定量的C，渗碳体和二次渗碳体也会有所减少，塑性有所提高。

（3）奥氏体区该区处于固相线与共晶线之间，加热温度范围约为8201150℃，此区无液相出现。

该区中基体已奥氏体化，碳在奥氏体中的浓度是不一样的，加热温度较高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳较多地向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分（离半熔化区较远），由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低。随后冷却时，如果冷速较快（如电弧冷焊），会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体与残余奥氏体。由于以上原因，该区硬度比母材有一定提高。熔焊时，采用适当工艺措施使该区缓冷，可使奥氏体直接析出石墨，而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体的形成。

（4）重结晶区该区很窄，其加热温度范围约为780820℃。由于电弧焊时该区加热速度快，只有母材中的部分原始组织可转变为奥氏体。在随后冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却很快时，也可能出现一些马氏体。

其他加热温度更低的区域，焊后组织变化不明显或无变化。

由于采用了异质焊缝的焊条，焊缝金属与母材金属不能同时腐蚀。照片中呈黑白相间的条纹状区域是半熔化区，这个区域组织即为亚共晶白口组织，主要由渗碳体、珠光体和高碳马氏体组成，这一区域的硬度最高。从几张照片比较来看，自制铜铁焊条的白口宽度与比制镍铜焊条的白口宽度略宽。

2.2不同填充材料对焊缝性能的影响

灰铸铁接头的加工性常用布氏硬度值来衡量。

对于灰铸铁电弧冷焊接头来说，要完全消除接头的白口和淬硬组织是很难的。因此，要降低接头布氏硬度值，改善加工性，除了要减少接头的白口及淬硬组织外，要尽可能减小白口及淬硬组织分布的宽度。也就是说，接头加工性必须由白口及淬硬区的硬度值，以及它的宽度两个指标共同来评定，由硬度曲线可以看出，越靠近焊缝的地方硬度越高，且硬度最大值因焊条的不同而变化。镍铜焊条的硬度要比铜铁焊条的硬度低。采用铜铁焊条所焊的焊接接头，其半熔化区硬度高，且白口宽度大，接头最高硬度值达到350HB，用镍铜焊条所焊接头最高硬度值也达297HB。一般认为焊接接头的硬度在300HBS以下，进行机械加工是可以的，但要顺利加工，最好在270HBS以下。就加工性比较而言，含铜量为54和66的自制镍铜焊条的焊接接头的硬度也能符合要求。从价格上考虑，且铜对焊缝的影响也是起降低硬度的作用，所以对于一些非加工面或加工面要求不高的焊补，可以采用含铜量为66的铜铁焊条。

3结论

（1）电弧冷焊灰铸铁时，白口和淬硬组织是不可避免的。用铜铁焊条和镍铜焊条焊接时白口倾向得到了减弱。

（2）接头加工性由白口宽度和最高硬度共同决定，白口宽度越小、硬度越低，则加工性越好。镍铜焊条接头加工性好，而用E4303焊条捆绑铜丝的自制铜铁焊条接头硬度较大。

（3）从经济性角度考虑，可在一些非加工面或加工面要求不高的焊补的情况下，用铜铁焊条替代镍铜焊条。

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