毕业论文——球墨铸铁与Q235钢焊条电弧焊研究.doc
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大连交通大学2015届本科毕业设计（论文）
摘要
焊条电弧焊是药皮焊条手工电弧焊的简称。
是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
由于焊条电弧焊设备简单、操作灵活、可焊金属材料广等特点。
焊条电弧焊主要用于焊接装配要求不高、结构复杂的单件或小批量的产品。
本课题为了研究球墨铸铁与Q235普通碳素结构钢的焊接性，我们采用焊条电弧焊的这种工艺方法，采用不同的焊接材料进行焊接。
试件焊接完成后，观察试件的焊缝成型，确认焊缝不具有错边、咬边、余高过高等外部缺陷。
然后对试件进行切割观察内部缺陷如裂纹、未熔合等。
对试件还要进行相应的拉伸试验以及金相组织观察，来验证焊缝是否达到相应的性能要求，以H08为焊芯钛钙型结构钢焊条J422、以镍铁合金为主要的成分的铸铁焊条Z408以及新型特种铸铁焊条WE777。
实验结果表明：
新型焊条WE777和铸铁焊条Z408的工艺性能和使用性能明显优于结构钢焊条J422。
在实验过程中使用结构钢焊条的试件出现了明显的裂纹，无法达到相应的性能标准。
另外在使用焊条电弧焊进行试件焊接过程中，特别容易出现夹杂等焊接缺陷。
同时，有实验证明新型材料WE777在焊缝成型以及焊缝力学性能方面较铸铁焊条Z408好。
由此证明，在球墨铸铁与Q235异种金属材料焊接过程中，在采用相同的焊接方法的前提下，使用合理的焊接材料以及焊接过程中正确的焊接流程，是至关重要的。
关键词：
焊条电弧焊球墨铸铁Q235金相组织焊接缺陷
ABSTRACT
Weldingelectrode isthe electrode manualelectricarcwelding short.Electricarcwelding methodofwelding iscarriedout by manualmanipulationofelectrode.Becausethe electrodearcwelding equipmentissimple, flexibleoperation, thecharacteristicsof weldmetalmaterials etc.Arcwelding ismainlyusedforwelding assemblyrequirements isnothigh, thecomplexstructureofthe singleorsmallbatch products.Thistopic inordertostudytheweldability ofnodularcastironand Q235 plaincarbonstructural steel,Weusethis methodfor shieldedmetalarcwelding process,Using differentweldingmaterials welding.Afterthecompletionofwelding specimen,Observethe test weld moulding,Weldisnot with thewrongside, undercut, over high higher external defectsconfirmation.Thenthe specimens wereobservedininternal defectssuchas cracks, lackoffusion etc.Thespecimen also corresponding tensiletest andmicrostructureobservation,Toverify whethermeettherequirements ofcorrespondingpropertiesof weld.Thistopicuses threedifferenttypesof welding materialsisthatTakingH08asthe core oftitaniumcalciumtype structuralsteelweldingrod J422,nickelironalloy asthemain componentof castironweldingrod Z408and newspecialtypeof castironweldingrod WE777.TheexperimentalresultsshowthattheThenewelectrode WE777and electrodeforcastiron Z408 processperformanceanduse performancesuperiortothatof structuralsteelelectrode J422,Structuralsteelweldingrod specimens used intheexperimentalprocess appearedobviouscracks, unabletoreachthe correspondingperformancecriteria.Inadditiontotheuse ofSMAW specimens intheprocessofwelding, especiallyproneto inclusion ofweldingdefects. Atthesametime, experimentshaveprovedthat thenewmaterialWE777 inthe formationofweld andweld mechanicalpropertiesof castironelectrode Z408Thisprovesthat, inthewelding ofductilecastiron andQ235dissimilarmetalmaterialsintheprocessof using, inthe premise ofthesame welding method,welding process theright weldingmaterial use andreasonable weldingprocess, isessential.
Keywords:
ArcweldingNodularcastironQ235Metallographic organization
Weldingdefects
目录
第一章绪论........................................................1
1.1铸铁............................................................1
1.2球墨铸铁........................................................1
1.3碳素结构钢......................................................2
1.4球墨铸铁与Q235钢焊接性分析.....................................3
1.4.1Q235普通碳素结构钢焊接性分析................................4
1.4.2球墨铸铁焊接性分析..........................................4
1.4.3球墨铸铁与Q235焊接的主要问题以及解决方案..................5
1.5焊接方法及焊接材料..............................................6
1.6国内外研究状况..................................................9
1.7本课题研究的主要内容和意义......................................9
第二章实验材料及实验方法.........................................10
2.1实验材料.......................................................10
2.2实验方法.......................................................10
2.2.1试件焊前准备...............................................10
2.2.2球墨铸铁与Q235钢板施焊方法...............................11
2.2.3微观组织观察...............................................12
2.2.4试件拉伸实验...............................................13
2.2.5接头硬度实验...............................................13
第三章实验结果及分析.............................................14
3.1碳钢焊条所焊试件开裂原因及分析.................................14
3.2焊缝成型观察..................................................14
3.3焊接接头显微组织微观结构观察分析...............................15
3.4焊接接头抗拉强度试验结果分析...................................20
3.5焊接接头硬度测量试验的结果分析.................................21
第四章结论.......................................................23
谢辞...............................................................24
参考文献...........................................................25
第一章绪论
1.1铸铁
铸铁是一种以碳、铁、硅为主要成分且在结晶过程中具有共析转变的多元铁基合金。
碳在铸铁中既可以以化合态的渗碳体（Fe3C）形式存在，也可以以游离状态的石墨（G）形式存在。
根据碳在铸铁中的存在状态和形式不同，可以将铸铁分为五类[1]。
（1）白口铸铁。
碳在铁中绝大部分以渗碳体（Fe3C）形式存在，因其断口成白色而得名。
渗碳体的硬而脆、硬度为800HBS。
因无法机械加工，所以应用不广，主要用于轧辊或其他不需要机械加工的耐磨零件。
（2）灰铸铁。
碳以片状石墨存在，因其端口成灰色而得名。
普通灰铸铁中石墨片状较粗，如果在浇注之前向铁水中加入少量硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理，促使石墨非自发形成形核，可以使灰铸铁粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。
（3）可锻铸铁。
碳以团絮状石墨存在。
是将灰铸铁经过长时间的石墨化退火，是渗碳体分解并析出石墨以团絮状分布在基体内。
（4）球墨铸铁。
碳以球状石墨的形式存在，简称球铁。
是在浇注前向铁水中加入纯镁或稀土镁合金等球化剂而获得。
球铁具有较高的强度和韧性，还可以通过热处理显著地改善其力学性能，故常用来制作强度较高、形状复杂的铸件。
（5）蠕墨铸铁。
碳以蠕虫状石墨存在。
在浇注前向铁水中加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金的蠕化剂，促使石墨呈蠕状而成为蠕墨铸铁。
1.2球墨铸铁
球墨铸铁按其基体的组织不同被分为：
以珠光体为基体的球墨铸铁、以铁素体为基体的球墨铸铁和以奥氏体加贝氏体为基体的球墨铸铁。
基体组织不同的球墨铸铁其力学性能有差别，以珠光体为基体的球墨铸铁，抗拉强度可达800MPa，其伸长率只有2%。
而以铁素体为基体的球墨铸铁伸长率可达18%，但抗拉强度降为400MPa[2]。
以奥氏体加贝氏体为基体的球墨铸铁的抗拉强度为860~1035MPa,其伸长率仍可达7%~8%.是一种新研制出来的球墨铸铁。
成分：
C=2~4%，Mn=0.4~1.0%，P＜0.1，S＜0.04及少量球化元素（例如：
稀土镁合金）
性能：
由于球状石墨对基体的割裂作用较小，大大降低了应力集中，所以球体具有较高的强度和韧性，而且能通过热处理来改善力学性能。
用途：
球铁主要应用于制造承受较大动载荷的重要零件，如柴油机的曲轴、连杆、汽缸盖、气缸套和齿轮等。
还可以在一定的范围内代替铸钢件。
常见牌号：
QT400-18，σb≥400MPa，延伸率δ≥18%
QT700-2，σb≥700MPa，延伸率δ≥2%
按DIN1693标准球墨铸铁的特性见表1
表1球墨铸铁特性
材料标记
抗拉强度Rm
N/mm2
最低
0.2%屈服点
N/mm2
最低
延伸率A5
%
最低
符号标记
数字标记
EN-GJS-350-22-LT
EN-JS1015
350
220
22
EN-GJS-350-22-RT
EN-JS1014
350
220
22
EN-GJS-350-22
EN-JS1010
350
220
22
EN-GJS-400-18-LT
EN-JS1025
400
240
18
EN-GJS-400-18-RT
EN-JS1024
400
250
18
EN-GJS-400-18
EN-JS1020
400
250
18
EN-GJS-400-15
EN-JS1030
400
250
15
EN-GJS-450-10
EN-JS1040
450
310
10
EN-GJS-500-7
EN-JS1050
500
320
7
EN-GJS-600-3
EN-JS1060
600
370
3
EN-GJS-700-2
EN-JS1070
700
420
2
EN-GJS-800-2
EN-JS1080
800
480
2
EN-GJS-900-2
EN-JS1090
900
600
2
1.3碳素结构钢Q235
碳钢又称碳素钢，是铁和碳合金。
碳钢中除了以碳作为主要合金元素外，还有少量的锰和硅有益元素。
此外，还有硫、磷等有害杂质。
碳钢的主要性能取决于碳含量。
碳钢是钢材中产量最多，应用最广的材料。
大部分焊接结构都是碳钢来制造的。
碳钢有不同的分类方法而有不同的名称。
按含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。
按品质分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和高级优质碳素结构钢。
按照脱氧成分分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。
其中镇静钢脱氧彻底，故含氧量少，杂质少。
按照用途分为结构钢和工具钢。
结构钢主要是用来制造各种金属构件和机器零件，工具钢用来制造各种工具如量具、刃具。
Q235钢具有中等强度，并具有良好的塑性和韧性，而且易于成形和焊接。
这种钢多用作钢筋和钢结构件，另外还用作铆钉、铁路道钉和各种机械零件，如螺栓、拉杆、连杆等。
Q235是一种普通碳素结构钢，又称A3板。
Q235钢板分类及化学成分，如表2
Q235分类及化学成分
牌号
统一数字代号
等级
厚度
/mm
脱氧方法
化学成分（质量分数，%）不大于
C
Si
Mn
P
S
Q235
U12352
A
-
FZ
0.22
0.35
0.14
0.045
0.050
U12355
B
0.20
0.045
U12358
C
Z
0.17
0.040
0.040
U12359
D
TZ
0.035
0.035
Q235的力学性能随着供货状态时钢板的厚度不同而随之改变。
屈服强度的值一般是随着厚度增大而减小。
具体表现，如表3、4。
表3Q235屈服强度和抗拉强度
牌号
等级
屈服强度/N.mm-2,不小于
抗拉强度
厚度（或直径）/mm
≤16
＞16~
40
＞40~
60
＞60~
100
＞100
~150
＞150
~200
Q235
A
235
225
215
215
195
185
370~500
B
C
D
表4断后伸长率及冲击功
牌号
等级
断后伸长率（%），不小于
冲击试验
厚度（或直径）/mm
温度
/℃
吸收功/J
（纵向）
不小于
≤40
＞40~60
＞60~
100
＞100~
150
＞150~
200
Q235
A
26
25
24
22
21
-
27
B
+20
C
0
D
-20
1.4球墨铸铁与Q235钢焊接性分析
焊接性是说明材料对焊接加工的适应性，用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠地运行。
焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容[3]。
工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力。
它不是金属本身固有的性能，而时根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。
所以金属材料的工艺焊接性与焊接工程密切相关。
使用焊接性是指在焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。
使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。
1.4.1Q235普通碳素结构钢焊接性分析
低碳钢的含碳量[W（C）≤0.25%]，其他合金元素含量也较少，故是焊接性最好的钢种。
采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生脆硬组织或冷裂纹。
只要选用适当的焊接材料，便能得到满意的焊接接头。
用电弧焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑形、韧性和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰的含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到与母材等强的强度。
因此，焊缝金属的强度会随着冷却速度的增加，其强度而增大，而塑性和韧性会下降[4]。
为了防止过快的冷却速度，当厚板单层角焊缝时，其焊脚尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不宜过短，必要时要采用100~150℃的局部预热。
当母材成分中碳含量偏高或低温下焊接刚性结构，可能产生冷裂纹，应采用预热或采用低氢型焊条等措施。
低碳钢焊缝具有较高的抗热裂纹的能力，但当母材含碳质量分数已接近上限（0.25%）时，在接头设计或工艺操作上要尽量避免具有窄而深的形状，因为这样的形状最容易产生热裂纹。
1.4.2球墨铸铁的焊接性分析
球铁焊接常因出现三大问题而失败,一是焊缝（包括熔合区）球化不良或组织不当而使焊接接头性能远低于母材,二是焊缝出现白口组织,无法进行机械加工,三是焊接过程中由于较大的焊接应力而导致裂纹[5]。
球墨铸铁的焊接本质上就是焊接接头的球化与墨化的问题。
球化主要指石墨晶核的产生及性质、球状石墨的长大以及球化元素的作用。
石墨化：
是指在铸铁中形成石墨的过程。
焊缝的球化情况和石墨化过程主要取决于焊缝的化学成分。
① 球化元素：
焊缝中常用球化元素为镁、稀土、钙及其中间合金。
镁：
镁的化学性质十分活泼,因此极易与氧、硫作用生成不溶于铁水的MgO,MgS，而使铁水强烈的去硫脱氧除气。
但是,镁的熔（沸）点低〔651℃、（1107℃）〕、比重轻（1.788）[6],在高温电弧作用下极易变成镁气,很难过渡到焊缝中去。
所以说，镁是强烈阻止石墨化,稳定碳化物元素,故焊缝中含镁量增加白口倾向增大。
稀土：
稀土元素的化学性质更为活泼,几乎能与所有元素起作用,特别与O2、S的亲合力很大,形成熔点高、比重小的稳定化合物,易浮于熔渣中而除去铁水中的氧和硫。
稀土元素具有较强的球化能力,焊缝中残留量0.05%~0.08%即可保证焊缝球化。
另外,稀土元素尚能与焊缝中反球化元素Ti、As、Bi、Pb、Sb、Sn等生成难熔化合物,中和其反球化作用而促进球化。
除此之外,稀土尚有变质细化晶粒及起合金化作用。
钙：
钙也是一种球化元素,但其球化能力比镁和稀土都弱。
此外，钙具有很强的脱硫去氧的能力。
钙的原子半径很大（l.845A。
）,不溶于铁中。
微量的钙由于其去02、N2、S等,从而减少了这些元素对渗碳体的稳定作用而促进石墨化。
② 石墨化元素:
焊缝中主要的石墨化元素为碳、硅、铝等。
碳：
碳在球铁中是产生球墨的基础。
焊缝中含碳量增加,球墨的自发核心增多,球径细化并提高石墨球的园整度,而且随含碳量提高增加了碳原子间的结合力,因此碳是强烈的石墨化元素之一。
碳高对减少焊缝裂纹和白口组织有积极的作用。
硅：
硅也是强烈的石墨化元素之一,它的作用比碳还大。
这是由于硅使铁碳合金共晶、共析点向左并向上移动,即向碳分低,温度高的方向移动。
由于硅原子半径远大于铁原子半径,所以固溶于铁中的硅使铁素体强化,当铁中硅超过一定数值时,将引起铁素体晶格畸变使其延伸率和冲击韧性下降,脆性转变温度提高。
铝：
铝是一种脱氧能力极强的墨化元素,铝不但不是球化元素而且还是球化干
扰元素。
另外，焊缝中的铝部分溶于铁中强化铁素体,使焊缝强度提高,塑性下降且过多的铝,使焊条工艺性能和涂压性能变坏。
③ 其它元素:
与球铁生产相同,锰、硫、磷三元素亦为焊缝中的主要组分之一。
硫：
硫对石墨球化是极为有害的元素。
大量试验证明:
焊缝中含硫量增加,球化情况变坏,含硫量过高,焊缝甚至很难球化,故焊缝中含硫量愈低愈好。
锰：
锰可和硫生成高熔点的MnS（T熔点=1620℃）,且不溶于铁水浮于渣中而去硫,从而中和了硫的有害作用。
锰部分的溶于铁素体中,可提高焊缝强度,降低冲击韧性。
磷：
磷对球化无什么不利的影响,但磷易形成硬而脆的磷共晶,分布于球铁晶粒周界上,使球铁之冲击韧性和延伸率显著下降。
1.4.3球墨铸铁与Q235焊接的主要问题以及解决方案
1、焊接接头容易出现白口组织
产生原因：
①钢与铸铁化学成分的影响在焊接高温作用
下,钢与铸铁熔池中促进石墨化的元素（C、Si、Al、Ti、Ni和Cu）严重烧损及蒸发,焊缝金属石墨化机会减少,结果碳完全处于渗碳体之中,无石墨析出,形成Fe3C。
因此容易出现白口组织[7]。
②冷却速度的影响焊接过程中冷却速度很快,熔合线附近的液态金属先结晶,在共析转变时、由奥氏体直接转变成马氏体,碳来不及析出,不能完全进行石墨化过程,因而形成Fe3C脆性组织。
为防止钢与铸铁的焊接接头出现白口及淬硬组织,应从冶金和工艺两方面采取措施:
①使焊缝成为异种金属。
如镍基合金、高钒合金或铜钢合金,焊缝金属不是铸铁,这样可有效地防止产生白口组织。
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