1實驗過程
1.1母材的選擇及制備
將一塊HT200母材切割成60mm×40mm×10mm板若干塊。
HT200的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，）為：2.73.6C，1.02.2Si，0.51.3Mo，P<0.13，S<0.15。
1.2焊條的選擇及制備
焊條是涂有藥皮的供電弧焊用的熔化電極，它由藥皮和焊芯兩部分組成。焊條藥皮是壓涂在焊芯表面上的涂料層。焊芯是焊條中被藥皮包裹的金屬芯。焊條藥皮具有三個作用：保護作用、冶金作用和使焊條具有良好的工藝性能。
自制的銅鐵焊條是用銅絲和普通低碳鋼焊條捆綁而成。其方法是：將銅絲均勻地捆綁在直徑為3.2mm的E4303焊條，捆綁銅絲的數(shù)量根據(jù)需要可進行調(diào)整，并在焊條頭部把銅絲與焊條金屬點焊上，使其與焊芯具有良好的導(dǎo)電性。國內(nèi)其他關(guān)于灰鑄鐵焊條的文章[4]也曾提到自制銅基焊條的做法，其中有提到用銅絲均勻纏繞在焊條上的做法，本試驗也曾采用這種做法，但在試驗幾次的情況下發(fā)現(xiàn)這種纏繞方法所制出的焊條焊接時焊條電弧燃燒不穩(wěn)定且銅絲隨焊條產(chǎn)生的高溫而向四外彎曲不再緊靠焊條周圍，從而容易造成銅絲與焊條熔化速度不一致或銅絲未熔化而未進入焊縫中去。所以本試驗采用束裝方式制備銅基焊條。
自制的鎳銅焊條是將銅絲捆在Z308焊條上制成鎳銅合金鑄鐵焊條，其制法與自制銅鐵焊條一樣。
Z308焊條除含Ni外還含有Si、S、Mn、C、Fe等元素。
自制的銅鐵焊條中銅絲含量占總重量的百分比分別為54、66，鎳銅焊條中銅絲含量占總重量的百分比分別為54、66。
1.3實驗設(shè)備和焊接工藝參數(shù)的選擇
采用ZX0-250型弧焊整流器，并用直流反接的焊接方式；試樣的組織分析用XJL-02A立式金相顯微鏡；布氏硬度測試采用HB-3000布氏硬度機；用P-2拋光機進纖試樣的拋光處理。
由于使用的焊條直徑為3.2mm，選擇電流的范圍可在90110A范圍內(nèi)調(diào)整。因為直流電源電弧燃燒穩(wěn)定，采用反接的方式可以使母材熔化比較充分，從而使填充金屬與母材金屬能夠比較充分的混合。
焊接電流的確定如表1所示，焊接速度為4mm/s。
1.4焊接試樣的制備過程
用制好的不同焊條在切好的鑄鐵板上手工電弧焊。補焊應(yīng)盡量在室內(nèi)進行，以防止風(fēng)吹、潮濕等因素對補焊質(zhì)量的影響。在補焊前對焊條進行相應(yīng)的烘干、保溫等。在補焊過程中要注意電弧的穩(wěn)定，為減小熱輸入量，施焊時焊條不做橫向擺動。焊后將焊好金屬件空冷后，用DK7732E電火花線切割機配合手鋸鋸成規(guī)格為50mm×40mm×10mm的試樣。將試樣打磨、拋光、腐蝕并照相，然后做硬度試驗。
2實驗結(jié)果和分析
2.1不同填充材料對焊縫組織的影響
鐵的基體組織可以是鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體或奧氏體，但鑄鐵中尚有石墨相，石墨受高溫作用后，碳會向其附近基體迅速擴散，使基體含碳量迅速上升。由于以上原因，鑄鐵的熱影響區(qū)的組織與性能變化就有其自身的特點從而影響其焊接性。灰鑄鐵基體是由珠光體加鐵素體組成的，其硬度都在240HBS以下，具有良好的加工性。焊補灰鑄鐵時，在接頭的熔合區(qū)往往會產(chǎn)生一層白口組織，這種現(xiàn)象稱為鑄鐵的白口化。白口產(chǎn)生的原因，主要是由于冷卻速度快和石墨化不足，白口鑄鐵硬而脆，難以進行機加工，同時還會產(chǎn)生裂紋。
灰口鑄鐵的焊接接頭大致可以分成六個區(qū)域，即：焊縫區(qū)、熔合區(qū)、奧氏體區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、碳化物石墨區(qū)、球化區(qū)和原始母材區(qū)。
（1）焊縫區(qū)灰口鑄鐵HT200中C的質(zhì)量分數(shù)為3～3.3。如果采用普通低碳鋼焊條施焊，熔合比約為1/3～1/4，其焊縫區(qū)C的質(zhì)量分數(shù)為0.7～1。屬于高碳鋼。這種高碳鋼焊縫在快冷后將出現(xiàn)很多淬硬的馬氏體，純馬氏體硬度可高達500HB左右。如果采用銅絲纏繞普通低碳鋼焊條施焊，銅絲不斷地熔入熔池，鐵水的化學(xué)成分發(fā)生了變化，已不是原來意義上的鑄鐵，這時石墨的析出量會大量增加，滲碳體的析出量會有所減少。因為在冷卻速度一定的條件下，熔池中鐵水的化學(xué)成分對析出石墨和滲碳體的多少有很大的影響。
S是強烈阻礙石墨化的元素，熔池中的Cu會與S生成硫化銅，從而抵消S的有害作用，促進石墨(用石墨爐檢測塑料中鉛和鎘)化的完成；Mn既是阻礙石墨化的元素，又促進滲碳體的形成，熔池中的Mn再與Cu形成銅錳合金，削弱Mn的這種作用，也就減少了滲碳體的形成，增加了石墨的析出量。正是由于Cu的這些作用，才使得焊縫區(qū)的白口化趨勢大大減弱，硬度也有所下降。當(dāng)然在飽和銅的熔池里，同樣進行激烈的冶金反應(yīng)，過量的Cu被燒損。
（2）熔合區(qū)灰口鑄鐵焊接時，該區(qū)的溫度在1150～1250℃范圍內(nèi)，熔融的Cu也會擴散到這一區(qū)域。熔合區(qū)中靠近熔池的一側(cè)有Cu參與的冶金反應(yīng)；靠近母材的一側(cè)會受到片狀石墨中C的擴散作用，形成飽和碳的奧氏體，使這里的碳含量比焊縫區(qū)相對高一些。隨著溫度的降低，F(xiàn)e原子和Cu原子在爭奪晶格位置時相互取代，形成金屬固溶體，從而削弱了鐵碳之間的親合力，飽和碳的奧氏體便可以石墨形式析出一定量的C，滲碳體和二次滲碳體也會有所減少，塑性有所提高。
（3）奧氏體區(qū)該區(qū)處于固相線與共晶線之間，加熱溫度范圍約為8201150℃，此區(qū)無液相出現(xiàn)。
該區(qū)中基體已奧氏體化，碳在奧氏體中的濃度是不一樣的，加熱溫度較高的部分（靠近半熔化區(qū)），由于石墨片中的碳較多地向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較高；加熱較低的部分（離半熔化區(qū)較遠），由于石墨片中的碳較少向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較低。隨后冷卻時，如果冷速較快（如電弧冷焊），會從奧氏體中析出一些二次滲碳體，其析出量的多少與奧氏體中含碳量成直線關(guān)系。轉(zhuǎn)變快時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻更快時，會產(chǎn)生馬氏體與殘余奧氏體。由于以上原因，該區(qū)硬度比母材有一定提高。熔焊時，采用適當(dāng)工藝措施使該區(qū)緩冷，可使奧氏體直接析出石墨，而避免二次滲碳體析出，同時防止馬氏體的形成。
（4）重結(jié)晶區(qū)該區(qū)很窄，其加熱溫度范圍約為780820℃。由于電弧焊時該區(qū)加熱速度快，只有母材中的部分原始組織可轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻很快時，也可能出現(xiàn)一些馬氏體。
其他加熱溫度更低的區(qū)域，焊后組織變化不明顯或無變化。
由于采用了異質(zhì)焊縫的焊條，焊縫金屬與母材金屬不能同時腐蝕。照片中呈黑白相間的條紋狀區(qū)域是半熔化區(qū)，這個區(qū)域組織即為亞共晶白口組織，主要由滲碳體、珠光體和高碳馬氏體組成，這一區(qū)域的硬度最高。從幾張照片比較來看，自制銅鐵焊條的白口寬度與比制鎳銅焊條的白口寬度略寬。
2.2不同填充材料對焊縫性能的影響
灰鑄鐵接頭的加工性常用布氏硬度值來衡量。
對于灰鑄鐵電弧冷焊接頭來說，要完全消除接頭的白口和淬硬組織是很難的。因此，要降低接頭布氏硬度值，改善加工性，除了要減少接頭的白口及淬硬組織外，要盡可能減小白口及淬硬組織分布的寬度。也就是說，接頭加工性必須由白口及淬硬區(qū)的硬度值，以及它的寬度兩個指標共同來評定，由硬度曲線可以看出，越靠近焊縫的地方硬度越高，且硬度最大值因焊條的不同而變化。鎳銅焊條的硬度要比銅鐵焊條的硬度低。采用銅鐵焊條所焊的焊接接頭，其半熔化區(qū)硬度高，且白口寬度大，接頭最高硬度值達到350HB，用鎳銅焊條所焊接頭最高硬度值也達297HB。一般認為焊接接頭的硬度在300HBS以下，進行機械加工是可以的，但要順利加工，最好在270HBS以下。就加工性比較而言，含銅量為54和66的自制鎳銅焊條的焊接接頭的硬度也能符合要求。從價格上考慮，且銅對焊縫的影響也是起降低硬度的作用，所以對于一些非加工面或加工面要求不高的焊補，可以采用含銅量為66的銅鐵焊條。
3結(jié)論
（1）電弧冷焊灰鑄鐵時，白口和淬硬組織是不可避免的。用銅鐵焊條和鎳銅焊條焊接時白口傾向得到了減弱。
（2）接頭加工性由白口寬度和最高硬度共同決定，白口寬度越小、硬度越低，則加工性越好。鎳銅焊條接頭加工性好，而用E4303焊條捆綁銅絲的自制銅鐵焊條接頭硬度較大。
（3）從經(jīng)濟性角度考慮，可在一些非加工面或加工面要求不高的焊補的情況下，用銅鐵焊條替代鎳銅焊條。
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