摘要
由于双重相变特性，灰铸铁同质焊接区易产生白口和淬硬组织。生产中常采用预热600℃～700℃的热态焊和预热350℃-400℃的半热态焊方法，其大多凭借经验制定热过程温度，往往造成预热不足或者能源浪费。本文在计算铸铁相变临界冷速基础上，采用有限差分法建立铸铁焊接温度场模型，对铸铁焊接热过程进行可视化模拟，运用温度场数值模拟与焊接试验相结合的方法，分析焊接工艺主要参数对焊区冷速的影响规律，确定并优化焊接工艺参数，以达到节约铸件再制造成本的目的。 计算结果表明：HT250不产生白口的临界冷速Vc为66.1℃／s，不产生淬硬组织的临界冷却时间为t8/5为30s;QT450-10不产生白口组织的临界冷速Vc为41.2℃／s，不产生淬硬组织的临界冷却时间为47s。 数值分析与模拟结果表明：焊接区凝固冷速最大的部位在熔合区，连续固态相变冷速最大位置在过热区。焊件板厚、预热温度、焊接电流及后热温度对铸铁焊接温度场均有较大影响，焊件板厚越大、焊接区冷速越快，通过增大焊接电流、升高预热温度以及增大焊件预制缺陷尺寸等可以有效降低焊接区冷速。对于板厚小于15mm的薄壁灰铸铁件，如若焊接时间大于35s，无需焊前预热便可使熔合区冷速小于临界冷速；对于壁厚大于30mm的厚大铸铁件，焊接时间大于35s，需要预热到250℃以上才可避免白口组织的产生。球墨铸铁件无法在冷焊条件下实现同质焊接的修复，壁厚小于15mm的球铁件，需预热150℃以上且焊接持续时间大于35s;厚度大于等于30mm的球铁铸件，需热到480℃以上方可避免白口组织和淬硬组织产生。 试验结果表明：对厚度为20mm、预制圆锥形缺陷尺寸为Φ20mm×8mm的灰铁HT250焊件，采用200℃预热、215A电流的焊接工艺连续焊接可避免焊接区出现白口组织和淬硬组织：提高预热温度至300℃、或增大焊接电流至250A、或增大焊件预制缺陷尺寸到Φ24mmx8mm，可使焊接区铁素体含量增加，硬度下降：空冷条件下无法避免热影响区马氏体的出现，配合焊后200℃的随炉缓冷，可使基体中铁素体含量增多，熔合区硬度降至246HBW。球铁的白口倾向大于灰铸铁，厚度为20mm、焊件预制缺陷尺寸为Φ20mm×8mm的QT450-10球铁件在400℃预热、250A电流连续焊接条件下依然有莱氏体产生，熔合区硬度高达300HBW。继续增大预热温度至550℃，焊接区白口基本消失，熔合区硬度降至253HBW;随着焊后缓冷温度的增加，热影响区铁素体含量增多。
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