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1、2 在做开题报告前，就应明确主题，有个大纲，必备的文献资料要准备好；3 要利用在校实训的良好时机，积累第一手资料，进行必要提炼，并充实 到论文中去。四、论文进度安排：xxx-xxx；确定题目，收集资料。完成任务书和开题报告。撰写论文，完成第一稿，并交指导老师。指导老师阅改论文。修改论文完成第二稿并交指导老师。修改论文完成第三稿并交指导老师。指导老师阅改论文，确定是否可参加答辩。毕业论文答辩评定。日期 xxx 年 x 月 xx 日 【摘要】:灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名，它包括一般灰口铸铁（简称灰铸铁）、孕育铸铁、稀土

2、灰口铸铁等。灰铸铁有一定的强度，但塑性和韧性很低，这种性能特点与石墨本身的性能及其在铸铁组织中的存在形态有关。在焊接过程中，由于焊件厚度，结构形状以及对质量要求的不同，其接头型式，焊接检验方法也不同。接头形式应根据结构形状，强度要求，工件厚度，焊后变形大小，焊条消耗量，坡口加工难易程度，焊接方法等因素综合考虑决定。【关键词】:灰口铸铁 焊缝设计 焊接检验 引言 近年来，随着国民经济的飞速发展，我国重型机械金属结构制造业取得了令人瞩目的成就。我国不仅是世界钢材消耗大国，也是世界机械制造业大国。据国际钢铁协会（IISI）统计，2004 年世界钢产量首次达到亿 t，用钢量为亿 t。我国 2015 年

3、钢产量为亿 t，约占全球钢产量的 26%，全年用钢量为亿 t，占全球钢产量的 33%，其中亿 t应用于焊接结构，约占用钢量的 51%左右。根据有关调查，在亿 t 焊接结构用钢中，机械制造业金属结构用钢量约占用钢量的45%，钢铁工业的快速发展，给我国焊接行业，尤其是重型机械金属结构行业焊接技术的可持续发展创造了很大的发展空间。进入 21 世纪，我国重型机械行业面临新的挑战和机遇，应彻底改善耗能大、耗材高、效率低、工作环境差和自动化程度低的传统焊接产业，促进焊接技术与产业向着优质、高效、节能、低成本、环境友好方面和自动化方向发展，努力将相对人力资源优势转化为科技竞争优势，促进企业进步和产业升级。第

4、一章 焊接的发展史 焊接的发展史 焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用的与现代软钎料成分相近.战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所着天工开物一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船锚。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都

5、是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；18851887年,俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从 20年代起成为一种重要的焊接方法。在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，

6、焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国的盖奇发明等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在 50年代得到实用和进一步发展；60年代又出现激光焊等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。其他的

7、焊接技术还有 1887年，美国的汤普森发明电阻焊，并用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；二十世纪世纪 20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的琼斯发明超声波焊；苏联的丘季科夫发明摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末苏联又制成真空扩散焊设备。（来源:中国金属加工在线）焊接前景 据有关资料介绍，全世界钢铁产量中约有 50%左右是通过焊接加工由原材料变成成品的。目前，很多焊接作业已采用机械化、自动化、数控、人工智能等很多高新技术。据有关资料不完全统计，在一些工业发达

8、国家焊接机械化的平均水平已达 70%80%，而我国只有 20%30%，绝大部分焊接作业离不开人工操作。随着生产的发展和科学技术的进步，焊接已成为门独立的学科，并广泛应用于宇航、航空、核工业、造船、建筑及机械制造等工业部门，在我国的国民经济发展中，尤其是制造业发展中，焊接技术是一种不可缺少的加工手段。以西气东输工程项目为例，全长约 4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达 35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少 1万 5 千公里。国家大剧院一共用了 6700吨钢材，焊缝长达 100公里，如果不算已经焊好的预制件，就现场焊缝加起来也有 35 公里长，需要 100多名优秀的焊工，耗用 87吨焊条。

9、北京奥运会鸟巢用的钢材 11万吨，焊缝长达 320公里，所用的焊条 20100吨，可以足足绕地球赤道三圈。离开焊接，简直无法想象如何完成这样的工程。国内外焊接技术的发展趋势 随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力，特别是借以展会展出品种繁多的产品和先进的技术。纵观 2009年的三大焊接展，即 2009年 6月在上海举办的第 14 届北京埃森焊接与切割展览会、2009 年 9 月在德国埃森举办的第 17届德国埃森焊接与切割展览、2009 年 10 月

10、在天津举办的第 23届中国焊接博览会，我们对国内外焊接技术的发展趋势以及焊接生产发展的新需求和新动向印象较深的是：核心技术的作用得以显现，数控和电源方面有发展，激光焊接技术成为一大亮点，机器人应用普及化。可以认为，世界焊接技术又跨上了一个新台阶，在高效、自动化、环境友好方面有了新的进步;焊接材料的种类更加丰富，焊接自动化、高效化、清洁化更加突出;焊接技术的综合成本更低，焊接对工业的服务更加广泛。同时，焊接中存在的手工、粗糙、脏乱、低速已基本消除，取而代之的是自动、精密、清洁、高效。产品情况 重型机械金属结构行业主要为国家大型骨干企业和国家重点工程项目提供重型机械装备。行业制造骨干企业如第一重型

11、机械集团有限公司、第二重型机械集团有限公司、太原重型机械集团有限公司、大连重工起重机集团有限公司、中信重型机械有限公司、郑州煤机厂、北京煤机厂、上海振华港口机械公司、齐齐哈尔第二机床厂等，主要制造大型桥式和门式起重机、435m3 机械式挖掘机、16m3 液压挖掘机、大型加压气化炉、加氢反应器、大型舞台设备、航天发射塔架、焦炉机械设备、螺旋焊管设备以及大型减速机、提升机、堆取料机、轧钢锻压设备、氧气瓶压机、水泥设备、粉磨、破碎机械、水利、工程机械、液压支柱、港口机械及环保设备等大型设备。第二章 灰口铸铁焊缝设计 铸铁焊件存在的问题 焊后产生白口组织 在焊接灰口铸铁时，经常会在熔合区生成一层白口组

12、织。产生白口组织的原因是：由于母材近缝区在焊接时受到高温加热，当受热温度 860以上时，原来灰口铸铁中得游离状态的石墨开始部分也熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。当冷却时，一般认为在 30100/s 的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是产生白口的主要原因。一般在窄小的高温度熔合区内，焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难 以机械加工，甚至会导致开裂。防止白口产生主要措施是适当调整填充金属的化学成分和冷却速度。改善焊缝技术的化学成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定条件下防止焊缝金

13、属产生白口。例如气焊用铸铁焊丝的碳，硅含量要比母材高（，%）特别是冷焊灰口铸铁时，焊丝中的含硅量可高达焊后缓冷和延长熔合区处于红热状态的时间，使石墨充分析出，这是避免熔合区产生白口的主要工艺途径。采取的具体措施是焊前预热和焊后保温。由于气焊时冷却速度较慢。因此。对于防止白口极为有力 焊接接头出现裂纹 裂纹是焊接灰口铸铁的要问题，灰口铸铁焊接接头上的裂纹可能出现在焊缝金属中，也可能在基本金属即母材上。母材的裂纹一般出现近缝区，可能是纵向，横向或斜向的。由于灰口铸铁塑性极差，几乎不能发生任何塑性变形，而且强度又低，所以在焊接应力及铸件本身应力（组织应力）的共同作用下，当局部应力大于强度极限时，就产

14、生裂纹。严重时，会使焊缝金属和母材分离，即焊缝从基本金属上脱离下来，即所谓剥离。如果焊缝强度较高而母材强度较低，或结合处产生白口时，由于白口铸铁收缩率（2.）比灰口铸铁收缩率（）大，且塑性也差，故均产生剥离。焊缝金属内的裂纹，一般常见的是横向裂缝，有时也有纵向及斜向裂纹，在焊缝断口处没有高温氧化时常见的蓝颜色。裂纹生成时常发出清脆的金属开裂声。通常裂纹发生在热态焊缝金属的暗红色消失后，即 600以下，直到焊缝与焊件整体温度均匀化之前。最容易发生裂纹的温度在 400以下，通常这种在热应力和组织应力的共同作用下发生的裂纹称为热应力裂纹。灰口铸铁的化学成分及力学性能 灰口铸铁（HT）中的碳全部或大部

15、分以片状石墨形态存在，分布于不同的基础上，断口呈暗灰色。这类铸铁的生产工艺简单，价格低廉，具有优良耐磨性和切削加工性等，在工业上得到了广泛应用。由于基体中的石墨呈片状分布，与基体结合力弱。因此灰口铸铁的抗拉强度低、硬度低，塑性几乎为零。灰口铸铁的化学成分、性能特点见表 2-1、2-2 灰口铸铁的化学成分 表 2-1 灰口铸铁的化学成分 牌号 基体组织 化学成分%C Si Mn p S HT1OO 珠光体 30%70%粗片状，铁素体 70%30%,二元磷共晶体少于 7%HT150 珠光体 40%90%粗片状，铁素体 10%60%,二元磷共晶体少于 7%HT200 珠光体 90%中片状，铁素体少于

16、 5%，二元磷共晶体少于 4%HT250 珠光体 98%粗片状，二元磷共晶体少于 2%HT300 珠光体多于 98%中细片状，二元磷共晶体少于 2%HT350 珠光体 95%粗片状，二元磷共晶体少于 1%灰口铸铁的力学性能 表 2-2 灰口铸铁的力学性能 牌号 金相组织/Mpa 抗拉强度/Mpa 弯曲强度/MPa 硬度/HBS HT100 铁素体 100 260 150 HT150 铁素体+珠光体 150 330 150200 HT200 珠光体 200 400 170220 HT250 珠光体 250 470 190240 HT300 孕育铸铁 300 540 210260 HT350 孕育

17、铸铁 350 610 230280 HT400 孕育铸铁 400 680 207269 （字母“HT”+数字（最小抗拉强度）常用铸铁件的焊接方法 由于铸铁的一些优点，在汽车制造材料中占有很大的比重。铸铁零件大多是加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器壳体等。铸铁零件在制造及使用过程中，经常会出现裂纹、气孔、损坏等情况。据统计，汽车在正常使用情况下，这类零件达到磨损极限时，其尺寸变化只有，质量损失只有，此时将零件报废，无疑是非常浪费的。因此，研究和利用先进的修理经验，合理地修复铸铁零件是十分必要地。焊接就是一种非常有效地修复铸铁零件的方法。铸铁含碳量高、杂质多，并具有塑性低、焊

18、接性差、对冷却速度敏感等特性，焊补后容易出现白口组织和产生裂纹。为改善铸铁零件的焊补质量，常用的方法有以下几种。冷焊法 电弧焊冷焊法就是焊件在焊前不预热,焊接过程中也不辅助加热，因此可以加速焊补生产率，降低成本，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。目前冷焊法正在推广，并迅速发展。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。常形成极大的内应力，会造成裂纹，在冷焊时应注意以下几点：焊前应彻底清理油污，裂纹两端要打上裂孔，加工的坡口形状要保证便于焊补及减少焊件的熔化量。采用钢芯或铸铁芯的以外的焊条，小直径焊条应尽量用

19、小的焊接电流，以减少内应力和热影响区的宽度。采用短焊道焊接法。一般每次焊 1040mm，待其充分冷却后再焊。采用分段倒退焊.这样可以降低拉应力，对防裂有好处。每项焊一短焊道后，用圆头锤沿焊逢向外锤击。冷焊焊条按焊后焊缝的可加工性分为两大类：一类用于焊后不需要机械加工的铸件，如钢芯铸铁焊条（EZCQ），只适用小型薄壁铸件刚度不大部位的缺陷焊补；另一类用于焊后需要机械加工的铸件，如纯镍焊条（EZNi-1）镍铁铸铁焊条（EZNiFe-1）镍铜铸铁焊条（ENiCu-1）等。热焊法 热焊法是在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温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。用热焊法时，

20、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。气焊灰口铸铁的焊接工艺：气焊火焰温度比电弧温度低得多，因而焊件的加热和冷却比较缓慢，这对防止灰口铸铁在焊接时产生的白口组织和裂纹都很有利。所以用气焊焊补的铸件质量一般比较好，因气焊成为补焊铸铁的常用方法。但气焊与焊条电弧焊相比，焊工的劳动强度高，焊件变形较大，焊补大型铸件时难以焊透。但由于气焊铸件的质量较好，易切削加工，使许多工厂中的中小型灰口铸件，还是较多用气焊焊补。焊前准备：在焊件清除完毕后，检查缺陷。.焊件上的缺陷可起码接观察，也可用 10-20

21、 倍的放大镜查找。裂纹找出后，在裂纹的两端钻直径 46mm 的裂孔，以防止裂纹扩展。焊接灰口铸铁时可选用铸铁焊丝，丝 401A或丝 401B。焊接时气焊熔剂选用气剂 201，铸铁气焊熔剂熔点为 650成碱性，能将铸铁气焊时产生的二氧化硅（熔点为 1350）变为易熔的盐类。铸铁用气焊熔剂进行灰口铸铁补焊时，应选择较大号的焊炬，以提高焊接头焰效率,有利于气孔夹渣等缺陷。焊嘴孔径可根据焊补处的壁厚确定。操作技术：在气焊过程中，必须选用中性焰或弱碳化焰；在焊接结束时可用碳化焰使焊缝缓冷，这样可以减少碳和硅的烧损，消除过厚的氧化膜，防止白口冷硬现象;当消除缺陷的底部或开坡口时可用氧化焰.焊接时，在要基本

22、金属熔化后再加入焊丝，以防止熔合不良；发现熔池中有小气孔和白亮点夹杂物时，可以往熔池中加入少量气焊熔剂，有助于消除平渣，但气焊熔剂不宜加入过多,否则反而容易产生夹渣，气孔；适当加大火焰的功率，提高熔池铁水温度,有利于气体及杂质浮起,因而能减少气孔，夹渣；操作时应注意火焰始终盖住熔池；加入焊丝时，经常用焊丝轻轻搅动熔池，促使气体，熔渣浮出;焊补将完毕时应使焊缝稍高于焊件表面，并用焊丝刮去杂质较多的表层面。由于表层内含杂质较多，冷却后硬度较高，所以，刮去表面层可提高焊缝的切削性能。当补焊被焊区刚性较大或补焊面积较大，以及材质较差,组织疏松的铸件时，可采用热焊。焊后用石棉或炭灰将铸件盖好，使焊缝缓慢

23、冷却，以防止产生裂纹和白口组织。加热减应焊法 此方法是不事先加热焊件，而在施焊前和施焊中加热焊件的“加热减应区”，使其不阻碍焊缝的收缩，从而减少内应力，避免产生裂纹。加热减应区可选取一处或多处，其选取原则为：1、应是阻碍焊缝膨胀的部位。当该部位加热冷却时，使焊缝有获得自由热膨胀和冷收缩的可能。2、应是与其它部位联系不多且强度较大的部位。3、自身的变形对其它部位应无很大影响，不至于因它的变形而损坏其它部位。在选择焊接方法时应注意以下原则：针对不同的切削加工性、颜色、强度等选择不同的焊接方法。焊条电弧焊热焊法对于要求质量高、切削加工性好的铸件最适合，焊条电弧焊冷焊法则适宜于机加工的表面及不便于预热

24、的大型铸件。针对不同的焊件体积、形状、厚度及使用条件等选择不同的焊接方法。对于中小型薄壁零件（如气缸）采用气焊、冷焊、热焊均可，对于较大的零件应采用气焊热焊法。接头形式的选择及坡口的选择 焊缝的布置工艺设计原则 1焊缝布置应尽量分散 两条焊缝的间距大于三倍板厚，且不小于 100 mm。如图 2-2 图 2-2 焊缝分散布置的设计 焊缝的位置应尽可能对称布置。如图 2-3 图 2-3 焊缝对称布置的设计 焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置。对于受力较大、结构较复杂的焊接构件，在最大应力断面和应力集中位置不应该布置焊缝。如图 2-4 图 2-4 焊缝避开最大应力断面与应力集中位置的设计 焊缝

25、应尽量避开机械加工表面。有些焊接结构是一些零件，需要进行机械加工，其焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面远一些。如图 2-5 图 2-5 焊缝远离机械加工表面的设计 焊缝位置应便于焊接操作布置焊缝时，要考虑到有足够的操作空间。如图 2-6 图 2-6 焊缝位置便于电弧焊的设计 接头形式的选择 在手工电弧焊中，由于焊件厚度，结构形状以及对质量要求的不同、其接头型式也不同。根据国家标准 GB 985-80规定，焊接接头的型式主要可分为四种，即对接接头、角接接头、搭接接头、T型接头。如图 2-1 图 2-1 接头形式应根据结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工难易程度、焊接

26、方法等因素综合考虑决定。对接接头受力比较均匀，是最常用的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。如图 a （a）对接接头 角接接头与 T形接头受力情况都较对接接头复杂，但接头成直角或一定角度连接时，必须采用这种接头形式。如图 b、c （b）T型接头 （c）角接接头 搭接接头因两工件不在同一平面，受力时将产生附加弯矩，而且金属消耗量也大，一般应避免采用。但搭接接头不需开坡口，装配时尺寸要求不高，对某些受力不大的平面联接与空间构架，采用搭接接头可节省工时。如图 d （d）搭接接头 坡口形式的选择 焊条电弧焊对板厚为 16 mm 对接接头施焊时，一般可不开坡口（即 I形坡口）直接焊成。当板厚增大时，为了

27、保证焊透，接头处应根据工件厚度预先加工出各种形式的坡口。坡口角度和装配尺寸按标准选用。两个焊接件的厚度相同时，可选用常用的坡口形式及角度。Y形坡口和带钝边 U形坡口用于单面焊，其焊接性较好。但焊后角变形较大，焊条消耗量也大些。双 Y形坡口双面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量较少。但有时受结构形状限制。带钝边 U形坡口根部较宽，允许焊条深入，容易焊透。而且坡口角度小，焊条消耗量较小。但因坡口形状复杂，一般只在重要的受动载的厚板结构中采用。带钝边双单边 V形坡口主要用于 T形接头和角接接头的焊接结构中。3.接头过渡形式 设计焊接构件最好采用相等厚度的金属材料，以便获得优质的焊接接头。当两块厚度

28、相差较大的金属材料进行焊接时，接头处会造成应力集中。接头两边受热不匀易产生焊不透等缺陷。不同厚度金属材料对接时，允许的厚度差如表 2-3所示。如果 1-超过表中规定值，或者双面超过 2（1-）时，应在较厚板料上加工出单面或双面斜边的过渡形式。如图 2-3 表 2-3 不同厚度金属材料对接时允许的厚度差 较薄板的厚度/mm 2 5 68 911 12 允许厚度差（1-）mm 1 2 3 4 图 2-3 不同厚度金属材料对接的过渡形式 钢板厚度不同的角接与 T形接头受力焊缝，可考虑采取过渡形式。如图 2-4 图 2-4 不同厚度的角度与 T形接头的过渡形式 第三章焊后检验 焊缝外观及尺寸的检验 检查焊缝缺陷时，可用超声探伤仪或射线探测仪检测。在对焊缝的内部缺陷进行探伤前应先进行外观质量检查。焊缝表面质量的检验可目测或用 10倍放大镜，当存在疑义时，采用磁粉或渗透擦伤。如果焊缝外观质量不满足规定要求，需进行修补。焊缝的外形尺寸一般用焊缝检验尺测量。焊缝检验尺由主尺、多用尺和高度标尺构成，可用于测量焊接母材的坡口角度、间隙、错位、焊缝