摘要：Si-Mo球墨铸铁进气法兰与1Cr17不锈钢弯管异种材料的GMAW焊接，采用镍基合金焊丝，可以有效的防止焊接冷裂纹，但同时镍基焊缝容易产生热裂纹，球墨铸铁进气法兰与不锈钢弯管的角缝焊脚低，焊缝成型较难控制。试验表明，保护气体成份是上述问题的重要影响因素。本文通过对 比分析四种保护气体对焊缝成型及热裂纹敏感性的影响，选出了球墨铸铁与不锈钢GMAW镍基合金焊丝焊接较为理想的保护气体。

前言

某汽车排气管进气法兰材料为Si-Mo球墨铸铁，进气法兰与1Cr17不锈钢弯管（见图1）进行焊接；Si-Mo球墨铸铁和1Cr17不锈钢弯管的化学成分分析结果见表1。

球墨铸铁通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效提高了铸铁的机械性能；在保证良好的强度 的情况下，同时具有较好的塑性和韧性。从该批球墨铸铁进气法兰取一组试样，做拉伸试验，结果如下：

屈服强度Rp0.2=572MPa，抗拉强度Rm=696MPa，断后伸长率A=9.5%。

球墨铸铁的正常组织是细小圆整的石墨球加金属基体，在铸造条件下获得的金属基体组织通常 为铁素体加珠光体的混合组织；要获得铁素体球墨铸铁需经低温石墨化退火，使珠光体分解为铁素体加石墨。图2为Si-Mo 球墨铸铁进气法兰金相组织图，组织为铁素体基体加球状石墨。

根据实际生产需要，选择熔化极气体保护焊进行焊接。镍基焊缝对冷却速度不敏感，始终为奥氏体组织；另外，镍基焊缝高温下可以溶解较多的碳，温度下降后一部分过饱和的碳以细小的石墨 析出，石墨析出伴随的体积膨胀有利于降低焊接应力，降低焊接热影响区冷裂纹倾向。Ni为促使石墨化元素，可减弱半熔化区白口的宽度，且能进一步改善焊接接头的加工性能[1]。因此，选择焊接 材料为含Ni40%、Cr8%、Mn8%左右的镍基合金焊丝，焊丝的化学成分分析结果见表2。

但是利用镍基焊丝焊接铸铁时，由于铸铁中含有较多的 P、S，熔入焊缝后，易与 Ni 形成低熔 点共晶物 Ni-Ni3-S2（共晶熔点为644℃）、Ni-Ni3P（共晶熔点为 880℃）[2]。低熔点共晶的存在显 著提高热裂纹的产生倾向。此外，镍基焊缝为单相奥氏体，为粗大柱状晶；同时低熔点共晶呈晶间 连续分布，也促使热裂纹的形成。

镍基合金焊丝液体流动性差，焊缝成形困难，并且Si-Mo球墨铸铁进气法兰与1Cr17不锈钢弯 管角焊缝焊脚高度低，管子直径小，更增加了成型难度。因此，除了选择合适的工艺参数规范外， 保护气体成份的选择是影响焊缝成型和热裂纹敏感性的重要因素。

工艺试验

焊接工艺参数的选择

通过前期的试验表明，焊接电流为 220A 左右、电压为 20.5 左右时，采用较快的焊接速度，可 以获得良好的焊缝成型。

焊接电流为 190A 左右时，焊缝成型效果差，熔深太浅，熔池难以形成，熔敷金属液体难以铺开， 容易形成未熔合。

当焊接电流加大到超过 230A 时，实际焊接操作较难控制，并且容易产生裂纹。

工艺试验方案

选择92Ar+8%CO2、92Ar+8%O2、纯Ar、98Ar+2%O2四种保护气体进对比焊接试验。试验分为两种，第一种为球墨铸铁进气法兰与不锈钢弯管角焊缝试验，通过试验主要分析焊接工艺性、焊缝成型以及热裂纹敏感性；第二种为球墨铸铁进气法兰上的堆焊试验，通过试验主要分析焊缝熔深、熔宽以 及焊缝润湿性。

试验结果

球墨铸铁进气法兰与不锈钢弯管角焊缝试验

通过对比如下：

另外，92Ar+8%O2焊缝表面氧化严重，综合上述结果可以看出，选用98Ar+2%O2做为保护气体效果最好。

从图 4 来看，四种保护气体焊缝铸铁侧熔合均比较良好，均未发现裂纹和未熔合，由于焊缝边 缘与铸铁管座边缘平齐，从这种角焊缝截面较难直观测量熔深，因此需要从堆焊焊缝进一步比较熔 深。

铸铁管座堆焊试验

从图 5 的照片可以看出 92Ar+8%CO2、92Ar+8%O2 保护气体焊接的堆焊焊缝，虽然成型较好，但是 焊缝上都有明显的横向裂纹，纯 Ar 的焊缝虽然没有明显的裂纹，但是成型一般，焊缝边缘两侧不平 滑，有锯齿状现象，98Ar+2%O2 的焊缝成型良好，且没有产生裂纹。

从焊缝截面宏观金相来看，四种保护气体均未发现未熔合和裂纹等缺陷。

纯Ar 的熔深明显偏小，98Ar+2%O2 的熔深最大。

纯Ar 焊缝成型不好，焊缝熔透形状不好，而其余三种气体的熔透形状较好。

通过表 4 可以看出，纯 Ar 的润湿角比较小，92%Ar+8%CO2 的最大，92Ar+8%O2 和 98Ar+2%O2 的基 本相当。

试验结果分析

气体的成份对焊缝熔透形状的影响十分明显，这是因为混合气体成份不同，其所含的活性成份 也不同，对电弧的冷却作用强弱不同，使弧柱的截面积大小、弧柱稳定和能量密度发生变化，从而 影响焊缝的熔透形状[3]。

纯 Ar 作为保护气体焊接时，由于焊缝金属液体的粘度及表面张力大，焊缝两侧边缘不平滑，有 锯齿状现象，同时，由于电弧阴极斑点不稳定，产生阴极斑点漂移现象，电弧根部的不稳定，造成 了焊缝熔深和成型的不规则。因此，在 Ar 中加入一定成份的活性气体，可明显改善焊缝金属液体的 流动性，改善焊缝成型。

采用 92%Ar+8%CO2 的混合气时，CO2 气体在电弧高温下分解吸热，使电弧产生收缩效应，致熔宽 变窄；氧化性气体提高熔池温度，配合电弧收缩提升电弧穿透力，增大熔深；但是分解氧与熔池金 属生成氧化物，导致飞溅增多，焊缝成型效果一般；同时焊缝韧性下降，容易产生裂纹，甚至在焊 缝与铸铁的熔合线附近产生裂纹。

采用 92%Ar+8%O2 的混合气时，活性气体 O2 与 CO2 气体相同，也有电弧收缩效应，与纯氩相比增 加熔深，但 O2 分解吸热效应弱于 CO2，因而收缩效应较低，因而熔宽比使用 CO2 气体宽；同时氧气增 加焊缝液体的流动性、增加焊缝金属的润湿性，有助于焊缝成型，但由于排气管焊接接头型式的限 制，不利于实际焊接操作控制，增加了焊接操作的难度，且较高含量氧化性气体的加入增加焊缝弧 坑裂纹的倾向。

采用 98%Ar+2%O2 的混合气，焊缝表面成型及外观质量发生了较为明显的变化，焊缝边缘整齐， 熔深最大，焊缝中部宽度增加，焊缝根部的圆角半径明显变大，焊缝形状的过渡变得较为平滑。同 时 O2 的比例降低，降低氧与铸铁中碳反应生成 CO 和 CO2 的量，减少气膜对熔深的影响；另外 O2 比例 降低减少镍基氧化物的生成，利于熔深的增大。适中的氧化活性保证电弧稳定性和良好的焊缝金属 液体流动性，利于焊缝成型。因此焊接操作和工艺性都较好，是比较理想的气体配比。

另外，从润湿角的测量结果看，虽然测量结果表明纯 Ar 的润湿角最小，但是实际观察截面宏观 金相，发现实际上焊缝熔合性很差，因为焊接操作因素和焊缝成型因素的影响，润湿角很难在宏观 状态下测量准确，实际参考意义不大。

5、结束语

Si-Mo 球墨铸铁/不锈钢弯管异种材料的 GMAW 焊接采用纯 Ar 保护气体焊接焊缝金属液体的粘度 及表面张力大，焊缝成形差；在 Ar 中加入一定成份的活性气体，可明显改善焊缝金属液体的流动性， 改善焊缝成型， 同时熔深增加，可焊性改善。

参考文献：

[1]孟庆森.金属焊接性基础[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]周振丰.铸铁焊接冶金与工艺[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]许先果，熊跃.混合保护气体成分对焊缝成形的影响[J].焊接技术，1990(6)