鑄鐵是應用較早的結構材料，許多機械設備的零件都採用鑄鐵製造，同時鑄鐵件的補焊修復仍是經常遇見的問題。
1．鑄鐵的分類及其典型材料
鑄鐵是含碳量大於2％的鐵碳合金，一般含有硅、錳元素及硫、磷雜質，有時還加入不同的合金元素，以便獲得具有不同性能的鑄鐵。按碳在鑄鐵中存在的狀態及形式的不同，可將鑄鐵分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、白口鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵。
使用較多的鑄鐵有灰鑄鐵和球墨鑄鐵，如灰鑄鐵中的HT150 (HT15－33) 符合GB/T 9439－1988，球墨鑄鐵中的QT500－7 (QT50－5) 和QT60－2) 符合GB/T 1348－1988，以上三種典型鑄鐵都是比較常見的材料，三種鑄鐵化學成分、力學性能分別見表1、表2。
表1 三種鑄鐵的化學成分（質量分數）
表2 三種鑄鐵的力學性能
2．鑄鐵的焊接工藝特點及焊接材料的選用
（1）鑄鐵焊接時的主要問題
1) 焊接接頭易出現白口和淬硬組織。由於焊縫金屬冷卻速度快，不同於鑄鐵在型砂中的冷卻速度，並有部分鑄鐵母材熔入焊縫，使焊縫的含碳量增高，熱影響區的半熔化區和焊縫易產生馬氏體淬硬組織，而母材易產生白口組織等性能較差的組織。
當焊縫化學成分為鑄鐵是地，為了保證鑄鐵中的碳以石墨形式析出，避免產生白口鑄鐵，應採取適當的焊前預熱工藝措施，減慢焊縫的冷卻速度，調整焊縫化學成分，增強焊縫石墨化能力，防止母材中的碳過渡到焊縫中而產生馬氏體組織。在冷卻過程中鑄鐵能否析出石墨，主要取決於焊縫化學成分和冷卻條件。
2) 鑄鐵焊接是地，焊接接頭易出現冷裂紋和熱裂紋。冷裂紋通常在400℃以下出現，產生原因是由於鑄鐵塑性差和焊接拘束應力的共同作用。熱裂紋是因低熔點共晶和結晶過程中焊接應力的作用產生的，與硫元素含量有關，多發生在採用鎳基和低碳鋼焊接材料的異質焊縫金屬中。
（2）鑄鐵焊接的工藝特點
鑄鐵的焊接工藝一般分為熱焊、半熱焊、冷焊三種工藝，不同的焊接工藝選用的焊接材料各不相同。
1) 鑄鐵熱焊工藝是將鑄鐵件整體或局部預熱至600～700℃，並在焊接過程中保持溫度，焊後趁紅熱狀態覆蓋石棉粉或其他保溫材料，緩慢冷卻，有利於石墨析出。熱焊方法的優點是降低焊縫與母材的溫差，從而降低焊接接頭應力水平，有利於防止裂紋產生，避免產生白口及淬硬組織。
2) 鑄鐵半熱焊工藝是將鑄鐵件整體或局部預熱到300～400℃，並在焊接過程中保持溫度。半熱焊方法改善了施工條件，降低了焊接成本，但焊縫抗裂性能下降。
3) 鑄鐵冷焊工藝一般焊前不進行預熱，當環境溫度較低或焊接拘束較大時，焊前可以預熱100～150℃，鑄鐵冷焊時往往要採用特殊的焊接材料和必要的工藝措施。
（3）鑄鐵焊接時的焊接材料選擇
1) 鑄鐵熱焊和鑄鐵半熱焊可以選用鑄鐵芯的同質焊縫焊接材料，如EZC(Z248)、EZCQ(Z258)焊條；或選用低碳鋼芯的異質焊縫焊接材料，如EZFe－2(Z100)、EZC(Z208)、EZCQ(Z238)焊條。
2) 鑄鐵冷焊一般採用異質焊縫焊接材料，即焊縫化學成分與母材成分不相同，包括鋼基、鎳基和銅基三類焊接材料。如鋼基焊條EZV(Z116、Z117)、EZFe－Fe)，鎳基焊條EZNi－1(Z308)、EZNiFe－1(Z408)，銅基焊條EZNiCu－1(Z508)。
鎳基焊條的焊縫硬度低，半熔化區白口組織薄，且呈斷續分佈，鎳基焊縫的顏色與鑄鐵母材接近，使用比較廣泛，但採用鎳基焊條生產成本高。EZNi－1(Z308)焊條是純鎳焊芯，石墨型藥皮，焊縫金屬具有一定的強度和塑性，半熔化區白口寬度僅為0.05mm，焊後可進行切削加工，主要用於切削加工表面的焊接。EZNiFe－1(Z408)焊條是鎳鐵合金焊芯，石墨型藥皮，焊縫金屬抗裂性能優於純鎳和鎳銅焊條，半熔化區寬度為0.1mm，焊縫金屬抗拉強度高。EZNi-1(Z308)和EZNiFe－1(Z408)鎳基焊條的焊縫金屬化學成分力學性能見表3。
表3 EZNi－1、EZNiFe－1焊條的焊縫金屬化學成分、力學性能
3 鑄鐵冷焊修復工藝與工程應用實例
（1）鑄鐵冷焊常用的工藝措施
1) 採用焊條電弧焊焊接方法。
2) 焊接材料選用鎳基焊條EZNi－1(Z308)或鎳鐵合金焊條EZNiFe－1(Z408)。
3) 焊前可以預熱100～150℃或不預熱。
4) 採用小線能量、窄焊道焊接操作，減少稀釋率，降低半熔化區白口層寬度。
5) 採取短段焊、斷續焊、分散焊及焊後立即錘擊焊縫等措施，降低焊接應力。
6) 選擇合理的焊接方向和順序。應掌握由剛度大的部位向剛度小的部位施焊原則，修復裂紋時焊接方向為從閉合的裂紋末端向裂紋的開口端進行分段焊接。
7) 可使用鑲塊補焊法，即在裂紋密集處或焊接填充量較大位置，可以將該部位清除，並鑲入低碳鋼板或其他焊接性能較好的材料，改變焊縫分佈位置。
8) 可在焊接坡口面使用栽絲法，就是在母材坡口面上鑽孔、攻絲，將低碳鋼螺釘擰入，以螺釘為中心進行焊接，可以防止焊縫從母材上剝離，並提高承受衝擊載荷的能力，多用於厚大鑄鐵件的補焊。
（2）灰口鑄鐵鏜床拖板的焊接修復實例
某型移動鏜床在使用中，因意外撞擊事故將灰口鑄鐵鏜床拖板嚴重損壞，拖板出現大面積放射狀裂紋，裂紋分佈範圍達550mm×2200mm，裂紋最長達2100mm，深度達30mm，移動軌面嚴重變形，裂縫兩側錯位達5mm。拖板材料為灰口鑄鐵HT150(HT15－33)，從恢復機床精度考慮，採用了鎳基焊條電弧冷焊工藝。
灰口鑄鐵鏜床拖板的焊接修復工藝要點：
1) 為防止裂紋的進一步擴展，在每條裂紋尖端鑽止裂孔，直徑為12mm。
2) 採用千斤頂和自制矯正胎具，以移動軌面為基準，恢復軌面平面，並將拖板裂縫兩側頂壓平齊、合口，檢查拖板外形尺寸、形位公差。
3) 用丙酮清洗裂縫兩側及其周圍50mm範圍內的油汙、雜物。
4) 採用碳弧氣刨和角向磨光機清除裂紋，並製備焊接坡口，露出金屬光澤，對坡口表面進行檢查。
5) 採用焊條電弧焊焊接方法。
6) 焊前不預熱，控制層間溫度小於60℃。
7) 拖板裂紋焊接修復選用EZNiFe－1(Z408)ф4mm焊條，軌面裂紋焊接修復選用EZNi－1(Z308)ф3.2mm焊條。
8) 採用多層多道焊，焊接操作時不擺動，每次焊接10－30mm，焊後用小錘錘擊焊縫。
9）在拖板處於機械固定狀態下，先進行側面坡口的焊接，焊後磨平焊縫，並採用補強板螺釘連接後焊接固定。然後再進行拖板正面放射狀裂紋的逐條焊接修復，焊接到坡口深度的1/2。此時距離裂紋中心部位300mm範圍內的裂紋不用焊接。
10）去除千斤頂和自制矯正胎具等輔助器材，並檢查軌面精度。
11) 採用切削加工去中心部位ф330mm的鑄鐵金屬，形成通孔。另外加工材質為Q235的鑲塊法蘭，板厚為30mm。
12) 拖板正面裝配鑲塊法蘭，將工件翻身，並完成反面焊縫的焊接。
13) 然後再將工件翻身，並完成拖板正面坡口的焊接，將焊縫表面打磨平整。
14) 焊後進行表面裂紋檢查。
採用以上焊接工藝完成了灰口鑄鐵鏜床拖板的焊接修復，實際使用效果良好，保證了鏜床的順利運行。
（3）球墨鑄鐵水泥生料磨磨盤的焊接修復實例
某型立式水泥生料磨是從國外進口的水泥生產設備，在長期使用中生料磨磨盤邊緣開裂，造成停產。磨盤材質為球墨鑄鐵，磨盤直徑ф3200mm，重量達31噸，裂紋長度長達3600mm，深度180mm，邊緣已裂通，裂縫最寬處達40mm，並有大量的雜物。
修復時採用了鎳基焊條電弧冷焊工藝，球墨鑄鐵水泥生料磨磨盤的焊接修復工藝要點：
1) 在裂紋的擴展方向鑽制直徑為ф12mm的止裂孔。
2)用壓縮空氣和高壓水槍反覆清理裂縫區的礦石、雜物。
3) 採用氧－乙炔火焰加熱，利用自制門型夾具和齒輪泵，儘可能使裂縫區復位、定位，恢復零件外觀尺寸。
4) 採用碳弧氣刨沿裂縫製備外側焊接坡口，坡口角度為70º，平均深度為65mm；製備內側焊接坡口，坡口角度為 40º，平均深度為35mm。並用角向磨光機清除碳弧氣刨層3mm，清除坡口周圍30mm範圍內的鏽蝕層，露出金屬光澤。
5) 外側焊接坡口內每邊栽絲兩排，呈交錯排列，間距為20mm，螺絲直徑ф10mm，深度15mm，高出坡口平面3mm。6) 準備材質為Q235、尺寸為150mm×10mm（寬度×厚度）的鋼板鑲條若干件。
6) 採用焊條電弧焊接方法。
7) 焊接修復選用EZNiFe－1(Z408)ф3.2mm焊條，經200℃×1小時烘乾；選用E5015(J507)ф3.2mm焊條，經350℃×2小時烘乾。
8) 焊前預熱，預熱溫度T≥50℃，並控制層間溫度。
9) 栽絲完成後，用EZNiFr－1(Z408)焊條，在外側焊接坡口內焊接三層過渡層，每道焊縫長度不超過100mm，焊接操作時不擺動。
10) 採用多層多道焊，焊縫交錯搭接，分塊跳焊，每焊一道立即錘擊焊縫。
11) 外側坡口焊接到坡口深度的1/3，然後完成內側坡口的焊接。
12) 隨後在外側坡口內立式裝配、焊接Q235鋼板鑲條，焊接材料為E5010(J507)焊條，以降低修復成本、減少焊接填充量，完成外側坡口的焊接，並將焊縫表面打磨平整。
13) 焊後進行表面裂紋檢查。
採用以上焊接工藝完成了球墨鑄鐵水泥生料磨磨盤的焊接修復，探傷檢驗合格，使用運行平穩，滿足了實際生產要求。
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