Сварка чугуна

          
СВАРКА ЧУГУНА

Способы сварки чугуна

Чугуном называют железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. В зависимости от содержания углерода чугун может быть белым и серым.

В белом чугуне углерод находится в виде цементита. У белого чугуна светлый излом, он обладает высокой твердостью и хрупкостью, вследствие чего не поддается обработке резанием, а применяется ограничено в виде литых деталей, от которых требуется твердость и износоустойчивость.

Серый чугун, в котором углерод находится в виде графита, имеет серый излом. Серый чугун широко применяют в промышленности вследствие простоты получения и низкой стоимости, хороших литейных свойств, надежной работы в условиях различных нагрузок и температур. Серые чугуны различаются по состоянию находящегося в них графита. Распространен серый чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита. Чугун с шаровидным графитом - высокопрочный и обладает хорошими литейными свойствами, хорошей обрабатываемостью, меньшей чувствительностью к концентраторам напряжении и механическими свойствами на уровне углеродистых сталей. Ковкий чугун содержит графит в виде хлопьев и обладает большей пластичностью.

Обычный серый чугун содержит 2,5-4% углерода, 2,5-4% кремния и другие элементы. Получение высокопрочного и ковкого чугуна достигается изменением процентного содержания углерода, кремния и других примесей, а также термической обработкой и различной скоростью охлаждения.

Сварка чугуна затруднена из-за склонности к образованию трещин, низкой пластичности и прочности, что при местном нагреве сварочной дугой или при охлаждении после сварки может вызвать растрескивание деталей. В металле шва и околошовной зоны при повышенных скоростях охлаждения возникает отбеливание, затрудняющее последующую механическую обработку.

Для устранения трудностей, возникающих при сварке чугуна, необходимо в первую очередь регулировать химический состав основного и наплавленного металла, добиваясь наиболее полного осуществления процесса графитизации (устранения отбеливания, вызванного цементитом).

Удовлетворительно сваривается чугун с мелкозернистой перлитной структурой и мелкими графитовыми включениями. Плохо свариваются чугуны с грубой структурой и крупным графитом. Почти не поддаются сварке чугунные детали, работавшие долгое время при температуре 300-400 °С и выше или длительно соприкасавшиеся с маслом и керосином.

Для обеспечения графитизации шва и зоны влияния применяют сварочные электроды, содержащие больше графитизаторов, чем в основном металле. На практике сварку чугуна применяют главным образом при ремонте чугунных деталей механизмов и для исправления дефектов литья (раковин, пор и т.п.). Применяют два основных способа: холодную сварку чугуна (без его подогрева) специальными электродами и горячую сварку с нагревом свариваемых деталей до температуры 600-700 °С. Для устранения небольших дефектов в деталях иногда применяют полугорячую сварку с нагревом до 250-400 °С.

Холодная сварка чугуна

Сварка стальными электродами применяется ограниченно ввиду трудности получения сварного соединения без отбеливания и образования трещин. Такой способ сварки применяют для заварки дефектов отливок и ремонта чугунных деталей неответственного назначения. Лучшие результаты достигаются при использовании электродов марки ЦЧ-4 с карбидообразующими элементами в покрытии, в частности до 70% ванадия. Ванадий, поступающий в шов, связывает углерод основного металла в мелкодисперсные карбиды ванадия, в результате чего структура шва получается ферритной с включением карбидов ванадия, которого в шве оказывается 9-10%. Углерод шва, таким образом, не влияет на образование цементита, так как почти целиком используется для образования карбида ванадия, и отбеливания не происходит. Возможна обработка режущим инструментом.

При сварке электродами ЦЧ-4 дефектные места должны быть хорошо очищены и разделаны. Сначала па стенки разделанного дефектного места наплавляют облицовочные валики (рис.1, а) электродами диаметром 3 мм при малой погонной энергии и токе 65-80 А, не допуская разогрева металла, лучше всего, делая наплавку вразброс (небольшими валиками в разных местах). После этого заполняют разделку отдельными валиками электродами больших диаметров, не разогревая деталь. Сварку следует вести медленно.

Для увеличения прочности соединения ремонтируемых крупных чугунных изделий (станин, рам и т.п.) применяют сварку со стальными шпильками (рис.1, б) диаметром d = 0,15 - 0,25 толщины детали. При диаметре шпильки 3-16 мм принимаются: расстояние до кромки детали (1,5-2)d, глубина ввертывания, высота выступающей части шпильки (0,8-1,2)d. Сварку ведут вразброс электродами УОНИИ-13/45 или им подобными и начинают на малом токе при диаметре электрода 3 мм. После обварки шпилек и соединения между собой наплавляемых на них валиков заполняют разделку электродами большего диаметра, не допуская разогрева детали. Холодная сварка со стальными шпильками эффективна для ремонта деталей, имеющих дефекты, удобные для разделки и размещения шпилек, и может быть выполнена в любом пространственном положении.     

Рис.1. Холодная сварка чугуна:

а - с облицовкой; б - со шпильками; 1 - облицовочные валики; 2 - основной шов; 3 - шпильки; 4 - наплавляемые на шпильки валики

Холодную сварку чугуна никелевыми, железоникелевыми и железомедными электродами применяют при механической обработке детали, так как соединение при этом не отбеливается и легко обрабатывается.

Применяются электроды марки МНЧ-2, имеющие стержень из монель-металла (сплав никеля с медью) и покрытие, состоящее из смеси зеленого корунда, карбоната бария, ферромарганца, бентонита, замешанных жидким стеклом. Эти электроды рекомендуются для заварки несквозных дефектов малых и средних размеров. Они используются также в комбинации с железо-никелевыми и железомедными электродами, при этом выполняют первый и последний слои для обеспечения, лучшей обрабатываемости.

Сварку электродами МНЧ-2 производят короткими валиками длиной 50-60 мм. Сразу же после наложения валика его проковывают легкими ударами молотка для облегчения усадки монель-металла, что предохраняет от образования трещин.

Широко применяются железоникелевые электроды ЦЧ-ЗА и ОЗЖН-1, стержни которых состоят из проволоки Св-08Н50, а покрытие основного типа. Они обеспечивают высокую прочность сварного соединения и хорошую плотность.

При заварке крупных дефектов или наплавке больших объемов металла эти электроды применяют в сочетании с электродами МНЧ-2, что обеспечивает луч шее сплавление и обрабатываемость. Электродами МНЧ-2 наплавляют слой на кромки, а остальную часть шва выполняют электродами ОЗЖН-1, железомедными электродами ОЗЧ-2 или низкоуглеродистыми марки ЦЧ-4.

Комбинированные железомедные электроды марок ОЗЧ-2, 034-6 и др. довольно широко применяются в промышленности. Электроды марки 034-2 изготовляют из медного стержня, оплетенного полосками белой жести толщиной 0,25 мм с покрытием основного типа (мрамор, плавиковый шпат, корунд зеленый, маршаллит, ферромарганец, жидкое стекло). Электроды марки ОЗЧ-1 состоят из медного стержня с покрытием основного типа, куда входит 50% железного порошка. Применялись и другие комбинации; пучковые электроды, состоящие из пучка стальных и медных проволок; стальные стержни с оплеткой из медной проволоки и т.п. При сварке железомедными электродами получается достаточно качественный шов, состоящий из медно-стального сплава (меди 90, стали 10%), медь не соединяется с углеродом основного металла, а железо электрода насыщается углеродом и распределяется в меди в виде включений, упрочняя шов. Однако в зоне термического влияния наблюдаются закалочные структуры, а в зоне сплавления - участки отбела. Железомедные электроды используются для заварки дефектов в необрабатываемых частях отливок, раковин, мест течи, трещин, а также для сварки разбитых частей и в комбинации с никелевыми или железоникелевыми электродами. Сварку ведут короткими валиками, иногда шов проковывают легкими ударами молотка. Режимы сварки не допускают сильного разогрева деталей, величины погонной энергии и тока пониженные. Для исправления небольших дефектов в ответственных изделиях и для наплавки последнего слоя на поверхность изделия, работающего при ударной нагрузке или на истирание, употребляют никелевые электроды с толстым покрытием марки ОЗЧ-З (стержень из проволоки, содержащей 99% Ni) и ОЗЧ-4 (стержень содержит 95% Ni).

Рис.2. Горячая сварка чугуна

1 - опока; 2 - угольные пластины; 3 - формовочная масса; 4 - изделие; 5 -ванна расплавленного металла

Применяют электроды с сердечником из хромоникелевой стали с медной оболочкой (биметаллическая проволока) и с покрытием основного типа марки АНЧ-1. Сварку этими электродами ведут короткими участками 30-40 мм на небольшом токе с проковкой каждого валика сразу же после обрыва дуги. Наплавленный электродами АНЧ-1 металл лучше обрабатывается и менее склонен к образованию трещин и пор, чем металл, наплавленный железомедными электродами.

Горячая сварка чугуна

Процесс горячей сварки чугуна значительно сложнее холодной. Для горячей сварки необходимо тщательно зачистить и разделать дефектное место для обеспечения доступа электрода ко всем частям и углам разделки. Затем дефектное место подвергается формовке для удержания ванны расплавленного металла и предупреждения его вытекания. Соединяемые две части детали должны быть хорошо скреплены между собой во избежание взаимного перемещения. Формовку производят в опоках (ящиках без крышки) с графитизированными или угольными пластинами (рис.2), скрепленными формовочной массой (кварцевый песок с жидким стеклом или другой формовочный материал). Форму просушивают с постепенным повышением температуры до 120 °С. Подогрев заформованной детали до температуры 600-700 °С производят в термических печах, горнах или специально приспособленных колодцах в зависимости от размеров и конфигурации детали. Необходимо учесть возможность доступа сварщика к подогретой детали для производства сварки. Сварку ведут электродами марки ОМЧ-1 с чугунным стержнем диаметром 6, 8, 10 или 12 мм марки ПЧЗ и покрытием, состоящим из 4% графита, 9% ферромарганца, 25% мела и 25% полевого шпата. При большом объеме и площади дефекта его разделяют графитовой пластиной на отдельные участки так, чтобы площадь отдельной ванны не превышала 50-60 см. После заварки и затвердевания одного участка пластину немедленно переставляют, сваривают следующий участок, и так до окончания сварки всего соединения. После этого деталь засыпают сухим песком или древесным углем, укрывают асбестом и охлаждают вместе с печью или другим подогревающим устройством. Для сварки высокопрочного чугуна с шаровидным графитом подбирают чугунные прутки с добавкой редкоземельных металлов и соответствующее покрытие для получения однородного наплавленного металла. Процесс горячей сварки чугуна, особенно крупных деталей, является физически тяжелым, так как ведется при интенсивном тепловом излучении от нагретой детали и ванны. Поэтому при исправлении дефектов в крупных простой формы отливках и деталях применяют местный подогрев, а для исправления небольших дефектов в сложных или крупных деталях - полугорячую сварку, т.е. подогрев до температуры 250-450 °С с постепенным охлаждением после сварки.