Способы сварки чугуна

Выбор способа сварки зависит от требований, предъявляемых к сварному соединению, а в некоторых случаях и от производственных возможностей. При этом учитывают: необходимость в механической обработке сварного соединения после сварки, необходимость получения однородности металла шва с металлом свариваемых деталей, требования к плотности металла сварного шва, нагрузки, при которых должны работать свариваемые детали.

Обеспечить сохранение в чугунном шве и участке околошовной зоны структуры серого чугуна, при которой могут быть обеспечены тс или иные требуемые свойства сварного соединения, возможно лишь при сварке с подогревом, т. с. в случае низких скоростей охлаждения. Если сварку вести без подогрева, то практически при любом составе чугуна в шве и высокотемпературном участке околошовной зоны будет иметь место отбеливание. Сварка чугуна с подогревом (300…400 °С) уменьшает скорость охлаждения, при которой в шве и на участке околошовной зоны, в зависимости от количества графитизагоров, может быть получен либо белый, либо серый чугун.

При высоком подогреве (600…650 °С) скорость охлаждения при эвтектической температуре снижается до уровня, при котором отбеливания не происходит. Замедление охлаждения приводит к распаду аустенита с образованием ферритной, перлитно-ферритной или перлитной металлической основы. Таким образом, наиболее эффективным средством предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны, нагревавшейся выше температуры Асз, является высокий предварительный или сопутствующий подогрев чугуна до температуры 600…650 °С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна. Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также ликвидации трещин и пористости за счет увеличения времени существования жидкой ванны и лучшей ее дегазации, а также уменьшения температурного градиента и термических напряжений.

Сварку с подогревом до температуры 300…400 °С называют полугорячей, а без предварительного подогрева — холодной сваркой чугуна.

Горячая сварка чугуна. Как указано выше, при горячей сварке изделие подогревают до температуры 600…650 °С. Сварку производят чугунными электродами. По окончании сварки изделие медленно охлаждают со скоростью не более 50… 100 °С/ч. Такой технологический процесс является наиболее радикальным средством борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков шва и околошовной зоны, пор и трещин.

Принципиальные основы горячей сварки чугуна были заложены еще Н. Г. Славяновым. Развитие этого процесса шло в направлении разработки оптимального состава чугунных электродов, повышения производительности процесса, совершенствования техники сварки и нагрева. Отличительной чертой горячей дуговой сварки на данном этапе ее развития является применение покрытых электродов больших диаметров (12… 16 мм) и повышенного сварочного тока (1200… 1400 А).

Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих операций: подготовка изделия под сварку, предварительный подогрев деталей, сварка и последующее охлаждение.

Подготовка изделия под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Однако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений, его разделке, обеспечивающей доступность для манипулирования электродом и воздействия сварочной дуги. Для предупреждения вытекания металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы, место сварки формуют. Формовку выполняют в зависимости от размеров и местоположения исправляемого дефекта с помощью графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, состоящей из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле, или другими формовочными материалами.

После формовки необходима просушка формы при постепенном подъеме температуры от 60 до 120 °C, затем проводят дальнейший подогрев под сварку со скоростью 120… 150 °С/ч в печах, горнах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки достигается укрытием изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста, песком, шлаком и др.) или охлаждением вместе с печами, горнами. Остывание в зависимости от веса и формы изделия длится от нескольких часов до нескольких суток.

Выбор способов нагрева и нагревательных устройств зависит от характера производства. Например, при массовом производстве в литейных цехах автомобильных и тракторных заводов целесообразно использовать конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных печах или горнах с открытым кожухом; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные устройства из огнеупорного кирпича, в том числе печиямы в земляном полу цеха.

Для сварки используют покрытые электроды со стержнями из чугуна, например, марки Б, содержащей 3…3,5% углерода; 3,5…4% кремния; 0,5…0,8% марганца; 0,3…0,5% фосфора; до 0,08% серы; до 0,3% никеля и нс более 0,05% хрома. Стержни получают отливкой в кокиль или другими способами.

В состав покрытия, наносимого на литые прутки диаметром 8… 16 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. Например, покрытие электродов ОМЧ-1 имеет следующий состав: 25% мрамора или мела, 45% серебристого графита, 25% плавикового шпата, 9% ферромарганца, 30 % жидкого стекла к весу сухой смеси. Толщина покрытия 0,2…0,3 мм на сторону. В покрытиях других марок электродов в качестве элементов графитизаторов помимо графита обычно используют карборунд, ферросилиций, силикокальций, силикомагний и др.

Для горячей сварки серого чугуна используют электроды марок ОМЧ-1, ВЧ-3, СТЧ-4, ЭПЧ-4 с чугунным стержнем, а для изделий из серого и ковкого чугуна — электроды ЭЧ-1 и ЭЧ-2. Электроды ЭЧ-1, изготовленные на основе чугунных стержней из прутков ПЧ-1, обеспечивают наплавленный металл ферритно-перлитной структуры, а электроды ЭЧ-2 с чугунным стержнем из прутков ПЧС-1 — наплавленный металл перлитной структуры. Для сварки изделий из высокопрочного чугуна используют электроды марки ЭВЧ-1 с чугунным стержнем из прутков ПЧС-2. Они позволяют получать высокопрочный наплавленный металл с шаровидным графитом.

Горячую сварку чугуна выполняют в нижнем положении постоянным током обратной полярности на форсированных режимах (табл. 13).

без перерывов до конца заварки дефекта. Это позволяет создать большую по объему сварочную ванну, что благоприятно сказывается на удалении газов и неметаллических включений из расплавов. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, например, для толщины 10. .20 мм диаметр электрода составляет 10… 14 мм.

Талина 13.

Рекомендуемые режимы горячей ручной дуговой сварки чугуна

При заварке мелких дефектов в изделиях из серого и ковкого чугуна используют электроды марки ЦЧ-5 со стержнем из низкоуглеродистой стали и покрытием, содержащим графитизирующис элементы. Сварку обычно осуществляют электродами диамегром 5 мм на постоянном токе прямой полярности при силе тока 180…240 Л. При этом обеспечивается наплавленный металл перлитно-ферритной структуры. Механические свойства сварного соединения идентичны свойствам основного металла.

Горячая сварка чугуна ручным способом, особенно массивных изделий, — тяжелый труд. Прогрессивным способом, повышающим производительность, является механизированная сварка порошковой проволокой. В состав шихты вводят компоненты, которые позволяют получать состав металла, представляющий собой чугун. Для горячей сварки чугуна используют порошковую проволоку марки ППЧ-3 диаметром Змм, включающей 4,5…5,0% углерода; 3,3…4,0% кремния; по 0,1…0,3% алюминия и титана. При наиболее распространенных режимах (скорость подачи проволоки 450…500 м/ч, сила тока 600…700 А, напряжение дуги 35… 37 В) производительность возрастает до.

15…20 кг/ч наплавленного металла.

Основным недостатком горячей сварки чугуна является большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков. Однако высокое качество сварных соединений, равноценных свариваемому металлу, делает горячую сварку в ряде случаев единственно возможным способом исправления дефектов. Поэтому постоянно ведутся работы по изысканию составов сварочных материалов и технологических средств, позволяющих значительно снизить или вовсе устранить предварительный подогрев чугунных изделий перед сваркой.

Холодная и полуюрнчан сварка чугуна. Она может выполняться по трем направлениям: с получением в шве серого чугуна, низкоуглеродистой стали и цветных или специальных сплавов.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва серого чугуна. При сварке чугунных деталей с толщиной стенки до 12 мм без предварительного подогрева для предупреждения отбеливания вводят в наплавляемый металл достаточно большое количество графитизаторов и легируют элементами, способствующими сфероидизации карбидов (магнием). Примером таких покрытых электродов могут служить электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2%) содержанием кремния, покрытие двухслойное: первый слой — легирующий, второй — обеспечивает газовую и шлаковую защиту:

1-й слой 2-й слой Графит…50% Мрамор…50%.

Силикомагний…41% Плавиковый шпат…50%.

Железная окалина…14% Относительная масса Алюминий (порошок)…5% каждого слоя…15. .20%.

При сварке этими электродами чугунных деталей указанной выше толщины без предварительного подогрева удастся получить швы и околошовную зону без отбеливания и закалки. При этом некоторому замедлению скорости охлаждения способствует реакция между железной окалиной и алюминиевым порошком, содержащимся в первом слое покрытия. Эта реакция протекает с выделением теплоты. Чтобы при сварке электродами ЭМЧ массивных деталей получить бездефектные сварные соединения, приходится их подогревать до температуры 400 °C в зависимости от толщины чугуна и жесткости изделий.

Механизированную холодную и полугорячую сварку чугуна обычно выполняют с использованием специальных порошковых проволок, обеспечивающих получение в шве серого чугуна. Для холодной сварки изделий с относительно небольшой толщиной стенок применяют проволоку, например, марки ППЧ-1 с повышенным содержанием углерода (6,5…7%) и кремния (3,8…4,2%), для полугорячей сварки — проволоку ППЧ-2 (5,7…5,5% С, 3,3…4,0% Si). Сварка порошковой проволокой позволяет получать металл шва, близкий по составу и структуре к свариваемому чугуну.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали. Холодная сварка чугуна низкоуглсродистыми электродами общего назначения типа Э42 и Э42А не дает положительных результатов, так как вследствие образования металла шва в виде высокоуглеродистой стали отдельные участки сварного соединения приобретают резкую закалку, подвергаясь грещинообразованию. Поэтому наиболее рационально применение специальных электродов, позволяющих ввести в металл шва сильный карбидообразовагель — ванадий, который при сварке связывает углерод в мелкодисперсные нетвердые карбиды, равномерно распределенные в низкоуглеродистой матрице. При этом металлическая основа оказывается достаточно пластичной. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из низкоуглеродистой проволоки Св-08А и покрытием следующего состава: 12% мрамора, 16% плавикового шпага, 66% феррованадия, 4 % ферросилиция, 2% поташа, 30% жидкого стекла к массе сухой смеси.

Металл, наплавленный электродами ЦЧ-4, имеет следующий состав: до 0,15% С; до 0,16% Si; 0,5 % Мп; 8,5… 10,5 % V; до 0,4% S и Р. Этими электродами сначала облицовывают свариваемые кромки на малых токах (/_св = (20… 25)^), затем сварку выполняют параллельными валиками с перекрытием каждого последующего валика на половину его ширины. После второго слоя силу тока увеличивают на 15…20%. Окончательно разделку заполняют электродами УОНИ-13/45.

Область применения электродов ЦЧ-4 — сварка поврежденных деталей и заварка дефектов в отливках из серого и высокопрочного чугуна, а также в случае необходимости можно сваривать соединения из этих чугунов и стали. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов. Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды на основе меди и никеля. Медь и никель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве уменьшает растворимость углерода в железе и способствует графитизации. Попадая в зону неполного расплавления, прилегающую к шву, они уменьшает вероятность отбеливания. Кроме того, пластичность металла шва способствует частичной релаксации сварочных напряжений, поэтому снижается вероятность образования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железоникелевые электроды.

Медно-железные элекгроды наиболее рационально применять для заварки отдельных небольших дефектов в малогабаритных изделиях, работающих при незначительных статических нагрузках, или заварки небольших неплотностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе работающих иод давлением (фланцы, подшипники).

К медно-никелевым электродам относятся марки ОЗЧ-1, ОЗЧ-2 и ОЗЧ-6. Первые представляют собой медный стержень диаметром.

4…5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из сухой смеси покрытия электродов УОНИ-13/45 (50%) и железного порошка (50%), замешанных на жидком стекле. Электроды ОЗЧ-6 также имеют основное покрытие, содержащее железный порошок. Их стержень изготовляют из проволоки Ml по ГОСТ 859–78. Указанные электроды предназначены для дуговой холодной сварки изделий из серого и ковкого чугуна при ремонте тонкостенных конструкций.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспечивающих стабильное горение дуги, короткими участками вразброс с перерывами для охлаждения изделия.

Основное преимущество этих элекгродов — возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений и, соответственно, уменьшения опасности образования трещин в околошовной зоне.

Общий недостаток медно-железных электродов — неоднородная структура металла шва: мягкая основа и достаточно твердые включения железной составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной поверхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладает металл, наплавленный элекгродами марки АНЧ-1, стержень которых состоит из аустенитной проволоки марки Св-04Х18Н9 и медной оболочки.

Мсдно-никслсвыс электроды применяют в производстве главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где недопустимо местное повышение твердости. Положительные свойства таких электродов состоят в том, что никель и медь нс растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размерах практически отсутствует, так как медь и никель — элементы-графитизаторы, проникая в этот участок, оказывают положительное воздействие. В то же время никель и железо обладают неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению.

Для изготовления стержней электродов используют медноникелевые сплавы: монель-металл, содержащий 65…75% Ni, 27…30% Си, 2…3% Fe и 1,2… 1,8% Мл (например, НМЖМц 28−2,5−1,5) и константан, содержащий ~ 60% Ni и ~ 40% Си (МНМц 40−1,5).

Недостатки этих сплавов — высокая стоимость и дефицитность, а также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Поэтому данные сплавы не рекомендуется применять для заварки трещин в изделиях, которые несут силовую нагрузку. Заварка же отдельных мелких раковин позволяет получить хорошие результаты, так как обеспечивает возможность последующей механической обработки.

В промышленности находят применение электроды марок МНЧ-1 со стержнем из монель-металла и МНЧ-2 со стержнем из константана с покрытием основного вида. Сварку выполняют электродами диаметром 3…4 мм ниточным швом, короткими участками при возвратнопоступательном движении электрода, не допуская перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы для охлаждения. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка.

Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения из серого и высокопрочного чугуна и при ремонте оборудования из чугунного литья, используют также жслсзоникслсвые электроды со стержнем из сплава, содержащего 40…60% Ni и 60…40% Fe. Примером элекгродов такого типа могут служить электроды марок ЦЧ-3А и ОЗЖН-1. Стержень элскгродов выполнен из проволоки Св-08Н50 по ГОСТ 2246–70. Состав наплавленного металла включает: 48% Ni, по 2% Si и Мп, остальное — железо.

При повышенных требованиях к чистоте обрабатываемой поверхности при наличии ударных нагрузок для заварки указанных дефектов используют никелевые электроды марок ОЗЧ-З. Стержень электрода — никелевая проволока марки НП-2 по ГОСТ 2195–75.

В последнее время для холодной сварки чугуна нашла широкое применение проволока марки ПАНЧ-11, обеспечивающая аустенитную структуру металла шва (высоконикслсвый сплав) и хорошие механические свойства сварного соединения. Данная проволока — самозащитная, сплошного сечения диаметром 1,0… 1,2 мм, предназначенная для сварки постоянным током прямой полярности (100… 140 А) без дополнительной защиты.