Технология сварки чугуна

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает
2,14 %. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др. В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe₃C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут.

В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), среднелегированные (2,5.. 10 % легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10 % легирующих различных легирующих элементов).

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна данной марки при растяжении в МПа. Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ10, СЧ15, СЧ25, СЧ30, СЧ35.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 с ферритной металлической основой и КЧ 45-7; КЧ 50-5 и КЧ 60-3, имеющие перлитную основу.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, характеризующими временное сопротивление чугуна при растяжении в МПа. Например, ВЧ 60 или ВЧ 40.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна – процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде),так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации: C, Si, Al, Ni, Co, Cu, другие задерживают процесс графитизации (отбеливание): S, V, Cr, Sn, Mo, Mn.

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно.

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соединений из чугуна, следующие:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне.

3. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

4. Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле сварочной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

Наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны 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 дегазации ее, а также уменьшения температурного градиента и термических напряжений.

Сварку с подогревом до температур 300... 400 °С называют полугорячей, а без предварительного подогрева – холодной сваркой чугуна.

Горячая сварка чугуна. Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих этапов: I - подготовка изделия под сварку; II - предварительный подогрев деталей; III - сварка; IV - последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта, а также для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы, место сварки формуют.

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависимости от характера производства: конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных печах; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные устройства из огнеупорного кирпича печи – ямы в земле.

 

Для сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна. Стержни получают отливкой в кокиль. В состав покрытия, наносимого на литые прутки, диаметром 5... 20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших токах I_св = (60... 100)d_э без перерывов до окончательной заварки дефекта. Электро-додержатель для горячей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным электродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс.

При полугорячей и холодной сварке чугуна широко, используют металлургические и технологические средства воздействия на металл с целью повышения качества сварных соединений.

К их числу относятся:

1) легирование наплавленного металла элементами-графитизаторами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве структуру серого чугуна.

Примером таких материалов могут служить электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2%) содержанием кремния, и дополнительно легированы магнием. При сварке этими электродами массивных деталей для получения без­дефектных сварных соединений приходится их подогревать до температуры 400°С. Для улучшения обрабатываемости и некоторого повышения пластичности металла шва используют электроды из никелевых чугунов: нирезиста (2% – С; 29% – Ni; 1,3% – Si; 7,6% – Cu; 0,4% – Mn) или никросилаля (2,3% – С; 20% – Ni; 6% – Si; 0,5% – Mn). Электроды из никелевых чугунов обеспечивают получение швов, обладающих хорошей обрабатываемостью. Сварку выполняют в несколько слоев при возвратно-поступательном перемещении электрода. Основной недостаток электродов из никелевых чугунов – повышенная склонность к образованию горячих трещин.

2) легирование наплавленного металла такими элементами, которые позволяют получить в шве перлитно-ферритную структуру, характерную для низкоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле.

Примером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из, низкоуглеродистой проволоки марок Св-08 или Св-08А и покрытием содержащим до 66% феррованадия. С целью уменьшения доли участия основного металла в шве, а также размеров зоны термического влияния, в том числе и участков отбеливания и закалки, применяют электроды небольших диаметров (для 1-го слоя 3 мм, для 2-го и последующих 3-4 мм), на малых токах Iсв = (20... 25)d_э не перегревая основной металл.

При сварке чугуна данными электродами наиболее слабое место сварного соединения – околошовная зона у границы сплавления. Хрупкость этой зоны и наличие в ней трещин нередко приводят к отслаиванию шва от основного металла. Для увеличения прочности сварного соединения применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения – линию сплавления.

Шпильки имеют резьбу, их ввертывают в тело свариваемой детали. Шпильки располагают в шахматном порядке на скошенных кромках деталей и в один ряд на поверхности детали с каждой стороны стыка, причем расстояние между ними должно быть равно 4—6 диаметрам шпильки.

3) введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода (выжигания его) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали.

Для снижения содержания углерода в металле шва предложено выполнять сварку по слою флюса, содержащего до 30% железной окалины (например, буры 50% Na₂B₄O₇, едкий натрий NaOH 20%, железной окалины 30%). Углерод, попадающий в сварочную ванну, в высокотемпературной ее части активно окисляется и выводится из нее в виде окиси углерода, не растворимой в металле. Твердость металла шва уменьшается, деформационная способность возрастает.

Однако для более полного эффекта выжигания углерода необ­ходимо применять режимы сварки, характеризующиеся относительно большой погонной энергией, что, однако, отрицательно сказывается на околошовной зоне: в ней образуются значительные по размерам участки отбеливания и закалки, приводящие к образованию трещин. При сварке чугуна с достаточно высоким содержанием элементов-графитизаторов при небольшой толщине стенки свариваемых деталей можно получить положительные результаты.

4) применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.

Сварку медно-железными электродами всех типов (ОЗЧ-1, АНЧ-1) 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 свариваемых деталей.

Основное преимущество этих электродов – возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений. Проковка обязательна, так как при этом уменьшается опасность образования трещин в околошовной зоне. Общий недостаток медно-железных электродов – неоднородная структура шва: мягкая медная основа и очень твердые включения железной составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной поверхности

Медно-никелевые электроды в производстве применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. Положительные свойства таких электродов в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения.

Недостатки этих сплавов – их высокая стоимость и дефицитность, а также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Горячие трещины иногда имеют вид сплошной сетки, что снижает прочность сварного соединения.

Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения из серого и высокопрочного чугуна используют железоникелевые электроды со стержнем из сплава, содержащего 40-60% Ni в 60-40% Fe (электроды марки ЦЧ-ЗА). При сварке такими электродами обеспечивается достаточно высокая прочность и некоторая вязкость металла шва. Железо-никелевые электроды обладают определенными преимуществами, к числу которых, кроме высокой прочности, можно отнести меньшую, чем у медно-никелевых сплавов, литейную усадку, одноцветность наплавки с чугуном.