Сварка чугунов

Введение

Как известно, чугун представляет сплав железа с углеродом при  содержании последнего более 2,0%. В зависимости  от состояния, в котором находится  углерод, различают чугуны серые  и белые. В серых чугунах углерод  находится преимущественно в  свободном состоянии в форме  графита, что обусловливает хорошую  обрабатываемость чугуна и серый  цвет его в изломе. В белых чугунах  весь углерод находится в связанном  состоянии (в основном в форме  карбида); это обусловливает высокую  твердость и очень плохую обрабатываемость чугуна режущим инструментом. Излом  белого чугуна светлый, блестящий.

В судостроении применяются, главным образом, серые чугуны марок  СЧ-24, СЧ-36 и СЧ-48 в виде отливок  различных деталей механизмов, арматуры, дельных вещей и т. п. В связи  с плохой свариваемостью чугуна сварных  конструкций из него не делают и  сварку чугуна (в условиях судостроительного  предприятия) применяют только в  двух случаях: 1) для исправления  пороков различных отливок, идущих на изготовление новых механизмов, арматуры, дельных вещей; 2) при ремонте отдельных чугунных деталей заводского оборудования (например, станин, колонн, кронштейнов станков) либо при ремонте судовых механизмов.

Свариваемость чугуна

Чугун является трудносвариваемым сплавом. Трудности при сварке чугуна обусловлены его химическим составом, структурой и механическими свойствами, поэтому при сварке чугуна необходимо учитывать следующие его свойства:

1. чугун более жидкотекучий сплав, чем сталь, поэтому сварка его производится только в нижнем положении;
2. малая пластичность чугуна, характеризующаяся возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию трещин;
3. интенсивное выгорание углерода, что приводит к пористости сварного шва;
4. в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких окислов, температура плавления которых выше, чем чугуна.

Сварка чугуна применяется  в основном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и поврежденных деталей в процессе эксплуатации и при изготовлении сварно-литых конструкций. Сварка чугуна является трудной задачей. Трудности его сварки объясняются следующими причинами. По химическому составу чугун сильно засорён различными примесями. Большая часть углерода в сером чугуне находится в структурно свободном состоянии в виде пластинчатых включений графита.

Серый чугун, наиболее применяемый  в машиностроении, представляет собой  не сплошной металл, а пористую металлическую  губку, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом —  графитом. Такая структура крайне неблагоприятна для сварки; она не встречается ни в одном другом металле. Чугун весьма хрупок. Его  относительное удлинение при  разрыве практически равно нулю. Он разбивается на куски ударом. Поэтому чугун, больше чем какой-либо другой металл, склонен к образованию  трещин при сварке, и борьбе с  трещинами приходится уделять особое внимание при сварке чугуна. Весьма часто в процессе сварки происходит отбеливание чугуна, что придаёт ему высокую твёрдость и хрупкость в зоне сварки и делает его совершенно непригодным для механической обработки после сварки. К этому следует добавить, что чугуны неоднородны по составу и структуре, и может оказаться, что процесс сварки, давший хорошие результаты на одной детали, следующий раз даст результаты отрицательные на такой же детали вследствие значительного отличия свойств чугуна. Поэтому при ответственных работах по сварке чугуна рекомендуется производить химический анализ и металлографическое исследование металла. Встречаются сорта чугуна, практически совершенно не поддающиеся сварке, например, не поддаётся сварке так называемый горелый серый чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и т. п. Вследствие пористости чугуна в подобных случаях окисление проникает во всю толщину металла, обволакивая металлические зёрна плёнкой окислов и делая металл рыхлым и механически непрочным. При расплавлении такой чугун даёт больше шлака, чем металла и не позволяет получить доброкачественное сварное соединение.

Горячая сварка чугуна

Дуговой сваркой чугуна много  занимался ещё Славянов, изобретатель способа дуговой электросварки, в конце прошлого столетия. Он применял способ так называемой горячой сварки чугуна, остающийся наиболее совершенным способом до настоящего времени. При этом способе сварочная ванна жидкого металла имеет большой объём — до нескольких сотен кубических сантиметров, поэтому сварка возможна только в нижнем положении, и место сварки должно быть предварительно заформовано для устранения утечки жидкого металла и возможности получения необходимого усиления места сварки и припуска на последующую механическую обработку. Место сварки предварительно разделывается для возможности доступа дуги и проплавления металла по всей толщине сечения.

По окончании разделки, которая производится обычно посредством  вырубки металла пневматическим зубилом или вручную, место сварки заформовывается, т. е. ограждается снизу и с боков графитными или угольными пластинами. Пластины, в свою очередь, снаружи заформовываются кварцевым песком, смоченным жидким стеклом, для уплотнения места сварки и устранения возможности утечки жидкого металла. Заформовка удерживается металлической формой из тонкого листового железа, в котором пробиваются отверстия для облегчения сушки заформовки и удаления газов при сварке. Пример заформовки изделия под сварку показан на фиг. 189.

Заформовка позволяет также производить приливку небольших частей, утерянных до сборки. По окончании формовки и её просушки производится подогрев детали.

При регулярном производстве горячей сварки чугуна более или  менее однотипных деталей, например при исправлении брака чугунного литья, пользуются различными нагревательными печами. Особенно удобны печи с газовым отоплением и со съёмными боковыми стенками и сводом, позволяющими выполнить сварку детали прямо в печи и производить медленное охлаждение изделия, по окончании сварки, вместе с печью.

Для отдельных эпизодических  работ по горячей сварке крупных  чугунных изделий, например цилиндров  паровых машин, двигателей и т. п., прибегают к нагреву деталей  во временных горнах, выкладываемых  по размерам и форме изделия. Временный  горн складывается насухо из кирпича  на открытом воздухе или под вытяжным зонтом. Если горн находится в помещении, то для него часто устраивается в  полу яма, выложенная кирпичом. Изделие  укладывается в горн и засыпается древесным углём, В нижней части  кладки горна вынимаются отдельные  кирпичи и создаются продухи, через которые поджигается древесный  уголь и в дальнейшем поступает  воздух для горения угля, происходящего  при естественной тяге. Нагрев на древесном угле, сгорающем при естественной тяге, обеспечивает медленное и равномерное повышение температуры всего изделия без перегрева отдельных частей и опасности оплавления острых кромок, тонких рёбер и т.п.

Для уменьшения повреждения  нагревом обработанных поверхностей, резьбы и т. д. их обмазывают перед  нагревом раствором огнеупорной  глины и т. п. Нагрев ведётся до температуры красного каления 600—700°, тогда расчищают места сварки, выдувают из них золу и другие загрязнения  и приступают к выполнению процесса сварки. Сварка ведётся чугунными  электродами длиной 700— 900 мм, диаметром  от 8 до 20 мм.

Чугунные стержни отливаются из чугуна с повышенным содержанием  кремния (3,5 — 4%).

Сила тока берётся от 400 до 1200 а в зависимости от толщины металла размеров изделия и диаметра электродного стержня. При отсутствии достаточно мощного источника сварочного тока применяют параллельное соединение нескольких сварочных агрегатов или трансформаторов. Сварка ведётся таким образом, чтобы вся поверхность места сварки находилась одновременно в жидком состоянии. Для этого стараются вести процесс по возможности без перерыва (фиг. 190).

Если поверхность сварки слишком велика и её не удаётся  удерживать одновременно в расплавленном  состоянии при имеющейся силе тока, то при заформовке объём наплавки делят на несколько частей угольными или графитными перегородками. При заварке одной части удаляют соответствующую перегородку и заваривают следующий участок и т. д. Уголь или графит применяется для заформовки при сварке чугуна вследствие неплавкости этого материала, а также и потому, что пластина, соприкасаясь с жидкое ванной, науглероживает металл.

При сварке чугуна происходит потеря углерода, и введение в ванну  дополнительного его количества всегда желательно. Наплавка металла  в заформовку ведётся до тех пор, пока поверхность наплавленного металла не будет выше поверхности основного металла на припуск, необходимый для последующей механической обработки. В процессе сварки, по мере разогрева ванны, в неё забрасывают кусочки чугуна и ферросилиция.

По окончании заполнения ванны прекращают наплавку, закрывают  продухи в кладке горна для  прекращения тяги воздуха, добавляют  в горн древесного угля, засыпают место  сварки золой и сухим песком и  закрывают листами асбеста для  медленного охлаждения, которое продолжается от 3 до 40 час. в зависимости or размеров и веса заваренного изделия. По охлаждении разбирают горн, очищают изделие от золы и направляют на механическую обработку мест сварки, если таковая требуется. Благодаря надлежащему составу чугунных электродов, добавлению в ванну ферросилиция и замедленному охлаждению изделия получают наплавленный металл высокого качества, имеющий структуру серого чугуна, хорошо поддающийся механической обработке.

Несмотря на высокое качество наплавленного металла, полное устранение внутренних напряжений, отсутствие образования  трещин, горячая сварка чугуна в  настоящее время применяется  довольно редко. Процесс трудоёмок, обходится дорого, длительный нагрев повреждает изделие, ухудшая состояние  механически обработанных поверхностей и нередко вызывая так называемый рост чугуна, связанный с увеличением  размеров изделия, вследствие структурных  изменений в металле при продолжительном  нагреве.

ка сварка чугун электрод

Холодная сварка чугуна

Особенность холодной сварки чугуна заключается в том, что  сварка ведется без всякого предварительного подогрева изделия. Существует большое  количество разновидностей методов  холодной сварки (свыше 40), но все они  практически могут быть сведены  к трем основным видам:

1) сварка стальными электродами;

2) сварка электродами  из специальных сплавов и цветных  металлов;

3) сварка чугунными электродами.

При холодной сварке чугуна стальными электродами для уменьшения разогрева чугуна в зоне сварки при  наложении первого слоя (облицовки) используют стальные малоуглеродистые электроды малого диаметра (3 мм) с  тонким (меловым) покрытием при силе тока не более 90 а. Последующие слои могут выполняться электродами как с тонким, так и с толстым покрытием (типа УОНИ-13) при увеличенном диаметре электрода, однако с условием, чтобы не допускать сильного нагрева чугуна в зоне сварки. Поэтому сварка ведется с перерывами таким образом, чтобы температура основного металла вблизи места сварки не превышала 50-60° С. Получаемый металл шва состоит из половинчатых сплавов: вблизи основного металла - это малолегированный белый чугун, в остальной части шва - углеродистая сталь. Место сварки в связи с закалкой металла шва и отбеливанием зоны термического влияния не поддается механической обработке, а сам процесс часто сопровождается возникновением трещин и «отслаиванием» (отрывом) металла шва.

При ремонте ответственных  изделий - колонн, машин, станин кронштейнов  и т. п. - для увеличения механической прочности соединения часто применяют  ввертыши (шпильки с резьбой) либо другие механические связи типа планок, анкеров (поперечных связей круглого сечения) и т. п. Ввертыши, планки, анкеры изготовляют из малоуглеродистой стали. Назначение ввертышей - связывать металл шва с чугуном, передавая усилия от шва вглубь, в массу основного металла с неизменной структурой, минуя пограничный хрупкий слой стали и отбеленного чугуна. Размеры соединительных ввертышей или анкеров выбирают исходя из условия равнопрочности этих элементов основному металлу (чугуну). Сначала выполняют сварку вокруг шпилек, а затем, когда вся поверхность разделки закрыта первым слоем, заполняют шов обычным порядком. Процесс сварки ведут с перерывами для охлаждения детали. Рассматриваемым способом, как правило, невозможно достигнуть достаточной непроницаемости соединения и хорошей обрабатываемости металла.

Во многих случаях, когда  необходимо заварить пороки литья или  эксплуатационные разрушения в виде задиров, выработок и трещин в местах, где требуется плотный и легко обрабатываемый металл, но допустима неравнопрочность с основным металлом, чугун сваривают электродами из сплавов нa медной или никелевой основе. Успешно применяются электроды из медноникелевого сплава - монель-металла (Cu~30%; Ni до 63%; остальные компоненты Mn, Si, Fe). Температура плавления этого сплава близка к температуре плавления чугуна, поэтому в процессе сварки происходит хорошее перемешивание сплава с чугуном. Никель и медь, находящиеся в сплаве, способствуют графитизации чугуна в зоне сплавления, т. е. уменьшают опасность возникновения значительной зоны отбеливания. Так как сплав обладает хорошими пластическими свойствами, металл шва устойчив против трещинообразования. На электроды из этого сплава наносят покрытие, содержащее графит и мел. Диаметр электродов da = 2-6 мм; ток постоянный, полярность обратная. Сила тока Iсв = (30 - 40) dэ.

Так как этот сплав имеет  значительную усадку, сварку ведут  короткими валиками (не длиннее 50 мм). В горячем состоянии металл шва  проколачивают, что способствует его  уплотнению. Металл шва получается плотным и легко обрабатывается, но прочность его незначительна. Кроме указанного сплава, в качестве электродов могут быть использованы и другие сплавы меди (кремнистые, марганцево-кремнистые и другие бронзы и латуни). Холодная сварка чугуна комбинированными медно-стальными электродами может производиться по многим вариантам. Отметим основные из них:

1) применение комбинированных  медно-стальных электродов с использованием  малоуглеродистой стали;