Сварка чугуна, особенности сварки плавлением. Холодная и горячая сварка чугуна.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11%.

Свариваемость чугуна. 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 затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна имеет большое распространение как средство ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно обладать необхо­димым уровнем механических свойств, плотностью и удовлетворительной обрабатываемостью.

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соединений, следующие:

- высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом;

- 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. Наличие отбеленных участков создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию;

- интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва;

- повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет формирование шва и удержание расплавленного металла от вытекания.

В зависимости от способов преодоления трудностей существуют три технологических направления сварки чугуна:

- технология, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;

- технология, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;

- технология, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва чугуна. Наиболее радикальным способом борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков и возникновением трещин является предварительный подогрев. Если температура предварительного подогрева находится в пределах 600-650 °С, сварку называют горячей; если Т_пп - 400-450 °С, сварку называют полугорячей. При отсутствии подогрева сварка называется холодной.

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

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Однако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений. Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы место сварки формуют. После формовки необходима просушка формы при постепенном подъеме температуры от 60 до 120 °С, затем проводят дальнейший подогрев под сварку со скоростью 120-150 °/ч - в печах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки достигается при укрывании изделий теплоизолирующим или при охлаждении вместе с печами.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Вместе с этим в ряде случаев к сварным соединениям чугуна не предъявляются высокие требования. Часто, например, достаточно обеспечить только равнопрочность или только хорошую обрабатываемость или плотность сварных швов. С помощью различных металлургических и технологических средств можно получить сварные соединения чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предварительного подогрева (т.е. с помощью полугорячей или холодной сварки).

В этом случае для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой состав металла шва, для которого в этих условиях будет получаться структура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных включений. Это может быть достигнуто путем введения в наплавленный металл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, например магнием. Примером таких электродов могут служить электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2%) содержанием кремния и двухслойное покрытие: первый слой - легирующий, второй - обеспечивает газовую и шлаковую защиту:

1-й слой Графит41% Силикомагний40% Железная окалина14% Алюминий (порошок) 5%

2-й слой Мрамор 50%Плавиковый шпат 50%Относительная масса каждого слоя 15-20%

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали. Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в первом слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоростях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительного подогрева, приобретает резкую закалку. Поэтому металл первого слоя будет иметь высокую твердость, низкую деформационную способность и окажется подверженным образованию трещин, а также пористости. Во втором слое доля участия чугуна уменьшится, однако содержание углерода в нем будет находиться еще на высоком уровне, что также приведет к закалке и возможному образованию трещин. В последующих слоях доля участия чугуна окажется незначительной и металл шва будет обладать определенным уровнем пластичности.

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами общего назначения 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, когда к нему не предъявляется других требований (например, при ремонте станин, рам), применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения - линию сплавления.

Однако более рационально применение специальных электродов, позволяющих ввести в металл шва сильный карбидообразователь - ванадий. В этом случае в шве образуются карбиды данного элемента, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных нетвердых включений. Металлическая основа при этом оказывается обезуглероженной и достаточно пластичной. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из низкоуглеродистой проволоки марки Св08А.

Область применения таких электродов - сварка поврежденных деталей и заварка дефектов в отливках из серого и высокопрочного чугуна. В случае необходимости можно также сваривать соединения серого и высокопрочного чугуна со сталью. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность. К способам, обеспечивающим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали, можно также отнести механизированную сварку короткими участками электродной проволокой марок Св08ГС; Св08Г2С диаметром 0,8-1 мм в СО₂. Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов. Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов 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. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, прилегающую к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того снижается вероятность образования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железо-никелевые электроды.

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 свариваемых деталей.