Сварка чавуну

чавун являє собою сплав заліза з вуглецем (понад 2,11-2,14), в якому зазвичай містяться також кремній (до 3), марганець (до 1), сірка, фосфор і можуть бути присутніми легирующие добавки - хром, нікель, ванадій, алюміній , магній і ін. Чавун без легуючих добавок або термообробки - досить крихкий матеріал з низькими міцністю, твердістю і пластичністю.

Вуглець може бути присутнім в чавуні у вигляді цементиту Fe3C і графіту. За кількістю цементиту і формі графіту чавуни поділяються на такі види:

• білий;
• сірий;
• ковкий;
• половинчастий;
• високоміцний чавун.

білий чавун - це чавун, в якому весь вуглець присутній у вигляді цементиту. Колір зламу - світлий. Білий чавун має дуже високу твердість і не може оброблятися ріжучим інструментом. Його використовують переважно як напівпродукту для отримання ковкого чавуну.

В сірому чавуні весь вуглець або його велика частина присутня у вигляді графіту. Колір зламу - сірий. Сірий чавун завдяки високим ливарним властивостям використовується в якості основного матеріалу для лиття. На відміну від білого чавуну добре піддається металевої обробці.

ковкий чавун отримують в результаті виливки і подальшої термічної обробки білого чавуну з утворенням пластівчастого графіту. Ковкий чавун застосовується в основному при виробництві автомобілів, сільськогосподарських машин і тракторів.

Половинчастий (вибілений) чавун - це чавун, в якому вуглець присутній як у вигляді графіту, так і у вигляді цементиту. Використовується як фрикційний матеріал для роботи в умовах сухого тертя, для виробництва деталей підвищеної зносостійкості.

В високоміцному чавуні міститься кулястий графіт, що утворюється в процесі кристалізації. Зазвичай використовується для виробництва відповідальних виробів в машинобудуванні, для виготовлення високоміцних труб водопостачання, нафто- і газопроводів.

зварюваність чавуну

Чавун має поганий технологічної зварюваністю:

• швидке охолодження зварного шва і околошовной зони призводить до виникнення вибілених ділянок (ділянок з виділеннями цементиту, що володіють високою твердістю), що вкрай ускладнює подальшу механічну обробку металу;
• в зв`язку з високою крихкістю чавуну при його нерівномірному нагріванні і охолодженні висока ймовірність появи тріщин у звареному шві і біля шовної зони;
• чавун є жидкотекучим сплавом, що ускладнює утримання розплавленого металу від витікання і ускладнює формування шва;
• через інтенсивне виділення газів з рідкої зварювальної ванни, що триває і на стадії кристалізації, в звареному шві можуть утворюватися пори;
• в результаті окислення кремнію, а іноді і інших елементів на поверхні зварювальної ванни можуть утворюватися тугоплавкі оксиди, що призводять до непровар.

Однак зварювання металу досить поширена при ремонті чавунних виробів, для виправлення шлюбу чавунного лиття, а в деяких випадках при виготовленні зварювально-литих конструкцій.

Способи зварювання чавуну

Сварка чавуну може виконуватися покритими або вугільними електродами, порошковим дротом, обладнанням для газового зварювання і іншими способами.

Існують три основні технологічні напрямки зварювання чавуну:

• зварювання, що забезпечує отримання в металі шва чавуну;
• зварювання, що забезпечує отримання в металі шва низьковуглецевої сталі;
• зварювання, що забезпечує отримання в металі шва сплавів кольорових металів.

Важливим способом боротьби з утворенням вибілених і загартованих ділянок, а також виникненням тріщин є попередній підігрів деталі, що зварюється. Залежно від температури попереднього підігріву розрізняють наступні види зварювання металу:

• гаряче зварювання - з температурою попереднього підігріву 600-650 ° C;
• напівгарячому зварювання - з температурою попереднього підігріву до 400-450 ° C;
• холодне зварювання - без попереднього підігріву.

Гаряча і напівгарячому зварювання чавуну використовуються у випадках, коли потрібне отримання в металі шва чавуну з властивостями, близькими до властивостей основного металу деталі. Попередній підігрів вироби до температури 600-650 ° C при гарячої зварюванні чавуну створює умови для порівняно рівномірного нагріву і більш повільного охолодження металу після зварювання, що забезпечує графітизацію чавуну - виділення вуглецю у вигляді графіту - і запобігання його виділення у вигляді цементиту.

при напівгарячої зварюванні чавуну поліпшення графітизації металу досягається за рахунок введення в зону зварювання Графітізуючі речовин (кремнію, титану, алюмінію) і попереднього підігріву вироби з меншою температурою, ніж при гарячій зварюванні.

Холодне зварювання чавуну виконується у випадках, коли чавун в металі шва не передбачений, і може застосовуватися в ряді випадків, коли в металі шва потрібно отримати чавун - з використанням Графітізуючі речовин при незначних або середніх за розміром дефектах, при некрізних дефектах або наскрізних дефектах невеликої довжини і глибини.

Дугове зварювання з одержанням в металі шва чавуну

процес гарячої зварювання чавуну здійснюється в кілька етапів:

• підготовка зварюється;
• попередній підігрів;
• зварювання;
• подальше уповільнене охолодження.

При підготовці зварюється виконується ретельна очистка дефектного місця від забруднень і оброблення крайок для забезпечення доступності при маніпулюванні електродом (дротом) і при впливі дуги. Для запобігання витікання рідкого металу зварювальної ванни, а іноді для додання металу певної форми, проводиться формування місця зварювання. Форми виготовляють з графітових пластинок, які скріплюються формувальної масою з суміші кварцового піску з рідким склом, іншими формувальними матеріалами або в опоках формувальними матеріалами, використовуваними в ливарному виробництві (див. Малюнок нижче).

Малюнок. Формування місця для гарячої зварювання чавуну

Після закінчення формування потрібно просушити форму з поступовим підвищенням температури від 60 до 120 ° С. Подальший нагрів деталей з формою виконується зі швидкістю 120-150 ° С в печі, горні, спеціальному колодязі або в іншому нагрівальному пристрої. Після зварювання для уповільненої охолодження виріб накривають теплоізоляційним шаром (азбестовими листами і засипанням сухого піску, шлаку, деревного вугілля і т. П.) Або охолоджують разом з нагрівальним пристроєм. Великі деталі можуть остигати від 3 до 5 діб.

для гарячої ручного дугового зварювання чавуну застосовуються плавляться електроди зі стрижнями з чавуну марок А чи Б, а також можуть використовуватися вугільні електроди. Гаряча зварка проводиться безперервно на великих токах до закінчення заварки дефекту. При значних обсягах зварювання виконують по черзі два зварника. Покриття литих прутків діаметром 5-20 мм містить легуючі (карборунд, графіт, силикокальций, феросиліцій та ін.) І стабілізуючі матеріали. Тримач електрода повинен бути забезпечений щитком для захисту руки зварника від теплового випромінювання. Зварювання вугільними електродами (діаметром 8-20 мм) виконують на постійному струмі прямої полярності.

Таблиця. Склад чавунних стрижнів для гарячої і напівгарячої зварювання

Таблиця. Режими дугового зварювання чавуну вугільним електродом

Гаряча зварка чавуну дозволяє отримати в звареному шві чавун, що практично не відрізняється від основного металу вироби (по щільності, механічними властивостями, оброблюваності і т.п.). Однак вона має і ряд недоліків:

• трудомісткість процесу, пов`язана з необхідністю формування місця зварювання, труднощами в забезпеченні рівномірного нагріву всього вироби;
• тривалість і дорожнеча процесу.

У той же час в деяких випадках до зварних швів з чавуну пред`являються менш жорсткі вимоги, наприклад, забезпечення тільки певної щільності або равнопрочності швів. Цього можна досягти із застосуванням спеціальних технологічних і металургійних коштів при зварюванні з незначним підігрівом або зовсім без попереднього підігріву - при напівгарячої або холодної зварюванні чавуну.

Для запобігання відбілювання чавуну в наплавлений метал може бути введено велику кількість графітізаторов і легуючих елементів. Наприклад, зварювальні електроди марки ЕМЧ мають чавунний стрижень з підвищеним вмістом кремнію (до 5,2) і двошарове покриття, перший шар якого є легуючим, а другий призначений для забезпечення газової і шлакової захисту.

Таблиця. Склад покриття електродів марки ЕМЧ

При холодної зварюванні електродами марки ЕМЧ виробів із чавуну з товщиною стінки до 12 мм вдається отримати шви і околошовной зону без вибілених і загартованих ділянок.

При зварюванні електродами марки ЕМЧ масивних вироби з чавуну для отримання бездефектних швів потрібно попередній підігрів до T = 400 ° С в залежності від жорсткості виробів і товщини чавуну.

Електроди з нікелевих чавунів дозволяють отримувати зварні шви з хорошою оброблюваністю, однак при цьому підвищується ймовірність утворення гарячих тріщин. Сварка здійснюється в кілька шарів зі зворотно-поступальними переміщеннями електрода.

Таблиця. Склад стрижнів електродів з нікелевих чавунів ()

Електроди марки ЕМЧС забезпечують легування через покриття. Їх стрижень складається з низьковуглецевої дроту, а покриття з трьох шарів: легирующего, газо- і шлакоутворюючих, газозахисних. При товщині зварюваного виробу від 8 до 10 мм для отримання бездефектних зварних з`єднань за допомогою цих електродів може використовуватися холодне зварювання, а при великих товщинах - гаряче зварювання.

Напівавтоматична гаряча, напівгарячому і холодне зварювання чавуну виконується, як правило, порошковими дротами ПП-Анч-1, ПП-Анч-2, ПП-Анч-3 і ін. В дротах міститься комплекс модифікують елементів, що вводяться в шихту у вигляді лігатури на основі кремнію.

Таблиця. Механічні властивості металу чавуну, звареного порошковими дротами

Газове зварювання

Газове зварювання чавуну вважається надійним способом отримання металу швів, що практично не відрізняється від основного металу вироби. У порівнянні з дуговим зварюванням нагрівання та охолодження при газовому зварюванні - більш тривалі і рівномірні, завдяки чому забезпечуються кращі умови для графітизації вуглецю і знижується ймовірність виникнення вибілених ділянок в звареному шві і біля шовної зони.

Газове зварювання бажано виконувати з попереднім підігрівом (загальним або місцевим). Укіс кромок робиться одностороннім (V-образним), з кутом розкриття 90 °. Кромки ретельно очищаються від бруду, іржі і масла за допомогою щітки або піскоструминного апарату і прогріваються газовим полум`ям.

Малюнок. Місцевий підігрів деяких деталей

Присадні прутки зазвичай являють собою чавунні стержні наступних марок:

• «А»(Для гарячої газового зварювання чавуну, см. Склад в таблиці вище);
• «Б»(Для газового зварювання чавуну з місцевим нагріванням, см. Склад в таблиці вище);
• «НЧ-1»(Для низькотемпературної газового зварювання тонкостінних виливків з чавуну);
• «НЧ-2»(Для низькотемпературної газового зварювання товстостінних виливків з чавуну);
• «БЧ»І«ХЧ»(Для зносостійкого наплавлення чавуну).

Діаметр прутка вибирається з діапазону від delta- / 2 до (delta- / 2 + 1 мм), де delta- - товщина основного металу вироби.

Для газового зварювання металу необхідне застосування флюсу, який виконує наступні функції:

• забезпечує захист зварювальної ванни від окислення;
• переводить тугоплавкі оксиди заліза, марганцю і кремнію в легкоплавкі шлаки;
• покращує сплавляемостью, створюючи мікроуглубленія при окисленні і частковому розчиненні графітних включень чавуну;
• підвищує жидкотекучесть металу зварювальної ванни і шлаків.

Деякі марки флюсів, що застосовуються при газовому зварюванні чавуну:

• флюс ФСЧ-1, який використовується в основному для заварки великих дефектов- склад - бура прокаленная (23), азотнокислий натрій (50), вуглекислий натрій (27);
• флюс ФСЧ-2, який використовується для низькотемпературної зварювання і заварки невеликих деталей з чугуна- відрізняється від флюсу ФСЧ-1 добавкою до складу вуглекислого літію;
• газоподібний флюс БМ-1 складається з летючої борорганіческіх рідини.

Під час зварювання слід частіше занурювати пруток у флюс, а флюс підсипати в зварювальну ванну. Швидкість подачі ацетилену на 1 мм товщини металу повинна становити від 100 до 120 дм3 / год. Скошування кромок здійснюється тільки при товщині стінки понад 4 мм.

Необхідно, щоб зварювальне полум`я було нормальним або науглероживается, оскільки окислительное полум`я призводить до сильного місцевим вигоряння кремнію з утворенням в звареному шві зерен білого чавуну. Метал потрібно добре прогріти. Сварка виконується в нижньому положенні швидко, а для великих деталей бажано двома пальниками одночасно. Для запобігання утворенню пір в зварному шві потрібно постійно перемішувати метал зварювальної ванни кінцем присадочного прутка, полегшуючи вихід розчинених газів.

Під час зварювання присадочний пруток занурюють у ванну тільки тоді, коли його кінець нагріється до температури світло-червоного розжарювання, оскільки занурення ненагрітого прутка може привести до появи вибілених ділянок. Пруток виймають зі зварювальної ванни якомога рідше і лише для покриття його флюсом.

Допускається періодичне видалення ядра полум`я від поверхні зварювальної ванни, однак відновна частина полум`я повинна постійно закривати поверхню ванни. При надмірній затримці полум`я на одній ділянці відбувається вигоряння вуглецю і кремнію, що може привести до відбілювання чавуну.

Зварювання чавунних деталей складної форми (з отворами, перемичками, неоднаковим перетином в різних частинах), щоб уникнути появи дефектів, викликаних нерівномірним нагріванням, необхідно виконувати тільки із загальним попереднім підігрівом.

Після закінчення зварювання виріб закривають шаром азбесту для повільного охолодження.

електрошлакове зварювання

При електрошлакового зварювання чавуну в якості електродів використовують литі чавунні пластини, а в якості флюсів - фторидні обезсірковуючу і неокислювального флюси. Електрошлакове зварювання дозволяє отримати задовільні властивості швів з сірого чавуну, без загартованих і вибілених ділянок, пор, тріщин і інших дефектів.