Зварювання чавуну

                                Зварювання  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 легуючі добавки - хром, нікель , ванадій, алюміній, магній тощо 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.
        У сірому чавуні  весь вуглець або його більша 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 одержують у 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 .
У високоміцному чавуні міститься кулястий графіт , утворений в процесі кристалізації . Зазвичай використовується для виробництва відповідальних виробів у 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 наступну механічну обробку металу ;
        • у зв'язку з високою крихкістю чавуну при його нерівномірному нагріванні й охолодженні висока ймовірність появи тріщин у звареному шві і околошовной зоні;
        • чавун є Рідкотекучий сплавом , що ускладнює утримання розплавленого металу від витікання і ускладнює формування шва ;
        • через інтенсивне виділення газів з рідкої зварювальної ванни , триваючого і на стадії кристалізації , у звареному шві можуть утворюватися пори;
        • в результаті окислення кремнію , а іноді й інших елементів на поверхні зварювальної ванни можуть утворюватися тугоплавкі оксиди , що призводять до непрова-

рюванням .
        Однак зварювання металу вельми поширена при ремонті чавунних виробів , для виправлення браку чавунного лиття , а в деяких випадках при виготовленні зварювально - литих конструкцій.
        Способи зварювання чавуну
Зварювання чавуну може виконуватися покритими або вугільними електродами , порошковим дротом , обладнанням для газового зварювання й іншими способами.
Існують три основних технологічних 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 зварюваної деталі. В залежності від температури попереднього підігріву розрізняють такі види зварювання металу:
      • гаряча зварка - 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 гарячій 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 напівгарячого зварюванні чавуну поліпшення графітизації металу досягається за рахунок введення в зону зварювання графітізірующій 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 графітізірующій речовин при незначних або середніх за розміром дефектах , при некрізних дефектах або наскрізних дефектах невеликої протяжності і глибини .
      Дугове зварювання з отриманням в металі шва чавуну
      Процес гарячого зварювання чавуну здійснюється в кілька етапів:
      • підготовка зварюваного вироби ;
      • попередній підігрів ;
      • зварювання ;
      • подальше уповільнене охолодження .
     При підготовці зварюваного вироби виконується ретельне очищення 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 формовка 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.   . Формовка місця  для  гарячого  зварювання  чавуну.

 

      По закінченні формовки 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 охолоджуватись   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 зварювання виробляється 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 , силікокальцій , 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 та напівгарячого зварювання

 

Елемент

Марка А
для
гарячого зварювання

Марка Б
для
гарячого і
напівгарячого зварювання

Вуглець

 3,0–3,5

Кремній

3,0–3,4

3,5–4,0

Марганец

  0,5–0,8

Фосфор

0,2–0,4

0,3–0,5

Сірка

 до 0,08

Хром

   до 0,05

Нікель

 до 0,3

Таблиця.    Режими дугового зварювання  чавуну  вуглецевим  електродом

Товщина метала (мм)

Діаметр електрода (мм)

Сила струму (А)

6–10

8–10

280–350

10–20

10–12

300–400

20–30

12–16

350–500

30  і  більше

16–18

350–600

 

Таблиця. Склад  чавунних  стержнів  для гарячого і напівгарячого  зварювання.

Елемент

Марка А
для
гарячого зварювання

Марка Б
для
гарячого і
напівгарячого зварювання

Вуглець

3,0–3,5

Кремній

3,0–3,4

3,5–4,0

Марганец

0,5–0,8

Фосфор

0,2–0,4

0,3–0,5

Сірка

до 0,08

Хром

до 0,05

Нікель

до 0,3

Таблиця. Режими дугового зварювання  чавуну вуглецевим електродом

Товщина метала (мм)

Діаметр электрода (мм)

Сила струму (А)

6–10

8–10

280–350

10–20

10–12

300–400

20–30

12–16

350–500

30 і  більше

16–18

350–600

 

      Гаряче зварювання  чавуну дозволяє отримати  у  звареному  шві  чавун , практично  не відрізняється від основного металу виробу ( по щільності , механічним властивостям , оброблюваності і т.п.).

      Однак воно має і ряд недоліків:
      • трудомісткість процесу , пов'язана з необхідністю формування місця зварювання , складністю забезпечення рівномірного нагріву всього виробу ;
      • тривалість і дорожнеча процесу .
      У той же час в деяких випадках до зварних швів  з чавуну  висуваються менш жорсткі вимоги , наприклад , забезпечення лише певної щільності або рівноміцності швів. Цього можна досягти із застосуванням спеціальних технологічних і металургійних засобів при зварюванні з незначним підігрівом або зовсім без попереднього підігріву - при напівгарячого або холодної зварюванні чавуну.
      Для запобігання відбілювання чавуну в наплавлений метал може бути введено велику кількість графітозаторов  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 газового та шлакового захисту .

 

Таблиця. Склад   покриття   електродов марки ЕМЧ

1-й слой

2-й слой

графіт – 41%
силікомагній – 40%
залізна окалина – 14%
алюміній (порошок) – 5%

мрамор – 50%
плавиковий шпат – 50%

 

      При холодному  зварюванні електродами марки ЕМЧ виробів із чавуну з товщиною стінки до 12 мм  вдається отримати шви і околошовну  зону без вибілених і  загартованих   ділянок .
При зварюванні електродами марки ЕМЧ масивних вироби з чавуну для отримання бездефектних швів необхідне попереднє підігрів до T = 400 ° С залежно від жорсткості виробів і товщини чавуну.
      Електроди з нікелевих чавунів дозволяють отримувати зварні шви з доброю оброблюваністю , однак при цьому підвищується ймовірність утворення гарячих тріщин. Зварювання здійснюється в декілька шарів з зворотно- поступальними переміщеннями електрода.

Таблица. Состав стержней электродов из никелевых чугунов (%)

Чавун

Вуглець

Нікель

Кремній

Мідь

Марганець

Залізо

Нирезіст

2,0

29

1,3

7,6

0,4

59,7

Нікросилаль

2,0–2,3

19–22

5,2–6,4

0,5

68,8–73,3

 

       Електроди марки  ЕМЧС  ​​забезпечують легування через покриття . Їх стрижень складається з низьковуглецевого дроту , а покриття з трьох шарів: легуючого ,  газо-і  шлакоформуючі , 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 .

       При здійсненні холодного зварювання  покритими електродами всі металургійні процеси в зварювальній ванні завершуються протягом секунд . Кристалізація наплавленого металу протікає в умовах дуже швидкого охолодження. У зв'язку з цим у процесі холодної зварювання чавуну сталевими і чавунними електродами наплавлений метал , як правило , має високу твердість , що виключає можливість обробки різцем. У зоні термічного впливу утворюються тріщини , що ослабляють зварне з'єднання . У практичній роботі частину труднощів , пов'язана з отриманням твердої і нетривкою наплавлення , долається застосуванням різних електродів з кольорових та інших спеціальних сплавів (мідно - нікелевих , залізо - нікелевих , мідно - сталевих та ін.) Однак , застосовуючи електроди на мідно - нікелевої основі , необхідно пам'ятати , що мідь і нікель є дефіцитними матеріалами, використання яких збільшує вартість деталі і знижує економічні показники . При зварюванні електродами на мідно - нікелевої основі до наплавленого металу пред'являються умови головним чином гарною оброблюваності і щільності. Широке поширення отримали електроди на мідно - нікелевої основі - МНЧ -2. Вони призначені для холодної зварювання та наплавлення чавуну при виправленні некрізних дефектів невеликих і середніх розмірів на оброблюваних або оброблених поверхнях виливків і деталей , можуть бути також використані при відновленні чавунних деталей , що були в експлуатації . Наплавлений електродами МНЧ -2 метал твердістю НВ 140-160 легко піддається обробці різанням. У зоні сплавлення утворюється вузька смужка підвищеної твердості . Однак це не знижує показників оброблюваності зварного з'єднання. Зварне з'єднання володіє високими показниками міцності.     Наплавку одношарову або багатошарову здійснюють укладанням валиків. Мідь і нікель , не утворюють сполук з вуглецем , забезпечують хорошу оброблюваність сплаву і в поєднанні з покриттям електрода спеціального складу - необхідну щільність в шарах металу і технологічність процесу наплавлення . Запалювання дуги легке (з одного торкання ) , горіння дуги стабільне , майже без розбризкування , шлаки легкі - рухливі , отделяемость шлакової кірки хороша . Маніпулювання електродами не утруднене . Шов має форму , близьку до півсфері , без утворення підрізів . Наплавлений метал щільний , проплавление основного металу мінімальне. Раціональна область використання (умовно ) визначається дефектами з максимальною глибиною після оброблення 15-20 мм і площею (за наплавленого металу ) за 30 см2 без наповнювача і до 50 см2 - з наповнювачем. Застосування електродів МНЧ -2 різних діаметрів : діаметром 3 мм , якщо потрібно забезпечити мінімальний розігрів основного металу і мінімальні розміри зони оплавлення , що необхідно при заварці дефектів невеликих розмірів на механічно оброблених поверхнях деталей , а також укладанні першого шару при багатошаровому наплавленні : діаметром 4 - 5 мм для заварки дефектів невеликих і середніх розмірів , для перших ( ізолюючих шарів) при багатошаровому наплавленні із застосуванням в якості наповнювача сталевих або спеціальних ( на залізо - нікелевої основі марки ОЗЖН -1) електродів. Підготовку дефектів виконують залежно від характеру дефекту і наявності підручних засобів вирубкою , свердлінням , фрезеруванням до чистого основного металу. Утискаючи , раковини , мають пологі края   , обробляють з доданням стінок більш крутого скоса. Заварку дефектів електродами МНЧ -2 виконують наплавленням в один або кілька шарів , при цьому необхідно дотримуватися певну послідовність операцій . Весь обсяг оброблення заплавляются електродами МНЧ -2 окремими паралельними валиками. Кожен валик очищають від шлаку , зачищають металевою щіткою і проковують . При укладанні подальшого валика попередній перекривають на 1/ 3 ширини . Наплавлений метал повинен підніматися над відміткою обробки на 3-4 мм.
        Напівавтоматичне гаряче , напівгаряче і холодне зварювання чавуну виконується , як правило , дротом  ПАНЧ-11 .  Служить для заварювання обламаних частин деталей , зношених отворів і тріщин, тощо . У цьому дроті міститися спеціальні елементи, що сприяють формуванню шва і запобігають окисленню зварювальної ванни. У процесі реставрації не створюється додаткового напруження . Метал після наплавлення піддається інструментальної обробці. Діаметр дроту В її хімічному складі : нікель , мідь , залізо , марганець , а також домішок: вуглецю і кремнію. Поставляється в невідпаленому ( твердому ) стані.
        Використання: Для заварки і наплавлення ковкого і високоміцного чавуну. Для холодного зварювання використовується самозахисна тонка дріт ПАНЧ -11 суцільного перетину на нікелевої основі. Можливе зварювання напівавтоматична відкритою дугою , тобто без захисту флюсом або газом розплавленого металу. Протяжні шви на деталях виконуються з низьким тепловкладенням і майже без перерви на охолодження деталей. Цією дротом легко заварити тріщину в чавунній деталі в будь-якому важкодоступному місці. Вона здатна зварити обламані частини деталі , заплавити пробоїни. Після зварювання наплавлений метал прекрасно обробляється , немає викривлення і внутрішніх напружень . Оскільки до складу дроту вводяться спеціальні хімічні елементи , при зварюванні не потрібно застосування захисного газа.   При  зварюванні чавуну відбувається відбілювання , при нагріванні він швидко переходить з твердого стану в рідкий. Цей дріт легко справляється з такими проблемами і не дає при зварюванні тріщин у металле.Для підвищення надійності зварювання в кромки розділеного шва , вставляються різьбові шпильки .         Також використовується при зварюванні чавуну спосіб відпалювання  валиків.
Переваги: ​​Даний  дріт підвищує якість зварювання , а також несучу здатність деталей після реставрації. Істотно підвищує продуктивність зварювання . Зменшується обсяг підготовчих робіт . Розширюються можливості для ремонту деталей. Зменшується витрата зварювального матеріалу , якщо порівняти із звичайною ручним зварюванням електродами. дроту ПАНЧ -11 відновлюються близько 25 корпусних тонкостінних деталей.

       Газове зварювання
       Газове зварювання чавуну вважається надійним способом отримання металу швів , практично не відрізняється від основного металу виробу. У порівнянні з дугового зварюванням нагрівання та охолодження при газовій зварці - триваліші і рівномірні , завдяки чому забезпечуються кращі умови для графітизації вуглецю і знижується ймовірність виникнення вибілених ділянок у звареному шві і околошовной зоні.
       Газове зварювання бажано виконувати з попереднім підігрівом ( загальним або місцевим) . Скіс 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.

 

местный подогрев при сварке чугуна

 

       Присадні прутки зазвичай представляють собою чавунні стержні наступних марок :
       • «А» ( для гарячої газового зварювання чавуну , див. склад в таблиці вище);
       • «Б» ( для газового зварювання чавуну з місцевим нагріванням , див. 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 δ / 2 до ( δ / 2 + 1 мм) , де δ - товщина основного металу виробу.
     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 , застосовуються при газовому зварюванні чавуну :
     • флюс ФСЧ -1 , який використовується в основному для заварки великих дефектів; склад - бура прокаленная (23%) , азотнокислий натрій ( 50%) , вуглекислий натрій ( 27 %);
     • флюс ФСЧ -2 , використовуваний для низькотемпературної зварювання й заварки невеликих деталей з чавуну; 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 / ч. Скошування крайок здійснюється тільки при товщині стінки понад 4 мм.
Необхідно , щоб зварювальне полум'я було нормальним або науглероживается , оскільки окислювальне полум'я призводить до сильного місцевим вигоряння кремнію з утворенням у зварному шві зерен білого чавуну. Метал потрібно добре прогріти. Зварювання виконується в нижньому положенні швидко , а для великих деталей бажано двома пальниками одночасно. Для запобігання утворення 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 ясно- червоного розжарювання , оскільки занурення ненагрітого прутка може призвести 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 відновлювальна частина полум'я повинна постійно закривати поверхню ванни . При надмірній затримці полум'я на одній ділянці відбувається вигоряння вуглецю і кремнію , що може призвести до відбілювання чавуну.
     Зварювання чавунних деталей складної форми (з отворами , перемичками , неоднаковим перетином у різних частинах ) щоб уникнути появи дефектів , викликаних нерівномірним нагріванням , необхідно виконувати тільки із загальним попереднім підігрівом .
     По закінченні зварювання виріб закривають шаром азбесту для повільного охолодження.
електрошлакове зварювання
     При  електрошлаковому  зварюванні  чавуну в якості електродів використовують литі чавунні пластини , а в якості флюсів - фторидні обезсірковуючу і неокисному флюси. Електрошлакове зварювання дозволяє отримати задовільні властивості швів з сірого чавуну , без загартованих і вибілених ділянок , порів , тріщин та інших дефектів.