Сплав на основе железа, в составе которого углерод содержится от 2,14 до 6%, называют чугуном. Такая комбинация химических элементов делает его хрупким и трудносвариваемым. Тем не менее сварка остается наиболее эффективным способом ремонта и реставрации разнообразных чугунных изделий.
Узнать детальнее, что такое чугун, его подробные характеристике, объемы производства, а также что из него изготавливают можно в нашей предыдущей статье.
Сам по себе чугун – это многокомпонентный железный сплав, в котором кроме углерода содержатся Si, Р, Мn, S, а также Cr, Ni или Cu. Но определяющей величиной, влияющей на градацию металла и формирование его свойств, является углерод, точнее его состояние в сплаве.
Структура чугуна
Существует много марок чугуна, отличающихся структурой металлической основы и формой содержащихся графитовых включений. Поэтому, исходя из химических и физико-механических свойств, их классифицируют на:
Литье чугуна
В зависимости от массовой доли углерода температура плавления чугунов лежит в интервале 1200…1250°С. И хоть по сравнению со сталями они более хрупкие и менее прочные, из-за невысокой стоимости их широко применяют для литья. Самые востребованные в промышленности – низколегированные литейные чугуны, а также высокопрочные сплавы, легированные хромом (Cr), никелем (Ni), кремнием (Si), магнием (Mg), и их разновидности.
На ледебурит сплавов влияют условия его образования: при температуре 1147°С жидкая фракция всех чугунов кристаллизуется и образуется эвтектика. Она может быть карбидной или графитной. Тип структуры металлической основы определяет отношение металла к одной из групп:
Определяющей при выборе способа термообработки является диаграмма состояния железо-углерод. По ней также ориентируются, выбирая способ и режим сварки.
Все чугуны относятся к ограниченно или плохо свариваемым материалам. Основные затруднения обусловлены следующими факторами:
Серые и крупнозернистые чугуны хуже свариваются, чем мелкозернистые, ковкие и высокопрочные марки. Все они могут свариваться и наплавляться с применением разных видов сварки, но наиболее эффективным является послойное создание шва и способ, основанный на использовании «завертышей». Соблюдая технологию и учитывая особенности сварки чугуна, можно выполнять различные виды ремонта и реставрации чугунных изделий и сваривать их с разнородными металлами и сплавами.
Еще 20 лет назад для сварки чугунных деталей и изделий широко использовалась газовая сварка. Но создание сварочных аппаратов с расширенным диапазоном рабочих параметров и способных обеспечить высокую стабильность дуги позволило эффективно использовать для этих целей электродуговую сварку.
Электросварка – сложный микрометаллургический процесс, подчиненный общим металлургическим законам. Только протекает очень быстро и ограничивается небольшим объемом. В зоне термического влияния отмечается некоторая неоднородность свойств чугуна. Поэтому для получения необходимых физико-механических свойств наплавленного металла необходимо грамотно выбирать тип электрода и технологию выполнения работ. При этом род и сила тока, а также другие настройки сварочного аппарата выбираются с учетом:
Особо эффективна методика «отжигающих валиков». Суть – не дать остыть выполненному проходу и, снимая напряжение, нанести следующий, отжигающий предыдущий.
Исключить пережог металла можно, ориентировочно рассчитав постоянный сварочный ток по формуле:
I= ɣ*s,
где:
|
S, мм |
1-2 |
3-4 |
5-6 |
|
ɣ, А/мм |
25-30 |
35-40 |
45-60 |
Существует несколько способов электросварки чугунов:
Существует ряд ситуаций, в которых требуется применение сварочных работ на чугунных изделиях в горячем или холодном состоянии:
Предотвратить растрескивание, обеспечить хорошее качество швов можно, если перед тем, как сварить чугун, качественно выполнить подготовку и обезжиривание рабочей поверхности. Подготовка зоны работ, как правило, включает:
Как писалось выше, хрупкость чугунов серьезно усложняет их сварку и наплавку. Тем не менее они могут свариваться со сталями, а также цветными металлами и сплавами. Чтобы определить, как сварить чугун и металл другого состава важно запомнить нескольких нюансов:
Эти сплавы хоть и имеют очень схожий состав, отличаются величиной температурного коэффициента, параметрами прочности, пластичности и ударной вязкости. К тому же увеличенная массовая доля углерода в чугуне приводит к его графитизации. Поэтому, перед тем сварить чугун и сталь следует учесть, что металл свариваемой ванны необходимо надежно защитить от взаимодействия с окружающим воздухом, а для обеспечения стабильной дуги работы проводятся на постоянном токе обратной полярности.
Перед любыми видами сварочных работ необходимо выяснить совместимость чугуна и другого свариваемого металла. На практике нельзя соединить материалы, неспособные взаимодействовать между собой в расплавленном виде. Примером сочетаемости некоторых из них является пара «сталь/чугун». Металлургическое же несоответствие наблюдается при соединении разнородных сплавов, имеющих различные кристаллические решетки, отличающиеся теплопроводности, разные температуры плавления. Хорошим подспорьем в слиянии металлов служат присадки. Сварочная лента и прутки на никелевой основе – специальный материал для сварки заготовок из чугуна с другими сплавами.
Используя специальные присадочные материалы, также можно сварить элементы из чугуна с деталями из цветных металлов, а также медных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов. Только следует учесть, что с ним:
Технологические приемы подготовки чугунных изделий и деталей и метод сварки подбираются с учетом характера и размера дефекта и химического состава сплава. Но в любом случае следует избегать перегревов металла, а для предотвращения образования цементита после сварки/наплавки необходимо выдерживать температуру порядка 300°С с постепенным ее снижением. Добавка в материал шва меди или никеля из присадочного материала препятствует формированию карбидов и повышает прочность.
Этот способ используется в мелкосерийном производстве и в ремонтных целях. ММА сварка на тонкостенных изделиях выполняется короткими валиками, при малой силе переменного или постоянного тока обратной полярности и электродами предельно допустимого минимального диаметра. Во время работы необходимо периодически снимать шлак, образовывающийся на поверхности сварочной ванны.
Чаще всего ММА сварка выполняется электродами с чугунными стержнями. Для исправления небольших дефектов на отливках и крупных деталях можно использовать электроды из низкоуглеродистой стали с основным типом покрытия, а в остальных случаях лучше применять присадочный материал со специальным покрытием или со специальным составом металла. ММА сварка чугуна электродом осуществляется в нижнем положении.
MIG сварка применяется для заварки крупного брака на литых заготовках, ремонта тонкостенных чугунных деталей и для устранения мелких дефектов, вскрывшихся в результате механической обработки. Способ позволяет выполнять работы с высокой производительностью, а также качественно устранять дефекты литья и сваривать чугунные детали с применением порошковой проволоки со стальной оболочкой, специальной кремний-бронзовой или никелевой проволоки.
Чтобы добиться проплавления заданной толщины, сварка чугуна полуавтоматом осуществляется со строгим соблюдением параметров силы тока и напряжения. При этом особенно важно обеспечить плавную и стабильную подачу проволоки. Края изделий толщиной более 5 мм разделывают под углом 45-60°, а сварочный шов формируют в несколько проходов. Работы лучше выполнять в среде газовой среды из аргона (80%) и диоксида углерода (20%), а скорость подачи проволоки может составлять 100…550 м/ч. Для сварки тонких чугунных изделий существует практика применения специальных графитовых пластин, которые концентрируют расплавленный металл в свариваемой зоне.
Дуговая сварка в среде аргона (TIG) – распространенный способ, который за счет использования неплавящегося электрода и химической природы защитного газа позволяет свести к минимуму шлакообразование и появление трещин в околошовной зоне. Величина сварочного тока в зависимости от толщины обрабатываемой детали задается в интервале 40-80 ампер. Диаметр присадочных материалов должен быть вдвое меньше толщины свариваемых заготовок.
Сварка чугуна аргоном с неплавящимся вольфрамовым электродом выполняется непрерывным способом и считается предпочтительной в обработке чугунных заготовок, так как вольфрамовый стержень погружается в тело шва только после прогрева металла, а аргон эффективно предохраняет попадание воздуха в зону формирования сварочной ванны и минимизирует шлакообразование.
Для обеспечения прочного соединения лучше TIG сварку выполнять в нижнем положении и с последующим естественным остыванием. К тому же она отлично подходит для холодного способа.
На данный момент сварка чугуна инвертором – наиболее эффективный и перспективный способ. Сварочные инверторные аппараты созданы на инновационной схемотехнике, имеют расширенный диапазон рабочих параметров, характеризуются плавностью регулирования сварочного тока и оснащены множественными опции, которые обеспечивают упрощенный розжиг и повышенную стабильность дуги. Такие источники позволяют:
Ремонтные работы с применением специальных угольных, вольфрамовых и графитовых электродов – хорошая альтернатива использованию более дорогой сварочной проволоки на основе никеля, меди или алюминия. С применением этих материалов чаще всего проводится реставрация поверхности и устранение дефектов на отливках. В целом для сварочной и родственной обработки чугунов используются следующие присадочные материалы (прутки и электроды):
Выбор присадочных материалов и технология работ зависят от характера дефекта, марки чугуна, толщины и массы изделия, условий дальнейшей эксплуатации. Важно учитывать все требования к сварному соединению. Его качество напрямую зависит от того, каким электродом выполнена сварка чугуна.
Быстрое охлаждение заваренных участков обуславливает высокую твердость металла в зоне термического влияния и его склонность к охрупчиванию. Соответственно предварительный подогрев заготовки позволяет замедлить скорость охлаждения, придать металлу необходимые пластические свойства и избежать появления трещин.
Специалисты разделают полугорячую и горячую сварку. Полугорячая ограничивается нагревом свариваемого изделия до 300-400°С. На небольших участках весь завариваемый объем поддерживается в расплавленном состоянии, а при больших объемах – только часть наплавленного металла.
Перед горячей сваркой заготовки/детали нагревают до температуры в пределе 600-700°С. Это можно сделать:
Такой нагрев позволяет равномерно прогреть поверхностные слои, а при горячей сварке весь металл завариваемого колодца находится в расплавленном состоянии. Таким образом формируется монолитное сварочное соединение с высокой однородностью и трещиностойкостью.
Газовую сварку выполняют с использованием чугунных прутков марок А и Б, а электродуговую – угольными, медь- и никельсодержащими электродами, чугунными присадочными прутками и покрытыми электродами. Род тока любой, а его величина подбирается с учетом типа и диаметра присадочного материала. Применение графитовых накладок позволит сформировать ровный и качественный сварной шов. При этом горячая сварка чугуна применяется для изделий массой до 2,5 тонн.
Холодный метод предполагает выполнение сварки без предварительного подогрева и может осуществляться с использованием шпилек и без них. Сварка с «завертышами» позволяет получить прочное соединение даже на толстостенных деталях. Но перед работой следует выполнить фаску на 80…90 градусов и тщательно провести очищение и обезжиривание. Для деталей менее 2 мм снимать фаску на кромках необязательно. Сварка чугуна без шпилек применяется только для тонкостенных изделий и не подвергающихся последующей механической обработке и эксплуатации с ударными нагрузками.
Чтобы исключить перегрев свариваемых и ремонтируемых металлоизделий, необходимо тщательно контролировать температуру поверхности. А выполняется холодная сварка чугуна электродами из низкоуглеродистых сталей без покрытия и с основным или рутиловым покрытием и специальными электродами. Первая группа присадочных материалов обеспечивает невысокую прочность соединения и формирует валик с неоднородной структурой металла. Применяется для заделки дефектов, пайки чугуна и сталей. Вторая группа более обширна и включает никелевые, железоникелевые и железомедные присадочные материалы. Они обеспечивают более высокие параметры качества и надежности сварных соединений. Медно-никелевыми выполняется заварка изъянов на поверхности, полученных при литье, предупреждается очаговое повышение твердости.
Так как метод не предполагает для нагрева заготовки использования паяльной лампы и другого источника открытого огня, его применение целесообразно при выполнении сварочных работ в огнеопасных средах и рядом с потенциальными пожароопасными объектами. При присутствии последних в зоне сварки, следует обязательно использовать защитную ширму.
Различающиеся по свойствам и химсоставу металлы свариваются по-разному. Нужно знать, какие сплавы не поддаются такому виду соединения, и другие нюансы.
|
Описание проблемы |
Возможная причина |
Способ решения |
|
Бурное кипение металла при выполнении работ. Появление трещин на поверхности, сопровождающееся громкими щелчками |
Работа ведется с завышенной силой тока |
Снизить и отрегулировать силу тока |
|
Пористый и непрочный шов, недостаточно проплавленные кромки |
Малый ток |
Увеличить ампераж |
|
Образование разломов при остывании готового изделия |
Форсированное остывание металла |
Использовать паузы, формировать небольшие разносторонние швы |
|
Появление трещин в теле сварного шва |
Неправильно выполнен подогрев заготовки/детали и выбор присадочного материала |
Скорректировать температурный режим работ по карте технологического процесса, ТУ и правильно подобрать тип электрода/прутка |
Важно не перегревать зону работ возле шва. Помогут в этом небольшие перерывы перед очередным проходом и применение многопроходной сварки. С увеличением толщины металла увеличивается сила тока и сечение электродов.
По конечному результату может показаться, что варить металл совсем не сложно. На самом деле, горячая или холодная сварка чугуна – это кропотливый труд над каждым швом, каждой деталью. Для достижения удовлетворительного результата присадочные материалы должны быть первосортными и в достаточном количестве.
Проблемы, возникающие при электросварке чугунных изделий, вполне решаемы при полном соблюдении технологии работ и применении соответствующего высоким стандартам металла. Найти его в широком ассортименте можно в каталоге продукции ООО «Метинвест-СМЦ». Сотрудничество с нами – это всегда надежность и ответственность, лучшее качество, широкая линейка типоразмеров и сортамента металлопроката, выгодные условия оплаты и доставки.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.
