Технология сварки чугуна.

Свойства и структура чугуна. К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2, 11%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы, фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа РезС — цементит. В серых чугунах зна­чительная часть углерода находится в структурно-свободном со­стоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твер­достью и режущим инструментом обрабатываться не могут. По­этому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высоко­прочные (с шаровидным графитом) и ковкие

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 весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна имеет большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, 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:

1) 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;

2) 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, имеющих большую плотность (7, 4-7, 7 г/см3), чем серый чугун (6, 9-7, 3 г/см3), создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию;

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

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

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

1) технология, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;

2) технология, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;

3) 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 Т1т — 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 и в разделке для образования полостей, обеспечивающих доступность для манипулирования электродом и воздействия сварочной дуги. Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответст­вующей формы место сварки формуют. Формовку выполняют в зависимости от размеров и местоположения исправляемого дефекта с помощью графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, состоящей из кварцевого песка, замешенного на жидком стекле, или другими формовочными материалами.

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 слоем (листами асбеста, засыпкой песком, шлаком и др.) или при охлаждении вместе с печами.

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависимости от характера производства. Например, при массовом производстве в литейных цехах автомобильных и тракторных заводов целесообразно использовать конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных печах или в горнах с открытым кожухом; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные устройства из огнеупорного кирпича. Для горячей сварки используются плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б.

В состав покрытия, наносимого на литые прутки диаметром 5-20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. В качестве последних обычно используют графит, карборунд, ферросилиций, силикокальций, силикомагний и др., содержащие элементы-графитизаторы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших силах тока (/св = (60 -г 100)йэ) без перерывов до конца заварки дефекта. При больших объемах завариваемого дефекта работают поочередно два сварщика. Электрододержатель для го­рячей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным электродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога.

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, способствующими сфероидизации карбидов, например магнием.

При сварке этими электродами чугунных деталей с толщи­ной стенки до 12 мм без предварительного подогрева удается получить швы и околошовную зону без отбеливания и закалки. Некоторому замедлению скорости охлаждения способствует реакция между железной окалиной и алюминиевым порошком, протекающая с выделением теплоты. При сварке этими электродами массивных деталей для получения бездефектных сварных соединений приходится их подогревать до температуры 400 °С в зависимости от толщины чугуна и жесткости изделий.

Полуавтоматическая горячая, полугорячая и холодная сварка осуществляется обычно порошковыми проволоками ПП-АНЧ-1, ПП-АНЧ-2; ПП-АНЧ-3 и др. Проволоки содержат комплекс модифицирующих элементов, которые вводят в шихту в виде лига­туры на основе кремния.

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 изделия, 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, естест­венно, 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.

В связи со сказанным стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требо­вания обеспечения прочности, плотности и обрабатываемости ре­жущим инструментом. С целью уменьшения доли участия основ­ного металла в шве, а также размеров зоны термического влияния, в том числе и участков отбеливания и закалки, приме­няют электроды небольших диаметров (для первого слоя — 3 мм, для второго и последующих — 3-4 мм), на малых токах (/св = (20 4- 25)с? э), не перегревая основной металл.

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, кронштейнов и других несущих элементов толстостенных конструкций), 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 карбидообра-зователь — 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.

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 СвОВГС или Св08Г2С диаметром 0, 8-1 мм в углекислом газе. Сила сварочного тока составляет 50-75 А, напряжение дуги 18-21 В, скорость сварки 10-12 м/ч.

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 графитиза-ции. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, приле­гающую к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, пластичность металла шва способствует частичной релакса­ции сварочных напряжений и поэтому снижается вероятность об­разования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железо-никелевые электроды.

Существует несколько типов медно-железных электродов: 1) медный стержень с оплеткой из жести толщиной 0, 25-0, 3 мм, которую в виде ленты шириной 5-7 мм навивают на стержень по винтовой линии. На электрод наносят ионизирующее или толстое покрытие. Электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной проволоки, представляющий собой сердечник

из стальной проволоки, плотно запрессованный в медную трубку, изготовляют на станках для производства порошковой проволоки. Может быть также и другой вариант: медный сердечник со стальной оболочкой. Во всех разновидностях содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10-15%, так как в противном случае в шве образуются очень твердые включения железа с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва;

2) пучок электродов, состоящий из одного или двух медных стержней и стального электрода с защитным покрытием любой марки. Пучок связывают в четырех-пяти местах медной проволо­кой и на конце, вставляемом в электрододержатель, прихватыва­ют для надежного контакта между всеми стержнями;

3) наиболее совершенные из числа медно-железных элек­тродов — электроды марок ОЗЧ-2, ОЗЧ-6, представляющие собой медный стержень диаметром 4-5 мм, на который нанесено покры­тие, состоящее из сухой смеси покрытия УОНИ 13 (50%) и же­лезного порошка (50%), замешенных на жидком стекле.

Медно-железный сплав в шве получается также при сварке медными электродами по слою специального флюса, который со­стоит из прокаленной буры (50%), каустической соды (20%), же­лезной окалины (15%) и железного порошка (15%). Флюс насы­пают слоем толщиной около 10 мм, расплавляют дугой; далее по мере перемешивания дуга горит между медным электродом и расплавленным флюсом.

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.

Основное преимущество этих электродов — возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений. Проковка обязатель­на, так как при этом уменьшается опасность образования трещин в околошовной зоне.

Общий недостаток медно-железных электродов — неодно­родная структура шва: мягкая медная основа и очень твердые включения железной составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной по­верхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладают швы, выполненные электродами марки АНЧ-1, стержень которых со­стоит из аустенитной стали марки Св 04Х18Н9 и медной оболоч­ки. На электрод наносят покрытие основного типа.

Наиболее рационально применять медно-железные электро­ды для заварки отдельных несквозных дефектов или небольших неплотностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе работающих под давлением (фланцы, подшип­ники).

Медно-никелевые электроды в производстве применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживае­мых в процессе механической обработки чугунного литья на ра­бочих поверхностях, где местное повышение твердости недопус­тимо. Положительные свойства таких электродов в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлажде­ния. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размерах практически отсутствует, так как медь и никель — элементы-графитизаторы, проникая в этот участок, оказывают положительное действие; в то же время никель и железо облада­ют неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению.

Для изготовления электродов используют и медно-никелевые сплавы: монель-металл, содержащий 65-75% N1, 27-30% Си, 2-3% Ре и 1, 2-1, 8% Мп (например, НМжМц 28-2, 5-1, 5); электроды МНЧ-2.

Недостатки этих сплавов — их высокая стоимость и дефицитность, а также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Горячие трещины иногда имеют вид сплошной сетки, что снижает прочность сварного соединения. В связи с этим данные сплавы не рекомендуется применять для заварки трещин в изделиях, которые несут силовую нагрузку. Заварка же отдельных мелких раковин позволяет получить хорошие резуль­таты, так как обеспечивает возможность последующей механической обработки.

Сварку выполняют электродами диаметром 3-4 мм, ниточным швом, короткими участками при возвратно-поступательном движении электрода, не допуская перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы для охлаждения. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения' из серого и высокопрочного чугуна и при ремонте оборудования из чугунного литья используют также железоникелевые электроды со стержнем из сплава, содержащего 40-60% N1 и 60-40% Ре.

При сварке такими электродами обеспечивается достаточно высокая прочность и некоторая вязкость металла шва. Железоникелевые электроды обладают определенными преимуществами, к числу которых, кроме высокой прочности, можно отнести меньшую, чем у медно-никелевых сплавов, литейную усадку, одноцветность наплавки с чугуном. Примером электродов такого типа могут служить электроды марки ОЗЖН-1 со стержнем из

проволоки Св08Н50 и покрытием из доломита (35%), плавикового шпата (25%), графита черного (10%) и ферросилиция (30%), замешенных на жидком стекле. Применяются также электроды на никелевой основе ОЗЧ-З, ОЗЧ-4. Режимы ручной сварки чугуна различными электродами приведены в табл. 6.38.

В последнее время для холодной сварки чугуна получила распространение самозащитная проволока на никелевой основе ПАНЧ-11. Это проволока обеспечивает аустенитную структуру шва и хорошие механические свойства сварного соединения.

 

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: