Какие особенности чугуна затрудняют ремонт чугунных деталей сваркой

Основные технологии сварки чугуна

Во многих отраслях нашего многогранного народного хозяйства применяются различные виды чугуна — серый, высокопрочный и ковкий. Используются они в строительных конструкциях, для изготовления ответственных деталей, которые применяются в машино-, авиа-, самолетостроении, железнодорожном транспорте, при изготовлении изделий и деталей сантехники и т.д.

Отличительная особенность этого материала заключается в высоком отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение и его хорошие антифрикционные свойства. Эти качества выделили чугун при изготовлении конструкций и деталей в особую категорию. Как и любые изделия, чугунные, в процессе эксплуатации могут выйти из строя или у них может износиться поверхность. Чаще всего возникает такой дефект, как трещины. И одним из методов восстановления работоспособности изделия являются сварка чугуна и его наплавка. Также с помощью сварки устраняют дефекты при производстве отливок из чугуна.

Чугуном называют сплав, состоящий их железа, углерода и других элементов, которые имеются в его составе или специально вводятся туда для придания ему тех или иных свойств, при этом количество углерода в нем может быть от 2,14 до 6,67%. Свойства чугуна зависят от следующих факторов:

• структуры металлической основы;
• включений графита – его количества, величины, формы и характера распределения.

Для придания жаростойкости, износостойкости, кислотостойкости и других особых свойств, при производстве чугуна в него вводят специальные добавки – никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан и т.д., которые при введении определенного их процента и делают свойства чугуна особыми. Такие чугуны называются легированными.

Основные трудности при сварке чугуна

К ним относятся:

• высокое содержание углерода (чем выше, тем хуже сваривается);
• высокая жидкотекучесть;
• возможность образования в процессе сварки тугоплавких окислов (их температура плавления гораздо выше температуры плавления самого чугуна);
• склонность к появлению трещин (из-за неоднородности металла), пор (из-за выгорания в процессе сварки углерода).

Все это негативно сказывается на свариваемости и чугун справедливо считают материалом, который плохо поддается сварке. Особенно когда сварку производят дома и нет возможности узнать, какой же марки чугун сваривается. Многие судят о свариваемости чугунного изделия по его излому.

Если излом черный или темно-серый, то придется поднатужиться, чтобы восстановить первоначальные его свойства или вообще не заниматься сварочными работами, не имея специальных электродов и не зная тонкостей технологии.

Основные виды сварки

Специалисты используют 2 вида сварки чугуна – холодный способ и горячий. При холодной сварке необходимо применение электродов, специально предназначенных для сварки чугуна.

Можно сваривать чугунные изделия в холодном состоянии (без подогрева) с применением стальных электродов, изготовленных из низкоуглеродистой стали, но это требует больших усилий от сварщика и понимания им процессов, которые происходят в зоне сварки. Обусловлено этой свойствами чугуна. Металл после окончания сварки быстро охлаждается и это приводит к его хрупкости, что может вызвать появление трещин.

Состав низколегированных прутков
Марка	С	Si	Ni	Sn	Cu
I	3.2-3.6	3.4-4.0	0.1-0.2	0,3-0,5	—
II	3.0-3.4	3.0-3.6	0.4-0.6	—	2.0-3.5
III	3.0-3.4	3.0-3.6	0.2-0.5	0,1-0,3	1.0-2.0

Кроме того, между швом и основным металлом образуется отбеленный чугун, а за ним следует закаленный, что может вызвать появление пор, которые являются недопустимыми дефектами.

При сварке холодным способом еще используют электроды, изготовленные из аустенитного чугуна и из цветных металлов.

Электроды изготовляют из прутков круглой формы, выполненных методом литья, марка применяемого чугуна при этом А или Б. Их диаметр лежит в пределах 4 ÷ 12 мм, при этом прутки Ø 4 мм имеют длину 250 мм, Ø 6 мм – 350, остальные имеют длину 450 мм. Прутки из чугуна марки А применяются при проведении газосварочных работ и являются материалом для изготовления стержней электродов, применяемых при сварке чугунных изделий горячим способом. Прутки марки Б помимо сварки чугуна в горячем состоянии, могут применяться для изготовления стержней электродов, которые используются при проведении сварки полугорячим и холодным способами.

Состав чугунных стержней для сварки чугуна
Марка	С	Si	Мn	Р	S	Сr	Ni	Назначение
А	3.0-3.5	3.0-3.4	0.5-0.8	0.2-0.4	До 0.08	До 0.05	До 0.3	Для горячей сварки
3.5-4.0		0.3-0.5		Для горячей и полугоря­чей сварки

Сваривать такими электродами можно только в одном положении — нижнем. Сила тока зависит от Ø электрода и находится в пределах 270 ÷ 650 А.
Из электродов, изготовленных из цветных металлов, при сварке чугуна используют медные электроды, изготовленные из монель-металла и из никелевого чугуна, имеющего аустенитную структуру.

Медные электроды рекомендуется применять для сварки изделий, которые должны иметь плотные швы и работающих при незначительных статических нагрузках. Их изготавливают из стержней меди Ø 3 ÷ 6 мм, обернутых стальной проволокой или лентой, имеющих низкое содержание углерода. На стержень наносят специальное покрытие — меловое или состоящее из сложного состава.

Такого же диаметра и длины изготавливают стержни из монель-металла (медно-никелевые) и никелевого аустенитного чугуна.Сварка может выполняться как на постоянном токе, так и на переменном.

Отбеливание чугуна и появление закалочных структур можно избежать, применив более продуктивный вид сварки – горячую. В зависимости от температуры предварительного подогрева изделия перед сваркой, различают следующие виды горячей сварки:

• теплую (не более 200 0С);
• полугорячую (нагрев в районе 300 ÷ 400 0С);
• горячую (500 ÷ 600 0С).

В любом случае температура предварительного подогрева не должна превышать 650 0С, чтобы избежать структурных превращений в самой структуре чугуна.

Формовка места сварки (1-деталь, 2-формовка, 3-графитовые пластины)
A — несквозной раковины
B — облицовка графитовыми пластинами
C — недолива кромки

Этапы процесса проведения горячей сварки следующие:

• подготовка изделия к сварке;
• прогрев до необходимой температуры (в горне, муфельной печи, нагревательном колодце и т.д.);
• сборку (с применением струбцин или прихваток) и установку изделия под сварку;
• собственно сам процесс сваривания;
• охлаждение (медленное).

Все виды горячих способов сварки требуют медленного охлаждения изделия или конструкции после проведения сварочных работ. Это позволит избежать нежелательного отбеливания чугуна, что делает его хрупким. Чаще всего изделие сразу после сварки отправляют в печь и там охлаждают, выключив печь. Иногда такое охлаждение может происходить сутками — зависит от габаритов изделия. В домашних условиях пользуются специальными средствами, которые защитят изделие от быстрого остывания (теплосберегающий материал, например, асбест, шлак, сухой кварцевый песок, древесный уголь).

Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Иногда сварку проводят переменным током, но только в том случае, если длина кабелей от сварочного трансформатора не большая, а напряжение холостого хода более 70 В.

Подготовка к сварке

Место, где будет производиться сварка, должно быть тщательно очищено от загрязнений, масел и других включений. Достигается это с помощью щетки, напильника, наждачной бумаги или болгарки. Масло удаляют с помощью растворителей (бензин, керосин и т.д.) или выжиганием пламенем газовой горелки. В зависимости от толщины свариваемых деталей делают одностороннюю, двухстороннюю, V- и Х-образную разделку кромок (под 90 0).

Разделку обязательно делают при толщине чугунного изделия свыше 20 мм, но иногда разделку кромок выполняют у деталей, толщина которых 4 мм им выше. Концы трещин, при их наличии, обязательно засверливают. Чтобы выявить концы трещин применяют травление слабыми растворами соляной или азотной кислоты (2 ÷ 6%).

В более сложных случаях, когда варят ответственные изделия, тяжелые и громоздкие, к которым предъявляются требования по прочности, используют болты или шпильки, которые ввертывают в подготовленные кромки обязательно в шахматном порядке. При этом диаметр шпилек (болта) не должен превышать 0,4 толщины детали, подвергающейся сварке. Шпильки (болты) должны обязательно вкручиваться так, чтобы выступать над поверхностью детали (не более 1,2 Ø шпильки или болта.) Изделия вкручиваются не только в местах разделки кромок, но и с каждой стороны детали (в один ряд). Между шпильками (болтами) расстояние тоже оговаривается и оно не должно превышать не 6 Ø шпилек.

Сварка чугуна с применением стальных шпилек
A — установка шпилек при V-образной подготовке кромок
B — обварка шпилек

Сварка далее проводится следующим образом. Каждая шпилька обваривается стальным электродом Ø 3 мм кольцевыми швами. Сварка ведется на малых токах и вразброс, во избежание перегрева. Затем вся поверхность все теми же кольцевыми швами покрывается слоем наплавленного металла толщиной, которая не должна превышать толщину чугуна.

Так как чугун обладает высокой жидкотекучестью, то для придания металлу нужной формы производят в некоторых случаях, формовку места сварки. Для этого пользуются графитовыми пластинками, скрепленными специальной формовочной массой, состоящей из кварцевого песка с жидким стеклом. Могут использоваться огнеупоры или другие аналогичные материалы. На производстве это определяется в нормативной документации. Для формовки могут применяться формовочные материалы, которые используются в литейном производстве.

Особенности сварки стальными электродами

Стальные низкоуглеродистые электроды применяются для сварки чугуна в виду их дешевизны и доступности. Ими допускается сваривать изделия неответственных деталей и при небольших дефектах. Но чтобы ими качественно варить, необходимо первый плакирующий слой в разделке выполнять электродами марки ЦЧ-4.

Применяя обычные электроды марки АНО-4, УОНИИ 13/45 и др. марок наиболее часто используемых при сварке электродов, используют еще и медную проволоку. Она наматывается прямо на электрод, при этом ее масса должна превосходить саму массу электрода в 4 ÷ 5 раз или она используется в качестве присадочного прутка.

Технология сварки чугунными электродами

Сейчас свободно можно приобрести специальные электроды по чугуну, выпускаемые различными производителями. В основном они изготовлены на основе железа, никеля, меди и представляют собой стержни из металла, покрытые тонким слоем обмазки. Выпускаются, как правило, по техническим условиям предприятия-изготовителя.

В состав обмазки входит железный порошок. К ним относятся электроды по чугуну марки ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-3, ОЗЧ-4, ОЗЧ-6, ОЗЖН-1, ОЗЖН-2, МНЧ-2. Диаметр выпускаемых электродов лежит в пределах 2 ÷ 20 мм, а длина их – 300, 350 и 450 мм. Все они имеют отличительную характеристику – с их помощью хорошо формируется сварочный шов. Многие из этих марок допускают соединение деталей внахлестку, встык, а также выполнять угловые соединения.

Величина сварочного тока находится в прямой зависимости от Ø электрода и лежит в пределах 50 ÷ 600 А. Обычно сварочный ток выбирают в районе 50 ÷ 90 А на 1 мм Ø электрода. Сварку ведут небольшими валиками (не более 50 мм) с их последующим охлаждением до температуры 50 0С. В процессе сварки швы в обязательном порядке проковываются молотком, вес которого не должен превышать 1,2 кг. У молотка должен быть боек закругленого типа. И надо помнить следующее, что первый и последний слой в многослойной сварке не подлежат проковке, т.к. это может привести к появлению трещин.

Иногда сварку производят с помощью заплат. Для этого применяют вставки, изготовленные их чугуна или стали. Таким способом обычно заделывают пробоины в чугунной конструкции. Электроды при этом должны быть марки ОЗЧ-6.

Сварка чугуна неплавящимися электродами

Изделия из чугуна можно сваривать неплавящимися электродами (угольным, графитовым, вольфрамовым), но обязательно используя присадочный пруток — стержни или прутки из чугуна, содержащие такие металлы как никель, медь, алюминий и другие.

Зону шва в процессе сварки от вредного воздействия воздуха защищают с помощью флюса (буры) или инертного газа (аргона). Чаще всего используется такой вид сварки как сварка переменным током в среде аргона вольфрамовым электродом с применением никелевых прутков.

Особенности сварки чугуна аргоном

Сварка чугуна полуавтоматами с защитой газами (аргоном) позволяет получить швы высокого качества, особенно когда сварку производят инвертором. Обязательно проводится местный прогрев изделия до температуры не менее 300 0С. В качестве присадочного материала используются прутки, изготовленные из никеля. Иногда пользуются алюминиевобронзовыми прутками, но не для изделий, которые будут впоследствии подвергаться нагреву.

Более производительный вид сварки чугуна с помощью автоматов выполняется с применением порошковых проволок, специально разработанными специалистами для такой сварки. В них содержится полный комплекс специальных модифицирующих элементов. Они вводятся в виде лигатуры, основой которой является кремний. Каждая марка используется для проведения следующих работ:

• ПП-АНЧ-1 — заваривания без предварительного подогрева небольших дефектов, при этом в дальнейшем поверхности не подвергаются механической обработке;
• ПП-АНЧ-2 — заварки дефектов на изделиях большой толщины с предварительным подогревом и без него;
• ПП-АНЧ-3 — заварки дефектов самых различных размеров с предварительным подогревом до высокой температуры (горячая сварка);
• ПП-АНЧ-5 – ремонтной сварки изделий из высокопрочного чугуна с предварительным подогревом;
• ППСВ-7 – заварки дефектов на отливках.

Газовая сварка чугуна

Применяется только для осуществления ремонтных работ. В качестве присадочного металла используют прутки, изготовленные из латуни. Это позволяет получить сварной шов необходимой плотности. Кроме того, такой шов хорошо поддается механической обработке.

Присадочным металлом служит сварочная проволока марки Св-08 и Св-08А, стержни из чугуна марки А. Непосредственно перед сваркой разделанные кромки детали прогревают, а затем засыпают из флюсом. Выбор наконечника горелки зависит от толщины свариваемых деталей. При толщине до 5 мм необходимо использовать наконечник № 3 или 4, от 5 до 10 мм — № 4 или 5, от 10 до 15 мм – № 5 или 6, а металл толщиной свыше 15 мм сваривают с помощью наконечника № 6 или 7. Расход ацетилена может колебаться от 50 до 75 л/ч на 1 мм толщины детали.

В процессе сварки сварочную ванну постоянно помешивают концом прутка и туда же периодически подсыпают флюс. Флюс может состоять на 100% из буры или быть многокомпонентным (сода, поташ, бура, поваренная соль и борная кислота в различных количествах). Эти же флюсы применяются и при пайке чугуна.

Составляющие компоненты, %	ФСЧ-1	ФСЧ-2	ФПСН-1	ФПСН-1	МАФ-1
Литий углекислый	0.5	25.0	22.5
Кальций углекислый	30.0	26.5	25.0	22.5	12.0
Кислота борная	50.0	45.0
Бура обезвоженная	50.0	23.0	33.0
Натрий азотнокислый	20.0	50.0	27.0
Окись кобальта	7.0
Натрий фтористый	12.0
Фторцирконат калия	8.5
Лигатура солевая	10.5

Номер наконечника горелки подбирается в зависимости от расхода ацетилена на 1 мм толщины свариваемой детали (50 ÷ 75 л/ч).

Хоть чугун относится к трудно поддающемуся сварке материалу, однако его ремонтируют повсеместно – на предприятиях, в маленьких мастерских, в домашнем хозяйстве. Главное знать, чем варить и как. Ремонт поврежденных изделий, заварка изделий литейного производства и даже создание литосварных конструкций и изделий из чугуна возможно и в домашних условиях при правильном подходе к решению проблемы. А это правильный выбор оборудования, сварочных материалов и технологии сварки. Тогда качество будет обеспечено.

Источник