Технологические рекомендации по дуговой сварке

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 мате-риалам, обладающим плохой технологической свариваемо­стью. Тем не менее сварка чугуна имеет очень большое распространение как средство исправле-ния брака чугунного литья, ремонта чугунных из­делий, а иногда и при изго-товлении конструкции.

Качественно выполненное сварное соединение должно обладать не­обхо-димым уровнем механических свойств, плотностью (непроницаемо­стью) и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режущим инстру-ментом). В зависимости от условий работы соединения к не­му могут предъя-вляться и другие требования (например, одноцветность, жаростойкость и др.).

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соеди­нений из чугуна, следующие:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбе­ливанию чу-гуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режу­щим инструментом.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают свароч-ные 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 напря-жения, 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 удержание рас­плавлен-ного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле свароч­ной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, при-водящих к образованию непроваров. Влияние скорости ох­лаждения на струк-туру металла шва и околошовной зоны может быть охарактеризовано схемой, представленной на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и околошовной зоны

При высоком подогреве (600 ... 650 °С) скорость охлаждения при эвтек-тической температуре снижается до w¹¹¹_охл , при которой отбелива­ния не про-исходит. Замедление охлаждения приводит к распаду аустенита с образова-нием ферритной или перлитно-ферритной металлической основы. Таким об-разом, наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания метал-ла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны, нагревав­шейся выше температуры Ас₃, - высокий предварительный или сопутст­вующий подогрев чугуна до температуры 600 ... 650 °С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна.

Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также лик-видации трещин и пористости за счет увеличения времени существо­вания жидкой ванны и лучшей дегазации ее, а также уменьшения темпе­ратурного градиента и термических напряжений.

Сварку с подогревом до температур 300 ... 400 °С называют полуго­рячей, а без предварительного подогрева - холодной сваркой чугуна. При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлурги­ческие и технологи-ческие средства воздействия на металл шва с целью повышения качества свар-ных соединений. К их числу относятся:

- легирование наплавленного металла элементами-графитиза-торами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве струк-туру серого чугуна;

- легирование наплавленного металла такими элементами, которые поз-воляют получить в шве перлитно-ферритную структуру, характерную для низ-коуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле;

В случае низких скоростей охлаждения в чугунном шве и участке около-шовной зоны мо­жет быть обеспечено сохранение структуры серого чугуна. На схеме W'_охл (°С/с) обозначено наибольшее значение скорости охлаждения ме­талла шва и высокотемпературного участка зоны термического влияния при эвтектической температуре, если чугун сваривали без предваритель­ного подогрева.

Практически при любом составе чугуна в шве и высокотемператур­ном участке околошовной зоны будет иметь место отбеливание. Сварка чугуна с подогревом (300 ... 400 °С) уменьшает скорость охлаждения (w"_oxл на рис. 11.3). При такой скорости охлаждения в шве и на участке околошовной зоны, в зависимости от количества графитизаторов, может быть получен либо белый, либо серый чугун.

- введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонен-тов с целью максимального окисления углерода (выжигания его) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;

- применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплав­ленном ме-талле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высо­кой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к тем­пературе плавле-ния чугуна.

Горячая сварка чугуна

Наиболее радикальным средством борьбы с образованием отбелен­ных и закаленных участков шва и околошовной зоны и образованием пор и трещин служит подогрев изделия до температуры 600 ... 650 °С и мед­ленное ох-лаждение его после сварки. Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих этапов: I - подготовка изделия под сварку; II – предварительный подогрев деталей; III - сварка; IV - последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Од­нако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тща­тельной очи-стке 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, а также в опоках формовоч­ными материалами, применяемыми в литейном производстве (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Формовка места сварки для горячей сварки чугуна:

а - несквозной раковины; б - недолива кромки детали, с облицовкой заплав-ляемой полости графитовыми пластинами; в - общий вид заформованного дефекта; 1 - деталь; 2 - формовка; 3 - графитовые пластины

После формовки необходима просушка формы при постепенном подъе-ме температуры от 60 до 120 С, затем проводят дальнейший нагрев под сварку со скоростью 120 ... 150° в час в печах, горнах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки дос­тигается при укрывании изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста и засыпкой песком, шла-ком и др.) или при охлаждении вместе с печами, горнами.

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависи­мости от характера производства (устранение литейных дефектов, ре­монтная сварка и т.д.). 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, в том числе печи-ямы в земляном полу цеха.

Остывание в зависимости от веса и формы детали длится от не­скольких часов до нескольких суток. Для сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б (табл. 11.1). Стержни получают отливкой в кокиль и другими способами.

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, си-ликомагний и другие элементы-графитизаторы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших токах I_св ⁼ (60... 100)d_э без перерывов до оконча-тельной за­варки дефекта. При больших объ­емах завариваемого дефекта два сварщика, работающие поочеред­но. Электрододержатель для горя­чей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным элек­тродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога. Примером одной из возможных конструкций может служить элек­трододержатель завода "Станколит" (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Электрододержатель для горячей сварки чугуна:

1 - электрод; 2 - стальной стержень диаметром 12 мм; 3 - крепление

(приварка) токоподвода к стержню; 4 - щиток; 5 - рукоятка; б - кольцо;

7 - сварочный кабель

В этом держателе электрод приваривают к стальному стержню. Для горячей сварки чугуна можно использовать дуговую свар­ку угольным элек-тродом. По возможности изменения теплового воздей­ствия на свариваемый металл сварка угольным электродом занимает промежуточное положение между газовой сваркой и сваркой плавящимся электродом. Сваривают на постоянном токе, прямой полярности уголь­ными электродами диаметром 8 ... 20 мм. Диаметр электрода и силу сва­рочного тока выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 11.2).

В качестве присадочного материала используют прутки марок А и Б. Для перевода тугоплавких окислов в легкоплавкие соединения применя­ют флюсы на борной основе, чаще всего техническую безводную (прока­ленную) буру.

Горячая сварка чугуна ручным способом, особенно массивных изде­лий - тяжелый труд. Весьма прогрессивный способ, облегчающий труд и повы-шающий производительность, - механизированная сварка порошко­вой про-волокой. В состав шихты вводят компоненты, которые позволяют получать состав металла шва, представляющий собой чугун. Состав по­рошковой про-волоки марки ППЧ-3 для горячей сварки чугуна приведен в табл. 11.3.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равно-ценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорого­стоящий процесс. Вместе с этим в ряде случаев к сварным соединениям из чугуна не пре-дъявляется таких требований. Часто, например, доста­точно обеспечить тол-ко равнопрочность или только хорошую обрабаты­ваемость, или плотность сварных швов. С помощью различных метал­лургических и технологических средств можно получить сварные соеди­нения из чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предваритель-ного подогрева (т.е. с помощью полугорячей или холодной сварки).