Особенности сварки чугуна. Технология горячей, полугорячей и холодной сварки чугуна. Материалы, применяемые при сварке чугуна.

Чугун - это многокомпонентный сплав, содержащий углерод от 2% до 6,67%, кремний, марганец, серу, фосфор. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны, а в зависимости от легирования так же аустенитно-никелевые и высоколегированные хромистые.

Все материалы, предназначенные для заварки дефектов подразделяются на три группы.

В первую группу входят материалы, наплавленный металл которых представляет собою чугун с заданной структурой и свойствами. Материалы первой группы в основном предназначаются для горячей газовой и дуговой сварки за небольшим исключением, оговоренном ниже.

По структурным характеристикам все материалы первой группы делятся следующим образом.

-1а. Материалы, у которых наплавленным металлом является чугун с перлитно-ферритной структурой. Это прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок А и Б, прутки чугунные ПЧ-1, электроды чугунные марки ЭЧ-1 на прутках ПЧ-1, а так же на прутках по ГОСТ 2671-70 марок А и Б; порошковая проволока ППАНЧ-2 и ППЧ-З; электроды марки ЦЧ-5, изготовленные с использованием стальной проволоки Св-08.

-1б. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с перлитной структурой.

Это прутки чугунные марок ПЧС-1 (ПЧ-2); прутки чугунные самофлюсующиеся марки ПЧ-3; прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок НЧ-2 и УНЧ-1 для низкотемпературной пайко сварки; электроды чугунные марки ЭЧ-2, выполненные на прутках ПЧС-1; проволока порошковая диаметром 3 - 5,5 мм марки ППЧ-ЗМ.

-1в. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с шаровидным графитом. Это прутки чугунные марки ЭВЧ-1, выполненные на прутках ПЧС-2; порошковая проволока марок ППАНЧ-5 и ППВЧ-1; электроды медноникелевые марки МНЧ-2, предназначенные для холодной сварки.

Ко второй группе относятся сварочные материалы, наплавленный материал которых не является чугуном и предназначен для холодной дуговой сварки, наплавки валиков и низкотемпературной пайко сварки.

Все они подразделяются на две подгруппы - материалы, наплавленный металл которых должен обрабатываться механическими способами так же, как и чугун, и материалы, к наплавленному металлу которых не предъявляются условия обрабатываемости.

К первой подгруппе второй группы относятся электроды медно-стальные на медной проволоке марки ОЗЧ-2; электроды железоникелевые марки ОЗЖН-1, электроды специальные марки ЦЧ-4, изготовленные с применением проволоки Св-08; сварочные проволоки малых диаметров: на никелевой основе, самофлюсующиеся марки ПАНЧ-11, на медной основе самофлюсующиеся марки МрЗКМцТ-03-03-7,0-0,3; прутки латунные марки ЛОМНА; порошковые самофлюсующиеся сплавы марок НПЧ-1, НПЧ-2, НПЧ-3, НПЧ-4.

Ко второй подгруппе второй группы относятся электроды стальные на базе проволоки Св-08 тонкопокрытые марки АН-1.

К третьей группе сварочных материалов относятся керамические стержни и флюсы - неметаллические сварочные материалы, которые применяются в процессах сварки и пайки для получения высококачественного наплавленного металла. Это керамические стержни марок СКЧ-3 и СКВЧ-1, применяющиеся для горячей механизированной заварки дефектов небольших размеров; флюсы марок ФСЧ-1 и ФСЧ-2 применяющиеся для газовой заварки дефектов чугунными прутками; флюсы марок ФПCH-1, ФПСН-2 применяющиеся для пайки и низкотемпературной пайко-сварки латунными и медносплавленными присадками типа ЛОМНА.

С технологической точки зрения чугун является трудносвариваемым материалом, что обусловлено его химсоставом, структурой и механическими свойствами. Большая жидкотекучесть чугуна не позволяет выполнять его сварку в пространственных положениях, отличных от нижнего. Малая пластичность характеризуется возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию холодных трещин (зона температур охлаждения 250-400°С). Интенсивное выгорание углерода при сварке приводит к пористости сварного шва. Кроме этого, в процессе сварки чугуна образуются тугоплавкие оксиды, температура плавления которых выше, чем у самого чугуна. Кроме этого, по мере увеличения скорости охлаждения чугуна после сварки увеличивается вероятность появления белого чугуна.

Сварка чугуна применяется только при ремонте чугунных деталей. Чугунных сварных конструкций не существует.

Горячая сварка

Сварку мелких дефектов, как правило осуществляют газовой горелкой. Это диктуется как технической, так и экономической целесообразностью. Сварку средних и крупных дефектов выполняют дуговыми методами. Наиболее распространенным является метод горячей сварки. При исправлении дефектов литья этим методом восстанавливается более 50% общего количества исправляемых отливок. Метод горячей сварки может выполняться газовыми горелками с подачей в зону сварки чугунных присадочных прутков, ручная дуговая сварка - чугунными электродами, механизированная (полуавтоматическая) дуговая сварка - порошковыми пролоками без подачи и с подачей в зону дуги керамических стержней. Сущность горячей сварки состоит в следующем. Изделие тщательно подготавливают к сварке, разделывают и засверливают трещины, удаляют участки с литейной землей, порами, отколами от ударов, тщательно заделываются земляные и шлаковые раковины. Ремонтируемую деталь устанавливают таким образом, чтобы наплавляемая (исправляемая) поверхность находилась в горизонтальном положении. После этих подготовленный к заварке участок по контуру обкладывается формовочной смесью, которая возвышается над поверхностью детали на 8-10мм.Так как 75% общей усадки чугуна при охлаждении имеет место в температурном интервале, лежащем ниже 700° С, то подготовленную под сварку деталь разогревают до температуры 650-700° С после чего начинается наплавка. На дефектах малых размеров наплавку выполняют газовой сваркой, а на больших электродуговой. Электродуговая наплавка электродами ведется при силе тока дуги 1200А, электродом 16мм при силе тока до 1400А. При сварке порошковыми одиночными проволоками диаметром 3-3,2мм сила тока дуги составляет 700-900А, а тремя такими проволоками одновременно, проходящими через один мундштук сила тока достигает 1500А. Сварка проволокой Св-08 с подачей в дугу керамических стержней типа ЦСКЧ-2 производится при силе тока дуги 380-400А и падении напряжения 36-38В. При этом средняя скорость расплавления стержня на прямой полярности составляет 47,2 г/мин, на обратной полярности- 52,8 г/мин. В земляной форме металл наплавляется до уровня, превышающего поверхность детали на 5-8мм. При этом наплавка завершается таким образом, чтобы весь наплавляемый участок одновременно находился в жидком или по температуре близкому к расплавленному состоянию. Термообработку заваренных деталей производят немедленно после сварки с использованием тех же средств что и при нагреве, т.е. в печах камерного типа с выкатным полом, ямного типа, горнах различных конструкций, а так же переносными горелками. Режимы термообработки следующие. В печах нагрев до 700°С (быстрый), выдержка 1-1.5 ч., охлаждение с печью до температуры 200-250°С; на горелках нагрев до 650-700°С, выдержка 1-1.5 ч.; переносными горелками нагрев до 650-700°С и выдержка 1-1.5 ч. При остывании деталь укутывают асбестом или песком. Деталь может подогрваться не вся, а частично, тогда и термообработка должна производиться частично.В практике заварки дефектов чугуна применяются так же технологии газопламенной низкотемпературной пайко-сварки чугунными или латунными присадочными материалами, а также наплавочными порошковыми сплавами, методом газопорошковой наплавки (напыления). В случае пайко-сварки массивных деталей или деталей сложной конструкции для предотвращения трещин в наплавке применяют предварительный нагрев детали до температуры 300-400°С. Деталь тщательно подготавливают к проведению сварочных работ. Дефектные места тщательно зачищают механическим способом, вырубают неметаллические включения, расчищают раковины. Подготовленную под сварку поверхность нагревают пламенем горелки с небольшим избытком кислорода для выжигания поверхностногоо углерода до температуры 850-950°С. Затем на разогретую поверхность подается флюс, который расплавляясь взаимодействует с поверхностным углеродом, снижает межфазную поверхностную энергию и улучшает условия смачивания. Затем в пламени горелки начинают расплавлять чугунный присадочный пруток, который каплями стекает на твердую разогретую поверхность, образуя на ней сварной шов или наплавленный валик. Расплавляя присадочный пруток одновременно вводят дополнительный флюс, наплавку ведут без перерыва. Если приходится прерывать процесс, то возобновляют его после полной очистки поверхности. Наплавку продолжают до тех пор пока возвышение ее над поверхностью детали в зоне дефекта не достигнет 2-3мм. Исправленное место засыпают сухой землей, песком, накрывают листом асбеста для замедления скорости охлаждения.

Пайко-сварку чугуна латунными присадками целесообразно выполнять тогда, когда разница в цвете и твердости основного и наплавленного металла не является ведущим показателем. Процесс осуществляется следующим образом. Кромки дефекта нагревают, посыпают флюсом и обслуживают, натирая прутком латуни. При этом пламя должно быть нейтральным. Затем начинается процесс заварки. По окончании процесса заваренный дефект следует подогреть по контуру, деталь укрыть асбестом или засыпать песком для более медленного охлаждения.

Холодная сварка

Холодная сварка чугуна осуществляется электродуговым способом. При холодной сварке металлургические процессы в сварочной ванне и процессы кристаллизации наплавленного металла протекают в условиях очень быстрого охлаждения. Основной металл- чугун, переходящий в шов насыщает металл шва углеродом. В зоне сплавления из-за высоких скоростей охлаждения (свыше 30°С/с) углерод расплавленного чугуна не успевает выделиться в виде графита и застывает в связанном состоянии, образуя твердую прослойку. Однако самым слабым местом сварного соединения при холодной сварке является зона термического влияния – часть основного металла , прилегающая к шву в которой под воздействием термического цикла сварки происходит изменение структуры и возникают внутренние напряжения, приводящие из-за низких пластических свойств чугуна к образованию трещин. Даже если трещин не возникает, структурные изменения в зоне термовлияния приводят к снижению прочности серого чугуна в околошовной зоне примерно на 15-20% по сравнению с прочностью основного металла. С увеличением термического цикла, а так же роста температуры при непрерывных процессах сварки создается значительный местный перегрев, увеличиваются внутренние напряжения, которые приводят к образованию трещин в теле отливки. Скорость нарастания температуры в зоне сварки в основном зависит от режима сварки и толщины стенки детали т.к. в тонкостенных деталях отвод теплоты в массу изделия слишком замедлен. В то же время даже при холодной сварке толстостенных (толщина стенки более 30мм) деталей из чугуна наплавить валик длиной более 250мм без трещин не удается. Поэтому режимы сварки делают заниженными и в зависимости от толщины стенки ограничивают площади однослойной наплавки, которые можно производить за один проход до перерыва на охлаждение. Охлаждение допустимой площади наплавки производится до температур 60-80°С.

Толщина стенки (мм)
Допустимая площадь наплавки, см² (до перерыва на охлаждение	5-8	10-12	15-20	20-25	25-30	30-35

Если деталь после сварки должна проходить механическую обработку, а дефекты несквозные незначительных и средних размеров, то холодная сварка выполняется электродами на медно-никелевой основе. Организован промышленный выпуск таких электродов марки МНЧ-2. Рациональная область применения этих электродов дефекты с глубиной после разделки 15-20мм с площадью до 30см² без наполнителя и до 50см²- с наполнителем.Как правило, наплавка дефекта повышает плоскость обработанной поверхности на 3-4мм. Каждый наплавленный валик зачищают от шлака и проковывают. Холодная сварка чугуна электродами на медно-стальной основе рекомендуется дляисправления сквозных дефектов в виде трещин, спаев, разбитых частей, отверстий и несплошности металла. Если ремонтируемый участок должен обладать высокими прочностными свойствами, а механическая обрабатываемость его, разнородность наплавленного металла и различие света ремонтируемой поверхности не имеют существенного значения, применяются электроды марки ОЗЧ-2. Промышленный выпуск этих электродов осуществляет Лосиноостровский электродный завод. Наплавленный этими электродами металл представляет собой медно-стальной сплав (80% меди и 20% стали)- механическую смесь меди и стальных включений. В зоне сплавления имеются прерывистые отбеленные участки создающие определенные трудности при механической обработке.Холодная сварка чугуна электродам на железо-никелевой основе применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить хорошую обрабатываемость шва обычным режущим инструментом с сохранением высокой прочности соединения. Электроды с железо-никелевой основой марки ОЗЖН-1 обеспечивают наплавленный металл с пределом прочности 42-50кг/мм², практическое отсутствие отбела чугуна в околошовной зоне, хорошую обрабатываемость механическими способами. Они в значительной степени объединяют свойства электродов на медно-никелевой и медно-стальной основе и весьма перспективно применять их в сочетании с этими электродами. Область их применения: заварка небольших размеров на обрабатываемых поверхностях, трещин, сколов и т.п.

Сварка указанными электродами производится на режимах указанных в таблице:

ОЗЖН-1	Диаметр электрода, мм
Сила тока, А	70-100	100-130	140-160	170-200
МНЧ-2	Диаметр электрода, мм
Сила тока, А	70-90	100-130	130-160	160-180
ОЗЧ-2	Диаметр электрода, мм
Сила тока, А	90-100	120-150	160-180	190-220

Техника выполнения такая же, как и при сварке медно-стальными и медно-никелевыми электродами.Для холодной сварки применяются также стальные электроды с карбидообразующими элементами в покрытии. В качестве таких элементов используются титан и ванадий, которые связываютугдерод, поступающий в шов из основного металла в трудносвариваемые мелкодисперсные карбиды. Если карбидообразующиеся содержатся в шве в избытке по отношению к углероду, то структура шва получается ферритной с включениями мелкодисперсных карбидов. Большее распространение получили электроды ЦЧ-4 с феррованадием в покрытии.Холодная сварка чугуна производится так же электродами чугунными или стальными с графитизирущим покрытием. Область их применения- исправление небольших дефектов на механически обрабатываемых поверхностях, не работающих в условиях трения и износа. В местах где заварка сопровождается свободной усадкой наплавленного металла, например, при приварке отбитых выступающих частей, заварке угловых дефектов и т.п. предварительного подогрева детали не требуется. При заварке дефектов (например раковин), когда затруднена свободная усадка наплавленного металла, требуется предварительный подогрев до 300-400°С. Сварка чугунными или стальными электродами с графитизирующим покрытием может производиться на постоянном и переменном токе. Сила сварочного тока выбирается из расчета 45-50А на каждый миллиметр диаметра элек