2.3 Горячая сварка чугуна

Особенность горячей сварки чугуна заключается в необходимости создания условий для относительно равномерного нагрева и замедленного охлаждения чугуна после окончания сварки, что должно обеспечить выделение углерода в форме графита, т. е. графитизацию чугуна, и предотвратить выделение углерода в форме карбида Fe3C, т. е. его отбеливание. Необходимо также компенсировать некоторый угар углерода. В связи с этим обязателен предварительный нагрев всего изделия до температуры 600-700 °С. Горячая сварка чугуна была разработана и успешно применялась еще Н. Г. Славяновым. Процесс горячей сварки по существу аналогичен отливке чугуна в нагретую форму. В месте сварки кромки скашивают с углом раскрытия 60-90°; затем изделие заформовывают графитовыми пластинками или другими формовочными материалами. Графитовые пластинки укрепляют формовочной массой из смеси песка и жидкого стекла, которая снаружи закрепляется кожухом из тонкого железа. После просушки формы всю деталь вместе с формой нагревают в печи, в горне или в специальном колодце, вырытом в земле, до температуры 600-700° С. Сварка производится только в нижнем положении с нагревом зоны сварки дугой или газовым пламенем. Электродуговая сварка ведется как постоянным, так и переменным током электродами из серого чугуна (обычно с повышенным содержанием С и Si, которые способствуют более полной графитизации чугуна) диаметром 6-12 мм. Чтобы очистить металл в сварочной ванне от окислов, в качестве флюса применяют буру (Na2B4O7). Силу тока выбирают по эмпирической формуле. Если в качестве источника нагрева используется газовое пламя, мощность горелок принимают исходя из условия расхода 80 л ацетилена в час на каждый 1 мм свариваемой толщины; пламя науглероживающее (О2/С2Н2 = 0,9). Присадочный пруток из серого чугуна диаметром 4-12 мм. Процесс сварки должен быть непрерывным, чтобы сварочная ванна все время оставалась в жидком состоянии. Это обеспечивает очищение метала ванны от окислов и газов. Если объем сварки большой, шов делят графитовыми пластинками на несколько участков и работу выполняют попеременно два сварщика. Закончив процесс сварки, деталь тщательно закрывают (например, асбестом) и засыпают песком, чтобы обеспечить медленное ее остывание, либо ведут остывание детали вместе с печью. Таким образом достигается получение в шве мягкого серого чугуна, мало отличающегося от основного металла изделия, что и является достоинством этого способа сварки. Отметим следующие недостатки рассмотренного способа: 1) необходимость заформовывать место сварки; 2) необходимость нагрева всей детали; 3) трудность обеспечения равномерного нагрева всей детали; 4) возможность деформации изделия, нагретого до температуры 600-700 С, под влиянием собственного веса; 5) длительность и высокая стоимость процесса. Ввиду этого способ горячей зарки на судостроительных предприятиях находит лишь ограниченное применение.

2.4 Холодная сварка чугуна

Особенность холодной сварки чугуна заключается в том, что сварка ведется без всякого предварительного подогрева изделия. Существует большое количество разновидностей методов холодной сварки (свыше 40), но все они практически могут быть сведены к трем основным видам: 1) сварка стальными электродами

2) сварка электродами из специальных сплавов и цветных металлов;

3) сварка чугунными электродами

При холодной сварке чугуна стальными электродами для уменьшения разогрева чугуна в зоне сварки при наложении первого слоя (облицовки) используют стальные малоуглеродистые электроды малого диаметра (3 мм) с тонким (меловым) покрытием при силе тока не более 90 а. Последующие слои могут выполняться электродами как с тонким, так и с толстым покрытием (типа УОНИ-13) при увеличенном диаметре электрода, однако с условием, чтобы не допускать сильного нагрева чугуна в зоне сварки. Поэтому сварка ведется с перерывами таким образом, чтобы температура основного металла вблизи места сварки не превышала 50-60° С. Получаемый металл шва состоит из половинчатых сплавов: вблизи основного металла - это малолегированный белый чугун, в остальной части шва -углеродистая сталь. Место сварки в связи с закалкой металла шва и отбеливанием зоны термического влияния не поддается механической обработке, а сам процесс часто сопровождается возникновением трещин и «отслаиванием» (отрывом) металла шва

При ремонте ответственных изделий - колонн, машин, станин кронштейнов и т. п. - для увеличения механической прочности соединения часто применяют ввертыши (шпильки с резьбой) либо другие механические связи типа планок, анкеров (поперечных связей круглого сечения) и т. п. Ввертыши, планки, анкеры изготовляют из малоуглеродистой стали. Назначение ввертышей - связывать металл шва с чугуном, передавая усилия от шва вглубь, в массу основного металла с неизменной структурой, минуя пограничный хрупкий слой стали и отбеленного чугуна. Размеры соединительных ввертышей или анкеров выбирают исходя из условия равнопрочности этих элементов основному металлу (чугуну). Сначала выполняют сварку вокруг шпилек, а затем, когда вся поверхность разделки закрыта первым слоем, заполняют шов обычным порядком. Процесс сварки ведут с перерывами для охлаждения детали. Рассматриваемым способом, как правило, невозможно достигнуть достаточной непроницаемости соединения и хорошей обрабатываемости металла.

Во многих случаях, когда необходимо заварить пороки литья или эксплуатационные разрушения в виде задиров, выработок и трещин в местах, где требуется плотный и легко обрабатываемый металл, но допустима неравнопрочность с основным металлом, чугун сваривают электродами из сплавов нa медной или никелевой основе. Успешно применяются электроды из медноникелевого сплава - монель-металла (Cu~30%; Ni до 63%; остальные компоненты Mn, Si, Fe). Температура плавления этого сплава близка к температуре плавления чугуна, поэтому в процессе сварки происходит хорошее перемешивание сплава с чугуном. Никель и медь, находящиеся в сплаве, способствуют графитизации чугуна в зоне сплавления, т. е. уменьшают опасность возникновения значительной зоны отбеливания. Так как сплав обладает хорошими пластическими свойствами, металл шва устойчив против трещинообразования. На электроды из этого сплава наносят покрытие, содержащее графит и мел. Диаметр электродов da = 2-6 мм; ток постоянный, полярность обратная. Сила тока Iсв = (30 - 40) dэ. Так как этот сплав имеет значительную усадку, сварку ведут короткими валиками (не длиннее 50 мм). В горячем состоянии металл шва проколачивают, что способствует его уплотнению. Металл шва получается плотным и легко обрабатывается, но прочность его незначительна. Кроме указанного сплава, в качестве электродов могут быть использованы и другие сплавы меди (кремнистые, марганцево-кремнистые и другие бронзы и латуни). Холодная сварка чугуна комбинированными медно-стальными электродами может производиться по многим вариантам. Отметим основные из них: 1) применение комбинированных медно-стальных электродов с использованием малоуглеродистой стали; 2) то же с использованием аустенитной стали; 3) применение «пучка электродов», состоящего из медного и латунного стержней и одного или нескольких толстопокрытых электродов. Применение комбинированных медно-стальных электродов вызвано дороговизной и дефицитностью медно-никелевого сплава. Целесообразность комбинирования меди с железом заключается в том, что при соотношении 90-94% Сu и 6-10% Fe получается сплав с температурой, близкой к температуре плавления чугуна, дающий стабильный по качеству металл шва. Сплав хорошо смешивается с чугуном и обеспечивает получение довольно плотного металла с незначительной зоной отбеливания в ЗТВ. В связи с наличием в мягкой медной основе включений составляющей железа механическая обработка наплавленного металла затруднена. Существует несколько различных вариантов медно-железных электродов, предложенных различными авторами. Простейшие из них - медный стержень, обернутый жестью, и стальной стержень в медной трубке. Хорошие результаты дает применение электродов Московского опытно-сварочного завода ОЗЧ-1. Стержень этого электрода состоит из медной проволоки марок М-1-М-3. На стержень нанесено толстое покрытие типа УОНИ-13, в состав которого (до 50%) введен железный порошок. Сварка ведется на постоянном токе при обратной полярности, при Iсв = (40-50)dэ. Сварку выполняют участками длиной по 50-60 мм с проковкой вручную каждого валика (непосредственно после сварки) для уплотнения металла и снятия напряжений.