3.8.3. Сварка чугунных деталей

Качество сварного соединения в чугунных изделиях определяется:

- одинаковой твердостью металла шва, переходных зон и основного металла, допускающей обработку обычным режущим инструментом; это условие является обязательным, если сварное соединение находится на скользящей поверхности (рабочей поверхности трения);

- равнопрочностью сварного соединения и основного металла; это требова­ние необходимо при выполнении сварки деталей, работающих на полное расчет­ное усилие. В ряде случаев при заварке незначительных литейных дефектов прочность сварного соединения может быть меньше прочности основного металла, если местное ослабление не уменьшает общей работоспособности детали;

- одинаковым химическим составом и структурой наплавленного и основного металла.

Сварное соединение, отвечающее указанным требованиям, можно получить только при применении чугунных стержней или чугунных электродов.

Существующие способы сварки чугуна можно разделить на две группы:

-горячая сварка с общим или местным нагревом изделия перед сваркой;

-холодная сварка без предварительного нагрева изделий.

Горячая сварка

Предварительный нагрев изделий уменьшает скорость охлаждения ванны и напряженное состояние детали, понижает общую и местную жесткость, обеспе­чивает отсутствие трещин и возможность механической обработки. Для многих деталей, обладающих большой жесткостью, например блоков автомобильных двигателей, необходим общий или местный нагрев.

При сварке чугунными электродами или присадочными стержнями чугун, наплавленный на холодное изделие без предварительного нагрева, охлаждается с большой скоростью, особенно в интервале от температуры затвердевания сплава до 600° С. Такие скорости охлаждения неизбежно приводят к образованию твер­дых структур. Предварительный нагрев изделия перед сваркой уменьшает ско­рость охлаждения наплавленного металла и препятствует образованию твердых закалочных структур.

Температура предварительного нагрева определяется размерами детали, жесткостью конструкции, толщиной стенок, объемом наплавляемого металла и структурой чугуна. Для большинства деталей нагрев до 400—450° С обеспечи­вает получение обрабатываемого сварного соединения и создает условия, исклю­чающие образование трещин. В ряде случаев при сварке сложных деталей тем­пература должна быть повышена до 550—600° С.

Способы нагрева определяются условиями производства. Для изделий не­больших размеров и веса удобно использовать печи конвейерного типа. В ряде случаев применяют газовые и электрические печи. Индивидуальные изделия при отсутствии печей подогревают во временных горнах.

Ацетилено-кислородная сварка. Этот вид сварки широко применяют для за­варки дефектов литья и ремонтных целей. Сварку выполняют нормальным пла­менем. В качестве присадочного металла используют чугунные прутки марки А и Б (ГОСТ 2671—44).

Детали сложной конфигурации с тонкими стенками и мелкозернистой струк­турой рекомендуется сваривать прутками марки А. Для тяжелых толстостен­ных деталей и изделий, подвергающихся длительному нагреву, следует приме­нять прутки марки Б. Диаметры прутков 8—16 мм. Поверхность прутка должна быть очищена от литейной корки. Хорошие результаты дают прутки, отлитые в металлические формы или в графитизированную землю. Применение флюса при сварке обязательно. В качестве флюса берут буру техническую безводную Na₂B₄0₇. Обычная кристаллическая бура содержит кристаллическую воду, которая ухудшает ее флюсующие свойства. При нагревании буры до 400° С она расплавляется и превращается в стекловидную массу. После остывания ее расти­рают в мелкий кристаллический порошок и используют при сварке. Хорошие результаты дает флюс ФНЧ-1 следующего состава: бура 23%, сода 27%, азотно­кислый натрий 50%.

По сравнению с другими способами газовая сварка чугуна обладает рядом технологических преимуществ: регулирование в широких пределах скорости нагрева сварочной ванны и величины нагреваемых зон, прилегающих к сварному шву, скорости заполнения сварочной ванны присадочным металлом и скорости охлаждения сварного шва, а также возможность повторного нагрева для снятия напряжений. Эти преимущества делают сварное соединение легко обрабатываемое по всему сечению и металл шва, соответствующий по качеству основному металлу.

Процесс сварки выполняют обычно по следующей технологической схеме: нагрев свариваемых кромок пламенем горелки до 750—850° С; обработка нагре­той поверхности флюсом; дальнейший нагрев до начала оплавления свариваемых поверхностей (960—1100° С).

Газовую сварку чугуна широко применяют при ремонте деталей небольшого веса, а также при сложных ремонтных работах на ответственных изделиях боль­ших габаритов и веса, требующих специальной технологии (станины прессов, цилиндры компрессоров и паровых машин, головки дизелей). В ряде случаев для этого необходимо изготовить временные нагревательные устройства.

Детали малых габаритов и веса можно сваривать без предварительного нагрева. При сварке массивных деталей не всегда нужен общий нагрев, например при наплавке ребер жесткости. В этих случаях целесообразно применять мест­ный нагрев. Перед заваркой трещин, разрывов, отколов и других механических повреждений производят сборку и подготовку изделия к сварке. Наиболее точной является сборка по излому. Части изделия предварительно скрепляют хомутами, стяжками и другими приспособлениями. Чем точнее собрана деталь, том более вероятно сохранение размеров сварного изделия. Собранные детали прихватывают и, если это предусмотрено технологией, подвергают нагреву. Детали, имеющие трещины, обычно сваривают без механических креплений. Кромки под сварку разделывают в холодном или нагретом состоянии (окисли­тельное пламя газовой горелки) с помощью чугунного прутка или стального стержня.

Дуговая сварка чугунным электродом.

Этот вид сварки применяют для тя­желых и толстостенных чугунных отливок. Процесс сварки характеризуется значительной концентрацией тепла в месте сварки, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла и создает некоторый перегрев сварочной ванны.

В промышленности применяют различные покрытия для чугунных электро­дов. В состав наиболее распространенного электрода ОМЧ-1 входят (в %): мел 25, графит 41, ферромарганец 9, полевой шпат 25. Покрытия замешивают на жидком стекле. Толщина слоя покрытия 0,1—0,2 мм на сторону, отношение веса покры­тия к весу стержня 12—15%. Покрытия наносят в один слой методом окунания. Как правило, прутки марки Б дают лучшие результаты. Длина стержней 350— 500 мм, диаметр 12—20 мм. Покрытые электроды просушивают, а затем прока­ливают при 180—200° С. Перегрев сварочной ванны и большая жидкотекучесть расплавленного металла требуют формовки места сварки. Разделку под сварку можно выполнять механическим способом или огневой резкой. Формовка должна надежно удерживать жидкую расплавленную ванну.

При сквозной разделке формуют нижнюю часть шва, боковые грани и верх­ние кромки по линии, отстоящей на 5—8 мм от границы разделки шва. Для заварки раковин формуют только верхние кромки. Формовочная масса должна обладать высокой прочностью и выдерживать вес расплавленного чугуна. Широко применяют формовочные смеси следующего состава (в %): кварцевый песок 40, формовочная обработанная земля 30, белая глина 30.

Подготовленную к сварке деталь подвергают общему или местному нагреву. Температура при этом определяется объемом наплавляемого металла, толщиной стенок, массивностью и общей конфигурацией детали. В большинстве случаев нагрев до 350—450° С вполне достаточен для получения положительных резуль­татов. Иногда температура должна быть доведена до 550—600° С. Дуга питается от источников переменного и постоянного тока; для чугунных электродов боль­ших диаметров для поддерживания большого объема расплавленной ванны необ­ходимо применять мощные источники тока. Наиболее пригодны преобразователи ПСМ-1000 и ПС-500. Для переменного тока желательно иметь трансформаторы ТСД-1000 и СТН-700. Режимы силы тока выбирают из расчета 50—90 а на 1 мм диаметра электрода.

Сварка порошковой проволокой.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона разработан автоматический и полуавтоматический способ сварки чугуна с при­менением порошковой проволоки марки ПП-Ч-1. Сварку ведут от источника постоянного тока обратной полярности. Сварку желательно выполнять с защитой дуги углекислым газом. Порошковая проволока ПП-Ч-1 имеет следующий хи­мический состав: 6,5—7,0% С; 3,8—4,2% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,2 — 0,6% Ti; 0,7 — 1,0% А1; остальное — железо. Этот расчетный состав дает в наплавленном металле 4,5—5,5% С; 3,5—4% Si; 0,5—0,9% Мn; 0,3—0,6% Ti; 0,5—0,9% А1. Для проволоки диаметром 3 мм рекомендуются следующие режимы сварки: сила тока 250—280 а, напряжение сварки 28—32 в, скорость подачи проволоки 180 м/ч, ток постоянный, полярность обратная, защитная среда СО₂. В неответ­ственных случаях можно сваривать открытой дугой без защиты.

3 Справочник механика, т. 2

Холодная сварка

Существующие способы холодной сварки чугуна характеризуются следую­щими технологическими особенностями:

-интенсивным охлаждением сварного соединения благодаря быстрому отводу тепла в основной металл и окружающую среду;

-значительными внутренними напряжениями, возникающими вследствие не­равномерного местного нагрева и большой скорости охлаждения места сварки;

-получением твердых закаленных структур в сварном соединении вследствие быстрого охлаждения.

К холодной сварке чугуна относят дуговую сварку металлическими электро­дами (стальными и из цветных металлов), а также низкотемпературную газовую сварку — пайку.

Сварка стальными электродами.

При наплавке валика на чугунную деталь стальным электродом в первом слое образуются чугун с пониженным содержа­нием углерода и высокоуглеродистая сталь, содержащая 1,6—1,8% С. Такие сплавы легко образуют твердые закаленные зоны и обладают большой хрупко­стью. Во втором слое наплавки содержание углерода уменьшается до 0,5—0,6% и только в третьем слое оно приближается к содержанию его в металле электрода (0,1%). Технологические приемы сварки чугуна стальными электродами на­правлены на снижение твердости, хрупкости и уменьшение возможности обра­зования трещин в переходных зонах и первых слоях наплавленного металла. К ним относятся: сварка первых слоев на режимах с малой погонной энергией; применение электродов малого диаметра (не более 3—4 мм); уменьшение силы тока до 30—35 a на 1 мм диаметра электрода; обеспечение минимально возмож­ной глубины проплавления основного металла (0,5—2,0 мм); двухслойная на­плавка, при которой после наложения первого валика длиной 50—60 мм свар­щик сразу наплавляет на этот валик второй слой. Такая наплавка позволяет частично улучшить структуру сварного соединения и несколько увеличить пла­стичность первых слоев наплавки.

Опыт показал, что малоуглеродистые электроды с тонкими стабилизирую­щими покрытиями дают в ряде случаев вполне достаточные для практических целей результаты. Такими электродами можно заваривать короткие трещины на изделиях с малой толщиной стенки, которые не подлежат обработке, а также несквозные раковины при интенсивном охлаждении основного металла.

Из числа электродов, предназначенных для сварки мало- и среднеуглероди­стых сталей при сварке чугуна, лучшие результаты дают электроды с покрытием основного типа на основе мрамора и плавикового шпата, в частности, электроды марки УОНИ-13/55. При сварке этими электродами количество трещин в первых слоях минимальное, а во втором и последующих слоях они полностью отсут­ствуют. Наплавленный металл обладает некоторой вязкостью, во втором и третьем слоях — обрабатываемостью. Сварку ведут постоянным током при обратной полярности, глубина расплавления основного металла получается минимальной, в металл шва попадает небольшое количество углерода.

Холодная сварка чугуна стальными электродами не позволяет получать сварное соединение без твердых закаленных структур. Переходные зоны при этом являются самым слабым местом сварного соединения.

Для устранения этого недостатка при ремонте тяжелых и громоздких чугун­ных изделий в корпус детали ввертывают стальные шпильки, которые усили­вают связь между основным и наплавленным металлом. Это упрочняет переход­ную зону и улучшает работоспособность сварного соединения. Обычно ставятся шпильки диаметром 6 —12 мм, глубина постановки 1,5—2 диаметра. Количество шпилек выбирают в зависимости от качества чугуна и условий эксплуатации детали (3—10 шт. на 100 мм шва).

Сварка чугуна специальными электродами марки ЦЧ-4, дающими в наплав­ленном слое специальный сплав, содержащий до 7% ванадия. Эти электроды могут быть широко рекомендованы для различных ремонтных работ. Они обеспечивают высокую прочность наплавки, почти полностью исключают образова­ние твердых закаленных структур в металле шва и в переходных зонах, дают плотный наплавленный металл, свободный от трещин. Сварку ведут постоянным током, можно применять также переменный ток. Силу тока для электрода диа­метром 3 мм устанавливают 80—90 а, 4 мм — 120—140 а.

В случае если заваривают большие объемы, после наложения второго слоя можно переходить на электроды марки УОНИ-13/45 или УОНИ-13/55.

Сварка электродами из цветных металлов. Цветные металлы (в основном медь и никель) применяют для дуговой сварки чугуна с целью получения сварного соединения, обрабатываемого нормальным режущим инструментом. Более сложно получить сварное соединение без отбеленных закаленных переходных зон. Наплавка валика на холодный металл неизбежно ведет к быстрому отводу тепла. В переходной зоне участок металла, нагретый в интервале от 760° С до температуры плавления и быстро охлажденный, образует твердый закаленный мой отбеленного чугуна. Величина и характер переходных зон при сварке цветными металлами отличаются от этих же зон при сварке стальными электро­дами, так как в первом случае отсутствует диффузия углерода из основного ме­талла в шов. В некоторых случаях при выполнении многослойных швов и пра-вильно выбранных режимах сварки с малой погонной энергией дуги на изделиях с небольшой толщиной стенки удается получить сварное соединение, которое обрабатывают по всему сечению.

Электроды со стержнем из меди и никеля или различных композиций этих элементов обеспечивают прочность сварного соединения, равную 80—90% от прочности основного металла.

Сварка электродами из медно-железных сплавов. Структура металла шва представляет собой двухфазную систему из железоуглеродистого сплава, насы­щенного медью и медной составляющей. Обрабатываемость шва зависит от соот­ношения меди и железа в сплаве. С увеличением количества железа повышается содержание углерода, диффундирующего из расплавленного чугуна в шов и, следовательно, растет твердость металла шва.

Наилучшей является композиция сплава из 80—90% меди и 10—20% железа. Такие сплавы дают удовлетворительно обрабатываемое прочное и вязкое сое­динение. Существует несколько видов медножелезных электродов для сварки чугуна: медный стержень в железной трубке со стабилизирующим покрытием; электрод из биметаллической проволоки; пучок электродов из медных и сталь­ных стержней; медный стержень с покрытием основного типа (мрамор, плави­ковый шпат), содержащим железный порошок. Хорошие результаты дают элект­роды ОЗЧ-1, обеспечивающие получение наплавленного металла с равномерным распределением железа в медной основе. Металл, наплавленный этими электро­дами, обладает большой вязкостью, хорошо поддается проковке и легко обраба­тывается. В состав покрытия входит железный порошок в количестве 50%. Стержень — из меди марок Ml, M2 и МЗ; диаметры электрода 3,4 и 5 мм. Толщина слоя покрытия соответственно 0,7—0,9; 1,0—1,2 и 1,3—1,5 мм, сила тока соответственно 90—120; 120—140 и 160—190 а.

Сварка электродами ОЗЧ-1 осуществляется на постоянном токе обратной полярности.

Необходимо учитывать, что хорошие результаты сварка медно-желозными электродами дает при тщательной проковке и чеканке швов, поэтому в трудно­доступных местах, где проковка невозможна или затруднена, применять эти электроды нецелесообразно.

Сварка никелевыми электродами. Никелевые электроды используют, как правило, для заварки различных литейных дефектов, обнаруживаемых в про­цессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, не допускающих повышения твердости. Значительно реже их применяют при ре­монтной сварке.

В качестве электродов используют медноникелевые и железоникслевые сплавы. К ним относятся монель-металл следующего состава (в %): никель 65—75, медь 27—30, железо 2—3, марганец 1,2—1,8, магний 0,1—0,3, а также мельхиор, в котором содержится 80% меди и 20% никеля. Эти сплавы для сварки чугуна используют примерно в тех же целях, что и медножелезные сплавы, т. е. для получения обрабатываемых швов, обладающих некоторой вязкостью.

Взаимно растворимые никель и железо образуют прочное и надежное сое­динение. При сварке чугуна этими сплавами углерод не диффундирует из зоны термического влияния в шов; отбеливание переходной зоны значительно меньше, чем при сварке стальными или медножелезными электродами, а в ряде случаев полностью отсутствует.

Электроды из никелевых сплавов, применяемые в промышленности, изготов­ляют с покрытиями основного типа. В большинстве случаев сварку выполняют постоянным током обратной полярности.

Хорошие результаты дает покрытие, состоящее из зеленого карборунда (70%) и углекислого бария (30%).

При сварке электродами, содержащими никель и медь, следует проплавлять основной металл на минимальную глубину не более 1,5—2 мм, накладывать тонкие швы с малым объемом металла длиной до 60 мм, производить проковку швов сразу после их наложения по горячему металлу.

Сварка железоникелевыми электродами. ЦНИИТМАШем разработаны элек­троды марок ЦЧ-3 и ЦЧ-ЗА, которые можно применять для сварки высокопроч­ного и серого чугуна.

Сварка аустенитно-медными электродами. В институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны аустенитно-медные электроды для сварки чу­гуна марки АНЧ-1.

Металл стержня электрода — аустенитная хромоникелевая проволока марки Св-ОХ18Н9; на стержень надета медная оболочка толщиной 0,75 мм; покрытие основного типа.

Низкотемпературная сварка

ВНИИАВТОГЕНМАШем разработан способ заварки дефектов чугунного литья без расплавления основного металла, получивший название низкотемпе­ратурной сварки. Сварку выполняют ацетилено-кислородным пламенем. Дефект­ный участок, подготовленный механическим способом к сварке, подогревают газовой горелкой до 790—830° С и покрывают специальным флюсом, который обрабатывает нагретую поверхность и создает условия для соединения рас­плавленного металла присадки с нерасплавленным основным металлом.

Присадочный чугунный пруток специального состава расплавляется пла­менем горелки и, растекаясь по нагретой поверхности под пленкой флюса, образует прочное и плотное соединение с основным металлом. К особенностям этого способа сварки относятся: значительное уменьшение внутренних напря­жений, сохранение состава основного металла в зонах термического влияния, хорошая обрабатываемость соединения по всему сечению.

Тепловой режим сварки с невысоким нагревом основного металла создает благоприятные условия для равномерного распределения тепла в переходных зонах. Опытные наплавки на детали большой толщины показывают, что закалка переходных зон почти отсутствует.

Присадочные прутки для низкотемпературной сварки изготовляют из серого чугуна с примесью никеля и титана. Стержни диаметром 5, 6 и 8 мм отливают в кокиль, корковые или земляные формы — по специальной технологии. Хими­ческий состав стержней приведен в табл. 3.28.