2.2 Технологія зварювання чавуну

Чавун – це сплав заліза з вуглецем, у якому є більше 2,11 (2,14)% вуглецю, а також присутні кремній, марганець, сірка, фосфор і легуючі нікель, хром, магній. Білий чавун – чавун, у якому весь вуглець зв'язаний у хімічне з'єднання – карбід заліза Fe₃С. Сірий чавун – чавун, у якому більша частина вуглецю знаходиться у вільному стані у вигляді графіту. Високоміцний чавун – чавун, у якому вуглець утворює кулькоподібні графітові включення. Ковкий чавун – чавун з пелюсткоподібними включеннями графіту. За вмістом легуючих елементів чавуни поділяються на прості, низьколеговані (2,5 %), середньолеговані (2,5 – 10%) і високолеговані (більше 10%).

Головний процес, який формує структуру чавуну – процес графітизації (виділення вуглецю у структурно–вільному стані), так як від нього залежить не тільки кількість, форма і розміщення графіту у структурі, але і вид металічної основи (матриці) чавуну. У залежності від ступеня графітизації матриця може бути перлітно–цементитною (П+Ц), перлітною (П), перліто–феритною (П+Ф) і феритною (Ф). На рисунку 2.2 показано, як впливають хімічні елементи на графітизацію.

Причини, які ускладнюють зварювання чавуну:

а) Високі швидкості охолодження металу шва і зони термічного впливу приводять до відбілювання чавуну, тобто появі дільниць виділень цементиту. Твердість відбілених дільниць робить неможливою обробку чавуну різальним інструментом;

Рисунок 2.2 – Вплив хімічних елементів на графітизацію

б) Внаслідок місцевого нерівномірного нагрівання металу виникають зварювальні напруження, котрі, через незначну пластичність чавуну, приводять до утворення тріщин;

в) Інтенсивне виділення газів із зварювальної ванни, яке проходить на стадії кристалізації, приводить до утворення пор;

г) Підвищена текучість чавуну у рідкому стані ускладнює формування шва і утримання розплавленого металу від витікання із зони шва;

д) Наявність кремнію, а також інших елементів у металі зварювальної ванни сприяє утворенню на її поверхні тугоплавких окислів, які приводять до утворення непроварів.

W¹_ох

W ^׳׳׳_ох W ^׳׳_ох W ^׳_ох

W ^׳_ох – найбільша швидкість охолодження при зварюванні без підігрівання;

W ^׳׳_ох – швидкість охолодження при зварюванні з підігріванням при температурі від 300 до 400 ⁰С;

W ^׳׳׳_ох – швидкість охолодження при зварюванні з високим підігріванням.

Рисунок 2.3 – Вплив швидкості охолодження на структуру металу

Зварювання чавуну без попереднього підігрівання називається холодним. Зварювання з попереднім підігріванням до температури від 300 до 400 ⁰С називається напівгаряче. При напівгарячому і холодному зварюванні широко використовують металургійні і технологічні засоби впливу на метал з метою підвищення якості зварного з'єднання:

– легування наплавленого металу елементами – графітизаторами, щоб при даній швидкості охолодження отримати у шві сірий чавун;

– легування наплавленого металу елементами, які дозволяють отримувати у шві перлітно–феритну структуру характерну для низьковуглецевих сталей, шляхом зв'язування надлишкового вуглецю у карбіди, більш міцні, ніж цементит;

– введення до складу зварювальної ванни матеріалів, які мають кисневі компоненти для максимального окислення вуглецю (його випалювання) і отримання у металі шва низьковуглецевої сталі;

– використання зварювальних матеріалів, які дозволяють отримати у наплавленому металі різні сплави кольорових металів (мідно–нікелевих, мідно–залізних, залізо–нікелевих і інш.), які мають високу пластичність і температуру плавлення близьку до температури плавлення чавуну.

Зварювання з попереднім підігріванням від 600 до 650 ⁰С називається гарячим зварюванням чавуну. Високе підігрівання і сповільнене охолодження сприяють ліквідації тріщин і пористості за рахунок збільшення часу існування рідкої ванни і кращої дегазації, а також зменшення температурного градієнта і термічних напружень. Гаряче зварювання – найбільш радикальний спосіб боротьби з утворенням відбілених і загартованих зон шва і біляшовної зони.

Технологічний процес гарячого зварювання складається з наступних операцій:

а) Підготування до зварювання. Підготування полягає в очищенні від забруднень і розробці кромок для утворення порожнин для маніпулювання електродом. Для запобігання витіканню металу ванни і надання форми місце зварювання формують при допомозі графітових пластинок або формувальної маси (суміш кварцового піску з рідким склом);

б) Попереднє нагрівання деталей. Деталі підігрівають з швидкістю 120 – 150 ⁰С на годину у печах, горнах або тимчасових нагрівальних пристроях;

в) Зварювання. Зварювання виконують при високих струмах зварювання ( I_зв = (60–100) d_ел ) без переривань зварювання;

г) Наступне охолодження. Сповільнення охолодження після зварювання досягають накриванням виробів термоізоляційним шаром (засипка піском, накриття азбестом, шлаком та інш.) або охолодженням деталей разом з печами.