Материалы и их поведение при сварке

Раздел ГРНТИ: Сварка
Моисеенко В.П.
Феникс, 2009 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Материалы и их поведение при сварке  Моисеенко В.П.

Технологические рекомендации по сварке чугунов

Применяемые способы сварки чугуна можно выделить в две большие группы: ручная дуговая сварка и механизи­рованная сварка, в каждой из которых используются сва­рочные материалы, обеспечивающие возможность по­лучения в наплавленном металле чугуна, стали или цветных сплавов.
Основными дефектами, ограничивающими сварива­емость чугунов, являются холодные и горячие трещины и пористость швов. Горячие трещины возникают из-за наличия легкоплавких эвтектик, остающихся жидкими между затвердевшими кристаллитами. В общем случае подогрев до Τ = 500...600 °С (горячая сварка) является радикальным, хотя и трудоемким способом устранения горячих трещин.
Холодные трещины, возникающие как из-за выделе­ния графита пластинчатой формы, играющего роль над­реза в металлической матрице, так и из-за образования твердых закалочных структур в близлежащих ко шву участках, являются наиболее распространенным дефек­том сварных соединений, сваренных чугунными элект­родами. С увеличением количества свободного графи­та и изменением формы включений снижается величина усадки наплавленного металла, уменьшаются сварочные напряжения, улучшаются пластические свойства метал­лической матрицы и снижается склонность к холодным трещинам.
Холодные трещины в швах, наплавленных стальны­ми электродами, неизбежны, особенно в тонкостенных элементах = 5... 10 мм), свариваемых за один проход. При этом трещины появляются не только в шве, но и в зоне термического влияния. Удаление из металла шва
фосфора и серы, измельчение структуры, сварка корот­кими швами на малых токах, использование многопро­ходной сварки взамен однопроходной и проковка швов — это меры, которые способствуют снижению об­разования холодных трещин при использовании сталь­ных электродных материалов. ( Поры являются распространенным дефектом, осо­бенно опасным для чугунных сварных узлов, работаю­щих под давлением (вентильно-запорная арматура). Они образуются в шве из-за пересыщения металла Н2, Ν, СО или парами воды. Тщательная очистка основно­го металла перед сваркой от ржавчины и загрязнений, связывание водорода в нерастворимые в металле шва со­единения (HF, ОН), связывание азота в нитриды, сни­жение скорости охлаждения за счет использования мяг­ких режимов сварки и подогрева — все это приводит к снижению порообразования в швах.
 
Сварочные электроды на основе никеля обеспечивают удовлетворительную прочность и обрабатываемость соеди­нений. Электроды ОЗЧ-З, ОЗЧ-4, МНЧ-2, ОЗЖН-1 в основном применяют для сварки ответственных изде­лий из серого и ковкого чугунов без подогрева (холод­ная сварка).
 
При сварке электродами на медной основе (холодная сварка) наплавленный металл представляет собой мед­ный сплав с вкраплениями железоуглеродистых частиц, так как медь практически не растворяет в себе железо и углерод. При этом железо в шов вводится через покры­тие. Примером таких электродов является ОЗЧ-2. Свар­ку ведут короткими участками на постоянном токе об­ратной полярности с обязательной проковкой швов.
 
При сварке чугуна чугунными электродами (прутками) необходимо обеспечивать наплавленный металл, близ­кий по составу с основным. Электроды изготовляют из чугунных прутков с повышенным содержанием графи­тизаторов: С = 3,0...3,6%, Si= 3,6...4,8%. Составы по­крытий в электродах также увеличивают количество графитизаторов в шве и предотвращают их окисление при сварке. Электроды используются больших диаметров (12...14 мм) длиной до 500 мм. Сварку чугунными элек­тродами ведут на постоянном токе (800... 1200 А) обрат­ной полярности. Режимы сварки должны обеспечить такую скорость охлаждения, которая позволяет избежать «отбела» и трещин. Как правило, сварку ведут с подо­гревом (горячая сварка) до Τ = 400...600 °С, что делает процесс трудоемким. Охлаждение сварного соединения со скоростью W0O= 50... 100 °С/ч гарантирует отсутствие цементита и ледебурита в наплавленном металле и око­лошовной зоне и хорошую обрабатываемость соедине­ний после сварки.
 
При сварке стальными электродами источником графитизирующих элементов, несколько снижающих склонность соединений к холодным трещинам, являют­ся покрытия с кремнийсодержащими компонентами (марка ОМЧ—1, ЦЧ-5). Недостатком сварки стальны­ми электродами является неоднородность наплавленно­го металла: в швах, особенно многослойных, наблюда­ются половинчатые сплавы (высокоуглеродистая сталь + чугун) со значительным количеством цементита и ле­дебурита. Это порою ведет к трещинам. Поэтому свар­ку следует выполнять на малых токах и малых скорос­тях. Механическая обработка таких сварных соединений весьма затруднена из-за высокой твердости швов. Эти электроды применяют ограниченно для декоративной заварки мелких дефектов литья. Снижение твердости наплавленного металла и получение ферритной или аустенитной матрицы может достигаться введением в по­крытие карбидообразующих элементов (V, Nb, Ti), свя­зывающих углерод, переходящий в шов из основного металла, и способствующих измельчению карбидов (электроды марки ЦЧ—4). Сварка также ведется с подо­гревом до Τ = 300...400 °С. Обрабатываемость таких швов вполне удовлетворительна, хотя по линии сплав­ления часто отмечается зона повышенной твердости.
При ЭШС серого чугуна можно получать равнопроч­ное, хорошо обрабатываемое сварное соединение. Это­му способствуют «мягкий» термический цикл, большие токи и малые скорости сварки в сочетании с соответ­ствующими проволоками.
 
Газовая (ацетилено-кислородная) сварка обеспечивает возможность регулирования в широких пределах скоро­стей нагрева и охлаждения и осуществления сопутству­ющей термической обработки (отжига) наплавленного металла. В сочетании с присадочными чугунными прут­ками (ГОСТ 2671—80) это позволяет устранять трещи­ны и обеспечивает легкую обрабатываемость сварных соединений. Для обеспечения хорошей смачиваемости свариваемых кромок жидким расплавом используются флюсы, основной задачей которых является перевод образующихся тугоплавких шлаков в легкоплавкие со­единения с последующим их удалением. В подавляю­щем большинстве случаев для этого используется бура (Na2B407), хотя имеются и другие флюсы.
Этот способ незаменим при ремонтных работах (узлы сложных форм, труднодоступные места, возможность осуществления процесса в любых условиях).
 
Механизированная сварка целесообразна при исполь­зовании порошковых проволок, так как позволяет дос­таточно широко регулировать состав наплавленного металла за счет легирующих в проволоке и обеспечива­ет высокую производительность. Содержание в напол­нителе проволоки достаточного количества эффективных графитизаторов (С, Si) позволяет получить однородный с основным металлом шов. Для сварки серого чугуна ис­пользуются порошковые проволоки марок ПП-АНЧ—1, ПП-АНЧ-2, ПП-АНЧ-3, ТШ-АНЧ-9, ППСВ-7 и др. Как правило, сварку ведут открытой дугой, но иногда создают дополнительную защиту углекислым газом. Разработаны самозащитные проволоки для получения швов с аустенитной матрицей (ПАНЧ—11) без предва­рительного подогрева. Эту проволоку используют при массовом ремонте чугунных деталей тракторных, ком­байновых и автомобильных двигателей.
 
Дефекты в отливках, вскрывшиеся на последних стади­ях механической обработки, сваркой плавлением, в том числе и газовой, устранить практически невозможно, так как это приводит к локальному повышению твердо­сти (образованию трещин) и значительным деформаци­ям изделия. Такие дефекты устраняются пайкой с ис­пользованием чугунных присадочных прутков (УНЧ-2, СТФЧ-2) и флюсов (МАФ-1) или латунных припоев (Л-63, ЛОК59-1—03) с использованием флюсов на ос­нове буры и борной кислоты. В отдельных случаях ис­пользуется сварка пайка.