Материалы и их поведение при сварке
Моисеенко В.П.
Феникс, 2009 г.
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 (δ = 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 никеляобеспечивают 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 чугуначугунными 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 электродамиисточником 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) сваркаобеспечивает 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 сваркацелесообразна 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.