Дуговая и газовая сварка чугуна: руководство для сварщиков
Чугун — один из самых распространённых конструкционных материалов в машиностроении. Блоки двигателей, станины станков, корпуса редукторов, трубопроводная арматура, маховики, шестерни — всё это чугунное литьё, которое со временем трескается, изнашивается и требует восстановления.
Однако чугун считается одним из самых сложных для сварки материалов. Высокое содержание углерода (от 2,14 до 4,5%), хрупкость, склонность к трещинообразованию делают каждый шов испытанием на прочность не только металла, но и нервов сварщика.
В этом материале подробно разобраны оба основных способа сварки чугуна — дуговой и газовый, — а также все сопутствующие вопросы: типы чугуна, сварочные материалы, режимы, подготовка деталей, техника выполнения, типичные дефекты и способы их предотвращения.
Что такое чугун: типы и свойства
Чугун — многокомпонентный железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода, а также кремний, марганец, серу и фосфор. В специальные чугуны дополнительно вводят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, медь, магний.
Основные типы чугуна
Белый чугун. Углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа — цементита. Цементит образует эвтектику — ледебурит, представляющую собой смесь цементита и перлита или цементита и аустенита. Белые чугуны отличаются высокой твёрдостью (цементит имеет твёрдость НВ 800) и хрупкостью, не поддаются механической обработке резцом и поэтому чрезвычайно ограниченно применяются в качестве конструкционного материала. Белый чугун используется преимущественно для получения ковких чугунов. Сварке белый чугун практически не поддаётся из-за отсутствия достаточной пластичности.
Серый чугун. Углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатых включений графита. Практически в серых чугунах основное количество углерода присутствует в виде графита и лишь 0,6–0,8% — в связанном состоянии в виде вторичных карбидов в перлите. Графит пронизывает металлическую основу чугуна и нарушает его сплошность, действуя как внутренний надрез. Вместе с тем графит сообщает чугуну малую чувствительность к внешним надрезу, придавая сплаву высокую сопротивляемость знакопеременным нагрузкам. Серые чугуны маркируются СЧ с указанием предела прочности на разрыв (например, СЧ-20 — 200 МПа). Химический состав: 2,9–3,5% C, 1,7–2,6% Si, 0,5–1,0% Mn. Серый чугун — около 80% всех ремонтных задач по сварке чугуна.
Высокопрочный чугун. Получают при отливке по специальной технологии с применением добавок магния, редкоземельных элементов, мишметалла. Выделяющийся графит приобретает шаровидную форму и равномерно распределяется в металлической матрице. В зависимости от термообработки и химического состава структура матрицы может быть ферритной, ферритно-перлитной, перлитной, аустенитной или мартенситной. Шаровидная форма графита придаёт чугуну высокие механические свойства. Маркируются ВЧ (например, ВЧ-45-10). Высокопрочный чугун обычно сваривается стабильнее серого при правильном подборе присадочного материала и контроле тепловложения.
Ковкий чугун. Графит имеет форму крупных хлопьев или розеток, равномерно распределённых в металлической матрице. Получают длительным отжигом белого чугуна в две стадии: первая при 950–970 °C, вторая при 720–730 °C. Маркируются КЧ (например, КЧ-50-5 — предел прочности 500 МПа, относительное удлинение 5%). Ковкий чугун сварится лучше серого, но при перегреве необратимо теряет свойства: графит переходит в пластинчатую форму, и ковкий чугун становится серым.
Теплофизические свойства чугунов
Плотность чугуна зависит от химического состава, типа чугуна, формы и характера распределения графита. Средние значения плотности: серый — 7,25 г/см³; высокопрочный с перлитной основой — 7,1–7,5 г/см³; ковкий — 7,2–7,6 г/см³. Плотность структурных составляющих: феррита — 7,87; перлита — 7,8; цементита — 7,66; графита — 2,3 г/см³.
Теплопроводность при 20 °C: серого чугуна — 0,14 кал/(см·с·°C); с шаровидным графитом — 0,08–0,09; ковкого — 0,10–0,17; аустенитного никелевого — 0,06–0,08; высокохромистого — 0,05–0,12 кал/(см·с·°C). Эти параметры важны для понимания того, как тепло распределяется при сварке и как быстро остывает шов.
Почему чугун сложно варить
Свариваемость — изменяемая характеристика, зависящая не только от свойств свариваемых металлов, но и от способа и режимов сварки, состава присадочных материалов, флюсов. Основные трудности при сварке чугуна связаны со следующими факторами.
Углерод — главный враг. При нагреве сварочной дугой или газовым пламенем и последующем быстром охлаждении избыточный углерод формирует цементит (Fe₃C) — хрупкую фазу белого чугуна. В зоне термического влияния (ЗТВ) образуется так называемый отбел — участок с структурой белого чугуна, твёрдый и хрупкий, не поддающийся механической обработке.
Графит в структуре. В сером и ковком чугуне углерод присутствует в виде графитных включений. При сварке графит выгорает с образованием CO и CO₂, оставляя поры и ослабляя шов. Повышение тока не решает проблему — наоборот, ухудшает ситуацию, так как увеличивает зону выгорания.
Высокая жидкотекучесть расплава. Чугунная ванна «течёт» сильнее стальной, что затрудняет формирование валика, особенно в вертикальном и потолочном положениях. Сварка чугуна ведётся преимущественно в нижнем положении.
Склонность к трещинообразованию. Чугуны всех марок обладают большой чувствительностью к резким температурным изменениям. При сварке возникает неравномерный нагрев: определённая часть детали нагревается до очень высокой температуры, в то время как температура на участках, примыкающих к околошовной зоне, остаётся низкой. Это приводит к возникновению остаточных напряжений и деформаций, которые могут вызвать трещины.
Низкая пластичность. Чугун хрупок, и пластическая деформация, которая в стали компенсирует усадочные напряжения, в чугуне невозможна. Усадка наплавленного металла при остывании вызывает растягивающие напряжения, которые чугун не может выдержать без разрушения.
Классификация способов сварки чугуна
Все способы сварки чугуна можно разделить на две большие группы по свойствам наплавленного металла: способы, предназначенные для получения наплавленного металла в виде чугуна с заданными свойствами (ферритно-перлитный, перлитный, высокопрочный с шаровидным графитом), и способы, дающие наплавленный металл в виде сплавов, не являющихся чугуном (сталь, медно-никелевые, железоникелевые, медно-железные сплавы).
По температурному режиму различают:
— Горячая сварка — с общим предварительным нагревом детали до 600–650 °C. Наплавленный металл получается в виде чугуна, близкого по свойствам к основному металлу.
— Полугорячая сварка — с нагревом до 300–400 °C. Промежуточный вариант между горячей и холодной сваркой.
— Холодная сварка — без предварительного подогрева или с локальным прогревом до 150–200 °C. Наплавленный металл представляет собой не чугун, а сплавы на основе железа, никеля, меди или их комбинаций.
Дуговая сварка чугуна
Дуговая сварка — наиболее распространённый способ ремонта чугунных деталей. Она выполняется как с предварительным подогревом (горячая и полугорячая сварка), так и без него (холодная сварка). При сварке чугуна выделяется большое количество вредных газов, поэтому перед началом работы необходимо обеспечить хорошую вентиляцию.
Горячая дуговая сварка чугуна
Горячая сварка — самый надёжный способ получения качественного сварного соединения чугуна. Суть метода: деталь целиком прогревается в печи до 600–650 °C, сваривается в нагретом состоянии и затем медленно охлаждается.
Зачем нужен подогрев. Предварительный подогрев до 600+ °C минимизирует температурный градиент между зоной шва и основным металлом. Результат — нет внутренних напряжений, нет трещин. Шов получается однородным, деталь сохраняет исходные свойства.
Когда применять горячую сварку:
— Ответственные детали: станины станков, блоки двигателей, корпуса ответственного оборудования;
— Крупные трещины протяжённостью более 150–200 мм;
— Восстановление геометрии с последующей механической обработкой;
— Детали сложной формы с рёбрами жёсткости, где внутренние напряжения критичны;
— Дефекты на поверхностях, работающих в условиях трения и износа, а также в агрессивной среде.
Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих операций: разделка дефекта; приготовление формы по контуру дефектной части отливки; предварительный нагрев отливки; заварка; отжиг и медленное охлаждение.
Разделка кромок чугунных деталей может быть выполнена зубилом, кислородной резкой или воздушно-дуговой резкой. После разделки кромки зачищаются от масла, грязи и других включений.
Нагрев деталей производится в печах или с помощью пламенных горелок. Во время заварки вся разделка должна заполняться в один проход и за один нагрев изделия. При больших объёмах завариваемого дефекта работают два сварщика поочередно.
По окончании сварки деталь нужно засыпать сухим песком или укрыть термоизоляцией (асбестом, минеральной ватой, термоодеялом). Возможно также медленное охлаждение детали вместе с печью. Скорость охлаждения должна составлять 50–100 °C/час.
Электроды для горячей сварки. Для горячей дуговой сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б (по ГОСТ 2671–70). В состав покрытия, наносимого на литые прутки диаметром 5–20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы: графит, карборунд, ферросилиций, силикокальций, силикомагний и другие, содержащие элементы-графитизаторы.
Сварку выполняют на больших силах тока: Iсв = (60–100) × dэ, где dэ — диаметр электрода. Сварка ведётся без перерывов до конца заварки дефекта. Электрододержатель для горячей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным электродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога.
Также для горячей сварки можно использовать дуговую сварку угольным электродом. По возможности маневрирования тепловым воздействием на свариваемый металл сварка угольным электродом занимает промежуточное положение между газовой сваркой и сваркой плавящимся электродом. Сваривают на постоянном токе прямой полярности угольными электродами диаметром 8–20 мм. В качестве присадочного материала используют чугунные прутки, а для перевода тугоплавких окислов в легкоплавкие соединения применяют флюсы на борной основе — чаще всего прокалённую буру.
Плюсы горячей сварки:
— Максимальное качество шва, равноценное основному металлу;
— Восстановление исходных свойств чугуна;
— Возможность полноценной механической обработки (точение, фрезерование);
— Минимальный риск трещин и отбела.
Минусы горячей сварки:
— Энергозатратность;
— Необходимость печного оборудования;
— Длительный цикл (от 4 до 12 часов с учётом прогрева и остывания);
— Невозможность работы «в поле» или на неразбираемых конструкциях.
Холодная дуговая сварка чугуна
Холодная сварка — основной метод для ремонтных мастерских и цеховых условий, когда деталь нельзя снять, нет печи, или ремонт нужен «здесь и сейчас». Принцип: специальные электроды + короткие валики по 20–50 мм + обязательная проковка + охлаждение между проходами до 50–60 °C.
При холодной электродуговой сварке все металлургические процессы в сварочной ванне завершаются в течение секунд. Кристаллизация наплавленного металла протекает в условиях очень быстрого охлаждения. В связи с этим наплавленный металл, как правило, имеет высокую твёрдость, исключающую возможность обработки резцом. В зоне термического влияния могут образовываться трещины, ослабляющие сварное соединение.
Для преодоления этих трудностей применяют различные электроды из цветных и специальных сплавов: медно-никелевых, железоникелевых, медно-стальных. Также используют стальные электроды с легирующими покрытиями, содержащими элементы-графитизаторы или сильные карбидообразователи.
Металлургические средства повышения качества холодной сварки:
— Легирование наплавленного металла элементами-графитизаторами для получения в шве структуры серого чугуна;
— Легирование элементами, позволяющими получить перлитно-ферритную структуру низкоуглеродистой стали путём связывания избыточного углерода в карбиды;
— Введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов для максимального окисления углерода (выжигания) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;
— Применение сварочных материалов, обеспечивающих получение сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых, обладающих высокой пластичностью.
Полугорячая дуговая сварка
Полугорячая сварка — компромисс между горячей и холодной. Подогрев до 300–400 °C проще организовать, чем нагрев до 600+ °C, а результат заметно лучше, чем при холодной сварке. Подходит для средних по ответственности деталей и ситуаций, когда печь недоступна, но есть возможность прогреть деталь горелкой. При полугорячей сварке расширяется ассортимент применимых сварочных материалов: можно использовать электроды, требующие небольшого подогрева, и получать более качественное соединение.
Электроды для дуговой сварки чугуна
Подбор электродов — ключевой этап, определяющий результат сварки чугуна. Выбор зависит от типа чугуна, толщины детали, характера дефекта, требований к обрабатываемости и прочности шва.
Чугунные электроды (для горячей сварки)
Чугунные электроды на основе прутков марок А и Б по ГОСТ 2671–70 применяются для горячей сварки. Содержание элементов-графитизаторов (углерода и кремния) в электродных стержнях обеспечивает получение в наплавленном металле структуры серого чугуна. Электроды ЭЧ-2 на чугунных прутках ПЧС-1 дают наплавленный металл с перлитной структурой и равномерной твёрдостью НВ 180–220, поддающийся поверхностной закалке. В ином составе чугунные прутки (ПЧС-2) обеспечивают в наплавленном металле шаровидную форму графита.
Существуют также электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2%) содержанием кремния. Покрытие двухслойное: первый слой — легирующий (графит 41%, силикомагний 40%, железная окалина 14%, алюминиевый порошок 5%), второй — обеспечивает газовую и шлаковую защиту (мрамор 50%, плавиковый шпат 50%). При сварке этими электродами чугунных деталей с толщиной стенки до 12 мм без предварительного подогрева удаётся получить швы и околошовную зону без отбеливания и закалки. Некоторому замедлению скорости охлаждения при эвтектической температуре способствует реакция между железной окалиной и алюминиевым порошком, протекающая с выделением теплоты.
Электроды ЭМЧС имеют стержень из низкоуглеродистой электродной проволоки (Св-08 или Св-08А), а легирование осуществляется через трёхслойное покрытие. Первый слой — легирующий (графит 50%, силикомагний 41%, гематит 6%, алюминий 1,5%, бентонит 1,5%); второй — шлако- и газообразующий (мрамор 50%, плавиковый шпат 47,5%, бентонит 2,5%); третий — газозащитный (графит 100%). Графит и силикомагний служат графитизаторами, причём магний способствует сфероидизации графита.
Стальные электроды с легирующим покрытием
Электроды ЦЧ-4 — самый распространённый электрод для холодной сварки чугуна. Стержень из низкоуглеродистой проволоки Св-08 или Св-08А, покрытие содержит мрамор 12%, плавиковый шпат 16%, феррованадий 66%, ферросилиций 4%, поташ 2%, жидкое стекло 30% массы сухой смеси. В металл шва вводится сильный карбидообразователь — ванадий. В результате образуются карбиды ванадия, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных включений. Металлическая основа оказывается обезуглероженной и достаточно пластичной. Наплавленный металл содержит до 0,15% C; до 0,6% Si; 0,5% Mn; 8,5–10,5% V. Этими электродами сначала облицовывают кромки на малых токах (Iсв = (20–25) × dэ), затем силу тока увеличивают на 15–20% и окончательно заполняют разделку электродами УОНИ-13/45. Шов обрабатывается только абразивом.
Медно-железные электроды
Медно-железные электроды ОЗЧ-1, ОЗЧ-2 и ОЗЧ-6 — наиболее распространённые из этой группы. ОЗЧ-2 представляет собой медный стержень диаметром 4–5 мм с покрытием из сухой смеси покрытия УОНИ-13 (50%) и железного порошка (50%), замешанных на жидком стекле. ОЗЧ-6 — медно-железные электроды универсального назначения, работающие и при холодной, и при полугорячей сварке. Содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10–15%, иначе образуются твёрдые включения, ухудшающие обрабатываемость.
Медно-железный сплав в шве можно получить также при сварке медными электродами по слою специального флюса, состоящего из прокалённой буры (50%), каустической соды (20%), железной окалины (15%) и железного порошка (15%). Флюс насыпают слоем около 10 мм, расплавляют дугой; далее дуга горит между медным электродом и расплавленным флюсом.
Основное преимущество медно-железных электродов — возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений. Проковка обязательна, так как при этом уменьшается опасность образования трещин в околошовной зоне. Общий недостаток — неоднородная структура шва: мягкая медная основа и очень твёрдые включения железной составляющей, затрудняющие обработку.
Медно-никелевые электроды
Электроды МНЧ-2 со стержнем из монель-металла (65–75% Ni, 27–30% Cu, 2–3% Fe, 1,2–1,8% Mn) — оптимальный баланс цены и качества для холодной сварки чугуна. Никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур с высокой твёрдостью после нагрева и быстрого охлаждения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших размерах практически отсутствует, так как медь и никель — элементы-графитизаторы. Наплавленный металл твёрдостью НВ 140–160 легко поддаётся обработке резанием. Сварку выполняют электродами диаметром 3–4 мм, ниточным швом, короткими участками при возвратно-поступательном движении электрода, не допуская перегрева детали. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами лёгкого молотка.
Медно-никелевые электроды применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки на рабочих поверхностях, где местное повышение твёрдости недопустимо. Недостатки — высокая стоимость и дефицитность, а также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Не рекомендуется применять для заварки трещин в изделиях, несущих силовую нагрузку.
Железоникелевые электроды
Электроды ОЗЖН-1 со стержнем из проволоки Св-08Н50 (содержащей 40–60% Ni и 60–40% Fe) — обеспечивают высокую прочность и некоторую вязкость металла шва. Преимущества: меньшая литейная усадка по сравнению с медно-никелевыми сплавами, одноцветность наплавки с чугуном. Электроды ЦЧ-3А со стержнем из проволоки Св-08Н50 и покрытием из доломита (35%), плавикового шпата (25%), графита чёрного (10%) и ферросилиция (30%) также относятся к этой группе. Применяются для заварки дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения.
Никелевые электроды
Электроды ПАНЧ-11 на никелевой основе — премиальный электрод для самых сложных случаев: тонкостенные отливки, ответственные детали, трещины в местах концентрации напряжений. Шов высокопластичный, обрабатывается любым инструментом, риск трещин минимальный. Тонкие самофлюсующие проволоки диаметром 1–2 мм на никелевой основе применяются для полуавтоматической сварки, обеспечивая более высокие показатели технологичности по сравнению с ручной сваркой электродами 3–4 мм.
Импортные никелевые электроды (NiFe, NiCu) от ESAB (OK 92.18, OK 92.58, OK 92.60) и Lincoln Electric (Ni-CI, NiFe-CI) отличаются высоким качеством, стабильной дугой и предсказуемым результатом. По опыту практикующих сварщиков, OK 92.58 хорошо зажигается и подходит для большинства задач по чугуну, а OK 92.60 предназначен для высокопрочных чугунов, но хуже поджигается повторно.
Сравнение электродов для сварки чугуна
Газовая сварка чугуна
В процессе газовой сварки металл нагревается и расплавляется за счёт теплоты, выделяемой при сгорании горючей смеси, состоящей из кислорода (окислитель) и горючего вещества — ацетилена или его заменителей (пропан-бутана, природного газа).
Горячая газовая сварка чугуна
Наиболее высокую температуру и концентрацию теплоты имеет ацетилено-кислородное пламя (температура пламени 2800–3100 °C). Однако при горячей сварке чугуна лучшие результаты даёт «мягкое» пропан-бутано- или метанольное пламя. Менее концентрированное пламя создаёт более широкую зону прогрева основного металла, что в условиях сварки чугуна делает процесс более «мягким» и снижает риск образования дефектов. Пламя, образованное газами-заменителями, более устойчиво в работе, так как вследствие низкой скорости воспламенения маловероятны обратные удары, что особенно важно при горячей сварке в условиях значительного нагрева мундштуков ствола горелки.
Горячая газовая сварка чугуна природным газом с использованием однопламенных мундштуков кумулятивного действия и многопламенных сетчатых мундштуков позволила заменить ацетиленовую сварку, существенно повысив сварочно-технологические показатели процесса. Мундштуки кумулятивного действия обеспечивают концентрированное пламя с высокой температурой, что важно для обеспечения полного проплавления дефектной зоны.
Технологический процесс горячей газовой сварки:
1. Разделка дефектного участка до неповреждённого металла и зачистка кромок от масла, грязи и других включений;
2. Сборка и при необходимости формовка по контуру дефектной части отливки графитовыми пластинами или огнеупорной глиной;
3. Предварительный нагрев отливки до 600–650 °C в печи или горелками;
4. Заварка чугунными прутками диаметром 6–12 мм в зависимости от размера дефекта;
5. Медленное охлаждение: засыпка сухим песком, укрытие асбестом или термоизоляцией, или охлаждение вместе с печью.
При горячей газовой сварке дефекты завариваются чугунными прутками диаметром от 6 до 12 мм. В качестве присадочного материала применяют латунную проволоку Л-62, ЛК-62-0,5. Флюсом служит прокалённая бура.
Настройка пламени. При газовой сварке чугуна следует отрегулировать пламя с избытком ацетилена — такое пламя необходимо для восполнения в шве выгорающего в процессе сварки углерода. Выполнять сварку окислительным пламенем запрещено, так как при этом будет интенсивно выгорать марганец, кремний и углерод, что приведёт к повышенной пористости. Ядро пламени должно находиться от поверхности металла на расстоянии 10–15 мм во избежание перегрева чугуна.
Ведение процесса. При наплавке валика или заварке трещины нужно, не отрывая пламени горелки, вводить флюс в сварочную ванну. Это можно сделать двумя способами: во время сварки пруток периодически погружается во флюс, или флюс подсыпается в ванну ложкой. Сварку следует вести ванным способом, так как это благоприятно сказывается на плотности и структуре сварного соединения. Чугунный присадочный пруток очищают от неметаллических включений, после чего дефект заполняют расплавленным присадочным материалом с периодическим добавлением флюса на кончике прутка.
Газовая пайко-сварка чугуна
Низкотемпературная пайко-сварка — особый вид газовой сварки, при которой расплавляется только присадочный пруток, а основной металл не доводится до расплавления. Подготовленная под сварку поверхность нагревается пламенем горелки до 850–950 °C. Расплавленный присадочный чугун не образует жидкой ванны — наплавка осуществляется каплями металла, которые, попадая на нагретый основной или ранее наплавленный металл, растекаются по поверхности. Наплавленный металл имеет структуру серого чугуна.
Преимущества пайко—сварки:
— Отсутствие расплавления основного металла — нет отбела в ЗТВ;
— Сохранение геометрических размеров детали — нет необратимого роста чугуна;
— Хорошая обрабатываемость наплавленного металла;
— Возможность исправления дефектов на законченных обработанных поверхностях.
Для низкотемпературной пайко-сварки применяют чугунные прутки диаметром 6–8 мм и флюс марки ФСЧ-2. Температура плавления флюса должна быть 600–650 °C — близкой к рабочей температуре пайко-сварки. Под действием газопламенной обработки и окислов азота, выделяющихся при разложении флюсов, графит, имеющийся на поверхности чугуна, частично окисляется, образуя капилляры, в которые затекает расплавленный присадочный металл. Раскисленные капли расплавленного присадочного чугуна равномерным слоем заполняют разделку дефекта.
Заварка трещин латунью (пайка чугуна латунью)
Особый вид газовой сварки чугуна — наплавка поверхностей и заварка трещин латунью. При наплавке валиков латунью поверхность чугунной детали не расплавляется, а только нагревается до температуры плавления латуни и облуживается ею. По сути, этот процесс представляет собой пайку чугуна латунью.
В качестве присадочного материала применяют латунную проволоку Л-62, ЛК-62-0,5, а также сплав ЛОМНА и припой ЛОК59-1-03, которые обеспечивают более плотный наплавленный металл и бездымный процесс. Флюсом служит прокалённая бура или ФПСН-2.
Технология заварки латунью:
1. Поверхность дефекта прогревают слегка окисленным пламенем до 450–500 °C;
2. В разделку вносят флюс, который расплавляется удалённой от ядра частью факела пламени;
3. После расплавления флюса в наиболее горячей зоне пламени расплавляют латунный припой;
4. Движением горелки по спирали заполняют разделку;
5. Горячий наплавленный металл проковывают ручным медным молотком.
Лужение выполняется отдельными участками. При достаточном нагреве поверхности чугуна латунь должна растекаться тонким слоем. Если латунь скатывается в виде шариков — это указывает на недостаточный прогрев детали.
Важно: сварочное пламя при работе латунью должно быть окислительным (с избытком кислорода до 30–40%). Кислород создаёт тугоплавкую плёнку окиси, которая предохраняет цинк от испарения. Конец ядра пламени должен находиться от поверхности металла на расстоянии 10–15 мм.
Безопасность. Категорически запрещается сварка латунью без респираторов, так как продукты сгорания углерода и испарения цинка вредно действуют на здоровье. Работы следует выполнять при хорошей вентиляции или местной вытяжке.
Сварочные материалы для газовой сварки чугуна
Чугунные присадочные прутки
Чугунные прутки по ГОСТ 2671–70 выпускаются нескольких марок и применяются для горячей газовой сварки, наплавки, низкотемпературной пайко-сварки и изготовления электродов для дуговой сварки. Диаметр прутков — от 6 до 16 мм в зависимости от назначения:
— 6–8 мм — для газовой низкотемпературной пайко-сварки при исправлении дефектов небольших размеров;
— 8–12 мм — для газовой сварки при исправлении дефектов небольших и средних размеров;
— 12–16 мм — для изготовления электродов для дуговой сварки при исправлении дефектов крупных и очень крупных размеров.
Чугунные прутки с содержанием редкоземельных элементов (иттрия и церия) позволяют получать наплавленный металл с перлитной структурой и равномерной твёрдостью НВ 180–220 (марка ПЧС-1). В ином составе прутки обеспечивают шаровидную форму графита (марка ПЧС-2). Иттрий и церий обладают большим сродством к кислороду и высокой температурой кипения (Y — 4600 °C, Ce — 3600 °C), намного превышающей температуру сварочной ванны и пламени, что обеспечивает их эффективный переход в наплавленный металл.
Флюсы для сварки и пайко-сварки чугуна
Флюсы играют критическую роль в газовой сварке чугуна. Они обеспечивают раскисление металла сварочной ванны, растворение окислов и удаление неметаллических включений. Основные марки:
— ФСЧ—1 — для газовой заварки дефектов чугунной присадкой;
— ФСЧ—2 — для газовой низкотемпературной пайко-сварки чугунной присадкой;
— ФПСН—1 — для пайки латунными припоями;
— ФПСН—2 — для газовой низкотемпературной пайко-сварки медносплавными присадками.
Уплотнение металла шва при газовой сварке чугуна должно идти главным образом по пути разработки такого технологического процесса, при котором обеспечивается наиболее полное раскисление металла и удаление неметаллических включений из сварочной ванны. Это достигается применением чистых от неметаллических включений присадочных прутков и высокоактивных флюсов.
Применяется также газообразный флюс на основе борометилового эфира (В(СН₃О)₃), который подаётся непосредственно в газовую смесь горелки через установку КГФ-3-71. Флюс, сгорая в пламени, образует борный ангидрид B₂O₃ в активной газообразной форме, создавая эффективную защиту ванны от попадания газов. Однако газообразный флюс требует специализированного оборудования и токсичен, что ограничивает его применение.
Подготовка чугунных деталей к сварке
Качество сварки чугуна на 70% определяется подготовкой и выбором технологии, и только на 30% — навыками сварщика. Даже опытный сварщик не спасёт деталь, если взят не тот электрод или проигнорирован подогрев.
Очистка и разделка
Зачистка до чистого металла — обязательный этап. Чугун — пористый материал, впитывающий масло как губка. Промасленную деталь недостаточно протереть растворителем — прокалите зону сварки газовой горелкой до выгорания масла (характерный дым и запах). Прокаливание выполняйте только при хорошей вентиляции, с соблюдением пожарной безопасности.
Разделка трещины — V-образная, с углом 60–90°. Концы трещины обязательно засверливаются сверлом диаметром 3–5 мм для предотвращения дальнейшего распространения дефекта. Разделку можно выполнить зубилом, угловой шлифмашиной, кислородной или воздушно-дуговой резкой.
При сквозном разрушении сварку выполняют от середины излома к краям, а при несквозной трещине — от её конца к месту выхода на край изделия.
Подогрев
Для холодной сварки — локальный прогрев горелкой до 150–200 °C. Задача двойная: удалить остаточную влагь из пор и снизить температурный градиент между швом и основным металлом. Контроль — пирометром или термокарандашом.
Для полугорячей сварки — нагрев до 300–400 °C. Для горячей — общий подогрев до 600–650 °C с обязательным контролем температуры (термопары или инфракрасный пирометр). «На глаз» — путь к браку.
Армирование шпильками
При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами общего назначения наиболее слабое место сварного соединения — околошовная зона у границы сплавления. Хрупкость этой зоны и наличие в ней трещин нередко приводят к отслаиванию шва от основного металла. Для увеличения прочности сварного соединения, когда к нему не предъявляется других требований (например, при ремонте станин, рам, кронштейнов), применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения — линию сплавления. Шпильки имеют резьбу, их ввертывают в тело свариваемой детали.
Процесс сварки с постановкой шпилек состоит из двух этапов: наплавка стального слоя на подготовленную чугунную поверхность и собственно соединительная сварка. При наплавке стального слоя не допускается чрезмерный нагрев чугунных деталей. Снижению нагрева способствует применение постоянного тока обратной полярности и небольшой силы тока. При значительном нагреве деталей процесс следует остановить и продолжить только после остывания. Обварку шпилек кольцевыми валиками и наплавку кромки нужно проводить не подряд, а вразброс.
Техника и режимы дуговой сварки чугуна
Общие принципы
Ток — ниже, чем для стали аналогичной толщины. Перегрев расширяет ЗТВ, усиливает отбел, провоцирует трещины. Ориентир: 25–30 А на 1 мм диаметра электрода, но точный ток выбирайте по паспорту конкретной марки и по устойчивости дуги.
Полярность — обратная (+ на электроде) для большинства электродов: ЦЧ-4, МНЧ-2, ПАНЧ-11, ОЗЧ-6. При обратной полярности меньше тепловложение в основной металл, снижается риск перегрева. Для некоторых медных электродов — прямая полярность. Всегда сверяйтесь с паспортом конкретной марки.
Диаметр электрода — по толщине детали, но не более 4 мм для холодной сварки. Тонкий электрод = меньше тепловложение = меньше ЗТВ.
Режимы сварки по маркам электродов
|
|Диаметр электрода, мм |
Сварочный ток, А |
Род тока, полярность |
|
3 |
65–90 |
Постоянный, обратная |
|
4 |
90–120 |
Постоянный, обратная |
|
5 |
120–150 |
Постоянный, обратная |
Практические режимы по маркам:
— ЦЧ—4, Ø3 мм: 65–80 А, обратная полярность, короткая дуга;
— МНЧ—2, Ø3 мм: 70–90 А, обратная полярность, валики;
— ПАНЧ—11, Ø3 мм: 60–80 А, обратная полярность, минимальные колебания электрода;
— ОЗЧ—6, Ø3 мм: 70–90 А, обратная полярность.
Начинайте с минимального значения тока, увеличивайте по 5–10 А до получения стабильной дуги без залипания. Для чугуна действует принцип: лучше «недогреть», чем «перегреть». Недостаток провара можно компенсировать вторым проходом, а отбел от перегрева — уже нет.
Техника наложения швов
Сварка короткими валиками — ключевой приём. Длина валика — 20–50 мм, не более. Направление — обратноступенчатым методом: каждый следующий валик начинается от конца предыдущего в обратном направлении. Или «каскадом» — послойное заполнение с перекрытием. Категорически нельзя вести длинный непрерывный шов по чугуну. Перегрев → расширение ЗТВ → отбел → трещина. Это правило без исключений.
Проковка каждого валика — обязательна. Сразу после наплавки валик проковывается лёгким молотком (медным или текстолитовым). Проковка компенсирует усадочные напряжения и предотвращает образование трещин. Особенно важна проковка при сварке медно-железными и медно-никелевыми электродами.
Многослойная наплавка. Каждый слой: сварка → зачистка шлака → проковка → охлаждение → следующий слой. Перекрытие валиков — 30–50% ширины. Первый (корневой) слой — самый ответственный: минимальный ток, тонкий электрод (Ø3 мм), тщательная проковка.
Охлаждение между проходами — до 50–60 °C. Температуру можно определить прикосновением руки к отливке (руть может терпеть — можно варить, обжигает — ждать). Наплавку возобновляют по мере снижения температуры.
Финишное охлаждение
После завершения сварки деталь нельзя бросать на бетонный пол или выносить на сквозняк. Медленное остывание — в сухом песке, под термоодеялом или минеральной ватой в оболочке. Для крупных деталей время остывания — 6–12 часов. Для горячей сварки — охлаждение вместе с печью со скоростью 50–100 °C/час.
Сварка специальных чугунов
Сварка высокопрочного чугуна
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом обычно сварится стабильнее серого при правильном подборе присадочного материала и контроле тепловложения. Для горячей сварки используют чугунные прутки с шаровидным графитом (ПЧС-2/ПВЧ-1) и электроды на их основе. Для холодной сварки — электроды МНЧ-2, ПАНЧ-11, ОЗЧ-6. Керамические стержни СКВЧ-1 предназначены для горячей дуговой механизированной заварки дефектов высокопрочного чугуна.
Сварка ковкого чугуна
Дефекты в отливках из ковкого чугуна в основном исправляют в исходном состоянии — в виде белого чугуна (до отжига). В этом случае заварку осуществляют чугунными присадочными материалами: газовую — чугунными прутками, ручную дуговую — электродами на основе чугунных прутков, механизированную — порошковой проволокой. Техника сварки та же, что и для высокопрочного чугуна, но предварительный подогрев и последующее охлаждение должны обеспечить получение в сварном соединении структуры, позволяющей провести отжиг по режиму, предусмотренному для получения ковкого чугуна.
Ферритный ковкий чугун с большим количеством углерода отжига обладает более низкой свариваемостью, чем перлитный. При воздействии теплоты сварочной дуги включения графита растворяются в сварочной ванне и частично выгорают, образуя газ, который не успевает полностью удалиться и создаёт пористость в металле шва.
Сварка хромистых высоколегированных чугунов
Хромистые высоколегированные чугуны относятся к трудносвариваемым. Их теплофизические и физико-механические свойства требуют специальной технологии. Применяются для износостойких цилиндровых втулок и деталей, подверженных абразивному износу.
Механизированная сварка чугуна
Горячая дуговая механизированная сварка чугуна порошковой проволокой на однопроволочных и трёхпроволочных специализированных полуавтоматах в значительной мере заменила процесс ручной горячей дуговой сварки чугунными электродами. Полуавтоматическая сварка порошковой проволокой или проволокой сплошного сечения с присадкой керамических стержней обеспечивает более высокие показатели технологичности и производительности.
Порошковые проволоки представляют собой трубчатый электрод из свёрнутой стальной низкоуглеродистой ленты, заполнённой порошкообразной шихтой. Состав шихты, коэффициент заполнения и конструкция проволоки позволяют регулировать состав наплавленного металла и технологию сварочного процесса.
Марки порошковых проволок:
— ППЧ—1 — для заварки без предварительного подогрева небольших дефектов (раковин, пор, сыпи, недоливов);
— ППЧ—2 — для заварки с предварительным подогревом до 300–350 °C дефектов на толстых стенках отливок;
— ППЧ—3М — для горячей дуговой механизированной сварки, наплавки.
Наплавку выполняют на постоянном токе прямой полярности при скорости подачи проволоки 172 м/ч, силе тока 340–380 А, напряжении дуги 33–35 В и скорости сварки не более 5 м/ч.
Также для механизированной сварки применяются тонкие самофлюсующие проволоки диаметром 1–2 мм: ПАНЧ-11 на никелевой основе и медная самофлюсующая проволока. Механизированная сварка этими проволоками имеет более высокие показатели технологичности относительно ручной сварки электродами 3–4 мм, особенно при сварке тонкостенных чугунных изделий.
Электрошлаковая сварка пластинчатыми электродами применяется при заварке дефектов в крупных чугунных отливках, когда необходимо наплавить большой объём металла, а также при изготовлении крупногабаритных массивных изделий из высокопрочных чугунов.
Типичные дефекты при сварке чугуна и как их избежать
Отбел в зоне термического влияния
Отбел — образование структуры белого чугуна в ЗТВ — главная проблема при сварке чугуна. При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться в виде графита и остаётся в связанном состоянии в виде цементита. Отбелённый участок твёрдый, хрупкий, не поддаётся механической обработке.
Способы предотвращения:
— Предварительный подогрев (до 600–650 °C для горячей сварки);
— Применение электродов с элементами-графитизаторами (кремний, углерод);
— Замедление скорости охлаждения (термоизоляция после сварки);
— Применение медно-никелевых и никелевых электродов, не образующих твёрдых структур с углеродом.
Трещины в шве и основном металле
Трещины возникают из-за усадочных напряжений, которые хрупкий чугун не может компенсировать пластической деформацией. Снижение прочности серого чугуна в околошовной зоне достигает примерно 15–20% по сравнению с основным металлом.
Способы предотвращения:
— Сварка короткими валиками 20–50 мм;
— Обязательная проковка каждого валика;
— Охлаждение между проходами до 50–60 °C;
— Предварительный подогрев;
— Армирование шпильками для несущих конструкций;
— Медленное финишное охлаждение.
Пористость шва
Поры образуются из-за выгорания графита с образованием CO и CO₂, а также из-за попадания неметаллических включений и влаги в пористый чугун.
Способы предотвращения:
— Тщательная очистка и прокаливание зоны сварки для выгорания масла;
— Применение чистых присадочных прутков и высокоактивных флюсов;
— Использование газообразного флюса для защиты ванны;
— Ванным способ сварки для лучшей дегазации;
— Избыток ацетилена в газовом пламени для восполнения выгорающего углерода.
Непровар и несплавление
Возникают при недостаточном проплавлении кромок или натекании расплавленного металла на непроваренные участки.
Способы предотвращения:
— Правильная разделка кромок (V-образная, 60–90°);
— Минимальный провар основного металла при сварке медными электродами (не задерживаться на одном месте);
— Обеспечение хорошего покрытия поверхностей медью при использовании медных электродов;
— Сварка ванным способом для газовой сварки.
Контроль качества сварных соединений чугуна
Качество шва следует оценивать по внешнему виду: не должно быть пор, трещин, шлаковых включений и подрезов. Для ответственных деталей применяют:
— Визуальный осмотр — обнаружение видимых дефектов;
— Капиллярный контроль (пенетрантный) по ГОСТ 18442 — выявление поверхностных трещин.
Практические рекомендации по выбору технологии
1. Если деталь ответственная, крупная и можно снять для печного нагрева — выбирайте горячую сварку с чугунными электродами или прутками. Это обеспечит максимальное качество шва и восстановление свойств.
2. Если деталь средняя, печи нет, но можно прогреть горелкой — полугорячая сварка с МНЧ-2 или ОЗЧ-6 до 300–400 °C. Компромисс по качеству и затратам.
3. Если деталь небольшая или ремонт нужен на месте — холодная сварка. Для обрабатываемых поверхностей — МНЧ-2 или ПАНЧ-11. Для неответственных конструкций — ЦЧ-4. Для герметизации течей — медно-железные ОЗЧ-2.
4. Если требуется обрабатываемость резцом — МНЧ-2, ПАНЧ-11 или железоникелевые ОЗЖН-1. После ЦЧ-4 — только абразив.
5. Если дефекты на готовых обработанных поверхностях — низкотемпературная пайко-сварка газовым пламенем. Основной металл не расплавляется, геометрия сохраняется.
6. Если объём наплавки большой — механизированная сварка порошковой проволокой ППЧ-1 (без подогрева) или ППЧ-2 (с подогревом). Значительно выше производительность.
7. Если деталь несёт силовую нагрузку — армирование шпильками + многослойная наплавка.
