Сварка чугуна с подогревом

Обновлено: 18.05.2024

Существует две группы чугунных сплавов: белые и серые сплавы. Первые сварке не поддаются, работать со вторыми можно. Следует учитывать, что повышенное содержание углерода не всегда позволяет получить качественное соединение. Поэтому, если возможно, рекомендуется усилить стыки при помощи шпилек, болтов или хомутов.

Какие электроды выбрать

Для сварки чугуна в России выпускают специальные покрытые электроды:

Электроды, произведённые в России по лицензии:

Имеются импортные аналоги. Компания UTP также даёт подробные рекомендации по использованию своих материалов:

UTP GNX-HD – обеспечивают стабильную дугу даже при малом токе, небольшое образование брызг, плавный перенос основного металла, швы не склонны к образованию разломов и трещин, хорошо подвергаются механической обработке. Варить нужно на короткой дуге, не перегревая заготовки. При работе с чугунными сплавами, склонными к подкалке, рекомендуется вести сварку маленькими валиками с последующей проковкой. Сварку в вертикальном и потолочном положениях лучше вести на переменном токе;
UTP 85 FN – применяют для сварки и наплавки любых (кроме белых) марок чугуна, особенно с шаровыми графитовыми вкраплениями (пример: ВЧ 42-12 — ВЧ 60-2 ) и для соединения этих материалов со сталями и литыми заготовками. Имеет отличные характеристики: во время сварки поддерживается ровная и плавная дуга, высокая скорость производства работ. В результате получается красивый мелкочешуйчатый валик;
UTP 86 FN – ферро-никелевый электрод с биметаллическим сердечником для сварки чугунных сплавов без подогрева. Используют для соединения и наплавок ряда типов (марок) чугуна: пластинчатого серого GG 10 — GG 40 (СЧ 10 — СЧ 40), высокопрочного (с шаровым графитом) GGG 40 — GGG 70 (ВЧ 42-12 — ВЧ 70-2), ковкого GTS 35 — GTS 65, а также для сварки этих сплавов с иными или сталей с литыми сталями;
UTP 8 – для сварки «холодным» методом. Применяемость: серые, ковкие, сверхпрочные чугуны. Литые стальные сплавы. Соединение со сталью, медью и медными сплавами. Лучше всего применять для работы за один проход, нанесения (или наплавке) коренного шва при многослойных способах. Также можно заваривать трещины на старых промасленных чугунных деталях при восстановительных и ремонтных работах.

Ряд сварщиков предпочитает использовать для сварки (и наплавок) чугунов обычные электроды по нержавейке, например:

Но часто также используют УОНИ 13/55. Это самый бюджетный вариант. Иногда стержень предварительно обматывают медной проволокой.

Примерная стоимость электродов УОНИ 13/55 на Яндекс.маркет

В каждом конкретном случае требуется подбирать электроды в зависимости от марки чугуна. Если узнать состав сплава невозможно, то необходимо заварить образец, провести испытания с учётом условий эксплуатации.

Подготовка материалов к сварке

Электроды требуется тщательно просушить. Если в условиях производства для этого используют специальные печи, то в домашней обстановке можно оставить электроды в обычной духовке на несколько (3-4) часов, выставив максимальную температуру.

Чаще всего из чугуна делают литые детали – элементы автомобилей, станков. Лопнувшие элементы нужно предварительно обработать:

Промыть от грязи, масла.
Просушить.
Разделать кромки с помощью болгарки так, чтобы очистить поверхности от графита.
Острые кромки притупить зачистным кругом для предотвращения возникновения напряжений по время сварки.

Перед началом рекомендуется обезжирить поверхности ацетоном.

Настройки сварочного аппарата

При настройке аппарата рекомендуется учитывать информацию, указанную производителем электродов на коробках. В таблице на пачке всегда указывается род сварочного тока (переменный или постоянный), положение шва (нижнее, верхнее), величина силы тока.

Обратная полярность – минус – крепится на деталь, прямая – на электрод.

Процесс сварки

Для соединения двух чугунных деталей их нужно сложить на верстаке или сварочном столе, желательно зафиксировать при помощи струбцин, зажимов, специальных приспособлений для уменьшения вероятности появления деформаций. Если же требуется заварить трещину, крепить элементы необязательно. Существует два способа сварки чугуна при помощи покрытого электрода и инвертора.

Горячий способ с предварительным подогревом

Полностью соблюсти технологию сварки в домашних условиях сложно из-за необходимости прогрева деталей до высоких температур. Принцип метода описан в ГОСТ 30430-96:

Собирают изделие на прихватки.
Свариваемые элементы нагревают до 400-600 градусов.
Производят сварку, тщательно перемешивая расплавленный металл. Важно не прерывать процесс до того, как графит не сгорел в сварочной ванне. В конце нужно вывести электрод за пределы стыка и прервать сварку на основном металле.
После этого деталь снова нагревают и дают ей медленно остыть.

Для контроля над температурным режимом используют термокарандаши, плавящиеся при определённых температурах (ставят метки на чугуне) или переносные пирометры. Чтобы изделие медленно остыло, его помещают в песок.

При необходимости сварки чугуна в домашних условиях можно нагревать детали при помощи газового резака или горелки.

Холодный способ без подогрева

Универсальный способ подойдёт для применения в полевых условиях – в гараже или на даче. Но для осуществления сварки необходимо использовать соответствующие электроды. Суть процесса:

После подготовки детали размещают на верстаке, если нужно – закрепляют.
Нужно сделать несколько прихваток, дать материалу остыть. Проверить размеры изделия.
Варить следует небольшими участками, избегая перегрева. Шлак после остывания нужно удалять, обрабатывать корщёткой до металлического блеска.

При появлении дефектов – трещин, свищей, пор – нужно удалить их с применением зачистного круга. Произвести сварку вновь.

Ошибки, которые часто допускают при сварке чугуна. Советы

Разные чугуны свариваются по-разному. Некоторые сплавы соединить невозможно. Типичные ошибки:

Слишком большой ток – при сварке металл сильно кипит, после кристаллизации слышны щелчки, появляются трещины на поверхности шва.
Высокая скорость сварки – образуются горячие и холодные разломы из-за того, что металл слишком быстро остывает. Часто ошибку допускают при использовании «холодного» способа. Рекомендуется варить небольшими швами с разных сторон, переворачивая деталь.
Мало тока – шов плохо формируется, кромки недостаточно проплавляются.

Даже если видимых дефектов не замечено, это не значит, что деталь сварена надёжно. Ответственные соединения нужно проверять: на изгиб, растяжение.

Для получения качественного стыка также используют резьбовые гужоны – стальные стержни с резьбой. Их вкручивают в стыки свариваемых деталей так, чтобы они удерживали обе части. После этого торчащие головки срезают. Важно подготовить детали под сварку заранее, до установки гужонов, затем поставить прихватки и обварить изделие. Гужоны рекомендуется вкрутить таким образом, чтобы будущий сварочный шов как следует соединил их с чугуном.

При заварке трещин применяют метод рассверливания концов разлома. Это предотвращает появление его снова. Нужно отступить от краёв на 5-10 мм, сделать отверстия диаметром 5-6 мм.

Сложность сварки чугуна в домашних условиях заключается в том, что в сплаве повышенное содержание углерода (более 2,14%). После сварки шов получается более пластичным, чем околошовная зона. Из-за этого образуются трещины, разломы. Соблюдение технологии может помочь добиться надёжного соединения. Если «холодным» способом не удаётся получить приемлемый результат, рекомендуется попробовать «горячий» метод.

Сварка чугуна с предварительным подогревом

Предварительный подогрев применяют для предупреждения отбеливания чугуна, вызываемого ускоренным охлаждением его в месте сварки. Подогрев способствует понижению скорости охлаждения детали. Температура нагрева зависит от веса детали и ее формы. Иногда достаточно подогреть деталь до 150—200°; детали более сложной формы нагревают до 500—600°. По существу процесс сварки чугуна с подогревом является заливкой детали жидким металлом, расплавленным с помощью сварочной дуги.

Перед сваркой дефектное место тщательно вырубают до непористого металла и зачищают. Вырубка должна иметь плавные очертания без острых углов, в которых жидкий металл может не сплавляться с основным металлом. Свариваемая поверхность должна располагаться горизонтально. Вокруг свариваемого места выкладывают форму из графитовых или угольных пластинок, плотно прилегающих к изделию, препятствующих стеканию расплавленного металла и придающих шву нужные очертания. Иногда применяют фор - - му из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле, которая должна быть просушена при температуре 30—50°.

Для подогрева деталь помещают в печь или горн. Если деталь большая, то в полу цеха делают яму и выкладывают ее огнеупорным кирпичом, помещают туда деталь и засыпают древесным углем. Вместо ям можно использовать железные ящики с большим количеством отверстий в стенках для доступа воздуха. В ящик помещают нагреваемую деталь. Чтобы в детали не появились значительные деформации и трещины, подогрев следует вести медленно и равномерно. После нагревания детали до нужной температуры пространство, образованное формой, заполняют расплавленным металлом электрода, причем необходимо во время всего процесса сварки ванну поддерживать в жидком состоянии. Поэтому крупные дефекты заваривают, разбивая их на участки, которые отделяют графитовыми пластинками, плотно пригнанными к поверхности металла.

Соседние участки для обеспечения большей плотности заполняют песком. Чтобы не было перерывов во время смены электродов, сварку часто выполняют два сварщика.

При горячей сварке применяют покрытые чугунные электроды того же состава, что и при холодной сварке; диаметр электродов равняется от 6 до 20 мм. Ток подбирают из расчета 45—50 а на 1 мм диаметра электрода. Применяется как постоянный, но прямой полярности, так и переменный ток.

При сварке необходимо следить, чтобы температура ванны не была слишком высокой или слишком низкой. В первом случае наплавленный металл быстро плавит основной металл («съедает» его), ■а во втором плохо сплавляется с ним. В перегретую ванну рекомендуется подбрасывать куски электродов для охлаждения; при недостаточном нагреве увеличивать ток и усиливать предварительный подогрев.

1 Во избежание отбеливания и-появления трещин после сварки деталь подвергают медленному охлаждению. Деталь засыпают древесным углем, закрывают асбестом и постепенно снижают температуру в печи или горне. Продолжительность остывания в зависимости от веса и формы детали длится от нескольких часов до нескольких суток.

При сварке чугуна с предварительным подогревом основной и присадочный металл можно расплавлять на постоянном токе 250— 450 а с применением угольного электрода. Вследствие большой ско - рости плавления и обусловленного этим большого объема сварочной ванны этим способом заваривают крупные поверхностные дефекты чугунного литья и исправляют литейный брак. Для удаления окислов кремния при сварке чугуна угольной дугой в качестве флюса используют буру или другие флюсы, употребляемые при газовой сварке чугуна.

Правильное ведение процесса сварки обеспечивает получение в шве плотного однородного серого чугуна, хорошо поддающегося механической обработке. При неправильном проведении сварки можно получить в шве пористый или отбеленный чугун, не поддающийся обработке, хрупкий и склонный к образованию трещин.

Иногда сварка выполняется с нагревом только части детали, находящейся около шва. Такой процесс называется сваркой с частичным подогревом. Заварку дефектов в этом случае можно производить одним из вышеуказанных способов.

Сотрудником Ростовского института инженеров транспорта А. И. ЗеленоЕым разработан способ наплавки чугуна чугунным электродом по слою гранулированной шихты следующего состава: 30% стружки чугунной, 28% ферросилиция 75%-ного, 30% алю - ми: я, 12% силикокальцита. Шихта замешивается ка жидком стекле, затем сушится, прокаливается при 300° и размалывается в крошку размером 1—3 мм. Толщина слоя шихты при сварке 4—6 мм, при наплавке 8—10 мм, ширина слоя 75—80 мм. Диаметр электрода равен 7—8 мм, ток применяется постоянный или переменный, лучшие результаты дает постоянный ток. Благодаря наличию в шихте графитизаторов и замедленному охлаждению наплавленного слоя металл наплавки получается мягким и хорошо обрабатывается резцом.

Дуговая сварка может применяться также при ремонте деталей из ковкого и высокопрочного чугуна. Ковкий чугун получают из белого чугуна путем длительной термообработки в печах при высокой температуре (томления). По механическим свойствам ковкий чугун близок к стали и способен выдерживать ударные нагрузки. Для сварки деталей из ковкого чугуна применяют электроды из белого чугуна или угольные, а деталь перед сваркой нагревают до 200—■ 400°. Затем сваренную деталь подвергают томлению. Если чугун сваривают после томления, то применяют электроды с обмазкой УОНИ-13/55 или из монель-металла. После сварки детали, подлежащие механической обработке, отжигают при 650—750°.

Высокопрочный (модифицированный) чугун имеет ферритную и перлитно-ферритную основу структуры; ферритный чугун выдерживает напряжение на разрыв 40—50 кгс/мм2 при относительном удлинении 3—10%, а перлитко-ферритный—50—60 кгс/м. м2 при относительном удлинении 1—3%. Дуговая сварка высокопрочного чугуна производится железо-никелевыми электродами, содержащими: 0,15% углерода, 0,1—0,3% марганца, 55—60% никеля, 0,15%

кремния, не более 0,035% серы, не более 0,04% фосфора, остальное — железо.

В качестве покрытия используется смесь из 35% доломита, 25% плавикового шпата, 10% графита, 30% ферросилиция. Шихта покрытия замешивается на жидком стекле, составляющем 30—32% к весу сухой части шихты. Сварка производится с предварительным нагревом изделия до 300—350° и возвратным движением электрода для прогрева металла шва. После сварки участка длиной 25—50 мм его проковывают в горячем состоянии. Предел прочности металла, наплавленного таким способом, 24—34 кгс/см2, т. е. 50—75% прочности основного металла.

Выбор того или иного способа сварки чугуна зависит от характера и расположения поврежденного места, назначения детали и условий ее работы, производственных возможностей сварочного цеха, состава чугуна и пр.

Существующие способы сварки чугуна продолжают все время совершенствоваться: изыскиваются новые составы электродных стержней и покрытий для них, улучшается сама технология сварки.

Сварка чугуна без предварительного подогрева

Сварка стальными электродами с применением шпилек. Сталь при наплавке на чугун плохо с ним сцепляется ввиду разной их усадки. Кроме того, наплавленная на чугун сталь обогащается углеродом в зоне плавления, становится хрупкой, склонной к закалке и дает при остывании трещины. Поэтому при сварке чугуна стальными электродами для надежного сцепления наплавленного металла с основным на кромках в шахматном порядке на резьбе ставят стальные шпильки, как показано на рис. 121, а. При толщине стенки менее 10 мм шпильки ставят только на нескошенной части кромок. Шпильки сначала обвариваются кругом, после чего шов заполняется наплавленным металлом (рис. 121, 6 и в).

Диаметр шпилек зависит от толщины стенки : d= (0,15 -=-0,2)6, где d — диаметр шпильки, а 6 — толщина стенки, мм. Шпильки диаметром менее 3 мм не ставят. Расстояние между шпильками составляет (4 6) d, глубина посадки 2d, расстояние от кромок не

менее (1,5 Н - 2) d.

Рис. 121. Сварка чугуна с применением стальных шпилек:

с—установка шпилек при V образной подготовке кромок, б — обварка шпилек, установленных в шахматном порядке, а — обварка шпилек по способу завода «Красное^Сормово»

Сварка чугуна без подогрева стальными электродами с дополнительным креплением стальными шпильками является вполне надежной и применяется при ремонте ответственных крупногабаритных деталей, испытывающих большие нагрузки. На рис. 121, в показана обварка шпилек и порядок наложения валиков (обозначен цифрами) по способу завода «Красное Сормово», примененному при заварке трещин нижнего чугунного кольца направляющего аппарата турбины Горьковской ГЭС.

Состав шихты защитного слоя

Вещества, входящие в защитный слой

Содержание компонентов, %, в составах

Полевой шпат Железная ока

Во избежание перегрева завариваемой детали и уменьшения выгорания кремния используют постоянный ток обратной полярности. Для уменьшения в деталях внутренних напряжений сварку ведут с перерывами, не давая изделию нагреться выше 100°. Для электродов диаметром 3 мм ток не должен превышать 120 а; диаметром 4 мм — 150 а; 5 мм — 220 а. При сварке чугуна следует применять толстопокрытые электроды, так как шлак замедляет остывание шва, уменьшает выгорание кремния и препятствует отбеливанию чугуна в месте сварки. Хорошие результаты дает покрытие УОНИ-13/55.

При сварке деталей с толстыми стенками для уменьшения количества наплавленного металла и усиления шва рекомендуется в шов вваривать связи из круглой или полосовой стали. Для увеличения площади соприкосновения наплавленного и основного металла верхние слои наплавляют также на наружные поверхности детали в обе стороны от шва на ширину, равную толщине стенки в данном месте.

Сварка стальными электродами с применением специальных покрытий. В качестве электродов используется проволока Св-08 или Св-08А по ГОСТ 2246—60диаметром 4—5 мм. Покрытие, предложенное П. С. Елистратовым, состоит из 40—50% графита и 50—60% ферросилиция, замешанных на жидком стекле. При расплавлении электроды с таким покрытием дают металл, имеющий структуру серого чугуна и содержащий 3,5—4% углерода и 3—5% кремния. Графит и ферросилиций должны быть размолоты возможно тоньше и проходить через сито с 1600 отв/см2. Вес покрытия должен составлять 20—30 % от веса проволоки. Для повышения легкоплавкости покрытия на него сверху наносится защитный слой толщиной 0,5— 0,6 мм (табл. 42).

Защитный слой плавится одновременно с основным покрытием, растворяя его и способствуя переходу графита и кремния в сварочную ванну. Вместо ферросилиция в покрытие можно вводить
60—70% карборунда. Тогда количество графита в покрытии должно составлять 30—40%.

При диаметре проволоки 4 мм используется ток 200 о, при диаметре 5 мм—250 а. Свариваемые кромки скашиваются под углом 45° с притуплением в корне шва, равным 0,5—1 мм. Во избежание возможности протекания жидкого металла зазор между кромками не оставляется.

Я. Я - Синеок вместо одного стального электрода диаметром 4—5 мм предложил применять пучок электродов из 5—10 стальных проволок диаметром 1,7—1,8 мм. Ток берется из расчета 8—11 а на 1 мм2 общего сечения проволок в пучке. При этом достигается лучшее взаимодействие капель расплавленного металла и покрытия, обеспечивающее более постоянный и равномерный состав наплавленного металла, близкого по свойствам к серому литейному чугуну.

На Таганрогском котельном заводе применяют предложенные Б. Н. Котовым и М. И. Зуевым электроды из стальных трубок диаметром 12, 13 и 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм, заполненные специально приготовленной гранулированной шихтой, а сверху имеющие покрытие. Вес покрытия составляет 23%, а вес шихты — 35% к общему весу электрода. Наплавленный металл приобретает структуру модифицированного высококачественного чугуна.

Режимы сварки чугуна чугунными электродами

Сварочный ток, а

Таблица 43 Режимы сварки чугуна трубчатыми электродами

Напряжение дуги, в

Сварка чугунными электродами. Сварка чугуна голым чугунным электродом без подогрева невозможна, так как металл электрода начинает плавиться раньше, чем основной металл, и, стекая каплями на недостаточно нагретую деталь, застывает, не сплавля-

Шихта имеет следующий состав: 55 % чугунного порошка, 2% силикокальция, 5,8% ферросилиция, 4,8% алюминиевого порошка, 21% графита черного, 11,4% железной окалины, 10% жидкого стекла к весу сухой шихты. Состав наружного покрытия: 28% мрамора, 21% плавикового шпата, 25% графита черного, 10,8% известняка, 7,2% магнезии, 8% ферромарганца, 30% жидкого стекла к весу сухой части покрытия. Толщина покрытия равняется 1—1,5 мм на сторону. При сварке чугуна трубчатыми электродами применяются режимы, приведенные в табл. 43.

ясь с основным металлом. Охлаждение расплавленного металла электрода замедляют применением, например, покрытия ОМЧ-1 следующего состава: 25% мрамора, 25% мела, 41% графита, 25% плавикового шпата, 9% ферромарганца, 30% жидкого стекла к весу сухой смеси.

Это и подобные покрытия содержат кремний, способствующий выделению углерода в виде графита и получению в металле шва структуры серого чугуна. Дополнительно остывание можно замедлять введением в покрытие термита[11]. Чугунные стержни имеют диаметр 6, 8 и 10 мм и следующий состав по ГОСТ 2671—44, марка Б: 3—3,6% углерода, 3,6—4,8% кремния, 0,5—0,8% марганца, до 0,08 серы, 0,3—0,5% фосфора. При сварке используется постоянный ток при обратной полярности. Режимы сварки чугунными электродами приведены в табл. 44.

При заварке мелкие раковины глубиной до 10 мм и длиной до 50 мм полностью вырубают и зачищают. Заварку производят в один прием, начиная с середины раковины; процесс сварки ведут без перерыва. Длина дуги поддерживается равной 4—5 мм, электроды применяют диаметром 6—8 мм.

При холодной сварке чугу на чугунными электродами трудно получить замедленное охлаждение наплавляемого металла. Около - шовная зона часто становится более твердой и хрупкой вследствие повышенных скоростей охлаждения, что приводит к образованию трещин. Для снижения скорости охлаждения наплавленного металла рекомендуется предварительный подогрев детали до 450—550°. Детали несложной формы достаточно подогревать до 150—200°.

Лучшие результаты дают электроды из легированных никелевых чугу нов (табл. 45).

Таблица 45 Состав электродов из легированных никелевых чугунов

Никель не растворяет углерода и не вступает с ним в химическое соединение, но легко сплавляется с железом чугуна. На эти электроды наносится покрытие состава:

Углекислый стронций или углекислый барий. 30

Жидкое стекло входит в количестве 21,3 cmz на 100 г сухой смеси.

Сварка электродами из монель-металла[12]. Этот способ дает хорошие результаты и применяется в тех случаях когда место сварки подлежит обработке резцом.

Электроды имеют диаметр 2, 3, 4, 5 и 6 мм и следующий состав: 32—35% меди, 65% никеля, 1% марганца, 2% железа, 0,75% кремния. Применяется покрытие состава: 66% графита, 32,5% мела, 1,5% поташа. Можно также использовать покрытия, состоящие из 40% графита и 60% мела.

Электроды из монель-металла имеют более низкую температуру плавления, чем чугун, поэтому при сварке деталь нагревается незначительно. Монель-металл дает большую усадку, поэтому сварку им ведут короткими валиками длиной до 50 мм с перерывами для охлаждения во избежание излишнего разогрева детали.

Наплавленный металл слегка проковывают в горячем состоянии, что способствует уплотнению шва. При сварке используют постоянный ток при обратной полярности: для электрода диаметром 3 мм ток берется от 90 до 120 а при толщине свариваемого металла от 4 до 20 мм.

При заварке трещины ее кромки оставляют шероховатыми, а концы засверливают. Трещины разделывают под углом 70—90° на глубину до 2/3 толщины стенки. Поверхность рядом с трещиной на ширине 10—15 мм зачищают до металлического блеска. Наличие ржавчины, масла и прочих загрязнений приводит к пористости наплавки.

Лучшие результаты получают при однослойной наплавке короткими участками с проковкой. Последующий участок должен свариваться после охлаждения предыдущего до 40—50°. Можно первые слои сваривать электродами из монель-металла, а последующие — стальными.

В процессе сварки электродами из монель-металла выделяются пары цветных металлов, вредные для здоровья сварщика, поэтому необходима усиленная вентиляция.

Сварка комбинированными электродами. При ремонтных работах, связанных со сваркой чугуна, применяют также комбинированные медно-железные электроды из стального стержня, вставленного в медную трубку. В шве образуется расплав меди с включенными в него шарообразными частицами науглероженной стали. Медь обеспечивает надежное сцепление металла наплавки с основным металлом, а сталь придает 1пву необходимую прочность. Наилучшие результаты достигаются при наличии в шве 10—15% стали, остальное — медь.

Способ изготовления комбинированных электродов, предложенный П. И. Шориным, следующий: на электродную проволоку Св-08 диаметром 3 мм наносят покрытие слоем 0,25 мм. После просушки на воздухе проволоку вставляют в медную трубочку диаметром 4— 6 мм и в таком виде используют при сварке. Призаваркедефектав толстостенных чугунных деталях с большим объемом наплавленного металла на наружную поверхность медной трубки наносят покрытие слоем толщиной0,5 jKj«, а стальную проволоку берут диаметром 3,5 мм. В качестве покрытия используют смесь из 30% графита, 40% ферросилиция и 30% мела, разведенную на жидком стекле. После просушки на воздухе в течение 5—6 час при температуре 15— 18° электроды прокаливают 30—40 мин при 100—120°. Кромки раковины разделывают под углом 45° и на ее поверхность наплавляют комбинированными электродами слой металла толщиной 5 мм. После этого раковину заваривают обычными стальными электродами с покрытием ОММ-5, ЦМ-7; УОНИ-13/45 и др. Сварка ведется на постоянном токе любой полярности. При заварке не следут перегревать деталь.

Применяют также комбинированные медно-железные электроды из медного стержня диаметром 3,5 мм, обернутого жестью в виде ленты толщиной 0,3 мм или покрытого слоем железа толщиной 0.6— 0,8 мм электролитическим способом. Соотношение меди и железа в этих электродах составляет: 60—62 % меди, 38—40% железа. Берется покрытие УОНИ-13/55. Сварка производится постоянным током обратной полярности.

На использовании комбинированных медно-железных электродов основана сварка чугуна но способу А. Г. Назарова. Сварка производится пучком электродов, состоящим из стального электрода с покрытием ОММ-5 или УОНИ-13/55, медного стержня и латунного стержня, связанных проволокой. Лучшие результаты получаются при использовании покрытия УОНИ-13/55. Если покрытие нанесено также и на медный пруток, то сварку можно вести на вертикальной плоскости.

Количество и диаметр медных прутков подбирают так, чтобы содержание меди в наплавке составляло от 60 до 70%. Латунь служит для введения в наплавку цинка, являющегося раскислителем. Сечение медной проволоки или полоски должно быть от 6 до 18 мм2, а латунной —от 7 до 10 мм2. Сварка ведется ка постоянном токе при обратной полярности или на переменном токе с осциллятором. При использовании электрода ОММ-5 диаметром 4 мм, медного прутка диаметром 4 мм и латунного прутка диаметром 3 мм ток равен от 150 до 175 а; при двух электродах ОММ-5 диаметром 5 мм, двух медных диаметром 5 мм и одном латунном диаметром 3 мм—240— 260 а.

При сварке медный электрод должен перемещаться впереди стального, покрывая слоем меди наплавляемую поверхность. Пучок электродов должен быть наклонен к детали под углом 35—45°. Для лучшего перемешивания и защиты металла ванны концу электрода сообщают плавные спиралеобразные движения.

При сварке этим способом серого чугуна можно получить достаточно хорошее сплавление и формирование шва, плотную структуру, однако иногда происходит отбеливание переходной зоны, что затрудняет последующую обработку места сварки. Этот недостаток в большинстве случаев является общим для всех способов холодной сварки чугуна электродами со стальными стержнями.

Лучшие результаты получаются при введении железа в покрытие медного электрода. Такой способ разработан П. А. Глуховым и получил распространение на железнодорожном транспорте при ремонте с помощью сварки чугунных деталей. В этом случае берут медные электроды с покрытием УОНИ-13/55, в которые вводится 40— 50% железного порошка к весу покрытия. Содержание меди в электроде должно составлять 80—85%. Сварка ведется участками не более 50 мм, с проковкой наплавленного металла после остывания до 60—70°.

Чугун, длительное время работавший при высоких температурах, сваривают с предварительным подогревом кромок до 500— 550° горелкой. Сварка производится после полного остывания кромок. Без предварительного подогрева такой чугун плохо сваривается, в нем появляется отслаивание металла шва и пористость.

Опытно-сварочным заводом Мосгорсовнархоза выпускаются медно-железные электроды ОЗЧ-1 для холодной сварки чугуна. Институтом электросварки им. Е. О. Патона для холодной ремонтной сварки чугуна разработан электрод из аустенитной хромоникелевой стальной проволоки 0Х18Н9или IX18H9 с медной оболочкой и покрытием основного типа, например УОНИ-13/55. При диаметре стержня электрода 3,5 мм толщина покрытия равна 0,3—0,4 мм на сторону.

Медная оболочка на проволоку диаметром 2 мм наносится совместной протяжкой с медной лентой толщиной 0,8 мм, шириной 12 мм через фильер (оправку с отверстиями). Содержание меди в электроде равно 75—80%. Сварка производится постоянным током 100—120 а при обратной полярности. Наплавка таким электродом дает мягкий чугун с мелкораспределенными включениями железа и меди. Трещин и пор при сварке не образуется.

Особенности и проблемы сварки чугуна: как избежать трещин при остывании шва и добиться прочности соединения

Сварка чугунных сплавов делается несколькими методами. Каждый из них выбирается как баланс между стоимостью и сложностью работ и прочностью, которая требуется от шва. Это вызвано физическими особенностями чугунных материалов, которые резко отличаются от подавляющей части остальных сплавов и металлов.

Особенности сварки чугуна

Чугун – это железный сплав с большим содержанием углерода. Углерод придает стальным сплавам твердость, при содержании его свыше 2,14% получаемый сплав уже является чугуном. Поскольку углерод не является металлом, он не может образовать с железом кристаллических решеток и присутствует в виде вкраплений графита различных форм или входит с железом в химическую связь. Из-за графита чугун имеет пористую структуру, насыщается газами и впитывает масло.

При сварке чугуна проблемы начинаются сразу после образования шва. При остывании, особенно быстром, легко возникают трещины, вызванные закалкой и сильными напряжениями в металле. Образуется карбид железа (цементит), чугун “отбеливается”, получает высокую твердость и хрупкость. Поэтому после сварки необходимо поддерживать температуру 200-300°C, постепенно снижая ее, чтобы избежать образования цементита.

Помогает также введение никеля в материал шва. Он смешивается с железом в любых соотношениях. При этом не образуется карбидов и повышения твердости, что позволяет избежать трещин. Можно использовать для этих целей медь, но она не обеспечивает такой однородности шва, как никель.

Сравнительно невысокая температура плавления чугуна (от 1200 до 1250 градусов) приводит к его высокой текучести и ограничивает положения сварки – особенно сложно варить потолочные швы. Кроме того, повышено газообразование, которое продолжается даже при остывании шва.

Так называемый “горелый” чугун (бывший длительное время под действием высоких температур) сваривать невозможно из-за появления окислов кремния и углерода. Вообще чугунные детали предпочтительно менять и при использовании не допускать их разрушения.

Основные трудности при сварке чугуна:

образование трещин при остывании шва;
сильное повышение твердости в области шва;
выделение газов создает пористость шва;
текучесть ванны усложняет технологию.

Подготовка чугуна к сварке

Перед сваркой, особенно ответственных деталей, необходимо произвести подготовку металла. Для этого выполняется перечень работ:

очистка от грязи и масла для всех видов сварки;
разделка кромок для всех видов сварки;
установка шпилек для холодной сварки (при повышенных требованиях к прочности);
прогрев деталей для горячей сварки;
формовка ванны для горячей сварки.

Особенно тщательно следует удалять масло, применяя растворители или отжиг горелкой.

При разделке кромок необходимо выпилить все трещины. Если будут устанавливаться шпильки, то разделку кромок следует выполнить под углом. В кромках засверливают отверстия, нарезают резьбу и завинчивают стальные шпильки, по крайней мере, на два-три “калибра” (отношение длины к диаметру). Внешние концы шпилек должны допускать их проварку между собой.

Подготовительный нагрев деталей при горячей сварке производят постепенно, на 100-150 градусов в час. Так же медленно выполняют и охлаждение, подогревая детали с уменьшением температуры.

Варианты сварки чугуна и их краткие характеристики

В зависимости от требований к прочности и характера повреждений чугунных деталей применяют один из нескольких способов сварки.

Горячая сварка

Горячую сварку применяют в тех случаях, когда необходимо получить высокую обрабатываемость шва и близость его состава и структуры к остальной массе чугуна. Свариваемые части подготавливают, как описано выше, и прогревают до температуры 700°C. При необходимости перед нагревом устраивают форму из материалов, применяемых в литейном деле. Это требуется для сквозных и краевых (отколотых) повреждений. Шлифованные поверхности и резьбы следует защитить глиной.

Горячую сварку применяют для изделий большой массы в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Тепло для ванны получают либо от электрической дуги, либо от газовой горелки. Горячая сварка отличается от других видов самым большим объемом ванны (до 0.5-1 дм. куб.). Это требует устанавливать заготовки только в нижнее положение.

Присадочный материал для горячей сварки – чугунные электроды увеличенного диаметра (от 8 мм и более) или порошковая проволока.

Полугорячая сварка

Полугорячая сварка чугуна производится аналогично описанной выше горячей, но температура предварительного подогрева здесь ниже, около 300-350°C. Это способствует понижению скорости остывания металла после сварки.

При полугорячей сварке меньше степень “отбеливания” чугуна по сравнению с горячим способом, что способствует и меньшей опасности возникновения трещин. Кроме того, требуется меньше энергии на подогрев деталей.

Полугорячую сварку делают малоуглеродистыми стальными электродами с легирующими добавками или автогеном, добавляя для присадки чугунный пруток.

Холодная сварка

Наиболее часто для небольших повреждений применяется холодная сварка. Слово “холодная” здесь означает то, что предварительный подогрев свариваемых частей не производится. Это значительно упрощает процесс, хотя и не позволяет получить качества шва, достижимого при горячем способе. Но для мелких дефектов на ненагруженных деталях – корпусах механизмов, крышках и т. д. – данный способ вполне оправдан.

Для деталей, несущих нагрузку, можно применить усиление шпильками из стали, которые завариваются с внешней стороны и затем закрываются верхним швом. При холодной сварке стремятся как можно меньше нагревать металл и применяют стальные электроды небольшой толщины (3-5 мм). Для снижения нагрева применяют постоянный ток, а электрод подключают к плюсу аппарата (обратная полярность). Материал электродов должен содержать как можно меньше углерода. Но и без этого в шве образуется тонкий слой белого чугуна. Избавиться от него не помогает даже продолжительный отжиг.

Хорошие результаты дает применение никеля или монель-металла (никель 70%, медь 20%) в сварочных электродах, но этот способ дорог. Его следует применять в тех случаях, когда требуется последующее точение, шлифование или фрезерование детали. Но необходимо учесть, что механическая прочность “никелированного” чугуна снижается.

Основные способы сварки чугуна

Серый чугун можно варить несколькими способами. Чаще всего это дуговая сварка стальными или специальными электродами. Эти способы относятся к холодному методу сварки.

Ручная дуговая сварка плавящимися электродами

Самые мелкие повреждения чугунных деталей можно заварить обычными стальными электродами 3 мм с тонкой обмазкой. Перед сваркой очищают швы и выпиливают или вырубают трещины. Сварка ведется небольшим током 80-120 ампер.

Повреждения	Электроды	Дополнительно
Мелкие	Стальные	Поковка шва молотком
Средние	Медные
Крупные	Медные и никелевые	Усиление шпильками

Если требуется повысить качество шва при дуговом способе, то вместо трансформатора берется инвертор, так как он позволяет работать на постоянном токе. Это дает кое-какие дополнительные возможности, указанные в таблице ниже.

Полярность	Деталь	Электрод	Особенности
Прямая	Плюс	Минус	Увеличение нагрева детали. Небольшой расход электродов
Обратная	Минус	Плюс	Умеренный нагрев детали. Большой расход электродов

Причина такой разницы в физике процесса: положительный электрод сильно бомбардируется тяжелыми отрицательными ионами, что дает дополнительную энергию в общем балансе выделения тепла. Разница в температуре может достигать 700°C. В общем, за возможность избегать перегрева чугуна при электродуговой сварке приходится платить некоторую цену: тратить лишние электроды.

Применение трансформатора лишает сварщика возможности прогревать электроды разными способами, так как при переменном токе этой разницы нет – тепла выделяется поровну на каждом конце дуги. Кроме того, снижается стабильность дуги – на переменном токе она горит не все время.

Для уменьшения перегрева шва применяют движение электрода зигзагом или по кругу, как удобнее сварщику. Тепло при этом распределяется равномернее. Также полезно делить большие швы на меньшие участки, а в промежутках между выполнением участков давать остыть металлу до 80-50°C.

Чтобы повысить качество шва на чугуне, применяют электроды с добавлением меди, никеля или монель-металла (сплав меди с никелем). Наиболее простой и дешевый вариант: стальную проволоку Св-08 (Св-08А) обматывают медной проволокой и окунают в раствор силиката натрия (жидкое стекло). После высыхания обмазки можно варить.

Газовая сварка

Газ или электричество для сварки – это лишь способ нагрева, подвода энергии к сварочной ванне. Но из-за разницы в физике и химии этих процессов могут появиться технологические отличия. При сварке чугуна газом можно использовать ацетилен или пропан-бутановую смесь, но оба варианта с кислородом. Вместо электрода используется присадочная проволока из никеля или чугунный пруток. Чтобы избежать окисления, можно использовать обмазку присадочного материала флюсами (на основе буры), но часто бывает достаточно использовать прогрев металла восстановительной частью факела горелки.

Горелкой следует постепенно прогревать место вокруг сварки. Определить подходящую температуру в области шва (200-350°C) поможет только опыт сварщика. Добившись ее, производят сварку участка. Затем постепенно отводят горелку, избегая резкого остывания. Разумеется, газа тут расходуется заметно больше, чем при сварке стали, но это при газосварке чугуна неизбежно, иначе пойдут трещины.

Аргонодуговая

Аргонодуговая сварка чугуна возможна, но это слишком дорогой вариант, не дающий никаких особенных преимуществ перед другими видами сварки. Чугун не нуждается в такой тщательной защите от окисления, как, например, алюминий. Если все же приходится варить чугун аргоном, то здесь следует соблюдать те же правила:

избегать перегрева металла;
постепенно прогревать место шва;
постепенно охлаждать после сварки.

Все это приводит к большому расходу аргона. Поэтому для подогрева лучше использовать другие методы. Обычно это та же ацетиленовая горелка, что лишает смысла вообще варить аргоном. При сварке аргоном обычно используют неплавящиеся электроды или полуавтомат. В последнем случае его потребуется зарядить нужным типом проволоки, например, никелевой.

Иные варианты

Из прочих вариантов можно дополнить раздел о горячей сварке. Этот способ требует самого большого расхода энергии и подготовки форм для сварочной ванны большого объема. После очистки места для шва вокруг этого места (и при необходимости) снизу делают перегородки из огнеупорной глины. Для форм также используют графитовые пластины. Снаружи форма защищается коробкой из листового железа: это гарантирует, что ванна не разольется. Для предварительного нагрева и медленного охлаждения деталей используют печи (в старые времена для больших деталей использовали костер).

При холодной сварке больших деталей металл разделывается под углом 90 градусов, а в разделочные фаски вворачивают шпильки небольшой длины из малоуглеродистой стали. Верхние концы шпилек обеих половин шва обваривают между собой также сталью с малым содержанием углерода. Они придают шву значительную прочность. Сверху шов заваривают медным или медно-никелевым сплавом.

Читайте также: