Особенности сварки чугунных деталей

Обновлено: 17.05.2024

Сварка чугунных деталей трудный процесс, обусловленный химическим составом чугуна, его структурой и особыми механическими свойствами.

По химическому составу чугун — сплав железа с углеродом, содержащий некоторое количество кремния, марганца, фосфора, серы и других примесей. Обычно в чугуне содержится от 2 до 3,6% углерода.

Механические свойства чугуна во многом зависят от того, в каком виде находится углерод. Если большая часть углерода содержится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C), то такой чугун имеет более светлый цвет, очень тверд, хрупок и не поддается механической обработке. Его часто называют белым, он почти не применяется для изготовления деталей. Наиболее широкое применение получил серый чугун. В нем большая часть углерода находится в структурно-свободном состоянии, в виде пластинчатых включений графита. Серый чугун, достаточно мягок, легко поддается обработке.

При быстром охлаждении серого чугуна, расплавленного или нагретого до температуры выше 750 °C, графит легко переходит в цементит (т. е. чугун отбеливается) и, кроме того, образуется закаленная структура в виде мартенсита и троостита. Относительное удлинение чугуна на разрыв практически равно нулю, поэтому при неравномерном нагреве или остывании почти всегда возникают большие внутренние напряжения и трещины.

В расплавленном состоянии чугун жидкотекуч и мгновенно переходит из жидкого состояния в твердое, минуя пластическое. Все эти свойства чугуна в большой степени затрудняют его сварку. Хуже всего поддается сварке чугун с крупными включениями графита и лучше сваривается чугун перлитного типа с мелким пластинчатым или сфероидальным графитом.

Трудность работы с чугуном вызвала появление различных способов его сварки. Твердо рекомендовать какой-либо из них для сварки определенных деталей весьма затруднительно, так как чугун одной и той же марки может иметь различную структуру. Более того, даже у одной корпусной детали со стенками различной толщины может быть различная структура чугуна. Способы сварки чугунных деталей можно разделить на два вида: горячую и холодную сварку.

Горячая сварка чугуна заключается в том, что деталь предварительно подогревают, а после сварки медленно охлаждают. Температура подогрева зависит от массы и формы детали, но не должна превышать 650 °C. Более высокий нагрев вызовет рост графитовых зерен, а при нагреве свыше 750 °C происходят уже химические и структурные изменения. Скорость охлаждения от начала затвердевания наплавленного металла до 600 °C должна быть не более 4 °C в секунду. При большей скорости охлаждения ухудшается процесс графитизации и происходит отбеливание чугуна. Мелкие детали подогревают до температуры 150—200 °C. Для подогрева деталей используют горн, электрические печи или индукционные аппараты (нагрев током промышленной частоты).

Холодная сварка чугуна находит все большее применение. Она выполняется различными способами и с использованием специальных электродов.

Сварка чугуна стальными электродами

Сварка чугуна электродами для сталей — наиболее доступный способ сварки. Однако в большинстве случаев он дает очень низкое качество сварного соединения и, как правило, сиюминутную выгоду. Наплавленная сталь плохо сцепляется с чугуном из-за разной усадки. В зоне плавления она обогащается углеродом, становится хрупкой, податливой закалке и дает при остывании трещины.

При сварке стальными электродами вследствие проплавления чугуна содержание углерода в металле шва очень велико (1,1—1,8%). Металл валика, наплавленного на чугун, представляет собой закаленную высокоуглеродистую сталь со значительным содержанием кремния, марганца, а иногда фосфора, серы и других загрязнений, перешедших из чугуна. Это способствует образованию в шве трещин. Быстрое охлаждения, имеющее место при холодной сварке, приводит к значительному повышению твердости наплавленного металла и металла зоны термического влияния, где чугун приобретает структуру белого чугуна, характеризующуюся твердостью и хрупкостью. Между наплавленным валиком и основным металлом образуется полоса отбеленного чугуна шириной около 1 мм и затем более широкая полоса закаленного чугуна. Место сварки, выполненное стальными электродами, не поддается обработке режущим инструментом. В металле шва зачастую появляются поры из-за повышенного содержания газов в чугуне. Образование трещин и пор значительно снижает прочность и плотность сварного соединения. Многослойная наплавка в значительной степени устраняет эти недостатки.

Уже третий наплавленный слой становится исходным материалом электрода. Преимущества многослойной наплавки чугуна стальными электродами были использованы при разработке способа холодной сварки чугуна отжигающими валиками.

Вдоль трещины чугунной детали разделывают кромки, получая V-образный профиль трещины, и по обе стороны снимают литейную корку на расстоянии, примерно равном ширине разделки. На первый сварочный валик длиной 40—50 мм сразу же накладывают второй, отжигающий валик. При наложении второго валика первый больше прогревается и затем остывает с меньшей скоростью. Значительная часть цементита распадается, выделяется графит, а закаленная часть шва частично отпускается и нормализуется. Верхний (отжигающий) валик уже меньше подвержен закалке, в результате чего резко снижается твердость всего шва и частично снимаются остаточные напряжения, возникающие при сварке.

Для улучшения качества сварного соединения применяют электроды малого диаметра и пониженную силу тока, чтобы уменьшить тепловое воздействие дуги на чугун. Сварку ведут короткими участками, вразброс, стараясь как можно меньше проплавлять чугун. С целью усиления связи наплавленного металла с чугуном при сварке сильно нагруженных деталей (корпуса коробок передач, корпуса трансмиссий тракторов и т. п.) на разделанных кромках трещины часто ставят в шахматном порядке на резьбе упрочняющие стальные шпильки (рис. 1). Диаметр и число шпилек устанавливаются в зависимости от толщины стенок детали и длины трещины. Рекомендуется принимать диаметр шпилек d = (0,15—0,2)S, где S — толщина стенки, но не менее диаметра электрода. Расстояние между шпильками берут равным (4—6)d, глубина посадки — 2d, расстояние от кромок — не менее (1,5—2)d. Выступающую часть шпилек обваривают по периметру, а затем наплавляют весь шов.

Процесс сварки начинается с обварки шпилек кольцевыми швами. Обварка должна вестись вразброс с целью избежания сильного местного перегрева детали. После обварки всех шпилек накладывают кольцевые швы, пока вся поверхность завариваемого участка не будет покрыта слоем наплавленного металла. Крайние ряды шпилек обваривают лишь после того, как весь участок будет полностью заварен. Для обварки шпилек и нанесения облицовочного слоя следует применять электроды малого диаметра (3,0—3,5 мм), для окончательной заварки трещины можно использовать электроды диаметром от 4 до 6 мм.

Рис. 1. Сварка чугуна с применением упрочняющих шпилек: а — установка шпилек; б — обварка шпилек

В связи с тем, что прочность металла, наплавленного стальными электродами, примерно в два раза выше прочности чугуна, толщина наплавленного металла должна составлять примерно 50% от толщины стенки детали в месте сварки. Излишнее количество наплавленного металла нежелательно, так как при этом увеличиваются усадочные напряжения, и появляется опасность образования трещин.

Чрезмерный нагрев детали при сварке приводит к образованию трещин в зоне термического влияния. Поэтому при сварке не следует допускать нагрев свариваемой детали выше 40—50 °C на расстоянии 100 мм от шва.

Первые слои в разделке трещины или обварку упрочняющих шпилек выполняют электродами ЦЧ-4, а все последующие — электродами типа УОНИ-13/55 или другими электродами со стержнем из низкоуглеродистой стали. Во втористокальциевое покрытие электродов ЦЧ-4 введены элементы, активно вступающие в механическое соединение с углеродом свариваемого металла и образующие устойчивые карбиды, нерастворимые в железе. В результате этого достигается достаточно прочное соединение наплавляемого шва с чугуном.

Восстановление чугунных деталей способом отжигающих валиков в сочетании установки упрочняющих шпилек, скоб и других связей дает удовлетворительные результаты, но он трудоемок, сравнительно малопроизводителен, требует большого расхода электродного материала. Разработаны и успешно применяются для сварки чугуна железо-никелевые электроды.

Сварка чугуна электродами на основе никеля

Сварка чугуна электродами на основе никеля дает достаточно высокую прочность. При этой сварке отсутствуют трещины, а наплавленный металл хорошо поддается обработке. Это объясняется тем, что никель неограниченно растворяется в железе, а никелевый аустенит содержит много углерода без образования карбидов. Металл наплавленный электродами ОЗЖН-1 содержит до 48% никеля. Электроды предназначены для холодной сварки серого и высокопрочного чугуна. Они рекомендуются для устранения дефектов в чугунных головках блоков, в блоках двигателей и других ответственных деталях.

В настоящее время широкое применение получают электроды с содержанием никеля более 90%, ОЗЧ-3, ОЗЧ-4. Однако такие электроды очень дороги.

Сварка чугуна электродами на основе меди

Сварка электродами на основе меди применяется во всех случаях, когда не требуется высокая прочность сварного шва. Медь, как и никель, не образует соединений с углеродом, но она практически не растворяется в железе. Поэтому наплавленный шов не однороден, в медной основе расположены включения высокоуглеродистой железной фазы повышенной твердости.

Медно-железные электроды ОЗЧ-2, ОЗЧ-6 изготавливают из медного стержня с фтористо-кальциевым покрытием, в которое добавляют 50% железного порошка. Эти электроды применяют для заварки трещин в водяных рубашках блоков двигателей, головках блока и т. п. Трещину засверливают по концам и разделывают под углом 70—90° на 2/3 толщины детали. Края трещины тщательно зачищают, так как следы ржавчины, масла и прочих загрязнений вызывают пористость шва. Сварку ведут короткой дугой на постоянном токе обратной полярности с перерывами для охлаждения детали до температуры 50—60 °C. Для получения более плотного шва участки в 40—60 мм сразу после сварки проковывают. Слой наплавленный электродами ОЗЧ, представляет собой медь, насыщенную железом с вкраплением закаленной стали большой твердости. По границе шва отдельными участками располагаются зоны отбеливания. Несмотря на достаточно высокую твердость, шов можно обрабатывать твердосплавным инструментом. Медно-никелевые электроды МНЧ-2 представляют собой стержни из монель-металла (28% меди, 2,5% железа, 1,5% марганца, остальное никель). Никель этих электродов не образует соединений с углеродом, поэтому наплавленный шов получается с малой твердостью, зона отбеленного чугуна почти отсутствует, зона закаленного чугуна имеет невысокую твердость, которая может быть легко снижена небольшим отпуском. Кроме того, в шве образуется меньше пор и трещин, его легче обрабатывать, но прочность его получается низкой. Поэтому медно-никелевые электроды часто применяют в сочетании с медно-железными электродами. Первый и последний слой наносят медно-никелевыми электродами (чтобы в первом слое обеспечить плотность, а в последнем — улучшить обработку), остальное заплавляют медно-железными электродами. Наплавку медно-никелевыми электродами ведут также, как и медно-железными электродами.

Для холодной сварки и наплавки чугуна (т. е. сварки и наплавки, выполняемых без предварительного подогрева) специальными электродами, характерно проведение процесса с минимальным тепловложением короткими валиками протяженностью 25—60 мм с охлаждением каждого наложенного валика на воздухе до температуры не более 60 °C. Иногда рекомендуется проковка каждого валика легкими ударами молотка.

Сварочные напряжения, возникающие в конструкции в результате нагрева, могут быть сняты почти полностью, если в шве и зоне термического влияния создать дополнительные пластические деформации. Этого можно достичь проковкой швов. Проковку проводят в процессе остывания металла при температурах 450 °C и выше либо от 150 °C и ниже. В интервале температур 400—200 °C в связи с пониженной пластичностью металла при его проковке возможно образование надрывов. Специальный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6—1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием доизменения рисунка шва. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины и облицовочного. Этот прием весьма эффективен для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких контурах деталей и узлов из конструкционных сталей и чугуна.

Проковка сварного соединения способствует также повышению усталостной прочности конструкции.

Как правильно варить чугун разными видами сварки

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, с содержанием последнего больше 2%. Из-за низкой по сравнению со сталью температуры плавления (1200 – 1250 оС) он быстро переходит из расплавленного состояния в твёрдое. При этом в шве образуются поры по причине интенсивного выделения газов из сварочной ванны, продолжающегося и на стадии кристаллизации. Чтобы правильно определить, как варить чугун, необходимо учитывать следующие особенности:

ускоренное охлаждение ведет к образованию отбеленной прослойки (цементита) в зоне около шва и создает трудности его дальнейшей механической обработки;
его высокая при неравномерном нагреве или охлаждении вызывает появление трещин в процессе сварочных работ;
высокая текучесть чугуна в жидком состоянии вызывает необходимость использования подформовки;
сильное образование газов в жидкой ванне вызывает пористость сварных швов.

Как заварить чугун

Соединение чугунных деталей выполняют газовой, термитной, литейной, электрошлаковой, дуговой сваркой, а также пайкой. Сварочные работы выполняют без подогрева (холодная сварка металла), с местным или с общим подогревом изделия.

Горячая сварка

Заформовка детали

Технология процесса включает в себя механическую обработку под сварку, формовку свариваемых деталей, предварительный подогрев, собственно сварочные работы и последующее медленное охлаждение.

Подготовка дефектного места под сварку заключается в его тщательной очистке и в разделке свариваемых кромок.

Устранение сквозных трещин или заварка дефектов на краю деталей выполнятся с применением графитовые форм, предотвращающих вытекание расплавленного металла из сварочной ванны. Формы делают из графитовых пластинок, соединяемых формовочной массой, в состав которой входит кварцевый песок, замешанный на жидком стекле.

Дуговая сварка чугунным электродом выполняется с применением литых стержней диаметром 8 — 12 мм, на которые наносятся специальные графитизирующие покрытия. В состав покрытия входит ферросилиций, термит, графит, мрамор, алюминий (порошок), жидкое стекло и титановая руда. Чугунные отливки и детали нагревают до 300 — 700 оС. Сварочные работы выполняется чугунными электродами либо порошковой проволокой с присадкой керамического стержня. Подогрев выполняется в специальных печах требуется для того, чтобы по окончании сварки охлаждение всего изделия происходило равномерно и не образовывались трещины.

Горячая сварка чугуна выполняется при большой силе сварочного тока без перерывов до конца заварки дефекта. Например, для сварки электродом диаметра 8 мм требуется ток в 600 А, при диаметре 12 мм — ток в 1000 А. Работы производят при постоянном токе обратной полярности.

Дуговая сварка чугуна угольным электродом выполняется угольным или графитовым стержнями. В качестве присадочного материала используются прутки чугуна, а для раскисления и защиты ванны применяют флюс, состоящий из растертой в порошок и прокаленной при 400 оС технической безводной буры. Возможно применение смеси, состоящей из 23% технической буры, 50% азотнокислого натрия и 27% соды. Сварка угольными электродами диаметром 8 — 20 мм проводится при постоянном токе прямой полярности величиной 280 — 600 А с применением преобразователей ПСМ — 1000, выпрямителей ВАМ — 1601, трансформаторов ТДФ — 1601.

В процессе сварочных работ требуется непрерывное поддерживание значительного объёма жидкого металла в сварочной ванне и его тщательное перемешивание. Чтобы заваренные детали медленно охлаждались, их следует засыпать мелким древесным углём либо сухим песком.

Холодный метод проведения сварочных работ

Этот вид сварки чугуна применяется чаще. Подготовка дефектных мест заключается в зачистке, фрезеровании, сверлении и других слесарных работах до получения чистой поверхности металла. Дефекты, расположенные друг от друга дальше 20 мм, высверливают ли вырубают порознь, при более близком расположении — вырубают дефектный участок полностью.

Постановка шпилек для упрочнения шва

На практике применяют несколько вариантов холодной сварки: медно-железными, медно-никелевыми, никелевыми, железо-никелевыми, стальными и другими электродами.

Применяя медно-никелевые и медно-стальные электроды, можно получить наплавленный металл, хорошо поддающийся обработке. Наплавку образуют однослойной или многослойной укладкой валиков.

Сварка стальными электродами выполняется следующим образом. С целью образования прочного слоя наплавленного металла в чугунное изделие вставляют шпильки, которые затем обваривают. Таким способом пользуются при ремонте громоздких и тяжелых чугунных деталей. При таком методе металл шва содержит повышенное количество углерода, что повышает его твердость и способствует образованию холодных и кристаллизационных трещин. Для снижения этой твердости применяют два способа:

1. Содержание углерода снижают за счет уменьшения глубины проплавления основного металла либо процесс соединения металла выполняют по слою окислительного флюса, с содержанием до 30% окалины, выполняющего функцию окислителя углерода.

2. Получают структуру металла шва и его химический состав, близкие к структуре серого чугуна, что достигается путем нанесения на стальной стержень толстого слоя графитизирующего покрытия, в состав которого входит 30% графита и 30% ферросилиция. Стальные электроды широко применяют при ремонте небольших неответственных чугунных изделий, не требующих после сварки никакой обработки.

Зона холодной сварки

Медно-железные электроды применяются при заварке отдельных дефектов либо небольших несплошностей, из-за которых возникают течи на отливках ответственного назначения, работающих под давлением. Наплавленный металл от этих электродов отлично обрабатывается. Сварное соединение представляет из себя механическую смесь железоуглеродистого сплава и меди, соединенных с основным металлом общими стальными кристаллами, а также путем частичного внедрения меди в микропоры чугуна.

Медно-никелевые электроды применяют в основном при заварке литейных дефектов на рабочих поверхностях, на которых недопустимо местное повышение твёрдости.

Железно-никелевые электроды используются при заварке отдельных небольших дефектов на ответственных поверхностях отливок из серого или высокопрочного чугуна.

Никелевые электроды марки применяются при исправлении небольших дефектов в ответственных изделиях.

Многослойное строение пи проведении сварочных работ

Дуговая сварка с применением электродов из аустенитного чугуна, покрытых токоподводящим слоем и предназначенных для заварки литьевых дефектов и ремонтной сварки. Сварочные работы ведут постоянным током прямой полярности. Токопроводящий слой электродов обладает хорошей электропроводностью, поэтому дуга горит между металлическим стержнем и изделием, а также между изделием и покрытием попеременно.

Газовая сварка чугуна применяется редко и ограничивается ремонтными работами (заварка литейных раковин, наплавка изношенных поверхностей, устранение внешних дефектов). Лучший результат дает сварка с использованием ацетилено-кислородной смеси, поэтому другие горючие смеси для сварки чугуна практически не применяются. Сварку выполняют с предварительным подогревом, общим и местным.

Для общего нагрева пользуются муфельными печами, индукционными нагревателям, горнами, способными выполнить нагрев небольших деталей до 300 — 400°С, и крупных до 600 — 700°С. Для местного подогрева применяют газовые горелки или паяльные ламп. Из-за большой текучести чугуна сварку выполняют исключительно для нижних положений шва. Сварочная ванна защищается флюсами, подаваемыми вручную.

Выбор оборудования для аргонно дуговой сварки зависит от того, как тип сваривания был выбран.

Качественно нарезать металл вам поможет газовая сварка. Подробнее о процессе читайте в этой статье.

Механизированные способы сварки и чем можно заварить чугун

Электросварка чугуна (электрошлаковая сварка) обеспечивает удовлетворительные свойства шва сварного соединения. При этом способе в качестве электродов применяют литые чугунные пластины. При правильном подборе электродов и применении фторидных неокислительных и обессеривающих флюсов, а также замедленном остывании шва и околошовной зоны, характерном только для электрошлаковой сварки, возможно получить сварные швы без трещин, отбеленных участков, пор и других дефектов, определяющих качество сварного соединения.

Можно ли заварить чугун в среде защитных газов?

Очень широко применяется метод дуговой сварки в углекислом газе, так как позволяет получить небольшой провар основного металла. Показатели сварных соединений и состав металла шва зависят от техники и режима сварки, размеров изделий, состава электродной проволоки. Пользуясь различными режимами и приемами сварки, можно получить наплавленный металл с необходимой структурой. Наилучшие результаты получаются при использовании проволоки 09Г2СА диаметром 1 мм со значением силы тока не больше 100 — 120 А, напряжения дуги 18 — 21 В, скорости сварки до 12 м/ч. Этим способом можно соединить сантехнические трубы из серого чугуна, отремонтировать автомобильные и тракторные детали, не требующие дальнейшей механической обработки, сварить высокопрочный и чугун со сталью.

Можно ли варить чугун полуавтоматом?

В авто мастерских клиенту без проблем могут заварить чугунный блок полуавтоматом. Сварка чугуна полуавтоматом в домашних условиях, выполняется с использованием порошковой проволоки и дает довольно хорошие результаты.

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.

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.

Технология сварки чугуна покрытым электродом с помощью инвертора в домашних условиях

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.

Читайте также: