Глава 11 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

11.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА

Чугун получил широкое распространение как конструкционный ма­териал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материа­лами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литей­ные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высо­кую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуют­ся меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряже­ний. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого ли­тейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. По­следнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание кото­рого превышает 2,11 % (2,14 %). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы и фосфора, а ино­гда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и се­рые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение кар­бид железа Fe₃C - цементит. В серых чугунах значительная часть углеро­да находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые об­ладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабаты­ваться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий при­меняют крайне редко, их используют главным образом в виде полупро­дукта для получения ковких чугунов. Получение белого или серого чугу­на зависит от состава и скорости охлаждения.

В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высоко­прочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5 % леги­рующих элементов), среднелегированные (2,5 ... 10 % легирующих эле­ментов) и высоколегированные (свыше 10 % легирующих элементов).

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

Рис. 11.1. Влияние различных

легирующих элементов на

процесс графитизации

углерода в чугунах

Шире всего используют простые и низко­легированные серые литейные чугуны.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распреде­ление графита в структуре, но и вид ме­таллической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица можетбыть перлитно-цементитной (П + Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П + Ф) и ферритной (Ф). Це­ментит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводи­мые в чугун, способствуют графитизации, другие - препятствуют. На рис. 11.1 знаком "-" обозначена графитизирующая

способность рассматриваемых элементов, знаком "+" задерживающее процесс графитизации действие (отбеливание). Как следует из приведен­ной схемы, наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремний, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, хром. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

Из рис. 11.2 следует, что при определенном содержании углерода увеличение содержания кремния при прочих равных условиях способст­вует графитизации чугуна и уменьшению количества цементита в базо­вой структуре (П ® Ф).

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна данной марки при растяжении в МПа • 10^-1. Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ10, СЧ15, СЧ25, СЧЗО, СЧ35. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии зна­чительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ20, имеющего предел прочности при растяжении 200 МПа, пре­дел прочности при сжатии составляет 800 МПа. Для увеличения прочно­сти чугуна фафитовым включения придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Рис. 11.2. Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна:

П - перлит; Ф - феррит; Ц - цементит; Г - графит

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, характери­зующими временное сопротивление чугуна при растяжении в МПа • 10^-1. Например, ВЧ 60 или ВЧ 40.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (МПа • 10^-1) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 с ферритной металлической основой и КЧ 45-7; КЧ 50-5 и КЧ 60-3, имеющие перлитную основу.

Структура чугуна в большой степени зависит от скорости охлажде­ния. Например, при постоянстве суммарного содержания углерода и кремния, а также других элементов, входящих в его состав, можно полу­чить ферритный, перлитный, а также перлитно-ферритный чугун.

11.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно. В связи с этим чугун отно­сится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемо­стью. Тем не менее сварка чугуна имеет очень большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, ремонта чугунных из­делий, а иногда и при изготовлении конструкции.

Качественно выполненное сварное соединение должно обладать не­обходимым уровнем механических свойств, плотностью (непроницаемо­стью) и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режу-

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

щим инструментом). В зависимости от условий работы соединения к не­му могут предъявляться и другие требования (например, одноцветность, жаростойкость и др.).

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соеди­нений из чугуна, следующие:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбе­ливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режу­щим инструментом.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пла­стичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошов­ной зоне. Наличие отбеленных участков, имеющих большую плотность (7,4 ... 7,7 г/см³), чем серый чугун (6,9 ... 7,3 г/см³), создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию.

3. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое про­должается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

4. Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание рас­плавленного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле свароч­ной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров. Влияние скорости ох­лаждения на структуру металла шва и околошовной зоны может быть охарактеризовано схемой, представленной на рис. 11.3. В случае низких скоростей охлаждения в чугунном шве и участке околошовной зоны мо­жет быть обеспечено сохранение структуры серого чугуна. На схеме

w'_охл (°С/с) обозначено наибольшее значение скорости охлаждения ме­талла шва и высокотемпературного участка зоны термического влияния при эвтектической температуре, если чугун сваривали без предваритель­ного подогрева.

Практически при любом составе чугуна в шве и высокотемператур­ном участке околошовной зоны будет иметь место отбеливание. Сварка чугуна с подогревом (300 ... 400 °С) уменьшает скорость охлаждения (w"_охл на рис. 11.3). При такой скорости охлаждения в шве и на участке

околошовной зоны, в зависимости от количества графитизаторов, может быть получен либо белый, либо серый чугун.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Рис. 11.3. Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и околошовной зоны

При высоком подогреве (600 ... 650 °С) скорость охлаждения при эвтектической температуре снижается до w"'_охл, при которой отбелива­ния не происходит. Замедление охлаждения приводит к распаду аустени-та с образованием ферритной или перлитно-ферритной металлической основы. Таким образом, наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны, нагревав­шейся выше температуры Ас₃, - высокий предварительный или сопутст­вующий подогрев чугуна до температуры 600 ... 650 °С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна.

Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также ликвидации трещин и пористости за счет увеличения времени существо­вания жидкой ванны и лучшей дегазации ее, а также уменьшения темпе­ратурного градиента и термических напряжений.

Сварку с подогревом до температур 300 ... 400 °С называют полуго­рячей, а без предварительного подогрева - холодной сваркой чугуна. При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлурги­ческие и технологические средства воздействия на металл шва с целью повышения качества сварных соединений. К их числу относятся:

- легирование наплавленного металла элементами-графитиза-торами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве структуру серого чугуна;

- легирование наплавленного металла такими элементами, которые позволяют получить в шве перлитно-ферритную структуру, характерную

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

для низкоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле;

- введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода (выжигания его) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;

- применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплав­ленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высо­кой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к тем­пературе плавления чугуна.

Горячая сварка чугуна

Наиболее радикальным средством борьбы с образованием отбелен­ных и закаленных участков шва и околошовной зоны и образованием пор и трещин служит подогрев изделия до температуры 600 ... 650 °С и мед­ленное охлаждение его после сварки. Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих этапов: I - подготовка изделия под сварку; И - предварительный подогрев деталей; III - сварка; IV - последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Од­нако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тща­тельной очистке от загрязнений и в разделке для образования полостей, обеспечивающих доступность для манипулирования электродом и воз­действия сварочной дуги. Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы, место сварки формуют. Формовку вы­полняют в зависимости от размеров и местоположения исправляемого дефекта с помощью графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, состоящей из кварцевого песка, замешенного на жидком стекле, или другими формовочными материалами, а также в опоках формовоч­ными материалами, применяемыми в литейном производстве (рис. 11.4).

После формовки необходима просушка формы при постепенном подъеме температуры от 60 до 120 С, затем проводят дальнейший нагрев под сварку со скоростью 120 ... 150° в час в печах, горнах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки дос­тигается при укрывании изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста и засыпкой песком, шлаком и др.) или при охлаждении вместе с печами, горнами.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Рис. 11.4. Формовка места сварки для горячей сварки чугуна:

а — несквозной раковины; 6 — недолива кромки детали, с облицовкой заплавляемой полости графитовыми пластинами; в - общий вид заформованного дефекта; / - деталь; 2 - формовка; 3 - графитовые пластины

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависи­мости от характера производства (устранение литейных дефектов, ре­монтная сварка и т.д.). Например, при массовом производстве в литейных цехах автомобильных и тракторных заводов целесообразно использовать конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных пе­чах или в горнах с открытым кожухом; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные уст­ройства из огнеупорного кирпича, в том числе печи-ямы в земляном полу цеха.

Остывание в зависимости от веса и формы детали длится от не­скольких часов до нескольких суток. Для сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б (табл. 11.1). Стержни получают отливкой в кокиль и другими способами.

В состав покрытия, наносимого на литые прутки, диаметром 5 ... 20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. В качестве последних обычно используют графит, карборунд, ферросилиций, сили-кокальций, силикомагний и другие элементы-графитизаторы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших токах [/_св= (60... 100)d_э] без

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

перерывов до окончательной за­варки дефекта. При больших объ­емах завариваемого дефекта два сварщика, работающие поочеред­но. Электрододержатель для горя­чей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным элек­тродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога. Примером одной из возможных конструкций может служить элек­трододержатель завода "Станко-лит" (рис. 11.5). В этом держателе электрод приваривают к стальному

стержню. Для горячей сварки чугуна можно использовать дуговую свар­ку угольным электродом. По возможности изменения теплового воздей­ствия 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. Диаметр электрода и силу сва­рочного тока выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 11.2).

В качестве присадочного материала используют прутки марок А и Б. Для перевода тугоплавких окислов в легкоплавкие соединения применя­ют флюсы на борной основе, чаще всего техническую безводную (прока­ленную) буру.

11.3. Состав порошкой проволоки ППЧ-3 и наплавленного металла*, %

Рис. 11.5. Электрододержатель для горячей сварки чугуна:

/ - электрод; 2 - стальной стержень

диаметром 12 мм; 3 - крепление

(приварка) токоподвода к стержню;

4 - щиток; 5 - рукоятка; 6 - кольцо;

7-сварочный кабель

11.2. Режимы сварки угольным электродом

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Горячая сварка чугуна ручным способом, особенно массивных изде­лий - тяжелый труд. Весьма прогрессивный способ, облегчающий труд и повышающий производительность, - механизированная сварка порошко­вой проволокой. В состав шихты вводят компоненты, которые позволяют получать состав металла шва, представляющий собой чугун. Состав по­рошковой проволоки марки ППЧ-3 для горячей сварки чугуна приведен в табл. 11.3.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорого­стоящий процесс. Вместе с этим в ряде случаев к сварным соединениям из чугуна не предъявляется таких требований. Часто, например, доста­точно обеспечить только равнопрочность или только хорошую обрабаты­ваемость, или плотность сварных швов. С помощью различных метал­лургических и технологических средств можно получить сварные соеди­нения из чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предварительного подогрева (т.е. с помощью полугорячей или холодной сварки).

Холодная и полугорячая сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение серого чугуна в металле шва

Холодная сварка чугуна электродами положительных результатов не обеспечивает, так как при больших скоростях охлаждения образуется структура белого чугуна в шве и высокотемпературной области около­шовной зоны, а также происходит резкая закалка металлической основы участков зоны термического влияния, нагревающихся в процессе сварки

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

выше температуры Ас₃. Возникающие при этом деформации превышают деформационную способность металла шва и околошовной зоны, в ре­зультате чего образуются трещины.

Для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой со­став металла шва, для которого в этих условиях будет получаться струк­тура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных вклю­чений. Это может быть достигнуто путем введения в наплавленный ме­талл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, способствующими сфероидизации карбидов (магни­ем). Примером таких электродов могут служить электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2 %) содержанием кремния, покрытие двухслойное: первый слой - легирую­щий, второй - обеспечивает газовую и шлаковую защиту:

1-й слой 2-й слой

Графит............... 41 % Мрамор...........50 %

Силикомагний........ 40 % Плавиковый шпат . . 50 %

Железная окалина..... 14 % Относительная масса

Алюминий (порошок).. 5 % каждого слоя..... 15 - 20 %

При сварке этими электродами чугунных деталей с толщиной стен­ки до 12 мм без предварительного подогрева удается 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.

При сварке этими электродами массивных деталей, для получения бездефектных сварных соединений, приходится их подогревать до тем­ператур 400 °С. Для улучшения обрабатываемости и некоторого повы­шения пластичности металла шва используют электроды из никелевых чугунов, например нирезиста или никросилаля (табл. 11.4).

Электроды из никелевых чугунов обеспечивают получение швов, обладающих хорошей обрабатываемостью. Тонкое покрытие (М), нано­симое на стержни из никелевых чугунов, рекомендуется следующего со­става: карборунд 55 %; углекислый барий 23,7 %; жидкое стекло 21,3 %. Сварку выполняют в несколько слоев при возвратно-поступательном пе­ремещении электрода. Основной недостаток электродов из никелевых чугунов - повышенная склонность к образованию горячих трещин.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

11.4. Состав электродных стержней из никилевых чугунов, %*

* Остальное Fe.

Получить в наплавленном металле серый чугун можно, применяя специальные сварочные материалы, которые обеспечивают легирование через электродное покрытие. Примером таких материалов могут служить электроды, стержень которых изготовлен из низкоуглеродистой проволо­ки, например, марок Св-08 или Св-08А по ГОСТ 2246-70, а в легирую­щем покрытии содержится достаточное количество элементов-графитизаторов - углерода и кремния. Наиболее характерны электроды марки ЭМЧС, стержень которых состоит из низкоуглеродистой элек­тродной проволоки, а покрытие - из трех слоев:

1-й слой 2-й слой

Графит.............. 50 % Мрамор.............. 50 %

Силикомагний....... 41 % Плавиковый шпат......47,5 %

Гематит............. 6 Бентонит.............. 2,5 %

Алюминий (порошок) 1,5 % 3-й слой

Бентонит............ 1,5 % Графит................ 100 %

Электроды изготовляют путем последовательного нанесения обмаз­ки, замешенной на жидком стекле, причем толщина каждого слоя должна обеспечивать относительную массу 1-го слоя 55 ... 60 %, 2- и 3-го - по 15 ... 20 %. Как видно из приведенного состава покрытия, 1-й слой явля­ется легирующим, 2-й шлако- и газообразующим, 3-й - газозащитным. Графит и силикомагний, входящие в состав 1-го слоя, служат графитиза-торами, причем магний в некоторой степени способствует сфероидиза­ции графита; гематит и алюминий, вступая во взаимодействие, способст­вуют некоторому снижению скорости охлаждения при эвтектической температуре и тем самым получению в шве структуры серого чугуна.

Применение этих электродов при сварке чугунных изделий с отно­сительно небольшой толщиной свариваемого металла (до 8 ... 10 мм) позволяет получить качественные сварные соединения без предваритель-

14*

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

ного подогрева изделия; при больших толщинах необходимо применять полугорячую сварку.

Для холодной и полугорячей сварки чугуна полуавтоматами исполь­зуют специальные порошковые проволоки, обеспечивающие получение в шве серого чугуна. Для холодной сварки изделий с относительно не­большой толщиной стенок (в месте сварки) рекомендуется проволока марки ППЧ-1, для полугорячей сварки - проволока ППЧ-2 (табл. 11.5), а также проволоки ППНЧ-7; МН-25; ПАНЧ-11.

Механизированная сварка порошковой проволокой позволяет полу­чать наплавленный металл близкий по составу и структуре к сваривае­мому чугуну. При заварке дефектов в крупных чугунных отливках, для исправления которых необходимо наплавить большой объем металла, а также при изготовлении крупногабаритных массивных изделий из высо­копрочных чугунов с шаровидным графитом, можно использовать элек­трошлаковую сварку пластинчатыми электродами. Эти электроды пред­ставляют собой литые чугунные пластины с содержанием элементов-графитизаторов (углерода и кремния), равном содержанию последних в электродных стержнях марок А и Б, и 0,04 ... 0,08 % Mg.

11.5. Составы порошковых проволок и наплавленного ими металла для холодной и полугорячей сварки чугуна, %

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

При электрошлаковой сварке чугуна применяют фторидные обессе­ривающие и неокислительные флюсы. Замедленное охлаждение металла шва и околошовной зоны, характерное для электрошлаковой сварки, по­зволяет получать сварные соединения без отбеленных и закаленных уча­стков, трещин, пор и других дефектов. Электрошлаковая сварка обеспе­чивает вполне удовлетворительные механические свойства сварных со­единений из чугуна и хорошую их обрабатываемость.

Кроме общего подогрева, применяемого при полугорячей сварке различными способами, в ряде случаев (в зависимости от конструкции) можно ограничиться местным подогревом до нужной температуры. В процессе сварки необходимо обращать внимание на то, чтобы изделие в районе сварки не охлаждалось ниже заданной температуры подогрева.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали

Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных ста­лей, то в 1-м слое даже при относительно небольшой доле участия основ­ного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоро­стях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительно­го подогрева изделия, приобретает резкую закалку. Поэтому металл 1 -го слоя будет иметь высокую твердость, низкую деформационную способ­ность и окажется подверженным образованию холодных трещин, а также пористости. Во 2-м слое, естественно, доля участия чугуна уменьшится, однако содержание углерода в нем будет находиться еще на высоком уровне, что также приведет к закалке и возможному образованию тре­щин. В последующих слоях доля участия чугуна окажется незначитель­ной, и металл шва будет обладать определенным уровнем пластичности.

В связи со сказанным такие стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требования обеспечения проч­ности, плотности и обрабатываемости режущим инструментом. С целью уменьшения доли участия основного металла в шве, а также размеров зоны термического влияния (в том числе и участков отбеливания и закал­ки) применяют электроды небольших диаметров (для 1-го слоя 3 мм, для

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

2-го и последующих 3 ... 4 мм), на малых токах [/_св = (20 ... 25)d_э], не перегревая основной металл.

Сначала выполняют облицовку 1-м слоем. Сварку выполняют корот­кими участками, валиками небольших сечений [F_н = (6 ... 8)d_э] вразброс для охлаждения шва и околошовной зоны до температуры 50 ... 60 °С. После 3-го слоя можно применять режимы с несколько большей погонной энерги­ей, но также с перерывами, чтобы зона разогрева чугуна была небольшой. Для уменьшения напряжений полезно применять проковку средних слоев.

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 и дру­гих несущих элементов толстостенных конструкций), применяют сталь­ные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения - линию сплавления.

Шпильки имеют резьбу, их ввертывают в тело свариваемой детали. Размеры шпилек обычно зависят от толщины свариваемых деталей. Практикой установлены следующие рекомендации: диаметр шпилек 0,3 ... 0,4 толщины детали, но не более 12 мм; глубина ввертывания шпи­лек 1,5 диаметра их, но не более половины толщины свариваемых дета­лей; высота выступающей части 0,75 ... 1,2 диаметра шпильки. Шпильки располагают в шахматном порядке на скошенных кромках деталей и в один ряд на поверхности детали с каждой стороны стыка, причем рас­стояние между ними должно быть равно 4 ... 6 диаметров шпильки.

Сварку выполняют в следующем порядке. Сначала обваривают каж­дую шпильку и облицовывают поверхности кромок электродами диамет­ром 3 мм на малых токах. Затем на облицованные кромки и шпильки на­плавляют валики и окончательно заполняют разделку (рис. 11.6).

При сварке деталей с толстыми стенками для уменьшения количест­ва наплавленного металла рекомендуется в шов вваривать связи из круг­лой или полосовой стали (рис. 11.6, в). Для удержания расплавленного металла шва рекомендуется заформовать трещину (рис. 11.6, г).

Для снижения содержания углерода в металле шва предложено вы­полнять сварку по слою флюса, содержащего до 30 % железной окалины (например: буры 50 %, каустической соды 20 %, железной окалины 30 %).

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Рис. 11.6. Сварка чугуна с применением стальных шпилек:

а - установка шпилек при V-образной подготовке кромок; б - обварка шпилек;

в - вварка стальных связей: / - отверстия с резьбой;

2 - шпильки; 3 - связи; 4 - обварка шпилек и связей; 5 - заварка трещин;

г - формовка при сварке чугуна: / - верхняя; 2 — боковая

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

Углерод, попадающий в сварочную ванну, в высокотемпературной ее части активно окисляется и выводится из нее в виде окиси углерода, не растворимой в металле. В результате концентрация углерода к моменту затвердевания сварочной ванны снижается. Твердость металла шва уменьшается, деформационная способность возрастает.

Однако для более полного эффекта выжигания углерода необходимо применять режимы сварки, характеризующиеся относительно большой погонной энергией, что, однако, отрицательно сказывается на околошов­ной зоне: в ней образуются значительные по размерам участки отбелива­ния и закалки, приводящие к образованию трещин. При сварке чугуна с достаточно высоким содержанием элементов-графитизаторов при не­большой толщине стенки свариваемых деталей можно получить положи­тельные результаты частичной релаксацией сварочных напряжений, что снижает вероятность образования трещин в зоне термического влияния.

Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железоникелевые электроды. Существует несколько типов медно-желез-ных электродов:

1. Медный стержень с оплеткой из жести толщиной 0,25 ... 0,3 мм, которую в виде ленты шириной 5 ... 7 мм навивают на стержень по вин­товой линии. На электрод наносят ионизирующее толстое покрытие. Либо электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной прово­локи, представляющий собой сердечник стальной проволоки, плотно за­прессованный в медную трубку, изготовляют на станках для производст­ва порошковой проволоки.

Может быть также и другой вариант: медный стержень со стальной оболочкой. Во всех разновидностях содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10 ... 15 %, так как в противном случае в шве образуются (в большом количестве) очень твердые включения желе­за с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва.

2. Пучок электродов, состоящий из одного или двух медных стерж­ней и стального электрода с защитным покрытием любой марки. Пучок связывают в четырех-пяти местах медной проволокой и на конце, встав­ляемом в электрододержатель, прихватывают для надежного контакта между всеми стержнями.

3. Наиболее совершенные из числа медно-железных электродов -электроды марки 034-1, представляющие собой медный стержень диа-

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

метром 4 ... 5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из сухой смеси покрытия УОНИ-13 (50 %) и железного порошка (50 %), замешен­ных на жидком стекле.

Медно-железный сплав в шве получается также при сварке медными электродами по слою специального флюса, который состоит из прока­ленной буры (50 %), каустической соды (20 %), железной окалины (15 %) и железного порошка (15 %). Флюс насыпают слоем толщиной около 10 мм, расплавляют дугой; далее по мере перемешивания дуга горит ме­жду медным электродом и расплавленным флюсом.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выпол­нять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспечивающих стабильное горение дуги, короткими участками вразброс, с перерывами для охлаж­дения свариваемых деталей.

Более удачным оказался другой путь. В металл шва вводят сильный карбидообразователь - ванадий. В этом случае в основном образуются карбиды данного элемента, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных нетвердых включений. Металлическая основа при этом оказывается обезуглероженной и достаточно пластичной. При­мером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из низкоугле­родистой проволоки марок Св-08 или Св-08А и покрытием следующего состава: мрамор 12 %, плавиковый шпат 16 %, феррованадий 66 %, фер­росилиций 4 %, поташ 2 %, жидкое стекло 30 % массы сухой смеси.

Металл, наплавленный этими электродами, имеет следующий со­став: до 0,15 % С; до 0,6 % Si; 0,5 % Мп; 8,5 ... 0,5 % V; серы и фосфора до 0,04 % каждого. Этими электродами сначала облицовывают кромки на малых токах. Сварку выполняют параллельными валиками с перекрыти­ем каждого предыдущего на половину его ширины. После 2-го слоя силу тока увеличивают на 15 ... 20 %; окончательно разделку заполняют элек­тродами УОНИ-13/45.

Область применения таких электродов - сварка поврежденных дета­лей и заварка дефектов в отливках из серого и высокопрочного чугуна. В случае необходимости можно также сваривать соединения серого и высокопрочного чугуна со сталью. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность. К способам, обеспечиваю-

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА

щим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали, мож­но также отнести механизированную сварку короткими участками элек­тродной проволокой марок Св-08ГС или Св-08Г2С диаметром 0,8 ... 1 мм в углекислом газе. Сила сварочного тока составляет 50 ... 75 А, напряже­ние дуги 18 ... 21 В, скорость сварки 10 ... 12 м/ч.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в металле шва цветных и специальных сплавов

Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластично­стью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля. Медь и никель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве уменьшает растворимость углерода в железе и способствует гра-фитизации. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, приле­гающую к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, повышению пластичности металла шва способствует 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 медно-железных электродов - неоднородная структура шва: мягкая медная основа и очень твердые включения желез­ной составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получе­нию высокой чистоты обработанной поверхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладают швы, выполненные электродами марки АНЧ-1, стержень которых состоит из аустенитной стали марки Св-04Х18Н9 и медной оболочки. На электрод наносят покрытие фтори-стокалышевого типа.

Наиболее рационально применять медно-железные электроды для заварки отдельных несквозных пороков или небольших неплотностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе рабо­тающих под давлением (фланцы, подшипники).

Медно-никелевые электроды в производстве применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. Положительные свойства

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

таких электродов в том, что никель не растворяет углерод и не образует структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаж­дения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размерах практически отсутствует, так как медь и никель (элементы-графитизаторы) проникая в этот участок, оказывают положите