Технология и способы электросварки чугуна

Одной из физических свойств чугуна является его плохая свариваемость. Вместе с тем и учётом того, что данный сплав довольно часто применяется в машиностроении, в практике возникает необходимость ремонта чугунных деталей. Хрупкость и неустойчивость чугуна к ударным нагрузкам приводит к повреждению деталей в виде трещин и выломов. Конкретно в авторемонте слесаря сталкиваются с необходимостью варки повреждений блоков двигателя, корпусов трансмиссии и других деталей из чугуна. Материал раскрывает тему технологий и способов сварки чугуна в обычных слесарных условиях.

Сварочный шов чугунной детали

Почему чугун плохо сваривается

Основной причиной из-за которой вытекают все факторы плохой свариваемости это высокое содержание углерода 2.14-6.67% в сплаве. Так сварка чугуна характеризуется следующими процессами, негативно влияющими на прочность шва:

  • Выгорание углерода при сварке
  • Неоднородность структуры формируемого шва
  • Повышенная текучесть разогретого чугуна
  • Возникновение внутренних напряжений при охлаждении

Выгорание углеродных включений образует пористую структуру сварного шва с отложением тугоплавких шлаков, блокирующих сплавление металла. Неоднородность структуры приводит к образованию трещин при охлаждении.

Проблемы в сварке чугуна
Трещины сварки чугуна в результате отбеливания и внутренних напряжений

Вместе с этим, в околошовной зоне, в результате действия нагревания и последующего быстрого охлаждения происходит отбеливание чугуна, где включения чистого графита в структуре растворяется в железе, образуя сверхтвердые и хрупкие соединения — цементит и карбид. Такая неоднородность углерода в структуре приводит образованию внутренних напряжений при охлаждении, которые вызывают растрескивание тела детали после укладки шва в зоне нагрева металла. Природа появления напряжений в остывающем чугуне подобна замерзающей воде.

Также, благодаря высокому содержанию углерода в составе сплава, чугун имеет высокую жидкотекучесть, что при сварке усложняет формирование шва. Особенностью чугуна является то, что при нагреве переход из твердого состояния в жидкое происходит резко.

Технология электросварки чугуна

Несмотря на вышеописанные негативные факторы чугунные детали успешно свариваются, для этого используют ряд технологических приёмов. В практике используют два типа сваривания:

  • Горячее сваривание
  • Холодное сваривание

Горячий тип сваривания подразумевает предварительный нагрев свариваемой детали с последующим медленным охлаждением после укладки сварного шва.
Холодный тип сваривания не предполагает предварительное нагревание, а качество соединения может обеспечивается применением специальных электродов.

Горячая сварка чугуна

Данная технология является более технологичной в сравнении с холодной. Предварительный нагрев и медленное охлаждение даёт возможность избежать процессов отбеливания чугуна в зоне шва, что снижает возникновение внутренних напряжений приводящих к появлению трещин, а также и обеспечивает активное взаимодействия метала свариваемой детали и расплавленного шовного материала.

Горячее сваривание
Сварка чугуна на горячую

Горячая сварка может производится при помощи местного нагрева или общего нагрева детали. По температуре нагрева горячая сварка может различаться на три вида:

  • горячий 500-600°С
  • полугорячий 300-400 °С
  • тёплый 150-200°С

Основным правилом нагрева является постепенное повышение температуры со скоростью 120-150°С в час, конечная температура нагрева не должна превышать 600-650°С. Темп и указанный крайний предел нагрева позволит избежать структурных изменений в массе метала.

Медленное охлаждение детали после сваривания исключит эффект отбеливания чугуна. Постепенное охлаждения может обеспечиваться нагревающим оборудованием, сглаживающим резкое падение температуры. Так же деталь можно медленно охлаждать вместе с нагревательной печью при необходимости дополнительно утеплив её теплоизолирующим негорючим материалом типа базальтовой ваты.

Холодная сварка чугуна

Успешность сварки без предварительного нагревания основывается на свойствах применяемых специальных электродов. С учётом того, что холодное сваривание освобождает от нагрева детали технологически данный тип сварки чугуна более прост, но менее эффективен особенно при применении обычных электродов.

При работе со стандартными стальными электродами в сварке чугунных деталей без предварительного нагрева шов приобретает свойства высокой твёрдости и хрупкости с высоким содержанием кремния и марганца, а также, содержащимися в чугуне фосфора и серы. Хрупкость, склонность к растрескиванию, а также пористость структуры с шлаковыми образованиями такого шва не позволяет его в полной мере обрабатывать режущими инструментами. В результате быстрого охлаждения в 1мм от шва образуется полоска твердого и очень хрупкого отбеленного чугуна, за которым формируется участок закаленного металла. Кроме этого в результате образования внутренних напряжений, часто после охлаждения в зоне нагрева могут появляться трещины, полностью обнуляющие результаты сваривания.

Особенности подготовки чугуна к свариванию

Учитывая хрупкость чугуна, его склонность к развитию трещин — подготовка места сваривания требует более тщательного подхода. При заваривании трещин повреждения заделываются болгаркой на полную глубину с достаточным углом заделки швом. Концы трещин закругляются или засверливаются, исключая, таким образом, линейное её развитие. Место сварки тщательно зачищают от шлака и окалины. Для обезжиривания место очищают растворителем. При сильном замасливании и невозможности качественного обезжиривания пористой структуры материала жирные места выпаливают пламенем горелки.

Подготовка к сварке чугуна
Заделка трещины на чугунной детали

Проковка шва

Одним из приёмов снятия напряжении в формируемом шве при сварке чугуна является его проковка. Особенно эффективна проковка при использовании в сварке специальных медных или никелевых электродов. Операцию проводят в процессе остывания при температуре 450-600°С. При падении температуры ниже указанного предела механическое воздействие на шов не делают во избежание появления трещин и надрывов.

Проковка сварочного шва
Проковка сварочного шва

Операцию проводят пневматическим ударным инструментом с закруглённым бойком или обратной стороной молотка весом 0.6-1.2 кг с незначительным усилием до изменения рисунка шва. При многослойной укладке шва проковку делают после каждого прохода кроме первого слоя. Снятие напряжений проковкой эффективно в случаях заварки трещин и замыкающих швов в жёстких контурах детали или узла из конструкционных сталей или чугуна.

Электроды для сварки чугуна

Вне зависимости от вида применяемых электродов, как описывалось выше сваривание чугуна может производится, как в горячем, так и холодном режимах. Весь вопрос в том, что некоторые виды электродов позволяют сделать сваривание на холодную с более менее удовлетворительным результатом, другие дают хорошие результаты исключительно при сваривании с предварительным нагревом и последующим постепенным охлаждением.

Специальные электроды для холодной сварки

Такие электроды отличаются содержанием в своём составе цветного металла — никеля или меди. Никель отличается свойством хорошей растворяемости в железе при этом он не образует соединений с углеродом в виде карбидов. В результате использования никелевых электродов шов имеет малую твердость хорошо подаётся обработке и не имеет трещин. Кроме этого в зоне сварки практически отсутствует эффект отбеливания, а сам метал имеет повышенную вязкость.

Медь также не вступает в соединение с углеродом, но в отличии от никеля не растворяется в железе. Шов при использовании медесодержащих электродов получается неоднородным с включением твердого углеродистого железа.

Среди массы марок специальных электродов можно выделить три основных типа:

  • Никелевые и железно-никелевые, содержащие до 90% никеля марок ОЗЖН-1, ОЗЖ-3, ОЗЖ-4
  • Медно-железные, в виде медных прутков с обмазкой в составе с железным порошком марок ОЗЧ-6, ОЗЧ-2
  • Железно-медно-никелевые марок МНЧ-2

На рынке также присутствуют импортные аналоги специальных электродов для сварки чугуна.

Используя данный тип электродов нужно иметь виду, что работают сваркой в режиме обратной полярности. Сваривание нужно осуществлять короткими швами без глубокой проплавки металла. В промежутке между укладкой коротких швов нужно делать перерывы для остывания зоны сваривания до температуры 50°С. Укладку шва можно проводить как в нижнем, так и в вертикальном положениях.

Самодельные электроды для сварки чугуна

В случаях отсутствия фабричных специальных электродов можно изготовить самостоятельно аналог. Для этого используют медную проволоку марок М2, М3 с диаметром сечения 3-5 мм. Обмазку для самодельного электрода проще изготовить из готового покрытия фабричного стального электрода.

Так для работы на постоянном токе подойдёт покрытие с электродов марки УОНИ 13/55 или ОЗС-2, для работы на переменном токе подойдёт покрытие электродов АНО-4, АНО-5. Измельчённое покрытие электродов смешивают в пропорции 1:1 с железной стружкой или порошком. Полученный состав замешивают на жидком стекле и после предварительной зачистки и обезжиривании медной проволоки, полученную обмазку наносят погружением заготовок в приготовленный раствор. Толщина слоя покрытия должна быть в пределах 1.5-2 мм. В заключении после вертикальной сушки на воздухе изготовленные электроды прокаливают в сушильном шкафе, плите или духовке при температуре 200-250°С. Порядок применения таких электродов не отличается от фабричных специальных электродов.

Чугунные электроды

Данный вид материала используется для устранения дефектов в чугунном литье. Электроды выполнены в виде литых чугунных прутков покрытых специальной обмазкой. В состав покрытия ОЧМ-1 входит: мел-25%, графит — 41%, полевой шпат – 25%, ферромарганец – 9%.  В дополнение в состав может входить термит обеспечивающий замедление остывания шва. Лучше производить сваривание на постоянном токе, в крайнем случае допускается использование переменного тока, силу которого подбирают из расчета 50-60А на 1мм чугунного электрода.

Больше данный метод сварки распространён в технологических процессах литейного производства чугуна. При сваривании на холодную чугунными электродами шов получает неоднородную структуру и в результате быстрого охлаждения зона нагрева подвержена отбеливанию. Лучшие результаты в качестве шва можно получить при нагреве детали до полугорячего значения 300-400°С.

Неплавящиеся электроды

Для сваривания чугуна могут использоваться вольфрамовые, угольные или графитные электроды, используемые для наплавки. В качестве припоя используют чугунные прутки или специальные присадочные материалы, содержащие никель, медь, алюминий. При сваривании зона формирования шва защищается флюсом – бурой или инертным газом аргоном. Наиболее часты в применении вольфрамовые электроды с никелевым припоем на переменном токе с защитной зоной из аргона.

Как заварить чугун обычным электродом

Учитывая, что применение обычных стальных электродов для сварки чугуна дают плохие результаты для более надёжного сваривания применяют следующий ряд приёмов.

Для повышения надёжности сваривания укладывают первый плакирующий слой в разделке будущего шва электродом марки ЦЧ-4. После применяют обычный стальной низкоуглеродистый электрод.

Сварка чугуна

Также для улучшения качества на основе стального электрода можно изготовить подобие специального электрода намотав на него медную проволоку сечением 1.5-2 мм. При этом масса меди в электроде должна превышать массу железа в электроде 4-5 раз. Также можно использовать обычный электрод в тандеме с присадочным медным прутком. По отзывам практиков такие способы дают неплохие результаты в сваривании чугуна.

Сварка чугуна
Пример заварки повреждений чугунного блока двигателя

Значительным повышением результата сварки при использовании простых стальных электродов будет предварительный нагрев детали до температуры 150-200°С с последующим медленным охлаждением после укладки шва. Учитывая высокую жидкотекучесть чугуна варить нужно с нижним расположением шва.

Одним из вариантов повышения эффективности сваривания чугуна стальными электродами есть использование армирующих стальных шпилек, болтов по периметру шва и в зоне его разделки. Шпильки монтируются на резьбе в тело чугунной детали и свариваются между собой одновременно сплавляясь швами с чугуном. При монтаже шпилек выдерживают следующие правила и параметры:

  1. Диаметр сечения шпилек не должен превышать 0.3-0.4 толщины свариваемой детали и не более 12 мм.
  2. Глубина посадки шпилек должна быть 1.5 диаметра и не больше половины толщины тела чугунной детали.
  3. Высота выступающей части шпильки 0.75-1.2 диаметра сечения шпильки.
  4. Шпильки размещают в шахматном порядке на скошенных краях разделки и в один ряд на поверхности детали на расстоянии 4-6 диаметров их сечения.
Сварка чугуна
Техника сварки чугуна с использованием армирующих штифтов

Выступающие части шпилек обваривают по периметру постепенно заплавляя весь шов. Работая на малом токе электродом с сечением 3 мм сначала кольцевыми швами обваривают концы шпилек. Для недопущения местного перегрева шпильки обвариваются в разброс. После обварки всех шпилек кольцевыми швами свариваются все участки образуя единую наплавленную зону. Во избежание появления усадочных напряжений на сваренном участке, ведущих к появлению трещин после сваривания, толщина наплавки не должна превышать толщину тела чугунной детали.

Как заварить чугун полуавтоматом

Благодаря использованию сварочного полуавтомата добиваются хорошего качества сварочного шва. Оборудование позволяет производить точечное сваривание. Кроме этого сваривание полуавтоматом характеризуется нагревом только непосредственно в зоне укладки шва без широкого прогрева площади метала. Таким образом, полуавтомат нейтрализует эффект отбеливания в околошовной зоне, что приводит к более лучшим результатам в сваривании чугунных деталей в сравнении с обычным сварочным аппаратом.

Ремонт чугунных деталей
Заварка повреждений чугунного коллектора полуавтоматом

Говоря о непосредственном применении полуавтомата в сваривании чугунных деталей лучшим будет, в качестве припоя вместо стандартной стальной проволоки использовать специальную проволоку по аналогии специальных электродов. В случае с полуавтоматом используют следующие маки сварочных порошковых специальных проволок в составе с медью или никелем, а также сопутствующими присадками:

  • ПП АНЧ-1 для холодного сваривания чугуна
  • ПП АНЧ-2 для полугорячего сваривания 300-400°С
  • ПП АНЧ-3 для горячего сваривания 500-600°С
Проволока для полуавтомата
Сварочная проволока по чугуну для полуавтомата

Естественно более качественное сваривание чугуна полуавтоматом можно получить в горячем режиме.
Сварку осуществляют на малом токе с обратной полярностью. Держатель ведут под углом 50-60° и визуально контролируют укладку шва. Полное сваривание осуществляют в 2-3 прохода осуществляя многослойную структуру. Первый слой осуществляют линейно без поперечных колебаний. Остальные слои формируют с поперечной петлевой укладкой. В заключении удаляют сварочный шлак и обеспечивают медленное остывание детали изолируя её от окружающего воздуха асбестовым материалом, термостойкой каменной ватой или древесным углём.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector