15.11.2021

                                            группа: 412

 Предмет: Техника и технология ручной дуговой сварки (наплавка, резка) покрытыми электродами.

Тема урока:  Сварка-пайка чугуна

Чугун делится на два вида. Более светлый принято называть белым: на изломе он имеет светло-серый почти что белый цвет. Углерод в его составе представлен в виде цеменита. Такой материал характеризуется высокой хрупкостью и не поддается механической обработке. Он редко применятся для производства разного рода продукции и не подлежит сварке. После дополнительной обработки белого чугуна, а именно – длительного плавления при температуре 1000 градусов Цельсия – получается другой вид чугуна – серый. В отличие от первого продукт более технологичен, может подвергаться механической обработке и сварке. Он используется для производства широкого ассортимента деталей, устойчивых к вибрации и механическим нагрузкам. Ковкий чугун востребован в производстве сельхозтехники, машин, станков, судов и множества иного оборудования.

Вид чугуна	Содержание углерода	Форма углерода	Свойства	Маркировка
серый	3,2-3,5	Пластинчатый графит	Малая усадка, хорошо льется, высокая текучесть в расплавленном состоянии	СЧ-10 СЧ-35
белый	2,14-6,67	Цементит (карбид железа)	Твердость, хрупкость, большая усадка, не поддается механической обработке
ковкий	2,4-3,0	Хлопьевидный графит	Пластичность, хорошие механические свойства, устойчивость к коррозии	КЧ33-8
высокопрочный	3,2-3,8	Шаровидный графит	Жидкотекучесть, почти не образует горячих трещин малая усадка	ВЧ60-2

Если в состав ковкого вида материала ввести определенное количество легирующих добавок, то получится высокопрочный чугун. Материал применяется в производстве труб высокого давления, ответственных деталей для автомобильной промышленности и машиностроения. На изломе цвет такого чугуна будет иметь серебристо-серый оттенок. Углерод в его составе представлен графитом. Этот тип широко используется в качестве конструкционного материала, обрабатывается режущим токарным инструментом, обладает износостойкостью, отличными литейными показателями, устойчивостью к вибрациям.

Основные виды сварки

Специалисты используют 2 вида сварки чугуна – холодный способ и горячий. При холодной сварке необходимо применение электродов, специально предназначенных для сварки чугуна.

Можно сваривать чугунные изделия в холодном состоянии (без подогрева) с применением стальных электродов, изготовленных из низкоуглеродистой стали, но это требует больших усилий от сварщика и понимания им процессов, которые происходят в зоне сварки. Обусловлено этой свойствами чугуна. Металл после окончания сварки быстро охлаждается и это приводит к его хрупкости, что может вызвать появление трещин.

 

Состав низколегированных прутков
Марка	С	Si	Ni	Sn	Cu
I	3.2-3.6	3.4-4.0	0.1-0.2	0,3-0,5	—
II	3.0-3.4	3.0-3.6	0.4-0.6	—	2.0-3.5
III	3.0-3.4	3.0-3.6	0.2-0.5	0,1-0,3	1.0-2.0

Кроме того, между швом и основным металлом образуется отбеленный чугун, а за ним следует закаленный, что может вызвать появление пор, которые являются недопустимыми дефектами.

При сварке холодным способом еще используют электроды, изготовленные из аустенитного чугуна и из цветных металлов.

Электроды изготовляют из прутков круглой формы, выполненных методом литья, марка применяемого чугуна при этом А или Б. Их диаметр лежит в пределах 4 ÷ 12 мм, при этом прутки Ø 4 мм имеют длину 250 мм, Ø 6 мм – 350, остальные имеют длину 450 мм. Прутки из чугуна марки А применяются при проведении газосварочных работ и являются материалом для изготовления стержней электродов, применяемых при сварке чугунных изделий горячим способом. Прутки марки Б помимо сварки чугуна в горячем состоянии, могут применяться для изготовления стержней электродов, которые используются при проведении сварки полугорячим и холодным способами.

 

Состав чугунных стержней для сварки чугуна
Марка	С	Si	Мn	Р	S	Сr	Ni	Назначение
А	3.0-3.5	3.0-3.4	0.5-0.8	0.2-0.4	До 0.08	До 0.05	До 0.3	Для горячей сварки
Б		3.5-4.0		0.3-0.5				Для горячей и полугоря­чей сварки

Сваривать такими электродами можно только в одном положении — нижнем. Сила тока зависит от Ø электрода и находится в пределах 270 ÷ 650 А. Из электродов, изготовленных из цветных металлов, при сварке чугуна используют медные электроды, изготовленные из монель-металла и из никелевого чугуна, имеющего аустенитную структуру.

Медные электроды рекомендуется применять для сварки изделий, которые должны иметь плотные швы и работающих при незначительных статических нагрузках. Их изготавливают из стержней меди Ø 3 ÷ 6 мм, обернутых стальной проволокой или лентой, имеющих низкое содержание углерода. На стержень наносят специальное покрытие — меловое или состоящее из сложного состава.

Такого же диаметра и длины изготавливают стержни из монель-металла (медно-никелевые) и никелевого аустенитного чугуна. Сварка может выполняться как на постоянном токе, так и на переменном.

Отбеливание чугуна и появление закалочных структур можно избежать, применив более продуктивный вид сварки – горячую. В зависимости от температуры предварительного подогрева изделия перед сваркой, различают следующие виды горячей сварки:

·        теплую (не более 200 0С);

·        полугорячую (нагрев в районе 300 ÷ 400 0С);

·        горячую (500 ÷ 600 0С).

В любом случае температура предварительного подогрева не должна превышать 650 0С, чтобы избежать структурных превращений в самой структуре чугуна.

            

                                                 

Формовка места сварки (1-деталь, 2-формовка, 3-графитовые пластины) A — несквозной раковины                               B — облицовка графитовыми пластинами C — недолива кромки

Этапы процесса проведения горячей сварки следующие:

·        подготовка изделия к сварке;

·        прогрев до необходимой температуры (в горне, муфельной печи, нагревательном колодце и т.д.);

·        сборку (с применением струбцин или прихваток) и установку изделия под сварку;

·        собственно сам процесс сваривания;

·        охлаждение (медленное).

Все виды горячих способов сварки требуют медленного охлаждения изделия или конструкции после проведения сварочных работ. Это позволит избежать нежелательного отбеливания чугуна, что делает его хрупким. Чаще всего изделие сразу после сварки отправляют в печь и там охлаждают, выключив печь. Иногда такое охлаждение может происходить сутками — зависит от габаритов изделия. В домашних условиях пользуются специальными средствами, которые защитят изделие от быстрого остывания (теплосберегающий материал, например, асбест, шлак, сухой кварцевый песок, древесный уголь).

Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Иногда сварку проводят переменным током, но только в том случае, если длина кабелей от сварочного трансформатора не большая, а напряжение холостого хода более 70 В.

Особенности сварки чугуна

Материал наделен специфическими свойствами, которые оказывают влияние на процесс чарки. Основные из них:

·        Быстрое остывание влечет за собой так называемый эффект отбеливания. На поверхности образуется тонкая пленка белого чугуна непригодного к механической обработке из-за высокой хрупкости.

·        Неверная установка температурного режима, из-за чего возле шва образуется множество микротрещин.

·        Во время сварки в ванночке образуется большое количество газов, что может привести к повышенной пористости сварного соединения.

·        Чугун обладает высокой текучестью, что усложняет образование сварочного шва, поскольку расплав такой консистенции быстро вытекает из ванны.

·        Большая теплоемкость металла, из-за чего он прогревается и охлаждается неравномерно. В сочетании с хрупкостью «разнобой» температур приводит к образованию трещин.

·        Окисления кремния инициирует образование тугоплавких оксидов. В результате образуются непровары.

Несмотря на приличный список трудностей сварка чугуна является востребованным и весьма распространенным способом ремонта, а также изготовления новых сварно-литых изделий. Но сварщикам необходимо тщательно анализировать исходные данные, внимательно подбирать способ и расходники для сварки. От этого зависит и качество будущего сварного соединения, и комфорт во время выполнения работ.

Подготовка к сварке

Место, где будет производиться сварка, должно быть тщательно очищено от загрязнений, масел и других включений. Достигается это с помощью щетки, напильника, наждачной бумаги или болгарки. Масло удаляют с помощью растворителей (бензин, керосин и т.д.) или выжиганием пламенем газовой горелки. В зависимости от толщины свариваемых деталей делают одностороннюю, двухстороннюю, V- и Х-образную разделку кромок (под 90 0).

Разделку обязательно делают при толщине чугунного изделия свыше 20 мм, но иногда разделку кромок выполняют у деталей, толщина которых 4 мм им выше. Концы трещин, при их наличии, обязательно засверливают. Чтобы выявить концы трещин применяют травление слабыми растворами соляной или азотной кислоты (2 ÷ 6%).

В более сложных случаях, когда варят ответственные изделия, тяжелые и громоздкие, к которым предъявляются требования по прочности, используют болты или шпильки, которые ввертывают в подготовленные кромки обязательно в шахматном порядке. При этом диаметр шпилек (болта) не должен превышать 0,4 толщины детали, подвергающейся сварке. Шпильки (болты) должны обязательно вкручиваться так, чтобы выступать над поверхностью детали (не более 1,2 Ø шпильки или болта.) Изделия вкручиваются не только в местах разделки кромок, но и с каждой стороны детали (в один ряд). Между шпильками (болтами) расстояние тоже оговаривается и оно не должно превышать не 6 Ø шпилек.

Сварка чугуна с применением стальных шпилек A — установка шпилек при V-образной подготовке кромок B — обварка шпилек

Сварка далее проводится следующим образом. Каждая шпилька обваривается стальным электродом Ø 3 мм кольцевыми швами. Сварка ведется на малых токах и вразброс, во избежание перегрева. Затем вся поверхность все теми же кольцевыми швами покрывается слоем наплавленного металла толщиной, которая не должна превышать толщину чугуна.

 

Так как чугун обладает высокой жидкотекучестью, то для придания металлу нужной формы производят в некоторых случаях, формовку места сварки. Для этого пользуются графитовыми пластинками, скрепленными специальной формовочной массой, состоящей из кварцевого песка с жидким стеклом. Могут использоваться огнеупоры или другие аналогичные материалы. На производстве это определяется в нормативной документации. Для формовки могут применяться формовочные материалы, которые используются в литейном производстве.

Подготовка

От того, насколько грамотно будут выполнены подготовительные работы, во многом зависит наличие или отсутствие дефектов. Трещины в чугуне отличаются тонкой и глубокой структурой. Чтобы избавиться от них, необходимо разделать кромки на всю глубину. Для этих целей можно прибегнуть к простым механическим методам – шлифование или вырубка, а можно использовать термическую обработку – дуговую или кислородную резку.

По длине разделка должна быть больше видимой части трещины примерно на 5 миллиметров по каждой из сторон. Ближе к краю разделочная канавка должна становиться мельче с тем, чтобы в конечном итоге выйти вровень с поверхностью заготовки. По глубине разделка сквозных дефектов делается на 1-2 мм меньше от толщины стенок изделия. Относительно несквозных трещин, то здесь наоборот: разделка должна превышать трещину по глубине на 1-2 мм как минимум.

Грамотная разделка кромок позволяет исключить перекалку чугуна. Если все сделать правильно, то металл будет прогреваться равномерно по всему участку. Для этого нужно следить, чтобы скос кромок был ровно 45 градусов. Важно, чтобы кромки были лишены острых углов. Поверхность зачищать желательно наждачной бумагой, пескоструйным аппаратом, болгаркой или же обычной щеткой по металлу. Если некоторые загрязнения механическим путем удалить не получается, то можно прибегнуть к термической обработке.

Чугунные детали с тонкими стенками свариваются с помощью графитовых форм. Они служат в качестве подкладки. Благодаря такому приему, температура равномерно распределяется по всему объему и сохраняется первоначальная форма заготовки.

Газовая сварка

Газовая сварка чугуна в основном применяется в случаях, когда требуется получение высокопрочного сварного шва, но при условии соблюдения небольшого провара поверхности основного металла. При этом технология газовой сварки чугуна сопровождается применением нескольких режимов наложения шва, от которых будет зависеть качество итогового соединения.

На показатель качества сварного соединения оказывают влияние следующие составляющие:

·        виды режимов подаваемого напряжения;

·        вид техники накладываемого сварного соединения;

·        показатель силы тока;

·        скорость прохождения.

Как сварить чугун и сталь дуговой газовой сваркой, чтобы в итоге получить соединение с высокой прочностью без трещин, пор и других дефектов? Для этого требуется соблюдать некоторые требования во время рабочего процесса:

·        показатель напряжения дуги должен быть от 18 до 21 В;

·        сила тока — 100-120 А;

·        скорость прохождения не больше 12 м в час;

·        сварные работы должны выполняться с использованием специальных сварных проволок 09Г2СА или ПАНЧ 11 с размером диаметра 1 мм.

Технология сварки по чугуну

Существует две широко используемые технологии сварки чугунных деталей. Они разделяются в зависимости от температурного режима процесса, а также наличия или отсутствия предварительного прогрева заготовок.

Горячая

Способ разработан для промышленного производства. Для домашних мастерских он малопригоден, поскольку разогреть заготовки до температуры в 600-650 градусов Цельсия в гараже без специального оборудования не получится. Технология предварительного прогрева дает возможность исключить образование трещин в наплаве.

Важно обеспечить равномерный подогрев заготовок. Избежать разницы температуры основного изделия и сварочного шва принципиально важно. В противном случае высока вероятность разлома. Перед нагревом детали фиксируются в нужном положении. Это необходимо для того, чтобы избежать внутреннего напряжения, которое может привести к трещинам.

Не нужно перегревать заготовки. Если температуру предварительного прогрева довести до 750 градусов Цельсия, то чугун попросту начнет плавиться.

Полугорячая

Процесс полностью идентичен горячей предварительной подготовке. Разница заключается только в поддержании температурного режима. В данном случае заготовки прогреваются до температуры 400-450 градусов. Технология используется как на производстве, так и в небольших мастерских.

Холодная

Предварительный прогрев заготовок не требуется. Технология используется повсеместно, в том числе и в быту. Она оправдана в том случае, когда нет оборудования для предварительной подготовки, а соединения чугуна носит разовый или нерегулярный эпизодический характер. Качество сварного шва невысокое. Улучшить надежность сварного соединения удается путем использования специальных электродов.

Методы сварки

Для создания прочных швов разработаны три способа:

1.     Технология горячей сварки сложна, но практически исключает образование трещин. Выполняется с предварительным подогревом до температуры 600 — 650⁰C при последующем медленном охлаждении. На производстве эта процедура выполняется на индукционных установках. Некоторые новички сомневаются можно ли варить чугун этим способом самостоятельно. Это реально, если для нагрева воспользоваться горном, газовой горелкой, паяльной лампой, а для медленного охлаждения горячим песком.

2.     Полугорячая сварка аналогична предыдущему способу, но температура нагрева 300 — 350⁰C.

3.     Холодную сварку осуществляют специальными электродами без предварительного подогрева деталей. Однако чтобы заварить чугун этим способом необходимо учитывать технологические особенности материала.

Способы сварки чугуна

Ручная дуговая сварка

Универсальный вариант, позволяющий работать со всеми технологиями соединения чугуна – горячей, полугорячей и холодной. Для каждого метода подбираются расходные материалы. Ручную дуговую сварку с предварительной подготовкой деталей выполняют в несколько этапов:

1.     подготовка стыка;

2.     нагрев заготовок;

3.     сварка;

4.     охлаждение.

Для соединения ковкого чугуна применяются электроды таких марок: ОЗЧ-2, МНЧ-2, ЦЧ-4, ОЗЧ-6. Серый чугун сваривается расходниками ОЗЧ-2, МНЧ-2, ОЗЧ-4, ОЗЧ-6, ОЗЖН-1 и ОЗЖН-2. Высокопрочные марки соединяются электродами ОЗЖН, МНЧ-2, ОЗЧ-3 и ОЗЧ-4. Сварочный шов формируется при больших настройках показателей силы тока непрерывным способом. Какие конкретно должны быть настройки силы тока зависит от марки электрода.

Недостатки технологии:

·        сварочный процесс является трудоемким;

·        равномерно нагреть рабочую зону достаточно сложно;

·        для выполнения работы требуется много времени;

·        необходимое для сварки оборудование стоит дорого.

В случаях, когда к качеству шва не предъявляются строгие требования, можно прибегнуть к технологии полугорячего или даже холодного сваривания чугуна. Электроды можно выбрать обычные стальные. Если есть возможность, то лучше использовать электроды чугунные с медной и никелевой основой.

Неплавящимися электродами

Используется широкий спектр расходных материалов – вольфрамовые, графитовые, угольные. Для присадки подходят специальные прутки, в состав которых входит никель, медь, алюминий и другие металлы. Зона формирования шва защищается посредством инертных газов. Чаще всего используется аргон или же флюс на основе буры. Касательно технологии, то оптимальным вариантом является AC TIG – выполнение сварочных работ вольфрамовыми электродами в защитной среде от источника переменного тока.

Холодная, полугорячая и автоматическая

Можно прибегнуть к технологии MIG (выполняется в среде защитного инертного газа) или MAG (в облаке активного газа). Процесс происходит следующим образом. В зону сварки подается проволока, где под воздействием высокой температуры она плавится и образует соединительный шов. Это происходит в защищенной среде, так как непрерывно подается инертный газ, изолирующий соединение от атмосферного воздуха.

Горячая сварка полуавтоматом применяется в случаях, когда необходимо сделать сварное соединение очень качественным, когда стык должен обладать хорошими показателями сопротивляемости на разлом и разрыв. Чтобы свести к минимуму количество микротрещин, охлаждать шов следует постепенно.

Технология полугорячей сварки применяется в тех ситуациях, когда шов в процессе эксплуатации будет испытывать сравнительно небольшие нагрузки. Холодная технология подходит, если не планируется нагрузка на сварное соединение.

Полуавтоматическая сварка подразумевает непрерывную подачу расходного материала в рабочую зону. Это дает возможность сократить расход времени на выполнения работ. В случае соединения чугунных деталей посредством полуавтомата можно рассчитывать на хороший и посредственный результат.

Аргонодуговая

TIG-метод характеризуется сложностью сварочного процесса. В качестве защитного газа, обеспечивающего изоляцию рабочего пространства и отсекающего атмосферный воздух, является аргон. Оптимальный вариант присадочного материала – алюминиево-бронзовые или никелевые прутки. В случаях, когда сварное соединение в процессе эксплуатации будет подвергаться воздействию высокой температуры, то следует использовать никелевые присадки и вольфрамовые электроды.

Технология TIG требует от исполнителя соблюдения ряда требований:

1.     Перед сваркой заготовки нужно прогреть. Это позволит уменьшить количество трещин.

2.     Выбирается переменный ток небольшой величины.

3.     Чтобы исключить перегрев металла, соединять нужно короткими участками.

4.     Каждый из участков следует проковывать (простукивать молоточком), чтобы снять внутреннее напряжение чугуна.

5.     По окончанию работы сварочный шов должен остывать медленно.

Газовая

Важно равномерно прогреть заготовки перед началом работ. Поэтому подготовка занимает больше времени. Постепенный продолжительный нагрев снижает вероятность возникновения участков с белым налетом. Обработка кромок тоже требуется при условии, что их толщина превышает 4 миллиметра. Делается V-образный скос с углом раскрытия 90 градусов.

Присадочными материалами служат чугунные стержни. Важно правильно подобрать их толщину. Она высчитывается по следующему алгоритму. Толщину стенки заготовок нужно разделить пополам. Это и будет диаметр стержня. Он может отклоняться от полученного результата на 1 миллиметр в большую сторону. Помимо этого, нужно использовать флюс. Хорошо подходят марки ФСЧ-1, БМ-1, ФСЧ-2. Флюсом желательно покрыть присадку и плюс к этому добавить его в сварочную ванну. Материала должно быть в достатке, поскольку он выполняет ряд важных функций:

·        защищает от окисления сварочную ванночку;

·        повышает сплавляемость разнородных включений;

·        тугоплавкие окислы переводятся в легкоплавкие шлаки;

·        повышается текучесть расплава.

Сварочное пламя должно быть среднего уровня. Соединение выполняется в нижнем положении. Крупные заготовки обрабатываются горелками. Чтобы шов остывал медленней, его покрывают слоем асбеста.

Электрошлаковая (ЭШС)

Технология используется для соединения деталей из серого чугуна и дает возможность получить соединение с удовлетворительными показателями. При соблюдении требований технологического процесса исключается образование пор, трещин, отбеленных участков и ряда иных эффектов. Данный метод является оптимальным в случаях, когда требуется исправить дефекты чугунных отливок, то есть в ситуации, когда планируется наплавить большое количество металла. ЭШС востребована для производства массивных конструкций из высокопрочного чугуна. В качестве расходных материалов используются чугунное литье в виде пластин и флюсы.

Лазерная

Безопасный метод для высококачественного сваривания чугуна. Технологи позволяет получить сварное соединение без трещин. Существует две ее разновидности:

1.     С индукционным нагревом. Заготовки могут нагреваться как предварительно, так и во время работы. При помощи термической обработки снимается внутреннее напряжение, понижается количество трещин; а наплав получается умеренно мягким, без избыточной твердости. Естественно, что и скорость выполнения работ значительно вырастает.

2.     С присадкой. Метод эффективен для соединения чугуна между собой и с конструкционной, закаленной, цементованной сталью. Способ используется в производстве корпусов разных агрегатов, осей, шестерен, прочих деталей и узлов в машиностроении и других отраслях промышленности.

Контактная

Оптимальный вариант для работы с трубами разного диаметра. Требуется предварительный нагрев и оплавление стыков соединяемых заготовок. В таком случае исключается образование закалочных структур. Сварные соединения отличаются высокой плотностью.

Плазменная пайка

В структуре чугуна присутствует графит, затрудняющий адгезию между припоем и поверхностью материала. Его нужно убрать. Сделать это проще всего пескоструйным аппаратом. Далее поверхность при температуре 600-700 градусов Цельсия обрабатывается флюсом №№209 или 284. После этого кромки необходимо обезжирить ацетоном, растворителем либо щелочным раствором. Паять можно как паяльником, так и газовой горелкой с использованием хористоцинковых флюсов.

Для пайки при низких температурах подходят легкосплавные припои, в том числе и оловянно-свинцовые. Для высокотермического соединения подходят медны и серебряные припои.

Сварка аргоном

Сварку чугуна аргоном используют многие начинающие сварщики по совету опытных товарищей, часто прибегают к свариванию полуавтоматом в аргоновой среде. Этот метод не оправдывает себя для изделий из чугунных сплавов. Соединение получается как на воздухе с подогревом, но при этом сильно возрастают затраты.

Технология сварки чугуна и стали аргоном обычно предусматривает наличие нейтральной среды. Конечно, в атмосферной среде шов можно получить, но при этом сильно ухудшится его качество. При осуществлении сварки в данной среде в соединении могут образоваться микротрещины, а также будет наблюдаться неравномерная закалка.

Если дополнительно к сварке подать инертный газ аргон, то химический состав в сварочной ванне никак не поменяется. Если применяется аргон, совсем не имеет значения способ сварки. Качество сварных швов получается одинаково хорошее при любом соединении деталей — встык, внахлест, заплатка. TIG сварка чугуна с использованием аргона считается самым оптимальным вариантом, который позволяет сделать прочный шов. При помощи газа можно варить практически любые сочетания. Если же имеются некоторые сложности с приобретением аргона, то лучше оставить его для соединения чугуна и стали.

Многослойная сварка по технологии отжигающих валиков

Способ используется для устранения трещин на деталях с тонкими стенками – до 8 миллиметров. Формируются валики последовательно с таким расчетом, чтобы каждый новый термически воздействовал на предыдущий слой. Тем самым уменьшается твердость наплава.

Предварительно трещина разделывается: V-образная обработка, угол раскрытия составляет 45 градусов. На каждую из кромок предварительно наваривают подготовительные валики, а на них – отжигающие. Валики накладываются небольшими участками длиной до 50 мм.

Каждый переход от одного участка к другому должен быть неспешным, чтобы металл успел остыть до температуры 50-60 градусов Цельсия. В это момент валики нужно проковывать и сбивать окалину. Подготовительные валики наносятся раньше, а, следовательно, лучше прогреваются и медленнее остывают. В закаленной части металл частично отпускается и нормализуется. Когда формирование валиков по обе стороны трещины завершено, то накладывается, собственно, сварной шов. Он тоже формируется такими же небольшими отрезками.

Изучить:  1. Свойства свариваемых чугунов.

                  2. Подготовительные работы.

                  3. Технологии сварки чугуна.

                  4. Плазменная сварка-пайка чугуна.