С целью удешевления промышленных агрегатов целесообразно применять материалы при их изготовлении с минимальной стоимостью, отвечающие требованиям по нагрузкам и воздействию факторов эксплуатации для каждого узла. Именно этим фактом обосновывается использование чугуна в качестве статических массивных оснований в станкостроении, работающих на невысоких оборотах узлах в машиностроении. Возможность получать сплавы с содержанием углерода с особыми свойствами позволяют их использовать в качестве тормозных колодок в вагонах железной дороги, при определенных условиях заменять стальное литье и штамповку. Если в механизме есть металл, то должны быть и способы по его ремонту. Сварочные работы остаются преимущественным, по надежности и себестоимости, способом ремонта литых элементов.
Для понимания процессов и специфики сварочных работ с этим материалом следует рассмотреть следующие критерии:
- типы чугуна и их склонность к свариванию
- особенности чугуна
- способы и методы соединения высокоуглеродистых сплавов
Типы чугуна и их склонность к свариванию
Основным методом получения чугуна являются доменные печи, где его производят из железной руды. Освободившееся железо из руды соединяется с углеродом и получается сплав железа с углеродом, с содержанием последнего от 2,14%. В последнее время все популярнее становится получение синтетического аналога – продукта переплавки стального лома с карбюризатором. Независимо от метода получения выделяют следующие типы по фазовому составу металлической матрицы сплава и форме графитового включения.
Как видно из представленной диаграммы, можно выделить двенадцать обособленных типов. В порядке убывания качества и доступности сваривания, в зависимости от критерия металлической матрицы они расположатся в следующем порядке:
- Ферритный
- Феррит + Перлит
- Перлит
В порядке убывания качества и доступности сваривания в зависимости от критерия «форма графитового включения» они расположатся в следующем порядке:
- Пластинчатая
- Шаровидная
- Вермикулярная
- Хлопьевидная
Отбел в чугуне (явление полного или частичного отсутствия графита в сплаве), когда углерод полностью связан с железом, приводит к его хрупкости и низким механическим характеристикам. Сваривание такого сплава невозможно и не целесообразно. Соединив два элемента из отбеленной матрицы, следует ожидать разрушения в ближайших областях шва при малейших механических нагрузках.
Применение специальных сварочных проволок и электродов позволяет избежать негативных влияний определенных матриц и включений и добиться положительных результатов для решения разнообразных задач.
Особенности сварки чугуна
Особенности сварки чугуна определяются его свойствами, специфичностью строения, предопределяют пристальное изучение и разработку специальных сварочных методик. К таким особенностям следует отнести:
- Большое значение градиента охлаждения литой заготовки или нагретого сваркой места приводит к явлению «отбеливания чугуна» в объеме шва. Образуется слой, подверженный разрушению при малых ударных нагрузках и нажиме, что делает поверхность не подлежащей механической обработке.
- Низкая пластичность некоторых матриц металла в сплаве приводит к образованию поверхностных трещин вдоль шва или по шву, а также микротрещин в толще шва, разрушающих шов изнутри с течением времени.
- При повышении температуры ванны шва происходит соединение углерода с кислородом в СО, который оставляет мелкие поры в толще шва, снижая его прочностные и антикоррозионные характеристики.
Для производственных целей и ремонтных работ оборудования хрупкость чугуна, появляющаяся в процессе сваривания, является задачей номер один, с которой необходимо бороться на каждом этапе создания элемента – от чистоты шихтовки и способа разливки, до специальных технологических ходов при производстве сварочных работ.
Технологии сварки чугуна
Обязательным условием получения качественного сварного шва для чугуна, как и для всех металлов, является подготовка деталей к процессу.
Чистая плоскость не позволит внести сторонние элементы, негативно влияющие на формирование ванны и правильного шлака, способна отводить тепло от места контакта сварочной проволоки или электрода с чугуном в окружающую среду прогнозировано и без задержек.
Существует два основных способа соединения элементов конструкции из высокоуглеродистых сплавов, независимых от того каким аппаратом она проводится:
- Сварка с использованием горелок для повышения температуры свариваемых поверхностей (элементов)
- Сварка в условиях температуры окружающей среды, без температурного влияния на заготовки. В литературе можно встретить термины холодная и горячая сварка чугуна.
Горячая сварка
Несмотря на громоздкость оборудования, дополнительные трудозатраты, повышенный расход энергоносителей метод горячей или полугорячей сварки чугуна нашел широкое применение в различных отраслях. Дополнительной затратной частью для организации этого метода в производстве станет закупка приборов, снимающих температурные показатели с поверхности свариваемых, предварительно нагретых элементов.
При поднятии температуры выше 745 градусов Цельсия в глубине металла начинаются аллотропические превращения, способные изменить механические свойства не в лучшую сторону. Идеальным температурным интервалом для процедуры с применением дополнительного источника температуры является диапазон от 250 до 650оС.
При достижении необходимой температуры процесс сварки начинают при минимальных показателях тока, постепенно его увеличивая. Такой технологический прием позволяет уменьшить глубину перемешивания сварочной ванны и тела заготовки.
Скорость охлаждения сварочного шва должна быть минимальной для равномерного воздействия нагрузок, вызванных температурными изменениями. Длительное внесение тепла без его отвода может спровоцировать рост трещин на поверхности. Для равномерности остывания изделия шов и прилегающие плоскости можно засыпать песочной массой или укрыть изоляционным материалом специального назначения.
Холодная сварка
Холодная сварка чугуна электродами возможна при наличии высококвалифицированного персонала, способного контролировать процесс горения электрической дуги, если по технологии можно обойтись коротким швом или каскадом коротких швов. Оптимальная длина шва не должна превышать двух с половиной сантиметров. Контроль скорости охлаждения шва и свариваемых элементов важнее даже чем при горячем методе.
Методы сварки чугуна
Среди разнообразия методов сварки металлов остаются самыми приемлемыми три способа сварки чугуна.
- Ручная дуговая сварка железоникелевыми и медными электродами с обмазкой.
- Сварка чугуна при помощи аргонодуговой сварки с несгорающим электродом.
- Полуавтоматическая сварка чугуна сварочной проволокой в среде углекислого газа.
Чугун самый проблематичный из черных металлов для сварки и наплавления. Однако невысокая стоимость его производства и уникальные литейные качества позволять ему еще долгое время появляться в элементах изделий самых современных станков, деталей автомобилей, запорной фурнитуры и других изделий. А значит стоит ожидать глубокого изучения и развития методов и способов его сварки.
