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 графитизации. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, прилегающую к шву они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, пластичность металла шва способствует частичной релаксации сварочных напряжении и поэтому снижается вероятность образования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медножелезные, медно-никелевые и железоникелевые электроды.

Существует несколько типов медно-железных 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 или толстое покрытие. Электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной проволоки, представляющий собой сердечник из стальной проволоки, плотно запресованный в медную трубку, изготовляют на станках для производство порошковой проволоки.

Может быть также и другой вариант: медный сердечник 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 количество) очень твердые включения железа с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва.

2. Пучок электродов, состоящий из одного пли 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 ОЗЧ- 1, представляющие собой медный стержень диаметром 4—5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее нз 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.

Основное преимущество этих электродов — 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 типа: мягкая медная основа и очень твердые включения железкой составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной поверхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладают швы, выполненные электродами марки АНЧ-1, стержень которых состоит па аустенитной стали марки Св-04Х18Н9 и медной оболочки. На электрод наносят покрытие фтористокальциевого типа.

Наиболее рационально применять медно-железные электроды для заварки отдельных несквозных пороков или небольших неплотностей.

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 таких электродов в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размеpax практически отсутствует, так как медь и никель — элементы графитизатолры, проникая в этот участок, оказывают положительное действие: в то же время шекель и железо обладают неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению.

Для изготовления электродов используют медно-никелевые сплавы: монель-металл, содержащий 65—75% Ni, 27—30% Си, 2—3% Fe и 1,2—1,8% Мn (например, НМЖМц 28-2,5-1,5); константан, содержащий ~ 60% Ni и 40% Си (МНМц 40-1,5);

нихром (X 20Н80).

Недостатки этих сплавов — их высокая стоимость и дефицитность, а также- большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Горячие трещины иногда имеют вид сплошной сетки, что снижает прочность сварного соединения. В связи с этим данные сплавы не рекомендуется применять, для заварки трещин в изделиях, которые несут силовую нагрузку. Заварка же отдельных мелких раковин позволяет получить хорошие результаты, так как обеспечивает возможность последующей механической обработки.

Находят применение в промышленности электроды марок МПЧ-1 со стержнем из монель металла и МПЧ-2 со стержнем из константана. Обе марки имеют электродные покрытии вида Ф. Сварку выполняет электродами диаметром 3—4 мм, ниточным швом, короткими участками при возвратно поступательном движении электрода, не допуская перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы для охлаждения. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения из серого и высокопрочного чугуна, пороков, выявленных на механически обработанных поверхностях изделии и при ремонте оборудования из чугунного литья, используют также железоникелевые электроды с стержнем из сплава, содержащего 40—60% Ni и 60-40% Fе.

При сварке такими электродамп обеспечивается достаточно высокая прочность и некоторая вязкость металла шва. Железоникелевые электроды обладают определенными преимуществами, к числу которых, кроме высокой прочности, можно отнести меньшую, чем у медноникелевых сплавов, литейную усадку, одноцветность наплавки с чугуном.

Сварка чугуна. Широко применяемые марки чугунов содержат 2,5-4% углерода, 1-5% кремния, до 2% марганца, а также примеси фосфора и серы.

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Основные трудности при сварке обусловлены высокой склонностью его к отбе­ливанию, т.е. появлению участков с выделениями цемен­тита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне. Кроме того, чугун имеет низкую по сравнению со сталью температуру плавления (1200-1250 °С) и быстро переходит из жидкого состояния в твердое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газов из сварочной ванны продолжается и на стадии крис­таллизации.

Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удер­жание расплавленного металла от вытекания и усложняет формирование шва. Вследствие окисления кремния на по­верхности сварочной ванны возможно образование туго­плавких оксидов, что может привести к непроварам.

При выборе способа сварки чугуна необходимо учиты­вать следующие особенности:

- высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может вызывать появление трещин в процес­се сварки;

- ускоренное охлаждение приводит к образованию от­беленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;

- сильное газообразование в жидкой ванне может вы­зывать пористость сварных швов;

- высокая жидкотекучесть чугуна обусловливает не­обходимость в ряде случаев подформовки.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300-400°С и выше) углерод и кремний окисля­ются, и чугун становится очень хрупким. Чугун, содержа­щий окисленный углерод и кремний, называют горелым.

Плохо свариваются также чугунные детали, работаю­щие длительное время в соприкосновении с маслом и ке­росином. Поверхность чугуна пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в свар­ном шве.

Способы сварки чугуна. Сварку чугуна применяют при ремонтно-восстановительных работах и для изготовления сварно-литых конструкций. Чугун сваривают преимущественно при устранении дефектов литья в чугунных отливках до и после механической обработки, а также при ремонте деталей.

К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от условий эксплуатации предъявляются различные требования - от декоративной заварки наружных дефектов до получения соединений, равнопрочных с основным металлом.

Чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, порошковой проволокой, газовой сваркой и другими способами.

Наиболее часто способы сварки чугуна классифицируют по состоянию свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают сварку с подогревом (горячую сварку) и без подогрева (холодную сварку).

Горячую дуговую сварку чугуна применяют в случаях, когда металлом шва должен быть чугун, по своим свойствам приближающийся к свойствам основного металла детали.

Холодную дуговую сварку чугуна выполняют на обрабатываемых и обработанных поверхностях деталей, когда дефекты литья незначительны или средних размеров, когда они несквозные или сквозные, но небольшой протяженности и, наконец, когда наплавляемый металл не предусмотрен в виде чугуна. При холодной сварке свариваемые детали не подвергают предварительному нагреву.

Горячая сварка чугуна. Технологический процесс состоит из механической обработки под сварку, формовки свариваемых деталей, предварительного подогрева, сварки и последующего медленного охлаждения.

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

При сварке сквозных трещин или заварке дефектов, находящихся на краю деталей, необходимо применять графитовые формы, предотвращающие вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Формы изготавливают из графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, которая состоит из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Детали и чугунные отливки нагревают до температуры 300-700°С (в зависимости от формы детали, дефекта, способа сварки). Сварку выполняют чугунными электродами или порошковой проволокой. Подогрев необходим для того, чтобы после сварки происходило равномерное охлаждение всего изделия и не образовывались трещины.

Детали нагревают в специальных печах или с помощью индукционных нагревателей. Для ручной дуговой сварки используют плавящиеся электроды марок ЦЧ-4, ЭВЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-2 и др.

Горячую сварку чугуна выполняют на большой силе сварочного тока без перерывов до конца заварки дефекта при большой сварочной ванне. Так, для сварки электродом диаметром 8 мм требуется ток 600 А, а диаметром 12 мм - ток 1000 А. Используют электрододержатели, имеющие защиту руки сварщика от теплового излучения.

Сварка угольным электродом ведется постоянным током прямой полярности: для электродов диаметром 8-20 мм используются соответственно токи 280-600 А.

Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объем расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать его концом электрода или присадочного стержня. Для медленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углем или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3-5 суток.

Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость процесса и тяжелые условия труда сварщиков.

Холодная сварка чугуна. Сварка чугуна без подогрева изделия применяется шире, чем с подогревом. Подготовка поверхности дефектов к заварке заключается в сверлении, зачистке, фрезеровании и т.д. до получения чистой поверхности основного металла.

При сварке без предварительного нагрева дефекты, расположенные друг от друга на расстоянии более чем 20 мм, вырубают или высверливают порознь, при более близком расположении - производят сплошную вырубку дефектного участка. Разделка кромок зависит от толщины детали. При глубине дефекта 5-7 мм вырубают фаску с углом раскрытия 70-80°. В местах, доступных для сварки с двух сторон, производят Х-образную разделку кромок.

На практике используют несколько разновидностей холодной сварки: стальными, медно-стальными, медно-никелевыми, железо-никелевыми, никелевыми и другими электродами.

Применяя медно-никелевые (марки МНЧ-2) и медно-стальные (марки ОЗЧ-2) электроды, получают наплавленный металл, легко поддающийся механической обработке. Наплавку образуют однослойной или многослойной укладкой валиков.

Стальные электроды марки ЦЧ-4 (на основе проволоки из низкоуглеродистой стали с карбидообразующим покрытием) применяют при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объемом наплавки, не требующих после сварки механической обработки.

Сварку стальными электродами с защитно-легирующими покрытиями выполняют с V- или Х-образной разделкой кромок. Для устранения неравномерного разогрева детали сваривают отдельными участками вразбивку. Длина этих участков сварного шва не должна превышать 100-120 мм. После сварки участкам дают возможность остыть до температуры 60-80 °С. Наилучшие результаты получают при сварке электродами с покрытием марки УОНИ-13/45 постоянным током обратной полярности.

Медно-железные электроды применяют дли заварки отдельных дефектов или небольших несплошностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе и работающих под давлением. Наиболее совершенные из них - электроды марки ОЗЧ-2, представляющие собой медный стержень диаметром 4-5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из смеси электродной обмазки марки УОНИ-13/45 (50%) и жидкого стекла. При сварке не следует допускать сильного разогрева свариваемых деталей. После сварки легким молотком выполняют проковку наплавленного металла в горячем состоянии. Она уменьшает сварочные напряжения и снижает опасность образования трещин в околошовной зоне. В результате наплавленный металл приобретает высокую пластичность и удовлетворительно обрабатывается.

Медно-никелевые электроды применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. В промышленности используются электроды марки МНЧ-1 со стержнем из монель-металла и марки МНЧ-2 со стержнем из константана. Сварку выполняют электродами диаметром 1-4 мм ниточным швом короткими участками. При этом не следует допускать перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы в работе для охлаждения шва. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Положительные свойства электродов заключаются в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Наплавленный металл обладает низкой твердостью, хорошо обрабатывается.

Тема 2.7. Технология сварки алюминия и его сплавов. Характеристика алюминиевых сплавов. Металлургические особенности сварки. Трудности сварки. Выбор способов сварки. Сварочные материалы. Особенности технологии сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ