Сварка

Газовая сварка чугуна

1. Характеристика и классификация чугунов

Чугун — многокомпонентный железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14 % углерода, до 5 % кремния и некоторое количество марганца, серы и фосфора, зависящее от типа чугуна. В специальные чугуны вводят легирующие добавки: никель, хром, молибден, ванадий и др. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Белый чугун в изломе светло-серого или почти белого цвета, так как углерод в нем находится в связанном состоянии в виде карбида железа — цементита. Цементит хрупок, обладает высокой твердостью (800 НВ), поэтому и белый чугун имеет высокие хрупкость и твердость, не поддается механической обработке и ограниченно применяется в качестве конструкционного материала.

Иногда белый чугун используют для получения ковкого чугуна.

Серый чугун в изломе серебристого цвета из-за наличия пластинчатых включений графита. Практически в чугуне содержится около 50 % углерода в свободном состоянии; остальной углерод находится в связанном состоянии в виде вторичных карбидов, например перлита.

Графит влияет на свойства чугуна, зависящие от его формы и распределения: наличие графита придает чугуну свойства, отличные от свойств стали. Графит — наиболее мягкая и вместе с тем наиболее хрупкая составляющая чугуна, которая пронизывает его металлическую основу, нарушая сплошность и снижая прочность чугуна, особенно при динамических нагрузках, и действует как внутренний надрез. Наиболее желательны (в целях уменьшения эффекта надреза) изолированные друг от друга сферические включения. Увеличение количества и размеров графитовых включений и неравномерность их распределения снижают прочность чугуна.

Структурное состояние углерода зависит от химического состава чугуна, условий кристаллизации и охлаждения сплава, а также режима его последующей термической обработки. При получении серого чугуна необходимо замедленное охлаждение сплава. По мере возрастания скорости охлаждения увеличивается вероятность получения белого чугуна.

Графитизации чугуна способствуют углерод, кремний, алюминий, никель, кобальт, медь. Сера, ванадий, хром, молибден, марганец оказывают обратное воздействие, т. е. препятствуют распаду карбидов железа и выделению свободного углерода.

Углерод снижает температуру плавления сплава и увеличивает его жидкотекучесть. Практически чугун можно сваривать только в нижнем положении. С повышением содержания углерода в сплаве увеличиваются число и размеры графитовых включений, что снижает вероятность отбела, но ухудшает механические свойства чугуна.

На структуру чугуна влияет соотношение концентраций углерода и кремния; изменяя его, можно получить необходимую структуру чугуна. При сравнительно низком суммарном содержании углерода и кремния получают белый чугун. С увеличением этого суммарного содержания в структуре появляется графит, и чем оно выше, тем меньше в структуре ледебурита. Чугун, содержащий углерод в виде и ледебурита, и графита, называют половинчатым. Серый чугун не содержит ледебурита.

Кремний также влияет на свойства металлической основы чугуна: уменьшает прочность, увеличивает твердость и хрупкость ферритной составляющей. Чугун эвтектического строения, содержащий 4,25 % углерода, характеризуется низкой температурой плавления. С повышением содержания кремния чугун эвтектического строения получают при меньшем содержании углерода, мас. %, которое определяют по уравнению

[С] = 4,25 — 0,3[Si], (1)

где [Si] — содержание кремния, мас. %.

При сварке применяют присадочные прутки эвтектического строения.

Марганец стабилизирует карбиды, т. е. способствует отбелу чугуна. Это свойство проявляется наиболее сильно при содержании в сплаве более 1,5 % марганца.

Сера в чугуне является вредной примесью и не только вызывает отбел чугуна, но, образуя по границам зерен сравнительно легкоплавкую эвтектику (Fe — FeS), способствует образованию горячих трещин. Для уменьшения вредного действия серы содержание марганца должно быть примерно в 3 раза больше, чем серы. Верхний предел содержания серы в чугуне составляет примерно 0,15 %.

Фосфор в сплаве увеличивает жидкотекучесть и снижает температуру затвердевания чугуна, способствует его графитизации, а также увеличивает возможность образования трещин в чугуне. В чугуне его обычно содержится 0,1 … 0,9 %.

Механические свойства серого чугуна, изготовляемого по ГОСТ 1412 — 85, приведены в табл. 1, химический состав — в табл. 2. Основная часть углерода находится в виде пластинчатого графита. Металлическая основа может быть ферритная, перлитно-ферритная или перлитная. Чугун марок СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56 и СЧ40-60 является модифицированным; его получают путем введения графитизирующих присадок, например ферросилиция и вторичного алюминия.

В сером чугуне графитовые выделения имеют сравнительно небольшие размеры и завихренную или розеточную форму.

Таблица 1. Механические свойства серого чугуна
Марка чугунаПредел прочности, МПаСтрела прогиба при расстоянии между опорами, ммТвердость HB
при растяжениипри изгибе600300
СЧ12 — 2812028062,0143 … 229
СЧ15 — 3215032082,5163 … 229
СЧ18 — 36180360170 … 229
СЧ21 — 4021040093,0170 … 241
СЧ24 — 44240440170 … 241
СЧ28 — 48280480170 … 241
СЧ32 — 52320520187 … 255
СЧ36 — 56360560197 … 269
СЧ40 — 60400600103,5207 … 269
СЧ44 — 64440640229 … 289

 

Таблица 2. Химический состав серого чугуна
Марка чугунаСодержание, мас. %
УглеродKремнийМарганецФосфорСера
не более
СЧ15 — 323,5 … 3,72,0 … 2,40,5 … 0,80,300,15
СЧ18 — 363,4 … 3,61,7 … 2,10,5 … 0,7
СЧ21 — 403,3 … 3,51,4 … 1,70,6 … 0,9
СЧ24 — 443,2 … 3,41,4 … 1,70,6 … 0,90,12
СЧ28 — 483,1 … 3,41,2 … 1,50,6 … 0,9
СЧ32 — 523,0 … 3,21,0 … 1,30,7 … 1,0
СЧ36 — 562,9 … 3,01,0 … 1,11,0 … 1,1
СЧ40 — 602,5 … 2,72,5 … 2,90,2 … 0,40,020,02
СЧ44 — 642,5 … 2,72,5 … 2,90,2 … 0,40,020,02

Модифицированный чугун с той же металлической основой, что и обычный серый чугун, обладает более высокими механическими свойствами.

Ковкий чугун (ГОСТ 1215 — 79) обладает меньшей хрупкостью, чем серый. Исходным материалом для его получения служит белый чугун, подвергаемый специальной термической обработке — продолжительному отжигу (так называемому томлению) при температуре 800 … 850 °С. Такая обработка обусловливает выделение мелкого графита в виде хлопьев или розеток. В зависимости от режима термической обработки металлическая основа может быть ферритной или перлитной. В ковком чугуне при повторном нагреве выше 900 °С графит может распадаться и образовывать цементит, что затрудняет его сварку, так как для восстановления углерода исходной формы необходим полный цикл термической обработки сварного изделия. Механические свойства ковкого чугуна даны в табл. 3.

Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293 — 85) содержит графит шаровидной формы и широко применяется в машиностроительной промышленности вследствие высокой прочности по сравнению с серым чугуном. Получение высокопрочного чугуна состоит в модифицировании его магнием или церием и продувании через него (в жидком виде) азота. Магний вводят в виде лигатуры — сплава магния с медью, никелем, ферросилицием и др. Механические свойства высокопрочного чугуна приведены в табл. 4.

Таблица 3. Механические свойства ковкого чугуна
Марка чугунаПредел прочности при растяжении, МПа, не менееОтносительное удлинение при растяжении,

%, не менее

Твердость HB
KЧ 30 — 63006163
KЧ 33 — 83308163
KЧ 35 — 1035010163
KЧ 37 — 1237012163
KЧ 45 — 64506241
KЧ 50 — 45004241
KЧ 56 — 45604269
KЧ 60 — 36003260
KЧ 63 — 26302269

 

Таблица 4. Механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Марка чугунаПредел прочности

при растяжении,

МПа, не менее

Предел текучести

при растяжении,

МПа, не менее

Относительное

удлинение

при растяжении,

%, не менее

Ударная вязкость,

кДж/м2,

не менее

Твердость

HB

ВЧ 38 — 1738024017600140 … 170
ВЧ 42 — 1242028012400140 … 200
ВЧ 45 — 54503305300160 … 220
ВЧ 50 — 25003802200180… 260
ВЧ 60 — 26004002200200 … 280
ВЧ 70 — 37004003300229 … 275
ВЧ 80 — 38005003200220 … 300
ВЧ 100 — 41 0007004300302 … 369
ВЧ 120 — 41 2009004300302 … 369

2. Свариваемость чугуна

Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость характеризуется возможностью протекания физико-химических процессов (диффузии, образования твердых растворов и др.) между основным металлом и металлом сварочной ванны, в результате чего образуется неразъемное соединение. На основании этого чугун следует отнести к группе хорошо свариваемых металлов.

Под технологической свариваемостью понимают способность свариваемого металла образовывать без нарушения сплошности, искажения формы и снижения качества основного металла неразъемное соединение. С этой точки зрения чугун является трудносвариваемым сплавом.

Свариваемость чугуна ухудшают три основных фактора:

  • возможность образования в шве и околошовной зоне хрупких и труднообрабатываемых структур отбела и закалки;
  • повышенная склонность металла к образованию трещин;
  • склонность к образованию пор.

При рассмотрении структурных превращений в околошовной зоне в процессе сварки серого чугуна используем тройную диаграмму состояния железо— углерод— кремний (Fe—С— Si) (рис. 1). В соответствии с этой диаграммой в околошовной зоне отметим наличие пяти основных участков.

Участок I, примыкающий непосредственно к сварочной ванне, характеризуется наличием твердой и жидкой фаз. При быстром охлаждении жидкая фаза затвердевает с образованием белого чугуна, в твердой фазе возможно образование структур закалки. На участке II металл находится в твердом состоянии, но, нагретый до высоких температур, полностью перекристаллизовывается. Структура на этом участке зависит от исходного состояния сплава и может состоять из аустенита и графита, аустенита и цементита либо из всех трех составляющих. При быстром охлаждении из аустенита может выделиться цементит, а при его переохлаждении — структуры закалки (мартенсит и др.).

На участке III (неполной перекристаллизации) наблюдается измельчение зерен.

Участок IV характеризуется увеличением содержания графита, что вызвано распадом карбидов.

Диаграмма состояния железо - углерод - кремний и структурные участки околошовной зоны при сварке чугуна

Рис. 1. Диаграмма состояния железо — углерод — кремний и структурные участки ( I — V ) околошовной зоны при сварке чугунаА — аустенит; Г — графит; Ж — жидкость; Ф — феррит; Ц — цементит; в скобках указаны структуры при высокой скорости охлаждения

На участке V металл имеет исходную структуру, так как его температура не превышает 400 … 500 °С.

Для предотвращения образования хрупких структур на участках I и II околошовной зоны необходимо уменьшить скорость охлаждения металла и перепад температур на соседних участках. Наиболее радикальный метод устранения структур закалки и отбела — подогрев изделия перед сваркой (горячая сварка) и его замедленное охлаждение по окончании процесса.

Пониженная стойкость чугуна к образованию трещин, связанная прежде всего с низкими прочностью и пластичностью сплава, усугубляется образованием хрупких структур в металле шва и околошовной зоне. Трещины в сварном соединении могут возникнуть вследствие неравномерного нагрева и охлаждения деталей, литейной усадки металла шва, высокой жесткости свариваемого изделия. Процесс сварки характеризуется концентрированным локальным нагревом изделия, создающим в нем большой перепад температур, который вызывает значительные термические напряжения. Эти напряжения могут привести к образованию трещин до начала структурных превращений или в период охлаждения сварного соединения, вызывающего напряжения растяжения.

Трещины могут возникнуть не только в шве и околошовной зоне, но и на других участках детали, где вследствие дополнительной деформации, вызываемой сваркой или локальным предварительным нагревом, появляются напряжения, превышающие предел прочности чугуна при растяжении. Обычно эти холодные трещины развиваются мгновенно, со значительным звуковым и механическим эффектом. Наиболее благоприятные условия для трещинообразования в околошовной зоне создаются при сварке чугуна с крупными и многочисленными выделениями графита в виде пластинок. Менее склонны к трещинообразованию мелкозернистые перлитные чугуны с мелкими графитовыми включениями. Чугуны, легированные никелем, титаном или молибденом, более стойки к трещинообразованию, что связано с измельчением структуры металлической основы сплава и графитовых включений.

По характеру излома обычного серого чугуна (в первом приближении) можно судить о его свариваемости. Так, лучше сваривается чугун, имеющий мелкозернистую структуру и светло-серый излом, хуже — чугун с крупнокристаллическим изломом, имеющий крупные включения графита. Плохо сваривается чугун с черным изломом.

Основной способ борьбы с трещинообразованием и отбелом — снижение скорости охлаждения. Этого можно достигнуть при горячей сварке. Вероятность трещинообразования уменьшается при низкотемпературных процессах пайкосварки, пайки и др., происходящих без расплавления основного металла.

При сварке чугуна происходит интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое может привести к образованию газовых пор в наплавленном металле. Поры в основном представляют собой пузырьки водорода, азота, водяного пара и оксида углерода, не успевшие выделиться до затвердевания металла. Газы в сварочную ванну попадают из пламени и окружающей атмосферы; они образуются в результате реакций, происходящих в жидком металле. Механизм образования пор, вызванных присутствием водорода и азота, связан с изменением их растворимости в металле при изменении его температуры. В расплавленном состоянии металл сварочной ванны может растворить значительное количество водорода и азота. По мере охлаждения металла растворимость газов снижается. Скачкообразное снижение растворимости отмечается и в момент кристаллизации. Образующиеся при этом газовые пузырьки могут полностью выйти на поверхность сварочной ванны или остаться в металле шва и вызвать его пористость.

Образование пор, вызываемых нерастворимыми в чугуне водяными парами и оксидом углерода, имеет иную природу. В том случае, если эти газы образуются в жидкой перегретой ванне, они могут интенсивно выделяться из нее (металл кипит), причем, удаляясь, увлекать за собой другие газы и неметаллические включения. При этом обеспечивается получение плотного шва. Однако, как и в предыдущем случае, если пузырьки образуются и выделяются в момент кристаллизации шва, то они могут не успеть всплыть и остаться в металле в виде пор. Схематично влияние скорости кристаллизации на выделение пузырьков газа из сварочной ванны показано на рис. 2.

При газовой сварке чугуна основным способом устранения пористости является уменьшение скорости кристаллизации сварочной ванны, что достигается, как правило, наличием общей жидкой ванны. По окончании заполнения разделки дефекта сварщик прогревает жидкую ванну пламенем горелки, создавая условия для удаления газов. В отдельных случаях сварщик, обнаружив в сварочной ванне газовые пузырьки, временно прекращает расплавление присадочного материала, дополнительно прогревает сварочную ванну до видимого удаления этих пузырьков. Затрудненный выход газов из сварочной ванны может быть вызван резким переходом сплава из жидкого состояния в твердое, а также образованием тугоплавкой оксидной пленки на поверхности жидкой ванны.

Схемы роста и отрыва пузырька газа при низкой и высокой скорости кристаллизации сварочной ванны

Рис. 2. Схемы роста и отрыва пузырька газа при низкой (а) и высокой (б) скорости кристаллизации сварочной ванны

Для облегчения выхода газов сварочную ванну рекомендуется непрерывно перемешивать присадочным прутком. Тугоплавкие и вязкие оксидные пленки устраняют применяя специальные флюсы.

3. Классификация способов сварки чугуна

Газовую сварку чугуна выполняют с общим и местным нагревом до температуры 300…400 °С. После сварки деталь должна медленно остывать для получения однородной равномерной структуры серого чугуна и предупреждения возникновения трещин.

Общий равномерный нагрев необходим для предупреждения значительного коробления и уменьшения скорости охлаждения, а следовательно, устранения образования структур отбела, закалки и трещин при расположении дефекта в жестком замкнутом контуре, а также для предупреждения возникновения значительных напряжений растяжения.

Таблица 5. Способы устранения дефектов в чугунных отливках
Вид дефектаМесто расположенияСпособ устранения
Раковины, газовая и усадочная пористостьНа угловых участках, в зоне бобышекГазовая сварка с чугунным присадочным материалом без дополнительного нагрева (холодная сварка) или с местным дополнительным нагревом
В жестком контуре (середина направляющей, большое число ребер или отверстий, середина плоскости и т. п.)Газовая сварка с чугунным присадочным материалом и с местным дополнительным нагревом или с общим нагревом (горячая сварка)
Трещины  (сквозные и несквозные) в магабаритных отливках массой до 50 кгВ центральной или периферийной части отливки (с закрытыми или открытыми концами)Газовая сварка с чугунным присадочным материалом и с общим нагревом (горячая сварка)
Отбитые части в малогабаритных отливкахНа угловых участкахГазовая сварка с чугунным присадочным материалом без дополнительного нагрева (холодная сварка)

Местный нагрев рекомендуется при допущении некоторого коробления детали и при расположении дефекта в нежестком контуре. Местный нагрев осуществляют горелками. При этом важно обеспечить одновременные и постепенные нагрев и охлаждение нагреваемых элементов конструкции.

В табл. 5 приведены способы устранения дефектов в чугунных отливках, выявленных до окончательной механической обработки (припуск до 5 мм, объем наплавленного металла до 100 см3).

Сварку с нагревом называют горячей сваркой, а сварку без нагрева — холодной.

4. Материалы, применяемые при горячей сварке чугуна

При сварке чугуна обязательно применение флюсов, которые, попадая в зону действия пламени, предотвращают окисление кромок твердого металла; извлекают из жидкого металла оксиды и неметаллические включения; образуют пленку, предохраняющую расплавленный металл от окисления. При сварке чугуна применяют, как правило, кислые флюсы, состоящие в основном из боросодержащих веществ. Отшлакование оксида кремния возможно и с помощью углекислых солей натрия или калия.

Таблица 6. Составы флюсов, применяемых при сварке чугуна
Kомпонент флюсаНомер флюса
12345
Содержание, мас. %
Прокаленная бура100565023
Kарбонат натрия225027
Kарбонат калия22
Гидрокарборат натрия4750
Kремнезем3
Нитрат натрия50

 

Таблица 7. Состав, %, чугунных присадочных прутков для сварки
Марка пруткаУглеродKремнийСераФосфорМарганецХромНикель
не болеене более
A3,0 … 3,53,0 … 3,40,080,40,5 … 0,80,050,3
Б3,0 … 3,53,5 … 4,00,080,50,5 … 0,80,050,3

Составы наиболее распространенных флюсов при сварке чугуна приведены в табл. 6.

При сварке чугуна используют присадочный материал в виде чугунных прутков марок А и Б (табл. 7) с невысоким содержанием углерода. В результате наплавленный металл имеет преимущественно ферритную структуру, что не всегда отвечает техническим условиям на изготовление чугунных отливок.

5. Технология газовой сварки чугуна с подогревом

Отливки сложной конфигурации, а также прошедшие частично механическую обработку детали, в которых выявлены дефекты в жестком контуре, необходимо подвергать общему предварительному нагреву в печах или горнах до температуры 500 … 600 °С (до коричнево-красного цвета). Общему нагреву подвергают отливки (толщиной более 50 мм) с дефектами в местах интенсивного теплоотвода.

Местный нагрев выполняют с учетом конфигурации изделия с тем, чтобы создать в нагреваемом участке равномерную тепловую деформацию, которая примерно равна деформации в момент сварки в дефектной части.

Местному или общему нагреву в печах или с помощью переносных газовых горелок подвергают мало- и среднегабаритные отливки с дефектами в жестком контуре и со значительными припусками на обработку, компенсирующими их коробление.

Для предотвращения охлаждения в процессе сварки детали (отливки) большой массы накрывают листовым асбестом или помещают в специальную камеру-кессон. Отливки, имеющие небольшую массу и несложную конфигурацию, не предохраняют от охлаждения в процессе сварки. Продолжительность перерыва между окончанием подогрева и началом сварки не должна превышать 5 мин, чтобы температура детали перед сваркой была не ниже 400 °С.

Мощность пламени при сварке выбирают в зависимости от площади дефекта:

Площадь дефекта, см2До 55 … 25Более 25
Номер наконечника горелки567; 8

На выбор мощности пламени влияет и толщина стенки детали, на которой расположен дефект. Как правило, для стенок толщиной более 30 мм применяют наконечники с № 6 или 7.

Диаметр присадочных прутков выбирают в зависимости от мощности пламени и площади дефекта:

Площадь дефекта, см2До 2020 … 60Более 60
Диаметр прутка, мм6 … 810 … 1214 … 16

Форма сечения прутка заметно не влияет на процесс сварки, который начинается с прогрева пламенем горелки основного металла вокруг дефекта и доведения его до светло-красного цвета (до температуры примерно 850 °С). Затем пламя направляют на поверхность разделки, которую доводят до плавления.

Пламя должно быть нормальным, плавление происходит за счет его восстановительной части. С расплавленной и офлюсованной поверхности дефекта присадочным прутком удаляют неметаллические включения. Затем дефект заполняют расплавленным присадочным материалом, периодически добавляя флюс на кончике прутка. Сварку следует вести ванным способом: металл сварочной ванны поддерживают в жидком состоянии до полного заполнения дефекта присадочным металлом. Этот способ обеспечивает наиболее полное удаление газов и неметаллических включений из металла шва и равномерную структуру в зоне термического влияния.

Однако при заварке краевых дефектов (в бобышках, платиках, бортиках, уголках) поддерживать ванну в жидком состоянии затруднительно. Сварщик, манипулируя пламенем горелки, должен с помощью прутка не допустить стекания жидкого металла. В начальный момент (рис. 3, а) угол наклона пламени к поверхности детали составляет примерно 80°, а затем постепенно уменьшается почти до 10° (рис. 3, б ). При краевом дефекте целесообразно, чтобы наплавленный металл находился в полужидком состоянии; для этого необходимо время от времени отводить горелку для охлаждения ванны. Продолжительные перерывы при послойной наплавке могут привести к образованию шлаковых прослоек между слоями или даже к их несплавлению. Наплавленный металл должен находиться выше основного металла не менее чем на 3 мм. Если при этом образуются натеки, то их доводят до оплавления и удаляют присадочным прутком.

В процессе сварки сварщик может установить наличие газовых пор в расплавленном металле. Для этого после образования жидкой ванны пламенем горелки металл ванны вытесняют, обнажая дно ванны. Наличие газовых пузырей на дне указывает на низкое качество присадочного прутка или свариваемого металла. В этом случае следует заменить присадочный пруток и удалить (выплеснуть) ранее наплавленный металл. В отдельных случаях газы удаляют за счет увеличения продолжительности существования жидкой сварочной ванны.

Для получения сварного соединения, свойства которого равноценны свойствам основного металла, необходимо после сварки уменьшить скорость охлаждения металла в интервале температур, соответствующих перлитному превращению. Для этого горелку медленно отводят от поверхности ванны на 50 … 60 мм, а наплавленный металл подогревают пламенем в течение 0,5 … 1,5 мин. Процесс замедленного охлаждения контролируют визуально с помощью защитных очков; по периферии шва должно образоваться темное кольцо охлаждающегося металла. После распространения этого кольца на центр наплавки пламя горелки включают. Для замедленного охлаждения исправленную деталь засыпают песком или накрывают листовым асбестом.

 

Схема исправления углового дефекта

Рис. 3. Схема исправления углового дефектаа — начало сварки; б — окончание сварки

Для уменьшения внутренних напряжений и предупреждения образования трещин детали большой толщины и сложной конфигурации после устранения дефектов рекомендуется подвергать вторичному нагреву (отжигу) в горне или печи при температуре 650 … 750 °С. Отливки охлаждают вместе с горном (печью).

6. Технология газовой сварки чугуна без подогрева

Сварку без предварительного нагрева (холодную сварку) применяют в тех случаях, когда детали (кронштейны, рычаги и т. п.) при нагревании и охлаждении способны свободно расширяться и сжиматься, не вызывая значительных остаточных напряжений. При этом мощность пламени горелки должна быть максимально возможной для обеспечения замедленного охлаждения в интервале температур перлитного превращения.

При холодной газовой сварке происходит местный разогрев пламенем горелки основного металла в области дефекта и прилегающих к нему зон. Технологический процесс сварки без предварительного нагрева аналогичен технологическому процессу горячей сварки. Перед заполнением сварочной ванны необходимо подогревать пламенем горелки участки, прилегающие к дефекту. После окончания заполнения дефекта горелку в течение 2…3 мин медленно от него отводят, направляя пламя на участки, прилегающие к дефекту. Деталь или часть детали, на которой находится заваренный участок, для замедленного охлаждения засыпают песком или накрывают листовым асбестом.

7. Низкотемпературная газовая сварка чугуна

Дефекты в чугунных отливках могут быть обнаружены на различных стадиях механической обработки. Наибольшие трудности возникают при устранении дефектов, обнаруженных на последних стадиях обработки, когда остаются малые припуски на нее. В этих случаях опасно применять сварку с подогревом, так как возникающие при этом термические напряжения, могут вызвать такие деформации изделия, которые нельзя устранить последующей механической обработкой. Устранение указанных дефектов обычными методами холодной сварки может привести к образованию трещин или труднообрабатываемых участков со структурой закалки.

В этом случае целесообразнее применять пайкосварку, при которой сварное соединение образуется так же, как при пайке, т. е. без расплавления основного металла.

В начале низкотемпературной пайкосварки общая жидкая ванна не образуется, и процесс осуществляют путем наплавки отдельными каплями. Капли жидкого присадочного материала, попадая на основной металл, разогретый ниже температуры кристаллизации припоя, и соприкасаясь с ним, отдают ему часть своей теплоты, вследствие чего повышается температура поверхностного слоя основного металла. Капля жидкого припоя под действием флюса и давления пламени легко растекается тонким слоем по основному металлу. Часть жидкого металла под действием капиллярных сил заполняет пустоты, образующиеся в чугуне в результате поверхностного выкрашивания или окисления графита.

При низкотемпературной пайкосварке отрицательное влияние свободного графита на процесс смачивания устраняют введением во флюс активных добавок. Флюс, взаимодействуя со свободным углеродом, разрыхляет последний, что, в свою очередь, снижает межфазную поверхностную энергию и улучшает условия смачивания.

Дефектные участки к ремонту подготавливают механическим путем. Наибольшее распространение получили сверление и вырубка пневматическим зубилом. Острие кромки притупляют, чтобы профиль разделки (рис. 4) можно было равномерно прогревать пламенем, в результате чего обеспечиваются свободный доступ и выход газов в сторону от наконечника горелки. При устранении сквозных трещин притупление не должно превышать 1,5 мм.

Профиль разделки дефекта под пайкосварку

Рис. 4. Профиль разделки дефекта под пайкосваркуа — разделка несквозного дефекта; б — разделка сквозного дефекта с применением подкладки из огнеупорного материала

Низкотемпературную пайкосварку чугунным присадочным материалом применяют для исправления мелких дефектов на поверхностях чугунных деталей, имеющих незначительный припуск на обработку, при необходимости получения структур чугуна в наплавленном металле.

Чугунные прутки марок НЧ-2 и УНЧ-2 имеют следующий химический состав, мас. %:

ЭлементНЧ-2 УНЧ-2
Углерод3,0 … 3,53,4 … 3,7
Кремний3,5 … 4,03,5 … 3,8
Марганец0,6 … 0,70,6 … 0,7
Фосфор0,2 … 0,40,2 … 0,4
Никель0,4 … 0,60,4 … 0,6
Титан0,15 … 0,20,15 … 0,2
МедьНе более 0,1Не более 0,1
СераНе более 0,05Не более 0,03

Прутки УНЧ-2 по сравнению с прутками НЧ-2 обеспечивают более плотный наплавленный металл шва за счет более низкого содержания серы и более благоприятного соотношения между углеродом и кремнием.

Для пайкосварки чугунными прутками применяют флюсы марок ФСЧ-2 и МАФ-1.

При пайкосварке нагрев осуществляют ацетиленокислородным пламенем. Схема процесса устранения сквозных дефектов (трещин) показана на рис. 5, а. При устранении засверленных дефектов (пористость, раковины) присадочный материал наносят по винтовой восходящей линии (рис. 5, б ). Угол между осью пламени и плоскостью разделки составляет 20 … 30°. Присадочный пруток располагают на расстоянии 23 … 25 мм от ядра пламени.

Схемы процесса низкотемпературной пайкосварки чугунным присадочным материалом при исправлении дефектов

Рис. 5. Схемы процесса низкотемпературной пайкосварки чугунным присадочным материалом при исправлении дефектова — сквозных с продольной разделкой; б — засверленных типа раковин

При использовании флюса ФСЧ-2 осуществляют местный предварительный нагрев в зоне дефекта до температуры 900 … 950 °С и выше. При такой высокой температуре не исключено появление структур закалки в ЗТВ. Флюс используют в тех случаях, когда допускается повышенная твердость наплавленного металла, например при исправлении дефектов в направляющих токарно-винторезных станков мод. 1К62 перед поверхностной закалкой.

Флюс МАФ-1 и прутки УНЧ-2 позволяют вести процесс при рабочей температуре 750 … 800 °С. При пайкосварке не происходит закалки околошовной зоны.

Низкотемпературная пайкосварка не исключает предварительного нагрева детали. Нагрев до температуры 300 … 400 °С в значительной степени облегчает выполнение работы по устранению дефектов на толстостенных деталях.

В отдельных случаях взамен сварки целесообразно применять пайкосварку чугуна латунными припоями.

Преимущество пайкосварки чугуна латунью по сравнению со сваркой плавлением заключается в том, что нагрев чугуна до температуры плавления латуни (850 … 900 °С) существенно не изменяет структуры металла и не вызывает значительные термические напряжения.

Угол скоса кромок детали толщиной до 25 мм при пайкосварке составляет 45°; при толщине более 25 мм рекомендуется ступенчатая разделка. Пайкосваркой лучше соединять шероховатые, а не гладкие поверхности кромок: гладкие плохо смачиваются латунью, что не обеспечивает прочного сцепления латуни с чугуном. Углерод, выделяясь в виде графита на поверхности кромок, также препятствует прочному сцеплению металлов. Графит с поверхности кромок выжигают на глубину 0,2 … 1,5 мм двумя способами: соединяемые кромки детали покрывают пастой из железных опилок и борной кислоты и нагревают пламенем горелки; кромки детали нагревают пламенем горелки, отрегулированным с избытком кислорода. В обоих случаях кромки детали нагревают до температуры 750 … 900 °С. Более широкое применение на практике нашел второй способ.

Техника пайкосварки чугуна состоит в следующем. Кромки нагревают до красного цвета, посыпают флюсом и лудят участками. При этом пламя должно быть нейтральным или с небольшим избытком кислорода. Кромки должны находиться в наклонном положении. Пайкосварку выполняют снизу вверх, при этом расплавленная латунь не стекает на нелуженую поверхность.

Горелку и присадочный материал при пайкосварке латунью располагают так же, как и при правом способе сварки (рис. 6). После окончания процесса целесообразно места соединения прогреть, покрыть асбобумагой и медленно охладить. Описанный способ можно применять при пайкосварке чугуна со сталью.

Мощность пламени, т. е. количество сжигаемого в единицу времени горючего, должна соответствовать удельному расходу ацетилена — около 75 дм3/ч на 1 мм толщины детали. Номер наконечника выбирают в зависимости от мощности. В качестве припоев используют латунь Л63 или ЛОК 59-1-03 (ГОСТ 16130 — 90). Припой ЛОК 59-1-03 обеспечивает получение более плотного паяносварного шва и протекание бездымного процесса, т. е. угар цинка незначителен. При пайкосварке указанными припоями применяют флюсы следующих составов: 100 % буры; 50 % буры и 50 % борной кислоты.

Часто возникает необходимость в исправлении дефектов на поверхностях чугунных деталей, припуск на обработку которых составляет несколько микрометров, причем в отдельных случаях обязательно получение шва, близкого по цвету и твердости к основному металлу. Дефекты на указанных поверхностях исправляют низкотемпературной пайкосваркой латунными припоями, по технологическим приемам аналогичной описанному процессу низкотемпературной пайкосварки чугунным присадочным материалом. Рабочая температура процесса пайкосварки латунными припоями, т. е. местный нагрев поверхности металла в зоне наплавки, составляет 650 … 750 °С. Снизить рабочую температуру по сравнению с температурой при обычных способах пайкосварки латунными припоями можно применением специальных флюсов (табл. 8).

Схема пайкосварки латунным припоем

Рис. 6. Схема пайкосварки латунным припоем1, 2 — направления движения горелки и прутка соответственно

Таблица 8. Флюсы для низкотемпературной пайкосварки латунными припоями
Марка флюсаСостав флюсаОбласть применения
KомпонентСодержание, мас. %
ФПСН-1Kарбонат лития25 ± 0,5Для латуни
Kальцинированная сода25 ± 1без алюминия
Борная кислота50 ± 1
ФПСН-2Kарбонат лития22,5 ± 0,5Для латуни,
Kальцинированная сода22,5 ± 0,5содержащей
Борная кислота45 ± 1до 1 % алюминия
Солевая плавленая лигатура*10 ± 1

*Состав: 72,5 % хлорида натрия и 27,5 % фторида натрия.

Флюсы ФПСН-1 и ФПСН-2 нейтрализуют действие свободного графита, частицы которого выступают на свариваемой поверхности и препятствуют ее смачиванию. Флюсы облегчают процесс

Таблица 9. Латунные припои для низкотемпературной пайкосварки
Марка припояСостав припоя, мас. %
МедьОловоKремнийМарганецНикельАлюминий
ЛОK 59-1-0358 … 600,7 … 1,10,2 … 0,4
ЛОМНА

49-05-10-4-04

48 … 500,9 … 1,09,5 … 10,53,5 … 4,50,2 … 0,6
ЛОK 59-1-0390580 … 100Желтый
ЛОМНА

49-05-10-4-04

835180 … 200Белый

смачивания и образование металлических связей на границе чугун— латунь при рабочей температуре 650 … 750 °С (ниже температуры солидуса латуни на 150 … 200 °С). При температуре плавления 600 … 650 °С указанные флюсы являются индикаторами начала процесса пайкосварки, т. е. расплавление флюса служит сигналом для введения и расплавления припоя.

В качестве припоя в зависимости от требований к поверхности с дефектом применяют сплавы, составы которых приведены в табл. 9.

Припой ЛОК 59-1-03 применяют в тех случаях, когда не требуется, чтобы цвет и твердость наплавки и основного металла были одинаковыми. В припое содержится в среднем 0,3 % кремния, что обусловливает бездымный процесс пайкосварки, т. е. на поверхности расплавляемого металла образуется слой оксидов кремния, препятствующий испарению цинка. У медно-цинковых сплавов, не содержащих кремния, угар цинка составляет 5 %.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *