электроды для сварки чугуна

Состав чугуна и его свойства

{product id=1267} {product id=1268} {product id=1269} {product id=1270}

Чугун и сталь являются сплавами железа Fe с углеродом C и различаются лишь процентным содержанием этого самого углерода. Сталь содержит углерода до 2,14%, в чугунах углерод присутствует в количестве 2,14…6,67%. Кроме железа (Fe) и углерода (C), в чугуне присутствуют также и другие элементы в количестве:

-до 4,0% кремния.

-до 1,2% фосфора.

-до 2,0% марганца.

-до 0,2% серы.

Чугун по своим химическим и механическим свойствам значительно отличается от стали. Именно такой большой процент содержания углерода сообщает чугуну такие особенные свойства. Углерод может содержаться в чугунных изделиях в двух видах: цементит (Fe₃C) и графит (С). Белый цементитный чугун (БЧ) - твердый и хрупкий материал, трудно поддающийся механической обработке, ковке и сварке. Чугун с химически свободно присутствующим углеродом – графитом называется серым чугуном (СЧ). Серый чугун называется так из-за цвета этого металла на изломе. Серый чугун легко обрабатывается, обладает хорошей ковкостью (по сравнению с белым (БЧ)) и широко применяется в литейном производстве. При соблюдении специальной технологии и определенных условий серый чугун (СЧ) может также и свариваться, хотя имеет некоторые ограничения по сварке.

Благодаря этим свойствам, серый чугун чрезвычайно широко применяется в различных сферах производства и специального строительства. Именно благодаря содержанию графита, серый чугун обладает уникальными свойствами – износостойкость и антифрикционные качества. Пары скольжения сталь – чугун по показателям износостойкости превышают традиционные подшипники скольжения. Жесткость чугуна, превышающая жесткость стали, позволяет с успехом использовать этот металл при изготовлении фундаментов и оснований станочного оборудования для металлообработки.

Ограничения по сварке заключаются в том, что при сварке околошовная зона сначала нагревается выше 750°С, а затем быстро остывает. При этом содержащийся в сером чугуне в виде графита свободный углерод переходит в состояние цементита и серый чугун в зоне сварки превращается в белый (БЧ). Кроме изменений состояния углерода, металл сварного шва и околошовной области чугунных деталей закаляется в процессе остывания. Этот процесс вызывает в металле шва внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Чугуны специального состава для различных целей могут содержать легирующие металлы: хром, ванадий, никель, молибден, марганец и др. Присутствие легирующих компонентов может оказывать различное влияние на способность чугуна к свариванию (как положительное, так и отрицательное).

Сварочное оборудование для сварки чугуна

{product id=65} {product id=75} {product id=78} {product id=79} {product id=80}

Способность чугуна к свариванию (свариваемость)

Чугун в металловедческих справочниках и марочниках характеризуется как трудносвариваемый. Для этого имеется несколько причин, указанных ниже.

Расплав чугуна обладает высокой степенью жидкотекучести. И чем больший процент углерода содержится в чугуне, тем выше показатель жидкотекучести. Этот фактор усложняет формирование нормального шва. В силу процессов закалки и «отбеливания» чугуна во время сварки проявляется склонность его к растрескиванию. Образованию трещин в околошовной зоне способствуют включения свободного углерода в виде графита, который в результате воздействия высокой температуры переходит в состояние цементита, придающего чугуну белый цвет. Отсюда происходит термин «отбеливание» чугуна. Часть содержащегося в чугуне графита выгорает в процессе сварки, приводя к образованию пустот – пористости шва. Если производится сварка чугуна неизвестного химического состава, то результат будет непредсказуемым, особенно при несоблюдении рекомендованной технологии и при использовании случайных сварочных материалов. Нередко через некоторое время после окончания шва при остывании металла слышатся характерные щелкающие звуки – результат образования трещин в металле шва и околошовной зоны. Хуже всего сваривается чугун с высоким содержанием графита. Такой чугун имеет на изломе черный цвет и оставляет на руках черные следы графита.

Способы сварки чугуна

Существует два основных способа сварки чугунных изделий:

-Холодная сварка – сварка без предварительного подогрева.

-Горячая сварка – сварка с предварительным подогревом.

Технология холодной сварки проще, но требует применения специальных электродов для получения хорошего результата – качественного шва с приемлемыми прочностными параметрами. Если при холодной сварке использовать электроды по стали, то результатом будет получение сварного шва, состоящего из закаленной высокоуглеродистой стали с высоким содержанием целого «букета» примесей (марганец, кремний, фосфор, сера и др.). Твердость такого шва не позволяет выполнять его механическую обработку, металл шва и околошовная зона склонны к растрескиванию, т.к. при быстром охлаждении кромок свариваемых деталей чугун «отбеливается». Результатом такой холодной сварки чугуна стальным электродом будет «слоеный пирог», состоящий из:

-Закаленной пористой высокоуглеродистой стали шва.

-Участка толщиной около 1,0 мм цементита (отбеленного чугуна).

-Зона закаленного чугуна, склонного к растрескиванию.

Горячая сварка позволяет существенно снизить негативные последствия холодной сварки («отбеливание» чугуна в околошовной зоне и закалку шва и кромок деталей). Существует несколько вариантов этого метода, зависящих от характера и интенсивности нагревания:

Общий подогрев в муфельной печи.
Местный подогрев горелками.
«Теплый» нагрев – до 150…200°С.
«Полугорячий» нагрев – до 300…400°С.
«Горячий» нагрев – до 500…600°С.

Суть горячего метода заключается в медленном подогреве свариваемых деталей (120…150°С в час) перед сваркой и таком же медленном охлаждении после окончания сварки. Максимальная температура нагревания не должна быть выше 600…650°С. Медленное охлаждение производится либо вместе с печью, либо методом «укутывания» изделия в несгораемый теплоизолирующий материал.

Подготовка к сварке чугунных деталей

Чугун требует повышенного внимания при подготовке к свариванию (по сравнению со сваркой стали). Это связано с трудностью устранения загрязнений шва из-за пористой структуры. Масло и другие углеводороды довольно глубоко проникают в структуру сварного шва и создают серьезные проблемы при сварке чугуна. При выполнении ремонта трещин чугунных деталей их (трещины) необходимо сначала засверливать в начале и в конце, чтобы предотвратить их дальнейшее развитие. Качественный ремонт трещин предполагает их разделку на всю глубину с углом разделки, обеспечивающим необходимый провар. Допускается не засверливать концы трещин, а обрабатывать до необходимого радиуса скругления, обеспечивающего недопущение развития трещины.

Область сварки чугунных деталей требует тщательной очистки от ржавчины, окалины и загрязнений с помощью стальных щеток, болгарок (угло-шлифовальных машин), наждачной бумаги или пескоструйной (дробеструйной) установки. Масляные загрязнения удаляются растворителями или выжигаются пламенем горелок.

Холодная сварка чугуна специальными электродами

Для получения хороших результатов холодной сварки чугуна используются специальные электроды с высоким содержанием меди и никеля. Медь и никель не взаимодействует с углеродом (не образует карбидов), что препятствует «отбеливанию» чугуна в околошовной зоне. Никель хорошо растворяется и смешивается с железом, обеспечивая невысокую твердость шва и возможность механической обработки. В шве отсутствуют трещины и поры. Медь, хотя и не образует карбидов, но плохо растворяется в железе и может вызывать образование неоднородных участков высокоуглеродистых соединений с высокой твердостью.

Сегодняшний рынок электродов предлагает множество марок для сварки чугуна, содержащих никель и медь (медно–железные, железо –никелевые, железо–медно–никелевые). Наиболее востребованными и распространенными являются следующие марки:

Электроды ОЗЧ 2, ОЗЧ 6 – медно-железные, представляющие собой медную проволоку или стержни, покрытые содержащей порошок железа обмазкой.
Электроды ОЗЖН - 1, ОЗЧ 3, ОЗЧ 4 – никелевые и железо- никелевые с содержанием 90 процентов никеля.
Электроды МНЧ -2 (железо – медно – никелевые).

Специальные электроды позволяют выполнять сварку чугуна как с нижним расположением шва, так и с вертикальным.

У перечисленных отечественных электродов для сварки чугуна есть аналоги иностранного производства.

При дефиците оригинальных заводских электродов ОЗЧ 2 и ОЗЧ 6 возможно их самостоятельное изготовление. Для этого необходимо медную проволоку марок М2 или М3 сечением 3,0…5,0мм. тщательно зачистить от оксидной пленки с помощью наждачной бумаги, обезжирить растворителем и покрыть специальной обмазкой. Рецептура приготовления обмазки состоит в использовании покрытия стандартных электродов УОНИ 13/55 и ОЗС 2 (для изготовления электродов, предназначенных для сварки чугуна постоянным током) или АНО 4 и АНО 5(для изготовления электродов, предназначенных для сварки чугуна переменным током). С указанных электродов соскабливается обмазка, измельчается и смешивается со стальными опилками в соотношении 1:1 по весу. В полученный порошок добавляется жидкое стекло (силикатный клей) и перемешивается до состояния жидкой сметаны. В полученный состав окунаются приготовленные проволочные медные стержни. Толщина полученного покрытия должна составлять 1,5…2,0 мм. После стекания излишков обмазки электроды необходимо просушить в вертикальном положении, а затем прокалить в печи или в противне на плите при температуре 200…250°С. Полученные электроды используются при режимах сварки, рекомендованных для заводских электродов.

Правила сварки специальными электродами

В техническом описании каждого типа специальных электродов указаны рекомендуемые режимы сварки. Как правило, они используются для сварки на постоянном токе обратной полярности. Правила сварки чугуна рекомендуют неглубокое проплавление металла при небольшом уровне сварочного тока. Используются для сварки электроды небольшого сечения и накладываются короткие швы. При сварке необходимо делать перерывы после выполнения каждого шва для остывания изделия до температуры 50…60°С.

Сварка чугуна стальным электродом

Сварка чугуна стальными электродами не обеспечивает приемлемого качества шва и механические свойства свариваемого изделия. Стальные электроды используются для сваривания чугунных деталей лишь только потому, что эти электроды доступны и недороги. Снизить отрицательные последствия применения стальных электродов можно с помощью специальных электродов ЦЧ 4. Технология заключается в том, что электродом ЦЧ 4 накладывается нижний (плакирующий) слой сварного шва, а затем используются стальные сварочные электроды МР 3 или УОНИ 13/55.

При ремонте небольших по масштабу повреждений чугунных изделий и заварке небольших технологических отверстий допускается использование стальных электродов. При этом необходимо придерживаться таких же требований, что и при использовании специальных электродов по чугуну (малое проплавление металла для снижения эффекта «отбеливания» и закалки).

Самодельные специальные электроды

На основе стальных обыкновенных электродов самостоятельно можно изготовить железо –медные электроды. Технология заключается в намотке на стандартный стальной электрод медной проволоки диаметром 1,5…2,0 мм прямо поверх покрытия. Латунную проволоку использовать нежелательно из-за выделения при сварке токсичных соединений цинка, содержащегося в составе латуни. Масса намотанной медной проволоки должна быть больше в 4…5 раз массы стального электрода. Допускается при сварке использовать медную проволоку как присадочный пруток, не наматывая ее на электрод. Этот метод способен решить проблему сварки чугуна при отсутствии заводских электродов, но использование самодельных электродов не рекомендуется использовать для сварки ответственных изделий.

Самым слабым звеном сварного чугунного соединения при использовании стальных покрытых электродов является околошовная зона. Наличие в этой зоне пористости, хрупкости, приводящей к повышенному трещинообразованию, вызывают расслаивание металлов шва и свариваемого металла. Для частичной разгрузки наиболее слабой части сварного чугунного соединения применяют стальные шпильки и болты.

Наиболее эффективным методом повышения качества сварного шва остается медленный нагрев перед сваркой и медленное охлаждение изделия после окончания сварки. Улучшение качества шва наблюдается уже при нагревании до 150…200°C. Сварку чугуна рекомендуется выполнять с нижним расположением шва. Причиной является повышенная жидкотекучесть этого металла.

Применение шпилек и болтов при сварке чугуна

В разделанных кромках свариваемых чугунных деталей сверлятся отверстия, нарезается резьба и в резьбовые отверстия вворачиваются шпильки или болты. Диаметр резьбовой части шпилек и болтов зависит от толщины свариваемых изделий. Рекомендованы следующие размерные параметры:

Диаметр резьбовой части шпилек и болтов – 0,3…0,4 толщины детали(но не более 12мм).
Глубина вворачивания шпилек и болтов – 1,5 диаметра (но не более 0,5 толщины листов).
Высота выступающей над поверхностью части шпилек и болтов – 0,75…1,2 диаметра болта или шпильки.
Расстояние между болтами (шпильками) – 4…6 диаметров.

Выступающие над поверхностью деталей верхние концы шпилек и болтов обваривают вкруговую, заполняя постепенно шов. Вначале электродами диаметром 3 мм на небольших сварочных токах обвариваются все шпильки (болты). Сварка ведется вразброс для того, чтобы не допустить перегрев детали. Раз за разом толщина налагаемых сварных валиков увеличивается, пока вся разделка шва не заполнится наплавленным металлом.

Наплавленный металл должен иметь толщину, не превышающую толщины свариваемых деталей, т.к. усадочные напряжения, возникающие в наплавленном металле, могут привести к появлению трещин в чугуне.

Сварка чугуна неплавящимися электродами

Сварка чугуна выполняется неплавящимися электродами всех видов: вольфрамовыми, графитовыми и угольными. Присадочным материалом могут служить отлитые чугунные прутки или присадочная проволока, в состав которой может входить медь, алюминий, никель и другие металлы. В качестве защитной среды может использоваться флюс, состоящий из буры и других компонентов. Наибольшее распространение получила сварка в среде защитных газов (AC TIG), на переменном токе в аргоне. В качестве присадки используются никелевые прутки.

Сварка чугунными электродами

Для ремонта чугунных изделий и устранения литейных дефектов применяются чугунные электроды. Чугунные электроды изготовлены из чугунного литья в виде прутков, покрытых специальной обмазкой. Например, электрод ОМЧ -1 имеет покрытие, состоящее из ферромарганца (9%), полевого шпата (25%), графита (41%) и мела (25%). Для замедления остывания сварного шва в состав покрытия электродов вводятся термитные составы.

Сварка этим электродом выполняется на постоянном и переменном токе. Сила тока рассчитывается по принципу: 50…60А на 1,0мм диаметра электрода. Это значит, что сварка электродом ОМЧ -1 диаметром 5,0мм должна выполняться на максимальном сварочном токе 300А. При холодной сварке чугуна однородность шва обеспечить проблематично из-за отбеливающего эффекта околошовной зоны, возникающего при высокой температуре. Оптимизация процесса сварки чугуна достигается применением полугорячей сварки при медленном разогреве деталей перед сваркой до 300…400°C.

Правила проковки сварных швов

При сварке чугуна в сварном шве при быстром охлаждении возникают напряжения. Остаточные напряжения можно снять частично или полностью с помощью проковки. Проковка успешно применяется опытными сварщиками, поскольку при некорректно выполненной проковке можно не увеличить прочность шва, а, наоборот, уменьшить. При проковке следует учитывать некоторые важные моменты, влияющие на результат:

Удары молотком наносятся только по сварному шву.
Сила удара должна быть не слишком большой.
Масса молотка должна быть 0,6…1,2кг.
Боек молотка должен иметь закругленную форму.
При многослойной сварке следует проковывать каждый слой, кроме первого и последнего (облицовочного).
Проковку рекомендуется прекращать при достижении температуры 500…800°С.