Сварка чугуна

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (свыше 2,11–2,14%), в котором обычно содержатся также кремний (до 3%), марганец (до 1%), сера, фосфор и могут присутствовать легирующие добавки – хром, никель, ванадий, алюминий, магний и др. Чугун без легирующих добавок или термообработки – достаточно хрупкий материал с низкими прочностью, твердостью и пластичностью.

чугунные детали

Фото. Чугунные детали

Углерод может присутствовать в чугуне в виде цементита Fe₃C и графита. По количеству цементита и форме графита чугуны подразделяются на следующие виды:

белый;
серый;
ковкий;
половинчатый;
высокопрочный чугун.

Белый чугун – это чугун, в котором весь углерод присутствует в виде цементита. Цвет излома – светлый. Белый чугун имеет очень высокую твердость и не может обрабатываться режущим инструментом. Его используют преимущественно в качестве полупродукта для получения ковкого чугуна.

В сером чугуне весь углерод или его большая часть присутствует в виде графита. Цвет излома – серый. Серый чугун благодаря высоким литейным свойствам используется в качестве основного материала для литья. В отличие от белого чугуна хорошо поддается металлической обработке.

Ковкий чугун получают в результате отливки и последующей термической обработки белого чугуна с образованием хлопьевидного графита. Ковкий чугун применяется в основном при производстве автомобилей, сельскохозяйственных машин и тракторов.

Половинчатый (отбеленный) чугун – это чугун, в котором углерод присутствует как в виде графита, так и в виде цементита. Используется как фрикционный материал для работы в условиях сухого трения, для производства деталей повышенной износостойкости.

В высокопрочном чугуне содержится шаровидный графит, образуемый в процессе кристаллизации. Обычно используется для производства ответственных изделий в машиностроении, для изготовления высокопрочных труб водоснабжения, нефте- и газопроводов.

Свариваемость чугуна

Чугун обладает плохой технологической свариваемостью:

быстрое охлаждение сварного шва и околошовной зоны приводит к возникновению отбеленных участков (участков с выделениями цементита, обладающих высокой твердостью), что крайне затрудняет последующую механическую обработку металла;
в связи с высокой хрупкостью чугуна при его неравномерном нагреве и охлаждении высока вероятность появления трещин в сварном шве и околошовной зоне;
чугун является жидкотекучим сплавом, что усложняет удержание расплавленного металла от вытекания и затрудняет формирование шва;
из-за интенсивного выделения газов из жидкой сварочной ванны, продолжающегося и на стадии кристаллизации, в сварном шве могут образовываться поры;
в результате окисления кремния, а иногда и других элементов на поверхности сварочной ванны могут образовываться тугоплавкие оксиды, приводящие к непроварам.

Однако сварка металла весьма распространена при ремонте чугунных изделий, для исправления брака чугунного литья, а в некоторых случаях при изготовлении сварно-литых конструкций.

Способы сварки чугуна

Сварка чугуна может выполняться покрытыми или угольными электродами, порошковой проволокой, оборудованием для газовой сварки и другими способами.

Существуют три основных технологических направления сварки чугуна:

сварка, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;
сварка, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;
сварка, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов.

Важным способом борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков, а также возникновением трещин является предварительный подогрев свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают следующие виды сварки металла:

горячая сварка – с температурой предварительного подогрева 600–650°C;
полугорячая сварка – с температурой предварительного подогрева до 400–450°C;
холодная сварка – без предварительного подогрева.

Горячая и полугорячая сварка чугуна используются в случаях, когда требуется получение в металле шва чугуна со свойствами, близкими к свойствам основного металла детали. Предварительный подогрев изделия до температуры 600–650°C при горячей сварке чугуна создает условия для сравнительно равномерного нагрева и более медленного охлаждения металла после сварки, что обеспечивает графитизацию чугуна – выделение углерода в виде графита – и предотвращение его выделения в виде цементита.

При полугорячей сварке чугуна улучшение графитизации металла достигается за счет введения в зону сварки графитизирующих веществ (кремния, титана, алюминия) и предварительного подогрева изделия с меньшей температурой, чем при горячей сварке.

Холодная сварка чугуна выполняется в случаях, когда чугун в металле шва не предусмотрен, и может применяться в ряде случаев, когда в металле шва требуется получить чугун – с использованием графитизирующих веществ при незначительных или средних по размеру дефектах, при несквозных дефектах или сквозных дефектах небольшой протяженности и глубины.

Дуговая сварка с получением в металле шва чугуна

Процесс горячей сварки чугуна осуществляется в несколько этапов:

подготовка свариваемого изделия;
предварительный подогрев;
сварка;
последующее замедленное охлаждение.

При подготовке свариваемого изделия выполняется тщательная очистка дефектного места от загрязнений и разделка кромок для обеспечения доступности при манипулировании электродом (проволокой) и при воздействии дуги. Для предотвращения вытекания жидкого металла сварочной ванны, а иногда для придания металлу определенной формы, производится формовка места сварки. Формы изготавливают из графитовых пластинок, которые скрепляются формовочной массой из смеси кварцевого песка с жидким стеклом, другими формовочными материалами или в опоках формовочными материалами, используемыми в литейном производстве (см. рисунок ниже).

формовка для горячей сварки чугуна

Рисунок. Формовка места для горячей сварки чугуна

По окончании формовки требуется просушить форму с постепенным повышением температуры от 60 до 120°С. Дальнейший нагрев деталей с формой выполняется со скоростью 120–150°С в печи, горне, специальном колодце или в другом нагревательном устройстве. После сварки для замедленного охлаждения изделие накрывают теплоизолирующим слоем (асбестовыми листами и засыпкой сухого песка, шлака, древесного угля и т. п.) или охлаждают вместе с нагревательным устройством. Большие детали могут остывать от 3 до 5 суток.

Для горячей ручной дуговой сварки чугуна применяются плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б, а также могут использоваться угольные электроды. Горячая сварка производится непрерывно на больших токах до окончания заварки дефекта. При значительных объемах сварку выполняют поочередно два сварщика. Покрытие литых прутков диаметром 5–20 мм содержит легирующие (карборунд, графит, силикокальций, ферросилиций и др.) и стабилизирующие материалы. Держатель электрода должен быть снабжен щитком для защиты руки сварщика от теплового излучения. Сварку угольными электродами (диаметром 8–20 мм) выполняют на постоянном токе прямой полярности.

Таблица. Состав чугунных стержней для горячей и полугорячей сварки

Элемент Марка А
для горячей сварки Марка Б
для горячей и
полугорячей сварки

Углерод 3,0–3,5

Кремний 3,0–3,4 3,5–4,0

Марганец 0,5–0,8

Фосфор 0,2–0,4 0,3–0,5

Сера до 0,08

Хром до 0,05

Никель до 0,3

Таблица. Режимы дуговой сварки чугуна угольным электродом

Толщина металла (мм) Диаметр электрода (мм) Сила тока (А)

6–10 8–10 280–350

10–20 10–12 300–400

20–30 12–16 350–500

30 и более 16–18 350–600

Горячая сварка чугуна позволяет получить в сварном шве чугун, практически не отличающийся от основного металла изделия (по плотности, механическим свойствам, обрабатываемости и т.п.). Однако она имеет и ряд недостатков:

трудоемкость процесса, связанная с необходимостью формовки места сварки, сложностью обеспечения равномерного нагрева всего изделия;
длительность и дороговизна процесса.

В то же время в некоторых случаях к сварным швам из чугуна предъявляются менее жесткие требования, например, обеспечение только определенной плотности или равнопрочности швов. Этого можно достичь с применением специальных технологических и металлургических средств при сварке с незначительным подогревом или совсем без предварительного подогрева – при полугорячей или холодной сварке чугуна.

Для предотвращения отбеливания чугуна в наплавленный металл может быть введено большое количество графитизаторов и легирующих элементов. Например, сварочные электроды марки ЭМЧ имеют чугунный стержень с повышенным содержанием кремния (до 5,2%) и двухслойное покрытие, первый слой которого является легирующим, а второй предназначен для обеспечения газовой и шлаковой защиты.

Таблица. Состав покрытия электродов марки ЭМЧ

1-й слой 2-й слой

графит – 41%
силикомагний – 40%
железная окалина – 14%
алюминий (порошок) – 5% мрамор – 50%
плавиковый шпат – 50%

При холодной сварке электродами марки ЭМЧ изделий из чугуна с толщиной стенки до 12 мм удается получить швы и околошовную зону без отбеленных и закаленных участков.

При сварке электродами марки ЭМЧ массивных изделия из чугуна для получения бездефектных швов требуется предварительный подогрев до T=400°С в зависимости от жесткости изделий и толщины чугуна.

Электроды из никелевых чугунов позволяют получать сварные швы с хорошей обрабатываемостью, однако при этом повышается вероятность образования горячих трещин. Сварка осуществляется в несколько слоев с возвратно-поступательными перемещениями электрода.

Таблица. Состав стержней электродов из никелевых чугунов (%)

Чугун Углерод Никель Кремний Медь Марганец Железо

Нирезист 2,0 29 1,3 7,6 0,4 59,7

Никросилаль 2,0–2,3 19–22 5,2–6,4 – 0,5 68,8–73,3

Электроды марки ЭМЧС обеспечивают легирование через покрытие. Их стержень состоит из низкоуглеродистой проволоки, а покрытие из трех слоев: легирующего, газо- и шлакообразующего, газозащитного. При толщине свариваемого изделия от 8 до 10 мм для получения бездефектных сварных соединений с помощью этих электродов может использоваться холодная сварка, а при больших толщинах – горячая сварка.

Полуавтоматическая горячая, полугорячая и холодная сварка чугуна выполняется, как правило, порошковыми проволоками ПП-АНЧ-1, ПП-АНЧ-2, ПП-АНЧ-3 и др. В проволоках содержится комплекс модифицирующих элементов, вводимых в шихту в виде лигатуры на основе кремния.

Таблица. Механические свойства металла чугуна, сваренного порошковыми проволоками

Марка проволоки и температура подогрева σ_В (МПа) при растяжении σ_В (МПа) при изгибе Твердость, HB

Сварочная проволока ПП-АНЧ-1,
сварка без подогрева 180–220 400–450 250–300

Сварочная проволока ПП-АНЧ-2,
сварка с подогревом при T=350°C 170–250 350–450 170–190

Сварочная проволока ПП-АНЧ-3,
сварка с подогревом при T=600°C 280–320 460–520 180–210

Газовая сварка

Газовая сварка чугуна считается надежным способом получения металла швов, практически не отличающегося от основного металла изделия. По сравнению с дуговой сваркой нагрев и охлаждение при газовой сварке – более длительные и равномерные, благодаря чему обеспечиваются лучшие условия для графитизации углерода и снижается вероятность возникновения отбеленных участков в сварном шве и околошовной зоне.

Газовую сварку желательно выполнять с предварительным подогревом (общим или местным). Скос кромок делается односторонним (V-образным), с углом раскрытия 90°. Кромки тщательно очищаются от грязи, ржавчины и масла с помощью щетки или пескоструйного аппарата и прогреваются газовым пламенем.

местный подогрев при сварке чугуна

Рисунок. Местный подогрев некоторых деталей

Присадочные прутки обычно представляют собой чугунные стержни следующих марок:

«А» (для горячей газовой сварки чугуна, см. состав в таблице выше);
«Б» (для газовой сварки чугуна с местным нагревом, см. состав в таблице выше);
«НЧ-1» (для низкотемпературной газовой сварки тонкостенных отливок из чугуна);
«НЧ-2» (для низкотемпературной газовой сварки толстостенных отливок из чугуна);
«БЧ» и «ХЧ» (для износостойкой наплавки чугуна).

Диаметр прутка выбирается из диапазона от δ/2 до (δ/2 + 1 мм), где δ – толщина основного металла изделия.

Для газовой сварки металла необходимо применение флюса, который выполняет следующие функции:

обеспечивает защиту сварочной ванны от окисления;
переводит тугоплавкие окислы железа, марганца и кремния в легкоплавкие шлаки;
улучшает сплавляемость, создавая микроуглубления при окислении и частичном растворении графитных включений чугуна;
повышает жидкотекучесть металла сварочной ванны и шлаков.

Некоторые марки флюсов, применяемых при газовой сварке чугуна:

флюс ФСЧ-1, используемый в основном для заварки крупных дефектов; состав – бура прокаленная (23%), азотнокислый натрий (50%), углекислый натрий (27%);
флюс ФСЧ-2, используемый для низкотемпературной сварки и заварки небольших деталей из чугуна; отличается от флюса ФСЧ-1 добавкой в состав углекислого лития;
газообразный флюс БМ-1; состоит из летучей борорганической жидкости.

Во время сварки следует чаще погружать пруток во флюс, а флюс подсыпать в сварочную ванну. Скорость подачи ацетилена на 1 мм толщины металла должна составлять от 100 до 120 дм³/ч. Скашивание кромок осуществляется только при толщине стенки свыше 4 мм.

Необходимо, чтобы сварочное пламя было нормальным или науглероживающим, поскольку окислительное пламя приводит к сильному местному выгоранию кремния с образованием в сварном шве зерен белого чугуна. Металл нужно хорошо прогреть. Сварка выполняется в нижнем положении быстро, а для крупных деталей желательно двумя горелками одновременно. Для предотвращения образования пор в сварном шве требуется постоянно перемешивать металл сварочной ванны концом присадочного прутка, облегчая выход растворенных газов.

Во время сварки присадочный пруток погружают в ванну только тогда, когда его конец нагреется до температуры светло-красного каления, поскольку погружение ненагретого прутка может привести к появлению отбеленных участков. Пруток вынимают из сварочной ванны как можно реже и только для покрытия его флюсом.

Допускается периодическое удаление ядра пламени от поверхности сварочной ванны, однако восстановительная часть пламени должна постоянно закрывать поверхность ванны. При чрезмерной задержке пламени на одном участке происходит выгорание углерода и кремния, что может привести к отбеливанию чугуна.

Сварку чугунных деталей сложной формы (с отверстиями, перемычками, неодинаковым сечением в различных частях) во избежание появления дефектов, вызванных неравномерным нагревом, необходимо выполнять только с общим предварительным подогревом.

По окончании сварки изделие закрывают слоем асбеста для медленного остывания.

Электрошлаковая сварка

При электрошлаковой сварке чугуна в качестве электродов используют литые чугунные пластины, а в качестве флюсов – фторидные обессеривающие и неокислительные флюсы. Электрошлаковая сварка позволяет получить удовлетворительные свойства швов из серого чугуна, без закаленных и отбеленных участков, пор, трещин и других дефектов.