Температура плавления чугунов зависит от их химического состава и примерно составляет 1200–1250оС.
Структура чугуна зависит от скорости охлаждения и содержания в нём углерода и легирующих примесей. По структуре чугуны разделяют на белые и серые.
Белый чугун получил своё название от вида излома, который имеет белый или светло-серый цвет. Углерод в нём находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Цементит хрупок и обладает высокой твёрдостью, поэтому белый чугун не поддаётся механической обработке, для изготовления изделий применяется редко и сварке не подлежит.
Из белого чугуна путём специальной термической обработки (длительная выдержка при температуре 1000оС) получают ковкий чугун. По механическим свойствам он пластичнее белого чугуна. Название «ковкий» это условное название, чугуны не используют в виде поковок, они практически не куются.
Высокопрочные чугуны получают добавлением в сплав некоторых легирующих элементов (магния, церия и др.). Серый чугун содержит в своём составе почти весь углерод в виде графита, поэтому излом его имеет серебристо-серый цвет. Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, поэтому он широко применяется как конструкционный материал. Серый чугун дешевле стали, отличается хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, способностью гасить вибрации, хорошей обрабатываемостью. Отрицательными его свойствами являются пониженная прочность и высокая хрупкость.
Чугун маркируют по буквенно-цифровой системе: первые буквы (С, К и В) обозначают серый, ковкий и высокопрочный чугун соответственно; вторая буква (Ч) обозначает чугун. В сером чугуне две цифры указывают на временное сопротивление. Например, в марке СЧ10 буквы СЧ обозначают серый чугун, 10 – временное сопротивление. В обозначениях ковкого и высокопрочного чугунов после буквенной маркировки (КЧ и ВЧ) первые две цифры также обозначают временное сопротивление, а вторые две – относительное удлинение, например КЧ 35–10 (ковкий чугун с временным сопротивлением не менее 350 МПа и относительным удлинением не менее 10%).
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 (1200–1250оС) и быстро переходит из жидкого состояния в твёрдое. 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 вызвать 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 (300–400оС и выше) углерод и кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким. Чугун, содержащий окислённый 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.
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 протяжённости и, наконец, когда наплавляемый металл не предусмотрен в виде чугуна. При холодной сварке свариваемые детали не подвергают предварительному нагреву.
Особенности применения различных способов дуговой сварки чугуна показаны в таблице 1. Выбор способа и технологии сварки зависит от требований к сварному соединению. При выборе технологии сварки учитывают необходимость подогрева металла, а также механической обработки металла шва и околошовной зоны после сварки.
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 трещи 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. Кроме того, формы можно скреплять в опоках формовочными материалами, применяемыми в литейном производстве.
Детали и чугунные отливки нагревают до температуры 300–700оС (в зависимости от формы детали, дефекта, способа сварки). Сварку выполняют чугунными электродами или порошковой проволокой с присадкой керамического стержня. 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 600А, а диаметром 12 мм – ток 1000А. Используют электродержатели, имеющие защиту руки сварщика от теплового излучения.
Варка угольным электродом ведётся постоянным током прямой полярности: для электродов диаметром 8–20 мм используются соответственно токи 280–600А. Применяют преобразователи ПСМ‑1000, выпрямители ВАМ‑1601, трансформаторы ТДФ‑1601.
Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объём расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать его концом электрода или присадочного стержня. Для медленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углём или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3–5 суток.
Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоёмкость процесса и тяжёлые условия труда сварщиков.
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.
Разделку краевых дефектов осуществляют таким образом, чтобы предупредить сколы при механической обработке.
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 70–80о. В местах, доступных для сварки с двух сторон, производят Х-образную разделку кромок. Зазор составляет 0–3 мм, притупление с – 0–3 мм.
Если концы трещины не выходят на поверхность детали, то в местах окончания трещины сверлят отверстия и участок видимой части трещины вырубают (вышлифовывают) или разделывают воздушно-дуговой резкой.
По концам несквозной трещины просверливают отверстия глубиной 2–4 мм, а по концам сквозной трещины – на всю глубину сверлом диаметром 6–10 мм.
Наплавку ведут через центр разделки, а затем наплавляют валики на правой и левой её частях.
Трещины, сколы разделывают (V‑образная разделка кромок) для односторонней сварки.
На практике используют несколько разновидностей холодной сварки: стальными, медно-железными, медно-никелевыми, железо-никелевыми, никелевыми и другими электродами.
Сварное соединение, полученное холодной сваркой, неоднородно. Оно состоит из наплавленного металла, зон сплавления и термического влияния. Размер зоны сплавления зависит от диаметра электрода (3–6 мм – по размеру завариваемого дефекта).