Полуавтоматы для дуговой сварки и их основные узлы

Технология сварки чугуна и ее особенности

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,0 %.

Обычный чугун представляет собой железоуглеродистокремниевый сплав, содержащий углерода от 2,5 до 4 %, кремния от 1 до 5 % в сочетании с различными количествами марганца, серы и фосфора; иногда при этом имеются один или несколько специальных легирующих элементов вроде никеля, хрома, молибдена, ванадия, титана и пр.

Чугун является дешевым, обладающим хорошими литейными свойствами сплавом, который благодаря ряду других особых свойств нашел широкое применение в народном хозяйстве, особенно в машиностроении.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают два основных вида чугуна: белый и серый чугун.

Серые чугуны получили большое распространение; с их сваркой приходится встречаться главным образом при исправлении брака чугунного литья и при ремонте.

Структура чугуна, его физические и механические свойства зависят от скорости охлаждения и химического состава чугуна. При одинаковом химическом составе и прочих равных условиях высокая скорость охлаждения способствует образованию в чугуне цемента, т. е. получению белого чугуна. Замедленное охлаждение, напротив, вызывает выделение углерода в состоянии графита с получением серого чугуна.

Промежуточные скорости охлаждения дают различные переходные структуры металлической части: цементно-перлитную, перлитную, перлито-ферритную, ферритную.

Все смеси чугуна по своему влиянию на цементит делят на две группы: графитообразующие, способствующие образованию графита, и карбидообразующие, задерживающие образование графита. Рассмотрим влияние некоторых примесей. Кремний является после углерода наиболее важной примесью чугуна и относится к графитообразующим

примесям. При содержании кремния выше 4,5 % практически весь углерод выпадает в виде графита. Сера образует легкоплавкие эвтектики и является активным карбидообразователем, что увеличивает хрупкость чугуна. Поэтому содержание серы в чугуне строго ограничивается (не более 0,15 %). Марганец, как и в стали, снижает содержание серы в чугуне; при содержании в чугуне до 0,8 % действует как графитизатор, выше 1 % - как слабый карбидообразователь; дальнейшее увеличение содержания марганца усиливает его карбидообразующее действие. Фосфор придает расплавленному чугуну жидкотекучесть и образует сложную фосфидную эвтектику, повышающую твердость и хрупкость чугуна. Твердость является важной характеристикой чугуна; она зависит от структуры, легирующих примесей и размера графитных включений. Наименьшую твердость имеют ферритные чугуны, в которых почти весь углерод находится в свободном состоянии; перлитный чугун с пластинчатым графитом имеет 220—240 НВ, а структура цементита 750 HA. Чем больше размеры графитных включений, тем меньше твердость чугуна. При выборе способа сварки чугуна необходимо учитывать, что: высокая его

хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может привести к появлению 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 привести к пористости сварных швов; высокая жидкотекучесть чугуна вызывает необходимость в ряде случаев к подформовке. 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 с окисленным углеродом и кремнием называют горелым. Так же плохо свариваются чугунные детали, работающие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. В таких случаях поверхность чугуна как бы пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве. Различают два способа сварки чугуна. Холодная сварка чугуна - это сварка без предварительного нагрева изделия. Горячая сварка чугуна - это такой способ, при котором осуществляется предварительный и сопутствующий нагрев изделия до 600— 700 °С с последующим медленным охлаждением. Такой процесс уменьшает скорость охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, что обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в околошовной зоне, а также исключает возможность появления сварочных напряжений. Подогрев чугунного изделия до 250—400 °С для уменьшения сварочных напряжений и скорости охлаждения с целью получения более пластичной структуры металлической основы чугуна часто называют полугорячей сваркой. Способ холодной сварки требует меньше затрат. Кроме того, при нем имеется возможность варьировать в больших пределах химический состав металла шва. Но при наложении валика на холодную поверхность чугуна вследствие быстрого отвода теплоты в околошовной зоне образуются отбеленные участки, а металл шва также может получиться твердым и хрупким. Превращения в околошовной зоне при холодной сварке чугуна определяются химическим составом, исходной структурой свариваемого чугуна и распределением температур в поперечном сечении соединения. Для рассмотрения структурных превращений в околошовной зоне воспользуемся тройной диаграммой состояния Fe—C— Si, связав ее с участками зоны термического влияния свариваемого чугуна посредством кривой распределения температуры. На рис. 84 изображена плоская диаграмма состояния Fe—C—Si с разрезом в точке, соответствующей 2,5 % кремния. Хотя приведенная схема справедлива только для одного определенного состава чугуна, она дает возможность на этом конкретном примере выяснить основные положения по связи температуры и скорости ее изменения со структурой отдельных участков околошовной зоны. Из схемы следует, что вся оклошовная зона состоит из пяти основных участков, особенности которых и разберем.

Рис. 84. Структурные превращения в зоне термического влияния в чугуне при сварке

Участок 1-й (неполного расплавления) ограничивается

температурами в пределах 1150—1250 °С. В процессе сварки в нем наряду с жидкой фазой имеется твердая фаза, которая представляет собой аустенит с предельным содержанием углерода (1,7—2,0 %). При большой скорости охлаждения на этом участке может иметь место образование белого чугуна. Участок 2-й (аустенита) в процессе нагрева и охлаждения находится в твердом состоянии и в рассматриваемом случае ограничен эвтектической (1150 °С) и эвтектоидной (800 °С) температурами. Структура участка определяется исходной структурой чугуна и температурой нагрева. При охлаждении участка аустенита изменения в структуре будут происходить в соответствии с изменением температуры и скорости охлаждения. Для того, чтобы на данном участке не получить мартенсит, скорость его охлаждения должна быть небольшой. При заданном составе чугуна это может быть достигнуто изменением погонной энергии дуги или повышением начальной температуры свариваемого изделия подогревом. Структура по ширине участка в связи со значительным интервалом температур в 360 °С также будет меняться. Участок 3-й (перекристаллизации) очень узкий, он имеет интервал температур всего 30 °С. Структура этого участка будет промежуточной по сравнению со структурами 2-го и 4-го участков. Участок 4-й (графитизации и сфероидизации карбидов) характеризуется тем, что нагревается ниже критических температур. На нем наблюдается увеличение количества графита вследствие графитизации карбидов и некоторой их сфероидизации (округления). Этот процесс улучшает структуру и механические свойства металла, он зависит от исходной структуры чугуна и длительности его нагрева. Участок 5-й (исходной структуры) нагревается до температуры не выше 400—500 ° С; структурных изменений в нем нет. Склонность к отбелу металла на участке неполного расплавления околошовной зоны тем больше, чем меньше в чугуне углерода и кремния. Чтобы избежать при сварке чугуна отбела в 1-м участке околошовной зоны, необходимо, чтобы содержание углерода в нем было не менее 3 %, кремния не менее 2 %, а графита не менее 2,5 %. Металл шва оказывает существенное влияние на отбел 1-го участка зоны. Наибольшая склонность к отбелу на этом участке возникает тогда, когда сварка чугуна (первого слоя) производится стальными электродами с обычным тонким покрытием, так как при этом вследствии конвективной диффузии углерода из жидкой фазы 1-го участка в металл шва его содержание в 1-м участке околошовной зоны заметно снижается. Уменьшение склонности к отбелу 1-го участка при сварке чугуна может быть достигнуто введением в металл шва таких графити-заторов, как медь, никель, т. е. соответствующим изменением химического состава металла шва. Исключить или уменьшить возможность образования мартенсита во 2-м участке околошовной зоны можно снижением скорости охлаждения, что достигается увеличением погонной энергии или подогревом изделия.