ГЛАВА V. СВАРКА ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Сварка чугуна является специальным разделом сварочной технологии и широко применяется в двух областях производства:
1) при исправлении литейных дефектов, обнаруженных в отливках после выбивки последних из форм или в процессе механической обработки чугунных деталей при изготовлении; 2) при ремонте чугунных деталей и изделий, вышедших из строя вследствие износа или аварийного разрушения.
В настоящей главе рассматриваются только вопросы ремонтной сварки чугунных изделий, которые широко применяются в различных отраслях машиностроения. В некоторых изделиях, например в компрессорах, станках, двигателях внутреннего сгорания, чугунные детали составляют 75—85% от веса изделия в целом.
Широкое применение чугуна объясняется возможностью придания детали весьма сложных форм, большой жесткостью изделия, хорошей обрабатываемостью, хорошей сопротивляемостью различным вибрационным нагрузкам и малым износом при работе на трение, низким коэффициентом линейного расширения и возможностью использования для работы в условиях повышенных температур. В то же время следует учитывать, что по сравнению со сталью чугун имеет малую вязкость и повышенную хрупкость, поэтому всякое нарушение условий нормальной эксплуатации или неправильный расчет конструкции неизбежно ведет к разрушению чугунной детали. Изломы, отколы, трещины станин, корпусов и других деталей — это весьма распространенные дефекты, которые возникают при эксплуатации оборудования, изготовленного из чугуна.
В настоящее время многие предприятия широко применяют ремонтную сварку чугунных деталей, сокращая при этом простои оборудования и обеспечивая экономию средств. В то же время на некоторых заводах не умеют качественно исправлять чугунные детали и списывают в металлолом оборудование, которое может быть легко восстановлено.
Особенности сварки чугуна. По физическим свойствам и химическому составу чугун следует отнести к группе ограниченно сваривающихся сплавов. Главные затруднения, возникающие при сварке чугуна, следующие:
1) склонность к образованию твердых закаленных прослоек при быстром охлаждении сплава, нагретого до температуры выше 760 °C. Вследствие быстрого охлаждения в чугуне возникают структуры, характеризующиеся высокой твердостью (ледебурит, мартенсит, троостит и др.).
Закаленные зоны увеличивают хрупкость, снижают прочность сварного соединения и затрудняют обработку его обычным режущим инструментом. Основная задача при сварке чугуна заключается в получении сварного соединения, обладающего одинаковой твердостью металла шва и переходных зон, допускающего применение механической обработки шва;
2) недостаточная пластичность чугуна. Внутренние напряжения, возникающие в процессе сварки в чугунном изделии, часто ведут к образованию трещин. Основной причиной образования трещин являются местные тепловые напряжения, возникающие от неравномерного нагрева изделия при сварке. Чем больше перепад температур между основным металлом и сварным швом, тем больше вероятность возникновения трещин в металле шва, в переходных зонах, в зоне теплового влияния и в основном металле. Трещины могут возникать в начале сварки, когда местный разогрев вызывает напряженное состояние сжатия, в процессе сварки, а также при остывании сварного соединения, когда возникают напряжения растяжения. При общем равномерном нагреве детали перед сваркой до 300 °C и выше опасность трещинообразования резко уменьшается;
3) потеря пластических свойств при плавлении и затвердевании, а также большая жидкотекучесть в расплавленном состоянии. Переход из твердого состояния в жидкое происходит, минуя пластическое состояние;
4) многообразие структур в металле чугунных отливок. Структура чугуна определяется не только химическим составом, но в большей степени зависит от скорости охлаждения отливки и последующей термообработки. Структура чугуна оказывает большое влияние на его свариваемость. Хорошо свариваются чугуны, имеющие светлую мелкозернистую перлитную структуру. Удовлетворительно свариваются феррито-перлитные чугуны. Значительно хуже свариваются ферритные чугуны с крупными выделениями графита. Очень плохо свариваются чугуны, долгое время находившиеся под воздействием тепла, в которых весь углерод выделился в виде графита.
Величина и форма включений графита влияют на свариваемость чугуна: хорошая свариваемость, если мелкий пластинчатый или сферообразный графит в чугунах перлитного класса; удовлетворительная свариваемость, если графитные включения малого и среднего размеров. Отдельные включения графита окружены достаточным полем металла, обеспечивающим свариваемость; ограниченная свариваемость, если крупные включения графита (образующие сплошную сетку). При такой сетке затрудняется сплавление присадочного металла с основным, образуются пустоты и резко ухудшается прочность и сплошность сварного соединения.
Необходимо учитывать, что сложная чугунная отливка может иметь в различных частях неодинаковую структуру. Части отливки с большой поверхностью охлаждения и малой толщиной стенки в большинстве случаев имеют мелкозернистую структуру, а массивные части и детали, расположенные внутри изделия, охлаждаются медленно и приобретают ферритную структуру с крупными выделениями графита.
Способы сварки чугуна. Качество сварного соединения в чугунных изделиях определяется:
1) одинаковой твердостью металла шва переходных зон и основного металла, допускающей обработку обычным режущим инструментом. Это условие является обязательным, если сварное соединение находится на скользящих поверхностях;
2) равнопрочностью сварного соединения и основного металла. Это требование необходимо при выполнении сварки деталей, работающих на полное расчетное усилие. В ряде случаев при заварке незначительных литейных дефектов прочность сварного соединения может быть меньше прочности основного металла, так как местное ослабление не уменьшает общей работоспособности детали;
3) одинаковыми химическим составом и структурой наплавленного и основного металла.
Сварное соединение, отвечающее всем указанным требованиям, можно получить только при применении в качестве присадочного материала чугунных присадочных стержней или электродов.
В ряде случаев, особенно при ремонтной сварке изделий, получение сварного соединения, отвечающего всем перечисленным требованиям, совершенно не обязательно, например, при сварке трещины, не выходящей на обработанные и скользящие поверхности. В этом случае получение металла, обрабатываемого режущим инструментом, не требуется. Более важным является обеспечение у сварного соединения нужных прочностных характеристик. В практике применяется большое количество способов и приемов сварки чугуна, которые можно разделить на две группы:
первая группа — горячая сварка с предварительным (перед, сваркой) и сопутствующим подогревом изделия. Сюда относятся: газовая сварка чугунным присадочным прутком; дуговая сварка чугунным электродом; дуговая сварка угольным электродом с чугунным присадочным прутком;
вторая группа — холодная сварка без предварительного подогрева изделия. Сюда относятся: газовая сварка — пайка чугуна с чугунным присадочным прутком, латунными и цинковыми сплавами; дуговая сварка стальными электродами, электродами из цветных металлов (меди, медно-железными ,медно-никелевыми, никеле-железными); сварка порошковой проволокой. Классификация способов сварки чугуна дана на рис. 64.