Чугун – это сплав железа с высоким содержанием углерода. Углерод придает твердость черным сплавам, и когда содержание углерода превышает 2,14%, полученный сплав уже является чугуном. Поскольку углерод не является металлом, он не может образовывать с железом кристаллическую решетку и присутствует в виде различных включений графита или образует с железом химические связи. Из-за графита чугун имеет пористую структуру, насыщается газами и впитывает масло.
Полезным может оказаться и введение никеля в сварочный материал. Никель смешивается с железом в любом соотношении. Никель не образует карбидов и повышает твердость, тем самым предотвращая образование трещин. Для этой цели можно использовать и медь, но она не обеспечивает такой равномерности сварки, как никель. Относительно низкая температура плавления чугуна (1200-1250 градусов Цельсия) делает его очень текучим и ограничивает положение сварки. Кроме того, газы продолжают выделяться даже после остывания шва.
Основные трудности при сварке чугуна:
- Растрескивание сварного шва при его остывании;
- Сильное увеличение твердости сварного шва;
- Газы вызывают пористость в сварном шве;
- Текучесть ванны усложняет технологию.
- Подготовка чугуна к сварке
Перед сваркой, особенно ответственных деталей, металл необходимо подготовить. Для этого выполняется целый перечень работ:
- Очистка от грязи и масла – для всех видов сварки;
- разделка кромок для всех видов сварки;
- Установка шпилек для холодной сварки (когда требуется повышенная прочность);
- Нагрев деталей для горячей сварки.
- Формирование ванны для горячей сварки.
- Масло следует удалять особенно тщательно с помощью растворителя или отжига горелкой.
При разделке кромок следует выпиливать все трещины. Если необходимо установить шпильки, то их концы должны быть срезаны под углом. Просверлите отверстия, нарежьте резьбу и вкрутите стальные шпильки не менее двух-трех “калибров” (отношение длины к диаметру). Внешний конец шпильки должен быть готов к сварке.
Подготовительный нагрев детали при горячей сварке осуществляется постепенно, со скоростью 100-150°С в час. Охлаждение производится так же постепенно, нагревая деталь и одновременно снижая температуру.
Варианты сварки чугуна и их краткая характеристика
В зависимости от требований к прочности и характеру повреждения чугунной детали может быть использован один из нескольких способов сварки
Горячая сварка
Горячая сварка применяется в тех случаях, когда необходимо получить высокую обрабатываемость шва и плотность соединения и структуры с другими деталями из чугуна. Свариваемые детали подготавливаются, как описано выше, и нагреваются до температуры 700 °С. При необходимости перед нагревом изготавливаются формы из материалов, используемых в литейном производстве. Это необходимо для того, чтобы повредить проплавления и кромки (сколы). Отшлифованные поверхности и резьба защищаются глиной.
Горячая сварка применяется для больших партий изделий, когда требуется повышенная прочность. Нагрев ванны осуществляется от электродуговой или газовой горелки. Горячая сварка отличается от других видов сварки тем, что объем ванны самый большой (до 0,5-1 дм куб.). Поэтому заготовку необходимо устанавливать только в нижнее положение.
В качестве плавящегося материала при горячей сварке используется чугунный электрод большого диаметра (>8 мм) или порошковая проволока.
Полугорячая сварка
Полугорячая сварка чугуна выполняется аналогично описанной выше горячей сварке, но с более низкой температурой предварительного нагрева – около 300-350°С. Это позволяет снизить скорость охлаждения металла после сварки.
Полугорячая сварка приводит к меньшему “отбеливанию” чугуна по сравнению с горячей сваркой, что также способствует снижению риска образования трещин. Кроме того, для нагрева детали требуется меньше энергии.
Полугорячая сварка выполняется электродами из низкоуглеродистой стали с легирующими присадками или автогеном с добавлением чугунных стержней для присадки.
Основные способы сварки чугуна
Существует несколько способов сварки серого чугуна. В большинстве случаев используется дуговая сварка стальными или специальными электродами. Эти методы относятся к методам холодной сварки. Ручная дуговая сварка плавящимися электродами
В тех случаях, когда чугунные детали наименее повреждены, их можно сваривать обычным стальным электродом диаметром 3 мм с тонким покрытием. Перед сваркой необходимо зачистить шов и зачистить или зарезать трещины. Сварку следует выполнять на малых токах 80-120 ампер.
При необходимости повышения качества шва дуговым методом вместо трансформатора используется инвертор. Это дает ряд дополнительных возможностей, приведенных в таблице ниже.
Причина такого различия заключается в физике процесса: положительный электрод подвергается сильной бомбардировке тяжелыми отрицательными ионами, которые дают дополнительную энергию в общем балансе тепловыделения. Эта разница температур может достигать 700°C. Как правило, предотвращение перегрева чугуна при электродуговой сварке происходит ценой траты лишних электродов.
Использование трансформаторов лишает сварщика возможности нагревать электрод по-разному. Это связано с тем, что тепло выделяется одинаково на каждом конце дуги, так как нет разницы в переменном токе. Кроме того, снижается стабильность дуги – она не всегда горит при переменном токе.
Чтобы уменьшить, перегрев шва, электрод перемещают зигзагообразным или круговым движением. Тепло распределяется более равномерно. Также полезно разделять большие швы на более мелкие участки и давать металлу остыть до 80-50 °C между участками.
Для повышения качества сварки чугуна следует использовать электроды с добавлением меди, никеля или металла Monel (медно-никелевые сплавы). Самый простой и дешевый способ: стальная проволока Св-08 (Св-08А) обматывается медной проволокой и окунается в раствор силиката натрия (жидкое стекло). После высыхания покрытия ее можно сваривать.
Газовая сварка
Сварочные газы и электричество – это просто средства нагрева и подвода энергии к сварочной ванне. Однако из-за различий в физико-химических особенностях этих процессов могут возникать технические различия. При газовой сварке чугуна можно использовать ацетилен или смесь пропана с бутаном, в обоих случаях используется кислород. Вместо электродов используется никелевая присадочная проволока или чугунные прутки. Для предотвращения окисления на припойный материал можно нанести флюс (на основе буры), но во многих случаях достаточно нагреть металл восстановительной частью пламени резака.
Горелку следует использовать для постепенного нагрева зоны вокруг сварного шва. Соответствующая температура шва (200-350°C) может быть определена только опытом сварщика. По достижении этой температуры зону следует заварить. Затем горелку постепенно отводят, чтобы избежать быстрого охлаждения. Конечно, расход газа явно выше, чем при сварке стали, но при газовой сварке чугуна он неизбежен.
Аргонодуговая
Аргонодуговая сварка чугуна возможна, но является дорогостоящим процессом и не имеет особых преимуществ перед другими методами сварки. Чугун не нуждается в такой защите от окисления, как, например, алюминий. Тем не менее, если чугун приходится сваривать аргоном, необходимо соблюдать те же правила:
- Не допускать перегрева металла;
- Постепенно нагревать точку сварки;
- постепенно остывать после сварки.
Все это приводит к большому расходу аргона. Поэтому лучше использовать другие способы нагрева. Обычно используется та же ацетиленовая горелка, что совершенно не имеет смысла при аргоновой сварке. При сварке аргоном обычно используется неплавящийся электрод или полуавтомат. В последнем случае необходимо загружать проволоку соответствующего типа, например, никелевую.
Другие варианты
Среди других вариантов может быть выполнен участок горячей сварки. Этот способ потребляет наибольшее количество энергии и требует подготовки форм для большой сварочной ванны. После очистки свариваемого участка вокруг него (при необходимости) снизу сооружается отбойник из огнеупорной глины. Для изготовления форм также используются графитовые пластины. Снаружи форма защищена коробом из стальных пластин для предотвращения пролива ванны. Для предварительного нагрева и медленного охлаждения деталей используются печи (в прошлом для крупных деталей применялся огонь).
При холодной сварке крупных деталей металл срезается под углом 90°, а поверхность среза навинчивается на шпильку из низкоуглеродистой стали. Вершины шпилек на обеих половинах шва также привариваются низкоуглеродистой сталью. Это обеспечивает значительную прочность шва. Верхняя часть шва заваривается медью или медно-никелевым сплавом.
Чугун имеет особую структуру, которая делает пайку сложным, утомительным и трудоемким процессом.
Это связано с тем, что чугун содержит графит, который ограничивает доступ паяльного припоя к поверхности материала.
Для решения этой проблемы необходимо использовать пескоструйную обработку. После пескоструйной обработки графит практически полностью удаляется с поверхности чугуна, что облегчает пайку и сварку чугунных материалов.
Существует два метода пайки чугуна:
- При низких температурах;
- При высоких температурах;
Я расскажу сначала о низкотемпературной пайке, затем о высокотемпературной пайке, параллельно опираясь на свой опыт, и, наконец, немного о пайке дефектных мест.
Низкотемпературная пайка чугуна
При низкотемпературной пайке чугунных материалов необходимо проводить специальную обработку.
К таким видам обработки относятся флюсование и электрохимическая обработка.
Для обработки флюсом используется активный флюс Р209 или аналогичный PV285X.
Электрохимическая обработка заключается в помещении чугунных заготовок в специальную солевую ванну, после чего заготовки обезжириваются. Для этой цели подходит ацетон, но для более сильного обезжиривания можно использовать щелочной раствор или авиационный бензин.
Перед пайкой материал необходимо подготовить и прогреть с помощью одного из следующих инструментов:
- Паяльник (мощностью до 1 кВт);
- Газовая горелка для пайки чугунных изделий;
Если припой содержит комплексные соли меди, олова или хлора, то для работы с чугунными изделиями рекомендуется использовать флюс на основе хлористого цинка.
Для облегчения работы следует также использовать методы контактного меднения с применением сульфата меди.
По моему опыту, метод холодной пайки для чугуна очень хорош. В результате получаются неплохие швы, а сам метод недорогой, хотя и трудоемкий. В некоторых ситуациях метод низкотемпературной пайки является наилучшим вариантом.
Высокотемпературная пайка чугуна
При пайке чугуна при высоких температурах следует использовать припои на основе латуни или аналогичные паяльные сплавы.
При использовании припоя на основе латуни можно получить прочное соединение при небольшом нагреве, исходя из критериев плавления чугуна.
Если позволяет бюджет и стоимость готового изделия, стоит использовать припой на основе серебра с примесями никеля. Сплавы с этим припоем образуют прочные, высококачественные соединения с промежуточными значениями температуры плавления.
Чугун при высокотемпературной пайке, как и при низкотемпературной, требует предварительной обработки для удаления графита с поверхности чугунного материала.
Поэтому после пескоструйной обработки необходимо использовать все активные флюсы P209 или PV285X, применяемые при обычных методах пайки чугуна.
Кроме того, необходимость в специальной обработке не исчезает и при методе высокотемпературной пайки чугуна.
Кроме того, при этом методе чугунные заготовки приобретают высокую жаропрочность и выдерживают нагрев до 900 градусов Цельсия.
При пайке чугунных изделий в условиях высоких температур не следует использовать материалы и припои на основе меди, так как медь имеет высокую температуру плавления.
Не следует использовать в этом методе припои на основе активного фосфора в качестве основного компонента. Это связано с тем, что наличие активного фосфора в готовом изделии делает соединение очень хрупким.
Для нагрева чугуна перед пайкой или сваркой следует использовать паяльную (или обычную) или стандартную газовую горелку. После пайки, при желании, соединение можно отжечь при температуре 700-750°C для повышения прочности соединения.
По моему опыту, метод высокотемпературной пайки лучше. Соединения получаются гораздо лучше, чем после пайки при низких температурах.
Поэтому, если вам нужно прочное и долговечное соединение, используйте метод высокотемпературной пайки.
