Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

формирования в ней нежелательной структуры ледебурита. При сварке чугуна никелевыми материалами создаются благоприят­ ные условия для диффузии Ni в последние оплавленные участки основного металла как вследствие возникающего градиента кон­ центрации, так и большого коэффициента диффузии в жидком расплаве этого элемента по сравнению с другими. Если время диффузии достаточно большое, то в зоне сплавления образу­ ется железоникелевый сплав, содержащий С в свободном состоя­ нии. Медь напротив, слабо действует как графитизатор в ус­ ловиях больших скоростей охлаждения, поэтому при сварке чугуна медью в зоне сплавления образуются ледебурит и це­ ментит.

В металле ЗТВ, который нагревается до 1150—850 °С, при охлаждении появляются продукты неравновесного распада ау­ стенита— троостит и мартенсит. На конечную структуру уча­ стка состав электродного материала практически не влияет, поэтому при сварке без подогрева любыми электродами здесь всегда отмечается повышение прочности и твердости, а также снижение пластичности свариваемого чугуна. Стойкость свар­ ного соединения против образования трещин во многом зависит от размеров ЗТВ. Чем она уже, тем большие напряжения мо­ жет выдержать сварное соединение.

22.3. Технология сварки и свойства соединений

22.3.1- Рунная дуговая сварка

Применяемые технологические процессы можно выделить в две большие группы: ручная дуговая сварка и механизированная сварка, в каждой из которых используются материалы, обеспе­ чивающие получение в наплавленном металле чугуна, стали или цветного сплава.

Наиболее высокие механические свойства сварных со­ единений чугуна достигают при сварке однородным металлом. При сварке чугуна чугуном необходимо обеспечить заданный состав наплавленного металла (обычно близкий основному — серому чугуну) и определенную скорость охлаждения, чтобы избежать образование отбела и трещин. Сварку осуществляют с нагревом изделия до температуры 400—700 °С. Последующее охлаждение со скоростью 50—100°С/ч гарантирует отсутствие цементита и ледебурита в структуре наплавленного чугуна и окодошовной зоне.

разработаны штучные электроды двух типов. Первый тип ха­ рактеризуется чугунным стержнем и сравнительно тонким по­ крытием. В электродах второго типа в качестве стержня ис­ пользуют стальную малоуглеродистую проволоку, а в состав покрытия вводят в большом количестве С, Si и другие компо­

ненты с таким расчетом, чтобы наплавленный металл представ­ лял собой синтетический чугун.

Для изготовления электродов первого типа используют ли­ тые прутки из чугуна следующего состава, %: С 3,0—3,6; Si 3;6— 4,8; Мп 0,5—0,6; Ni 0,3—0,5; Cr<0,5; S<0,08, Р 0,2—0,5. По­ крытия выполняют две главные функции: повышение содержа­ ния графитизаторов по сравнению с имеющимися в прутках, а также предохранение их от окисления. Основой покрытия слу­ жат компоненты, содержащие С и Si (графит, ферросилиций, карборунд и др.). Другие компоненты покрытия вводятся для стабилизации сварочной дуги. Масса покрытия подбирается таким образом, чтобы при ванной сварке не возникало большого количества шлаков, которые мешают процессу, покрывая по­ верхность жидкого чугуна. Электроды представляют собой длин­ ные стержни (до 500 мм) большого сечения (до 300 мм2). Сварку такими электродами выполняют непрерывно на токе величиной до 1400 А обратной полярности (возможна сварка и на переменном токе). При этом производительность по наплав­ ленному металлу составляет 10—12 кг/ч.

Наплавленный металл в виде чугуна можно получить, приме­ няя не только электроды с чугунным, но и со стальным стерж­ нем. Разрабатывают покрытия, состоящие в основном из графита и кремнийсодержащих компонентов. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-5. Недостатком электродов со стальным стержнем является структурная неоднородность наплавленного чугуна. В начале сварки расплавленный металл не успевает в достаточной степени насытиться графитизаторами, получается низкоуглеродистый доэвтектический чугун. В структуре первого слоя и особенно в зоне сплавления часто обнаруживается зна­ чительное количество цементита и ледебурита, а в ЗТВ — их сплошная гряда. Зто ведет к образованию трещин; механиче­ ская обработка соединений невозможна. Электроды со сталь­ ным стержнем применяют ограниченно, в основном для декора­ тивной'заварки мелких дефектов на необрабатываемых поверх­ ностях чугунных отливок.

Для значительного снижения твердости наплавленного сталь­ ного слоя и повышения пластичности необходимо получить фер­ ритную либо аустенитную структуру матрицы. Если использо­ вать электроды, в покрытии которых содержатся сильные кар­ бидообразующие элементы (V, Nb, Ti) в количестве, достаточ­ ном для полного связывания всего С, переходящего из основ­ ного металла, то удается получить структуру шва с ф е р р и т н о й матрицей и равномерно распределенными мелкодисперсными

П р и м е ч а н и е . Сварочный ток указан для сварки в нижнем положении. При вер­ тикальной сварке электродами трех последних марок значения тока выбирают на 10— 20 А меньше. Электрод ЦЧ-4 используют для сварки в нижнем положении.

ями железоуглеродистых частиц. Такой характер структуры оп­ ределяется тем, что медь практически не растворяет Fe и С. Свойства швов и их обрабатываемость зависят от соотношения Си и Fe в сплаве. Оптимальной считается композиция сплава из 80—90 % Си и 10—20 % Fe. Требуемое соотношение меди и железа в шве достигают за счет использования в качестве стержня электрода медной проволоки и введения в покрытие соответствующего количества железного порошка. Можно при­ менить и оплетку на стержне в виде жести. Покрытие электрода ОЗЧ-2 (ТУ 32-096-001—78) содержит ферромарганец, карбид кремния, мрамор, плавиковый шпат, маршалит.

Режимы сварки электродом ОЗЧ-2 приведены в таблг 22.1. Сварку медножелезными электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности участками длиной 30—50 мм с обя­ зательной тщательной проковкой каждого слоя. Без проковки швов получить качественное соединение часто не удается, по­ этому при сварке в труднодоступных местах, где проковка не­ возможна или затруднена, применение медножелезных элек­ тродов нецелесообразно. v/

У Электроды на основе никеля и его сплавов обеспечивают ка­ чество сварных соединений, которые имеют удовлетворительную прочность и поддаются механической обработке. По составу стержня электроды можно разделить на три группы: а) практи­ чески чистый никель; б) сплавы никеля с железом (30—50 % Fe); в сплавы никеля с медью (25т-35 % Си).

В соответствии с этим электроды обеспечивают различные свойства сварных соединений и имеют разные основные области применения. Шввы, наплавленные никелевыми (ОЗЧ-З, ОЗЧ-4) и никелемедными (МНЧ-2; ТУ 14-4-780—76) электродами, хо­ рошо обрабатываются и легко проковываются. В то же время прочность на разрыв и стойкость швов против образования тре­ щин лучше при сварке железоникелевыми (ОЗЖН-1; ТУ 14-4-

318—73) электродами. Поэтому никелевые электроды исполь­ зуют больше для серого чугуна, особенно для тонкостенных отливок.

Электроды со стержнем из монель-металла предназначены для заварки небольших пороков отливок, которые обнаружива­ ются на рабочих поверхностях в процессе механической обра­ ботки. Хорошая обрабатываемость соединений достигается главным образом благодаря тому, что никелевая основа обес­ печивает отсутствие карбидов в швах и зоне сплавления. Пони­ женная температура плавления стержня способствует уменьше­ нию ширины околошовной зоны, что также благоприятно ска­ зывается на обрабатываемости мест заварки.

Электроды со стержнем из железоникелевого сплава обла­ дают удовлетворительной стойкостью против образования го­ рячих трещин и достаточной прочностью по отношению к чу­ гуну с шаровидным графитом. Железоникелевые электроды ре­ комендуется применять для сварки ответственных нагруженных деталей.

22.3.2. Механизированная сварка

Широко регулировать состав наплавленного металла и механи­ зировать процесс сварки при достаточно высокой производи­ тельности позволяет применение порошковой проволоки. В со­ став проволок для сварки чугуна, кроме железа, вводят не­ обходимое количество элементов-графитизаторов (С, Si), благодаря чему наплавленный металл получается однотипным с основным металлом. Нужную форму графита обеспечивают со­ ответствующим модифицированием сварочной ванны. Для сварки серого чугуна с пластинчатым графитом используют по­ рошковые проволоки марок ПП-АНЧ-1, ГТП-АНЧ-2, ПП-АНЧ-3, ППЧ-ЗМ, ППЧ-9, ППСВ-7 и другие.

Диапазон возможных режимов сварки проволокой диамет­ ром 3 мм составляет: /св = 250-f-600 A; £/д=ЗО-МО В; оп.пр = = 100-т-300 м/ч; ток постоянный прямой полярности.

Сварку и наплавку чугуна порошковой проволокой произ­ водят, как правило, открытой дугой. В отдельных случаях при плохом качестве основного металла целесообразно создавать до­ полнительную защиту углекислым газом с расходом 600— 900 л/ч. При сварке с высоким подогревом ванным способом га­ зовую защиту не применяют.

Структура металлической основы, а также форма и размеры графитных включений в наплавленном чугуне зависят от со­ става проволоки и условий охлаждения после сварки (табл

22.2) .

При сварке чугуна самозащитной проволокой марки ПАНЧ-11 (ТУ 48-21-593—82) в отличие от ручной при идентич

Т А Б Л И Ц А 22 2

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА. НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВЫМИ ПРОВОЛОКАМИ [7]

ном составе металла шва успешно решается задача получения прочноплотных сварных соединений,, стойких против образова­ ния трещин в шве и ЗТВ. Состав проволоки разработан для сварки чугуна открытой дугой и без предварительного подо­ грева. При этом обеспечивается получение шва с аустенитной структурой матрицы. Свойства сварного соединения определя­ ются свариваемым чугуном, поскольку при испытании на рас­ тяжение сварные образцы разрушаются по основному металлу. Ширина зоны с повышенной твердостью (до HV 350) состав­ ляет 100—200 мкм, поэтому последующая термическая обра­ ботка не требуется и соединение легко обрабатывается режу­ щим инструментом.

Технологию механизированной сварки проволокой ПАНЧ-11 применяют при массовом ремонте чугунных деталей трактор­ ных, комбайновых и автомобильных Двигателей. Заваривают трещины различной конфигурации и протяженности на рубаш­ ках охлаждения и в масляных каналах, в перемычках между ци­ линдрами и клапанными гнездами, приваривают отбитые части.

22.3.3. Электрошлаковая сварка

Этот вид сварки имеет ряд характерных особенностей, которые используют при сварке чугуна и в первую очередь более мягкий, чем при дуговой сварке, термический цикл вследствие примене­ ния больших токов (до 3000 А и выше) и малых скоростей сварки (0,3—1,0 м/ч).

При ЭШС серого чугуна можно получить равнопрочное, хо­ рошо обрабатываемое сварное соединение без предварительного подогрева деталей за счет тепла шлаковой ванны. ЭШС серого