Газове і дугове зварювання чавунів - Технічні науки - Скачать бесплатно

Властивості чавунів

Чавуном називають сплав заліза з вуглецем, що містить від 2,14 до 6,7% вуглецю. Найчастіше застосовуються чавуни зі змістом від 2,6 до 3,6% вуглецю, до 5% кремнію і до 2% марганцю, далі йдуть домішки сірки і фосфору. У спеціальні чавуни вводять легуючі добавки: нікель, хром, молібден, ванадій, титан. У залежності від стану вуглецю і легуючих добавок у сплаві розрізняють білі, сірі, ковкі і високоміцні чавуни.

Білий чавун має в зламі білий чи ясно-сірий колір; вуглець у ньому знаходиться в хімічно зв'язаному стані у виді карбіду заліза — цементиту Fe3C. Цементит тендітний, має високу твердість (800 НВ), тому і білий чавун має високу твердість і крихкість, не піддається механічній обробці й обмежено застосовується як конструкційний матеріал.

Сірий чавун (ДСТ 1412-79) має в зламі сріблистий колір, що пояснюється змістом частини вуглецю у виді пластинчастого графіту і частини вуглецю в хімічно зв'язаному стані у виді перліту.

Ковкий чавун одержують з білого спеціальною термічною обробкою для підвищення пластичних властивостей у порівнянні з властивостями сірого чавуна.

Високоміцний чавун (ДСТ 7293 - 79) містить графіт кулястої форми, одержуваний у результаті додавання в сплав деяких елементів (магній, церій і ін.) і продування через рідкий чавун азоту.

Марки чавунів позначаються: СЧ 10 (сірий чавун з межею міцності при розтяганні 100 Мпа і при вигині 280 Мпа); КЧ 30 — 6 (ковкий чавун з межею міцності при розтяганні не менш 300 Мпа і відносним подовженням не менш 6 %); ВЧ 38-17 (високоміцний чавун з межею міцності при розтяганні не менш 380 Мпа і відносним подовженням не менш 17%).

Чавуни менш міцні і більш тендітні, чим стали, не дешевше сталей і краще відливаються у форми. Тому чавуни широко використовують для виготовлення литих виробів.

Зварюваність чавунів

Утруднення при зварюванні чавунів порозуміваються наступними їхніми властивостями.

1. Відсутність площадки плинності чавуна і низька пластичність приводять до появи тріщин при напругах, що досягає величини тимчасового опору розриву. Ці напруги можуть виникати при нерівномірному нагріванні й охолодженні під час чи виливка зварювання деталей і при експлуатації виробу. Тріщини можуть утворитися як в основному металі, так і в металі шва в процесі зварювання і при охолодженні звареного виробу.

2. Схильність чавуна при високих швидкостях охолодження гартуватися з утворенням тендітних структур мартенситу, бейнита і троостита. У загартованих ділянках чавун стає твердим (800 НВ) і не піддається механічній обробці. Гартівні структури шкідливі ще і тому, що їхнє утворення супроводжується появою внутрішніх напружень і утворенням далі тріщин.

3. Здатність чавуна до відбілювання при швидкому охолодженні місця зварювання звичайно приводить до утворення тонкого вибіленого прошарку на границі звареного шва і металу виробу. Цей вибілений прошарок має низьку пластичність у порівнянні з іншими ділянками звареного з'єднання і під впливом сили, що розтягує, що утвориться при охолодженні звареного з'єднання, він разом з наплавленим металом відколюється від основного чи металу викликає тріщину по границі вибіленого прошарку з основним металом.

4. Чавуни не мають тістоподібного стану при переході від рідкого до твердого. Це властивість чавуна утрудняє зварювання його в похилому і вертикальному положеннях і не дозволяє вести зварювання в стельовому положенні.

5. Схильність до утворення пористості, що порозумівається низькою температурою плавлення чавунів (Тпл чавуна 1142 °С при змісті вуглецю 4,3%; промислові чавуни звичайно мають Тпл = 12001250 °С) і швидким переходом з рідкого у твердий стан його. Тому гази (в основному CО і СО2, що утворяться при окисній атмосфері) не устигають виділитися з металу.

6. Різнорідність чавунних виробів по хімічному складі, термічній обробці і структурі, що вимагає різноманітної технології і прийомів зварювання. Дрібнозернисті сірі чавуни зварюються краще, ніж грубозернисті. Погано зварюються чорні чавуни, які в зламі мають грубозерниста будівля темного кольору. Такі чавуни називають графітними, тому що в них весь вуглець знаходиться у виді вільного графіту. При зварюванні чавуна з такою структурою не виходить необхідна якість звареного з'єднання.

Високоміцні і ковкі дрібнозернисті чавуни зварюються краще, ніж сірі.

Класифікація видів обробки чавунів

1. По характері обробки: з'єднання чавунних деталей зварюванням, заварка тріщин у виробах і виправлення наплавленням поверхневих дефектів чавунного лиття.

2. По способі нагрівання при зварюванні: без підігріву виробу (холодне зварювання) і з підігрівом виробу (гаряче зварювання).

3. По виду зварювання: дугова, газова і електрошлаке зварювання.

Зварювання чавуна без додаткового підігріву виробу

Зварювання чавуна без підігріву вживається ширше, ніж зварювання чавуна з підігрівом виробу. Основні види зварювання чавуна без підігріву: ручне дугове зварювання покритими електродами, порошковим і самозахисним дротом і вертикальним зварюванням із примусовим формуванням металу шва.

Вертикальне зварювання чавуна з примусовим формуванням металу шва. Вона призначена для виготовлення великих ливарно-зварених виробів з товщиною стінки до 100 мм. Процес з'єднання деталей ведеться без підігріву і термічної обробки, що дає значний економічний ефект. Інститут розробив спеціальний дріт і флюс, що забезпечують метал шва у виді модифікованого чавуна. Твердість металу шва і зони термічного впливу не перевищує 220 - 230 НВ, оброблюваність з'єднання гарна.

Зварювання сталевими електродами з застосуванням шпильок. Зварювання комбінується з механічним посиленням зони сплавки укручуванням у тіло виробу сталевих шпильок, що зв'язують метал шва й основний метал, розвантажуючи тендітний загартований прошарок у зоні сплавки.

При зламі виробу з товщиною стінки до 12 мм шпильки можуть увертатися без оброблення крайок. При товщині більш 12 мм місце зламу підготовляється з обробленням. Діаметр шпильок залежить від товщини виробу, що зварюється: при товщині до 12 мм діаметр шпильки повинний бути не більш 6 мм; діаметр шпильок більш 16 мм і менш 3 мм не рекомендується. Діаметр шпильок звичайно дорівнює 0,15-0,2 товщини деталі.

Кількість шпильок, який потрібно поставити на одну сторону тріщини, залежить від якості чавуна, навантаження, що несе деталь, довжини тріщини й ін. Максимальна кількість шпильок по їхній площі не повинне перевищувати 0,25 площі зламу деталі.

Висота шпильок над поверхнею дорівнює 0,5-1 діаметра шпильки, але не більш 5 - 6 мм; глибина укручування - 1,5 діаметра шпильки.

Покриті електроди будь-якої марки, що забезпечують м'який наплавлений метал, беруть діаметром не більш 3 - 4 мм, струм - 100-120 А. Знижений струм забезпечує малу глибину розплавлювання чавуна і мінімальне нагрівання виробу, що зменшує відбілювання і запобігає появі тріщин.

Процес зварювання. Спочатку кільцевими швами обварюються укручені шпильки. Обварку потрібно робити врозкид, для того щоб одержати по можливості більш рівномірне нагрівання металу деталі. Потім заплавляють ділянки між обвареними шпильками, причому заварка також ведеться окремими валиками. Довжина кожного валика не повинна перевищувати 100 мм. Другий шар валиків наноситься перпендикулярно напрямку валиків першого шару. Після нанесення наплавлення на кожну сторону поверхні крайок переходять до заварки оброблення і тріщини. В останньому випадку діаметр електродів можна прийняти 4 мм і зварювальний струм 120-140 А.

Для прискорення заварки тріщини у виробі товщиною більш 10 мм уводять додаткові сталеві зв'язки (мал. 1). Зв'язки і проміжки між ними прова-

Рис. 1. Розташування сталевих зв'язків у металі шва при холодному зварюванні чавуна: 1 - шпильки, 2 - сталеві зв'язки

рюються не цілком. Зверху вся поверхня звареного з'єднання покривається сталевим наплавленим металом.

Зварювання сталевими електродами з застосуванням шпильок можуть виконуватися в будь-якім просторовому положенні без демонтажу всього чавунного виробу.

Порошкові і самозахисні дроти для зварювання чавунів без підігріву. До складу шихти порошкового дроту марок ППАНЧ-1 і ППАНЧ-2 уведені графіт, ферросилицій, феромарганець, ферротитан, алюміній і залізо. Діаметр дроту 3 мм. Самозахисним дротом на нікелевій основі марки ПАНЧ-11 (дріт Академії наук, для чавуна, модель 11) можна виконувати зварювання деталей з чавуна сірого, ковкого і високоміцного в сполученні зі сталевими деталями і виконувати ремонтні роботи при відновленні тонкостінних деталей, що особливо працюють під тиском. Діаметр дроту 1,2 мм, зварювальний струм 100-140 А, напруга дуги. 14-18 В, швидкість зварювання 10-15 см/хв.

Зварювання чавуна без підігріву покритими електродами. Застосовуються електроди мідно-сталеві на мідному дроті марки ОЗЧ-2 (досвідчений завод, для чавунів, модель друга), метало нікелеві марки ОЗЖН-1, мідно-нікелеві марки МНЧ-2, електроди на дроті Св-08 марки ЦЧ-4 і ін., якими користаються в основному в ремонтних роботах по зваренню різних дефектів на оброблюваних, оброблених і необроблюваних поверхнях.

Пайка чавуна. Пайка являє собою процес з'єднання деталей нагріванням до температури плавлення припоя, що заповнює зазор між з’єднаннями деталями. Основний метал при пайку не плавиться. У якості припоїв використовують спеціальні чавунні матеріали (НЧ-2, УНЧ-2), латунні припої (ЛОК59-1-03, ЛОМНА), легкоплавкі олов’яно-свинцеві припої (ПОСЗО, ПОС40) і ін.

Підготовлена під пайку поверхня підігрівається полум'ям газового пальника до температури плавлення чавунного чи латунного припоя (800 -950 С). Спочатку варто утворити окремі розплавлені краплі припоя, що повинні за допомогою флюсів легко розтікатися тонким шаром по крайці чавунного виробу. Для того щоб матеріал припоя проникав у пори чавуна і краще його змочував, у флюс додають активні речовини, що сприяють змочуваності чавуна й одержанню щодо міцного зв'язку між припоем і чавуном.

Для пайки чавуна чавунними припоями уживають флюси марок МАФ-1 (плавлення бура 33 %, сода кальцинована 12%, селітра натрієва 27%, оксид кобальту 7%, фтористо-цирконієвий натрій 12,5%, фтористий калій 8,5%), ФСЧ-2; для пайки латунними припоями уживають флюси марок ФПСЧ-1 (вуглекислий літій 25%, кальцинована сода 50%, борна кислота інше), ФПСЧ-1 і ін.

Для кращого зчеплення чавуна з латунню графить з поверхні крайок попередньо випалюють газовим полум'ям з надлишком кисню. Потім в оброблення вносять флюс; після розплавлювання флюсу розплавляють латунний припой, що утворить рідку ванну і заповнює оброблення. Наплавлений метал відразу ж після пайки проковують ручним мідним молотком.

Пайка чавуна легкоплавкими припоями (олов'янисто-свинцеві і цинкові) утруднена поганим змочуванням його поверхні; цей вид пайки дає низьку міцність з'єднання.

Зварювання чавуна з додатковим підігрівом виробу

Зварювання чавуна з підігрівом можна застосовувати для виробів обмежених розмірів і маси (до 2,5 т), тому що при великому обсязі нагрітого металу робити зварювання трудно.

Зварювання чавуна з підігрівом виконуються в такій послідовності.

1. Підготовка до зварювання. Раковини і жужільні включення цілком віддаляються чи вирубкою свердлінням. Тріщини, що підлягають заварці, вирубуються з обробленням; невирубаним залишається притуплення в 3 - 6 мм. Якщо обсяг металу, що підлягає наплавленню, великий і перевищує 60 див, то місце, призначене до зварювання, повинне бути заформовано так, щоб можна було забезпечити заповнення цієї частини ванни рідким чавуном. Формування виконують графітовими чи пластинами формувальним піском, замішаним на рідкому склі. Формування повинне виключити можливість витікання рідкого металу з ванни (мал. 2). Обсяг розплавленої ванни повинний забезпечувати можливість підтримки її в рідкому стані.

Після заварки однієї секції і затвердіння завареної ділянки вставка виймається.

2. Підігрів виробу виробляється в чи печах спеціальних нагрівальних ямах. Звичайно температура нагрівання при газовому зварюванні підтримується в межах 450-600 °С и при дуговому зварюванні 700-850 °С. Підігрів чавунних виробів перед зварюванням до таких високих температур потрібно для того, щоб знизити швидкість охолодження металу шва і додати йому відносно високі пластичні властивості і можливість обробки різальним інструментом; підігрівши необхідний також після зварювання, щоб відбувалося рівномірне охолодження усього виробу і не виникали тріщини. Більш висока температура підігріву чавунного виробу при дуговому зварюванні порозумівається тим, що погонна теплова енергія в цьому випадку менше, ніж при газовому зварюванні.

Рис. 2. Підготовка чавунного виробу з тріщиною під зварювання з підігрівом:

1 — тріщина, 2 — графітові пластини, 3 — формувальна суміш, 4 — виріб, що зварюється, 5 — графітова вставка

3. Виконання зварювання. Чавуни з підігрівом зварюються газовим полум'ям і дугою.

Газове зварювання виробляється нормальним полум'ям пальником з наконечниками № 5 - 7. Допускається зварювання на вуглевоживаючим полум'ям. Застосування флюсу при газовому зварюванні чавунів обов'язково. Найчастіше як флюс використовують прожарену чи буру суміш з 50% вуглекислого і 50% двовуглекислого натрію; рекомендується флюс марки ФСЧ-2. Захист зварювальної ванни ефективно виконувати газоподібним флюсом БМ-1, що складається з летучої борорганічної рідини.

Присадочним матеріалом при гарячому газовому зварюванні служать чавунні прутки марок А, Б, ПЧ-1, ПЧ-2 і ПЧ-3. Прутки забезпечують при зварюванні наплавлений метал з перлитно-ферритною чи з перлітною структурою.

При газовому зварюванні чавунний пруток занурюють у зварювальну ванну тільки після нагрівання його кінця до температури ясно-червоного розжарювання. Пруток виймають з ванни тільки для нанесення на його поверхню флюсу. Основний метал і присадочний пруток плавляться під флюсом.

Гаряче дугове зварювання чавунів чи виконується покритими електродами (електроди чавунні на прутках ПЧ-1,А,Б) марки ЭЧ-1, ЦЧ-5 (електроди на дроті Св-08), ЭЧ-2 (електроди чавунні на прутках ПЧС-1), чи порошковим дротом марок ПП-АН-Ч2 (дріт інституту ім. Е. С. Патона), ППЧ-ЗМ (дріт Вниилитмаш і Станколит), ПП-АН-Ч5. Для гарячої дугової механізованої заварки дефектів середніх і невеликих розмірів (до 50 див) застосовують механізоване зварювання порошковим дротом з використанням керамічних стрижнів (наприклад, марки СКЧ-3).

Рис. 3. Форма зварювальної ванни в залежності від її нагрівання:

а — холодна, б — перегріта, у — нормальна

Якість з'єднання частин, що зварюються, і температура, від якої воно залежить, визначаються формою зварювальної ванни. Опукла поверхня ванни (мал. 3, а) говорить про погане з'єднання.

У цьому випадку зварник повинний збільшити нагрівання стінок виробу. Коли ванна надмірно гаряча, розплавлювання стінок виробу йде інтенсивно, утвориться дуже характерний підріз стінки (мал. 3,6); у цьому випадку потрібно чи полум'я дугу перенести в центр ванни, зменшити температуру ванни додаванням у неї шматочків стрижнів, чи електродів заздалегідь приготовлених дрібних шматків чавуна.

Правильний процес зварювання характеризується увігнутою поверхнею зварювальної ванни (мал. 3,в) без підрізу; рідкий чавун добре змочує стінки деталі.

• Багатошарове зварювання .чавуна застосовується рідко і лише в тих випадках, коли неможливо підтримувати усю ванну в рідкому стані.

4. Охолодження виробів після гарячого зварювання виробляється з малою швидкістю, іноді протягом 3 - 5 діб. Підготовка до охолодження полягає в тім, що після закінчення зварювання поверхня металу шва засипається шаром дрібного порошку деревного вугілля, а весь виріб з усіх боків закривається азбестовими аркушами і сухим піском.

Основні вимоги безпеки праці при зварюванні чавунів

1. Часто робота зварника чавунів зв'язана з переміщенням вантажів підйомно-транспортними пристроями, тому зварники повинні бути атестовані на право виробництва стропальних робіт.

2. Ділянка гарячого зварювання чавуна повинний бути обладнаний додатковим до приточно-витяжної вентиляції спеціальним пристроєм, що відсмоктує, для видалення пилу, що виділяється при зварюванні. Додатковий пристрій, що відсмоктує, повинне встановлюватися на відстані 1 - 1,2 м від місця зварювання і створювати швидкість руху забрудненого повітря в перетині відсоса порядку 8 м/с. При холодному дуговому зварюванні чавуна мати додаткову вентиляцію не обов'язково.

3. Любий вид зварювання чавуна, що супроводжується виділенням отрутних пар (міді, марганцю, цинку й ін.), повинний виконуватися зварником у фільтруючому чи шланговому протигазі.

4. При пайку чавуна припоєм з міді і її сплавів зварнику потрібно працювати в респіраторі ШБ-1, «Пелюсток», «Астра-2» і ін.