Как сваривать чугун: советы, правила, рекомендации

Сплав на основе железа, в составе которого углерод содержится от 2,14 до 6%, называют чугуном. Узнать детальнее, что такое чугун можна в нашей предыдущей статье. Такая комбинация химических элементов делает его хрупким и трудносвариваемым. Тем не менее сварка остается наиболее эффективным способом ремонта и реставрации разнообразных чугунных изделий.

Свойства и характеристики различных видов чугунов

Сам по себе чугун – это многокомпонентный железный сплав, в котором кроме углерода содержатся Si, Р, Мn, S, а также Cr, Ni или Cu. Но определяющей величиной, влияющей на градацию металла и формирование его свойств, является углерод, точнее его состояние в сплаве.

Существует много марок чугуна, отличающихся структурой металлической основы и формой содержащихся графитовых включений. Поэтому, исходя из химических и физико-механических свойств, их классифицируют на:

• белые. Содержат углерод в виде цементита и поэтому в изломе у них светло-серая структура. Имеют ограниченное применение, ведь несмотря на высокую твердость отличаются хрупкостью и к тому же очень плохо поддаются различным видам мехобработки и почти не свариваются;
• серые. В изломе имеют серебристый цвет. По сравнению с белыми чугунами более пластины. Отличаются хорошими литейными качествами. Неплохо поддаются сварке, но при этом металл сварного шва и околошовной зоны склонен к охрупчиванию;
• ковкие. Их получают из белых чугунов посредством специальной термообработки (томление или графитизирующий отжиг). В результате металл становится более пластичным, мягким и вязким;
• высокопрочные. Содержат графит шаровидной формы и магний. Характеризуются наибольшей сплошностью металлической основы и высокой прочностью.

В зависимости от массовой доли углерода температура плавления чугунов лежит в интервале 1200…1250°С. И хоть по сравнению со сталями они более хрупкие и менее прочные, из-за невысокой стоимости их широко применяют для литья. Самые востребованные в промышленности – низколегированные литейные чугуны, а также высокопрочные сплавы, легированные хромом (Cr), никелем (Ni), кремнием (Si), магнием (Mg), и их разновидности.

Структура металлической основы различных видов чугуна

На ледебурит сплавов влияют условия его образования: при температуре 1147°С жидкая фракция всех чугунов кристаллизуется и образуется эвтектика. Она может быть карбидной или графитной. Тип структуры металлической основы определяет отношение металла к одной из групп:

• перлитной;
• ферритной;
• ферритно-перлитной.

Определяющей при выборе способа термообработки является диаграмма состояния железо-углерод. По ней также ориентируются, выбирая способ и режим сварки.

Свариваемость

Все чугуны относятся к ограниченно или плохо свариваемым материалам. Основные затруднения обусловлены следующими факторами:

• низкие пластичные свойства и отсутствие площадки текучести. Это провоцирует трещинообразование в теле шва и в прилежащей зоне термического влияния при внутренних и внешних напряжениях, величина которых может достигать временного сопротивления;
• высокая скорость охлаждения чугунов. Она обуславливает их закаливание с образованием мартенсита, бейнита и других закалочных структур, что только усиливает риски трещинообразования. Также провоцирует способность чугуна к отбеливанию, а при эксплуатации изделий на границе отбеленной зоны часто возникают различные дефекты;
• отсутствие тестообразного состояния при переходе из жидкой фазы в твердое состояние. Это не мешает вести сварку чугуна в нижнем положении, но значительно затрудняет ее при выполнении сварных швов, расположенных вертикально и под наклоном;
• невысокая температура плавления. Она определяет быстрое остывание и не позволяет газам (CO и CO₂) полностью выделиться из металла, что априори определяет его повышенную пористость.

Серые и крупнозернистые чугуны хуже свариваются, чем мелкозернистые, ковкие и высокопрочные марки. Все они могут свариваться и наплавляться с применением разных видов сварки, но наиболее эффективным является послойное создание шва и способ, основанный на использовании «завертышей». Соблюдая технологию и учитывая особенности сварки чугуна, можно выполнять различные виды ремонта и реставрации чугунных изделий и сваривать их с разнородными металлами и сплавами.

Можно ли использовать для нагрева и сварки чугуна электрическую дугу?

Еще 20 лет назад для сварки чугунных деталей и изделий широко использовалась газовая сварка. Но создание сварочных аппаратов с расширенным диапазоном рабочих параметров и способных обеспечить высокую стабильность дуги позволило эффективно использовать для этих целей электродуговую сварку.

Электросварка – сложный микрометаллургический процесс, подчиненный общим металлургическим законам. Только протекает очень быстро и ограничивается небольшим объемом. В зоне термического влияния отмечается некоторая неоднородность свойств чугуна. Поэтому для получения необходимых физико-механических свойств наплавленного металла необходимо грамотно выбирать тип электрода и технологию выполнения работ. При этом род и сила тока, а также другие настройки сварочного аппарата выбираются с учетом:

• структуры металла: мелкодисперсная серого цвета будет свариваться без осложнений, крупнозернистый материал темных оттенков обрабатывается труднее;
• тип используемого присадочного материала. Тут следует учитывать рекомендации производителей;
• ориентация сварного шва (вертикальное, наклонное или нижнее положение).

Особо эффективна методика «отжигающих валиков». Суть – не дать остыть выполненному проходу и, снимая напряжение, нанести следующий, отжигающий предыдущий.

Исключить пережог металла можно, ориентировочно рассчитав постоянный сварочный ток по формуле:

I= ɣ*s,

где:

• I - сила тока,
• s – сечение электрода,
• ɣ – поправочный коэффициент, зависящий от сечения присадочного материала, сведен в таблицу, представленную ниже.

Существует несколько способов электросварки чугунов:

• холодный. Сварка чугуна выполняется электродами стальными, комбинированными и с чугунными стержнями и без предварительного подогрева. Используется для сварки и реконструкционной наплавки. Может выполняться с применением шпилек;
• горячий. Выполняется с нагревом отливок или деталей до 600-700°С и с контролируемым охлаждением. Обеспечивает хорошие свойства соединений и отсутствие трещин и хрупких структур;
• полугорячий. Сварка чугуна предполагает подогрев обрабатываемых изделий до 350-400°С с последующим медленным охлаждением. Оптимально подходит для высоколегированных марок.

Когда чугун подвергается сварке?

Существует ряд ситуаций, в которых требуется применение сварочных работ на чугунных изделиях в горячем или холодном состоянии:

• соединение частей металлоконструкций, сборка элементов из чугунов разных марок или в комбинации со стальными элементами;
• исправление производственного брака на поверхностных слоях отливок и заготовок;
• ремонт эксплуатируемых изделий для устранения трещин и дефектов;
• реставрация поверхности.

Важность подготовительного этапа

Предотвратить растрескивание, обеспечить хорошее качество швов можно, если перед тем, как сварить чугун, качественно выполнить подготовку и обезжиривание рабочей поверхности. Подготовка зоны работ, как правило, включает:

• основательную зачистку и разделку свариваемых кромок под углом 45…90° с применением зубила или наждачного круга;
• фрезерование, сверление дефектных мест по краям с вырубкой до чистого металла;
• обжиг паяльной лампой промасленных мест;
• обезжиривание бензином и другими растворителями (при необходимости). На тонкостенных изделиях зона сварки может протираться слабонасыщенным раствором кислот HNO₃ и HCl;
• постепенный нагрев заготовок со скоростью 100-130 градусов/час (перед горячей сваркой);
• укладка графитовых подкладок. Они предупреждают вытекание расплавленного металла и тем самым упрощают формирование тела сварочного шва.

Некоторые технические моменты сварочного процесса для чугуна и других металлов

Как писалось выше, хрупкость чугунов серьезно усложняет их сварку и наплавку. Тем не менее они могут свариваться со сталями, а также цветными металлами и сплавами. Чтобы определить, как сварить чугун и металл другого состава важно запомнить нескольких нюансов:

• чтобы избежать перегрева и термических напряжений, рекомендуется выполнять работы с уменьшенной токовой нагрузкой;
• чрезмерное газообразование в жидкой ванне, нарушение температурных режимов провоцируют пористость швов;
• форсирование охлаждения чревато образованием цементита в околошовной зоне и затруднением последующей механической обработки;
• из-за повышенной текучести расплавленных металлических масс требуется подформовка металла.

Технология электрической сварки чугуна и стали

Эти сплавы хоть и имеют очень схожий состав, отличаются величиной температурного коэффициента, параметрами прочности, пластичности и ударной вязкости. К тому же увеличенная массовая доля углерода в чугуне приводит к его графитизации. Поэтому, перед тем сварить чугун и сталь следует учесть, что металл свариваемой ванны необходимо надежно защитить от взаимодействия с окружающим воздухом, а для обеспечения стабильной дуги работы проводятся на постоянном токе обратной полярности.

Использование электросварки для работ с чугуном и металлом иного состава

Перед любыми видами сварочных работ необходимо выяснить совместимость чугуна и другого свариваемого металла. На практике нельзя соединить материалы, неспособные взаимодействовать между собой в расплавленном виде. Примером сочетаемости некоторых из них является пара «сталь/чугун». Металлургическое же несоответствие наблюдается при соединении разнородных сплавов, имеющих различные кристаллические решетки, отличающиеся теплопроводности, разные температуры плавления. Хорошим подспорьем в слиянии металлов служат присадки. Сварочная лента и прутки на никелевой основе – специальный материал для сварки заготовок из чугуна с другими сплавами.

Можно ли сваривать чугун и цветные металлы электросваркой?

Используя специальные присадочные материалы, также можно сварить элементы из чугуна с деталями из цветных металлов, а также медных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов. Только следует учесть, что с ним:

• медь неплохо сваривается ручной электродуговой (ММА) сваркой с использованием металлических покрытых электродов или аргоновой (TIG) сваркой вольфрамовым прутком/электродом;
• алюминий, хоть и представляет определенные трудности для сварщиков из-за окисной пленки Al2O₃ и быстрого застывания, обычно сваривается TIG сваркой или полуавтоматической сваркой в среде защитных газов (MIG);
• титан сваривается неплавящимся электродом, а для предупреждения контакта сварочной ванны с воздухом, ее защищают газовым облаком аргона и смесей на его основе.

Особенности различных методов сварки

Технологические приемы подготовки чугунных изделий и деталей и метод сварки подбираются с учетом характера и размера дефекта и химического состава сплава. Но в любом случае следует избегать перегревов металла, а для предотвращения образования цементита после сварки/наплавки необходимо выдерживать температуру порядка 300°С с постепенным ее снижением. Добавка в материал шва меди или никеля из присадочного материала препятствует формированию карбидов и повышает прочность.

Ручная электродуговая сварка (ММА)

Этот способ используется в мелкосерийном производстве и в ремонтных целях. ММА сварка на тонкостенных изделиях выполняется короткими валиками, при малой силе переменного или постоянного тока обратной полярности и электродами предельно допустимого минимального диаметра. Во время работы необходимо периодически снимать шлак, образовывающийся на поверхности сварочной ванны.

Чаще всего ММА сварка выполняется электродами с чугунными стержнями. Для исправления небольших дефектов на отливках и крупных деталях можно использовать электроды из низкоуглеродистой стали с основным типом покрытия, а в остальных случаях лучше применять присадочный материал со специальным покрытием или со специальным составом металла. ММА сварка чугуна электродом осуществляется в нижнем положении.

Специфика работы с полуавтоматом

MIG сварка применяется для заварки крупного брака на литых заготовках, ремонта тонкостенных чугунных деталей и для устранения мелких дефектов, вскрывшихся в результате механической обработки. Способ позволяет выполнять работы с высокой производительностью, а также качественно устранять дефекты литья и сваривать чугунные детали с применением порошковой проволоки со стальной оболочкой, специальной кремний-бронзовой или никелевой проволоки.

Чтобы добиться проплавления заданной толщины, сварка чугуна полуавтоматом осуществляется со строгим соблюдением параметров силы тока и напряжения. При этом особенно важно обеспечить плавную и стабильную подачу проволоки. Края изделий толщиной более 5 мм разделывают под углом 45-60°, а сварочный шов формируют в несколько проходов. Работы лучше выполнять в среде газовой среды из аргона (80%) и диоксида углерода (20%), а скорость подачи проволоки может составлять 100…550 м/ч. Для сварки тонких чугунных изделий существует практика применения специальных графитовых пластин, которые концентрируют расплавленный металл в свариваемой зоне.

Аргонодуговая технология

Дуговая сварка в среде аргона (TIG) – распространенный способ, который за счет использования неплавящегося электрода и химической природы защитного газа позволяет свести к минимуму шлакообразование и появление трещин в околошовной зоне. Величина сварочного тока в зависимости от толщины обрабатываемой детали задается в интервале 40-80 ампер. Диаметр присадочных материалов должен быть вдвое меньше толщины свариваемых заготовок.

Сварка чугуна аргоном с неплавящимся вольфрамовым электродом выполняется непрерывным способом и считается предпочтительной в обработке чугунных заготовок, так как вольфрамовый стержень погружается в тело шва только после прогрева металла, а аргон эффективно предохраняет попадание воздуха в зону формирования сварочной ванны и минимизирует шлакообразование.

Для обеспечения прочного соединения лучше TIG сварку выполнять в нижнем положении и с последующим естественным остыванием. К тому же она отлично подходит для холодного способа.

Использование инвертора для получения высококачественного шва

На данный момент сварка чугуна инвертором – наиболее эффективный и перспективный способ. Сварочные инверторные аппараты созданы на инновационной схемотехнике, имеют расширенный диапазон рабочих параметров, характеризуются плавностью регулирования сварочного тока и оснащены множественными опции, которые обеспечивают упрощенный розжиг и повышенную стабильность дуги. Такие источники позволяют:

• легко подобрать оптимальный режим работы на постоянном (DC) и переменном (AC) токе;
• выполнять горячую и холодную сварки чугуна в разных пространственных положениях;
• сварить чугун со сталью и цветными сплавами.

Виды электродов

Ремонтные работы с применением специальных угольных, вольфрамовых и графитовых электродов – хорошая альтернатива использованию более дорогой сварочной проволоки на основе никеля, меди или алюминия. С применением этих материалов чаще всего проводится реставрация поверхности и устранение дефектов на отливках. В целом для сварочной и родственной обработки чугунов используются следующие присадочные материалы (прутки и электроды):

• для ковких – марки ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-6 или МНЧ-2;
• для серых – марки ОЗЧ-2, ОЗЧ-4, ОЗЧ-6, ОЗЖН-1, ОЗЖН-2 и МНЧ-2;
• для высокопрочных – МНЧ-2, ОЗЧ-3, ОЗЖН.

Выбор присадочных материалов и технология работ зависят от характера дефекта, марки чугуна, толщины и массы изделия, условий дальнейшей эксплуатации. Важно учитывать все требования к сварному соединению. Его качество напрямую зависит от того, каким электродом выполнена сварка чугуна.

• Чугунный – лучший вариант для литого металла. Может использоваться для горячего и холодного способа и для устранения трещин, пор, сколов. Подходят для работы со сварочными инверторами, имеющими, в том числе, и опцию наплавления.
• Стальной, покрытый графитом, – наименее предпочтительный вариант. При его применении шов получается неоднородный, с высоким содержанием цементита в составе. При сварке чугуна сталью крайне важно избежать науглероживание металла, но так как этот процесс слабо контролируется, такой способ применяется в тех случаях, когда обрабатываемым изделиям не требуется последующая механическая обработка и для них не оговариваются параметры прочности.
• Неплавящийся. Используется для ручной и полуавтоматической сварки в среде защитных газов или в сочетании с применением флюсов.

В чем суть и особенность горячей сварки чугуна?

Быстрое охлаждение заваренных участков обуславливает высокую твердость металла в зоне термического влияния и его склонность к охрупчиванию. Соответственно предварительный подогрев заготовки позволяет замедлить скорость охлаждения, придать металлу необходимые пластические свойства и избежать появления трещин.

Специалисты разделают полугорячую и горячую сварку. Полугорячая ограничивается нагревом свариваемого изделия до 300-400°С. На небольших участках весь завариваемый объем поддерживается в расплавленном состоянии, а при больших объемах – только часть наплавленного металла.

Перед горячей сваркой заготовки/детали нагревают до температуры в пределе 600-700°С. Это можно сделать:

• в индукционной или муфельной печи;
• паяльной лампой или газовой горелкой;
• кузнечным или газовым горном.

Такой нагрев позволяет равномерно прогреть поверхностные слои, а при горячей сварке весь металл завариваемого колодца находится в расплавленном состоянии. Таким образом формируется монолитное сварочное соединение с высокой однородностью и трещиностойкостью.

Газовую сварку выполняют с использованием чугунных прутков марок А и Б, а электродуговую – угольными, медь- и никельсодержащими электродами, чугунными присадочными прутками и покрытыми электродами. Род тока любой, а его величина подбирается с учетом типа и диаметра присадочного материала. Применение графитовых накладок позволит сформировать ровный и качественный сварной шов. При этом горячая сварка чугуна применяется для изделий массой до 2,5 тонн.

Возможность выполнения работ в огнеопасных средах и другие нюансы холодной сварки

Холодный метод предполагает выполнение сварки без предварительного подогрева и может осуществляться с использованием шпилек и без них. Сварка с «завертышами» позволяет получить прочное соединение даже на толстостенных деталях. Но перед работой следует выполнить фаску на 80…90 градусов и тщательно провести очищение и обезжиривание. Для деталей менее 2 мм снимать фаску на кромках необязательно. Сварка чугуна без шпилек применяется только для тонкостенных изделий и не подвергающихся последующей механической обработке и эксплуатации с ударными нагрузками.

Чтобы исключить перегрев свариваемых и ремонтируемых металлоизделий, необходимо тщательно контролировать температуру поверхности. А выполняется холодная сварка чугуна электродами из низкоуглеродистых сталей без покрытия и с основным или рутиловым покрытием и специальными электродами. Первая группа присадочных материалов обеспечивает невысокую прочность соединения и формирует валик с неоднородной структурой металла. Применяется для заделки дефектов, пайки чугуна и сталей. Вторая группа более обширна и включает никелевые, железоникелевые и железомедные присадочные материалы. Они обеспечивают более высокие параметры качества и надежности сварных соединений. Медно-никелевыми выполняется заварка изъянов на поверхности, полученных при литье, предупреждается очаговое повышение твердости.

Так как метод не предполагает для нагрева заготовки использования паяльной лампы и другого источника открытого огня, его применение целесообразно при выполнении сварочных работ в огнеопасных средах и рядом с потенциальными пожароопасными объектами. При присутствии последних в зоне сварки, следует обязательно использовать защитную ширму.

Возникающие трудности при сварке чугуна и пути их решения

Различающиеся по свойствам и химсоставу металлы свариваются по-разному. Нужно знать, какие сплавы не поддаются такому виду соединения, и другие нюансы.

Важно не перегревать зону работ возле шва. Помогут в этом небольшие перерывы перед очередным проходом и применение многопроходной сварки. С увеличением толщины металла увеличивается сила тока и сечение электродов.

По конечному результату может показаться, что варить металл совсем не сложно. На самом деле, горячая или холодная сварка чугуна – это кропотливый труд над каждым швом, каждой деталью. Для достижения удовлетворительного результата присадочные материалы должны быть первосортными и в достаточном количестве.

Проблемы, возникающие при электросварке чугунных изделий, вполне решаемы при полном соблюдении технологии работ и применении соответствующего высоким стандартам металла. Найти его в широком ассортименте можно в каталоге продукции ООО «Метинвест-СМЦ». Сотрудничество с нами – это всегда надежность и ответственность, лучшее качество, широкая линейка типоразмеров и сортамента металлопроката, выгодные условия оплаты и доставки.