Як зварювати чавун: поради, правила, рекомендації

Сплав на основі заліза, в складі якого вуглець міститься від 2,14 до 6%, називають чавуном. Дізнатися детальніше, що таке чавун можна в нашій попередній статті.Така комбінація хімічних елементів робить його крихким та важкозварювальним. Проте зварювання залишається найбільш ефективним способом ремонту та реставрації різноманітних чавунних виробів.

Властивості та характеристики різних видів чавунів

Сам по собі чавун – це багатокомпонентний залізний сплав, в якому крім вуглецю містяться Si, Р, Мn, S, а також Cr, Ni або Cu. Але визначальною величиною, що впливає на градацію металу та формування його властивостей, є вуглець, точніше його стан у сплаві.

Існує багато марок чавуну, які відрізняються структурою металевої основи та формою графітових включень. Тому, виходячи з хімічних й фізико-механічних властивостей, їх класифікують на:

• білі. Містять вуглець у вигляді цементиту й тому у зламі у них світло-сіра структура. Мають обмежене застосування, адже не зважаючи на високу твердість відрізняються крихкістю і до того ж дуже погано піддаються різним видам мехобробки й майже не зварюються;
• сірі. У зламі мають сріблястий колір. У порівнянні з білими чавунами більш пластини. Відрізняються хорошими ливарними якостями. Непогано піддаються зварюванню, але при цьому метал зварного шва та навколошовної зони схильний до окрихчування;
• ковкі. Їх отримують з білих чавунів за допомогою спеціальної термообробки (томління або графітизуючий відпал). В результаті метал стає більш пластичним, м'яким і в'язким;
• високоміцні. Містять графіт кулястої форми і магній. Характеризуються найбільшою суцільністю металевої основи та високою міцністю.

Залежно від масової частки вуглецю температура плавлення чавунів лежить в інтервалі 1200...1250°С. І хоч у порівнянні зі сталями вони більш крихкі та менш міцні, через невисоку вартість їх широко застосовують для лиття. Найбільш затребувані в промисловості – низьколеговані ливарні чавуни, а також високоміцні сплави, леговані хромом (Cr), нікелем (Ni), кремнієм (Si), магнієм (Mg), та їх різновиди.

Структура металевої основи різних видів чавуну

На ледебурит сплавів впливають умови його утворення: при температурі 1147°С рідка фракція всіх чавунів кристалізується та утворюється евтектика. Вона може бути карбідною або графітною. Тип структури металевої основи визначає відношення металу до однієї з груп:

• перлитної;
• ферітної;
• ферітно-перлітної.

Визначальною при виборі способу термообробки є діаграма стану залізо-вуглець. За нею також орієнтуються, вибираючи спосіб та режим зварювання.

Зварюваність

Всі чавуни відносяться до обмежено або погано зварюваних матеріалів. Основні труднощі обумовлені наступними факторами:

• низькі пластичні властивості й відсутність межи плинності. Це провокує тріщиноутворення в тілі шва і в прилеглій зоні термічного впливу при внутрішніх і зовнішніх напруженнях, величина яких може досягати тимчасового опору;
• висока швидкість охолодження чавунів. Вона обумовлює їх загартовування з утворенням мартенситу, бейніту та інших гартівних структур, що тільки посилює ризики утворення тріщин. Також провокує здатність чавуну до відбілювання, а при експлуатації виробів на кордоні вибіленої зони часто виникають різні дефекти;
• відсутність тістоподібного стану при переході з рідкої фази у твердий стан. Це не заважає вести зварювання чавуну в нижньому положенні, але значно ускладнює його при виконанні зварних швів, розташованих вертикально і під нахилом;
• невисока температура плавлення. Вона визначає швидке охолодження і не дозволяє газам (CO і CO2) повністю виділитися з металу, що апріорі визначає його підвищену пористість.

Сірі та крупнозернисті чавуни гірше зварюються, ніж дрібнозернисті, ковкі й високоміцні марки. Всі вони можуть зварюватись і наплавлятись із застосуванням різних видів зварювання, але найбільш ефективним є пошарове створення шва і спосіб, заснований на використанні «закручувачів». Дотримуючись технології та враховуючи особливості зварювання чавуну, можна виконувати різні види ремонту та реставрації чавунних виробів і зварювати їх з різнорідними металами та сплавами.

Чи можна використовувати для нагріву і зварювання чавуну електричну дугу?

Ще 20 років тому для зварювання чавунних деталей і виробів широко використовувалось газове зварювання. Але створення зварювальних апаратів з розширеним діапазоном робочих параметрів й здатних забезпечити високу стабільність дуги дозволило ефективно використовувати для цих цілей електродугове зварювання.

Електрозварювання – складний мікрометалургійний процес, підлеглий загальним металургійним законам. Тільки протікає дуже швидко й обмежується невеликим обсягом. У зоні термічного впливу відзначається деяка неоднорідність властивостей чавуну. Тому для отримання необхідних фізико-механічних властивостей наплавленого металу необхідно грамотно вибирати тип електрода і технологію виконання робіт. При цьому рід та сила струму, а також інші настройки зварювального апарату обираються з урахуванням:

• структури металу: дрібнодисперсна сірого кольору буде зварюватись без ускладнень, крупнозернистий матеріал темних відтінків обробляється складніше;
• тип використовуваного присаджувального матеріалу. Тут слід враховувати рекомендації виробників;
• орієнтація зварного шва (вертикальне, похиле або нижнє положення).

Особливо ефективна методика «відпалюючих валиків». Суть – не дати охолонути виконаному проходу та, знімаючи напругу, нанести наступний, що буде відпалювати попередній.

Виключити перепал металу можна, орієнтовно розрахувавши постійний зварювальний струм за формулою:

I = ɣ * s,

де:

• I - сила струму,
• s – перетин електрода,
• ɣ – поправний коефіцієнт, що залежить від перетину присаджувального матеріалу, зведений в таблицю, представлену нижче.

Існує кілька способів електрозварювання чавунів:

• холодний. Виконується електродами сталевими, комбінованими й з чавунними стрижнями та без попереднього підігріву. Використовується для зварювання і реконструкційного наплавлення. Може виконуватися із застосуванням шпильок;
• гарячий. Виконується з нагріванням виливків або деталей до 600-700°С й з контрольованим охолодженням. Забезпечує гарні властивості з'єднань та відсутність тріщин і крихких структур;
• напівгарячий. Передбачає підігрів оброблюваних виробів до 350-400°С з подальшим повільним охолодженням. Оптимально підходить для високолегованих марок.

Коли чавун піддається зварюванні?

Існує ряд ситуацій, в яких потрібне застосування зварювальних робіт на чавунних виробах в гарячому або холодному стані:

• з'єднання частин металоконструкцій, збірка елементів з чавунів різних марок або в комбінації зі сталевими елементами;
• виправлення виробничого браку на поверхневих шарах виливків й заготівель;
• ремонт експлуатованих виробів для усунення тріщин і дефектів;
• реставрація поверхні.

Важливість підготовчого етапу

Запобігти розтріскування, забезпечити гарну якість швів можна, якщо перед тим, як заварити чавун, якісно виконати підготовку та знежирення робочої поверхні. Підготовка зони робіт, як правило, включає:

• ґрунтовну зачистку й оброблення кромок, що зварюються під кутом 45...90°, із застосуванням зубила або наждачного круга;
• фрезерування, свердління дефектних місць по краях з вирубкою до чистого металу;
• випал паяльною лампою промаслених місць;
• знежирення бензином й іншими розчинниками (при необхідності). На тонкостінних виробах зона зварювання може протиратися слабонасиченим розчином кислот HNO₃ і HCl;
• поступовий нагрів заготівель зі швидкістю 100-130 градусів/год (перед гарячим зварюванням);
• укладання графітових підкладок. Вони запобігають витіканню розплавленого металу і тим самим спрощують формування тіла зварювального шва.

Деякі технічні моменти зварювального процесу для чавуну та інших металів

Як писалося вище, крихкість чавунів серйозно ускладнює їх зварювання і наплавлення. Проте вони можуть зварюватись зі сталями, а також кольоровими металами та сплавами. Щоб визначити, як зварити чавун і метал іншого складу важливо запам'ятати декілька нюансів:

• щоб уникнути перегріву і термічних напруг, рекомендується виконувати роботи зі зменшеним струмовим навантаженням;
• надмірне газоутворення в рідкій ванні, порушення температурних режимів провокують пористість швів;
• форсування охолодження може призвести до утворення цементиту в навколошовній зоні та ускладнює подальшу механічну обробку;
• через підвищену плинність розплавлених металевих мас потрібне підформування металу.

Технологія електричного зварювання чавуну й сталі

Ці сплави хоч і мають дуже схожий склад, відрізняються величиною температурного коефіцієнта, параметрами міцності, пластичності й ударної в'язкості. До того ж збільшена масова частка вуглецю в чавуні призводить до його графітизації. Тому, перед тим зварити чавун й сталь слід врахувати, що метал зварюваної ванни необхідно надійно захистити від взаємодії з навколишнім повітрям, а для забезпечення стабільної дуги роботи проводяться на постійному струмі зворотної полярності.

Використання електрозварювання для робіт з чавуном та металом іншого складу

Перед будь-якими видами зварювальних робіт необхідно з'ясувати сумісність чавуну та іншого зварюваного металу. На практиці не можна з'єднати матеріали, нездатні взаємодіяти між собою в розплавленому вигляді. Прикладом сполучуваності деяких з них є пара «сталь/чавун». Металургійна ж невідповідність спостерігається при з'єднанні різнорідних сплавів, які мають різні кристалічні решітки, відрізняються теплопровідністю, різними температурами плавлення. Гарною підмогою в злитті металів служать присадки. Зварювальна стрічка і прутки на нікелевій основі – спеціальний матеріал для зварювання заготовок з чавуну з іншими сплавами.

Чи можна зварювати чавун і кольорові метали електрозварюванням?

Використовуючи спеціальні присаджувальні матеріали, також можна зварити елементи з чавуну з деталями з кольорових металів, а також мідних, нікелевих, титанових та алюмінієвих сплавів. Тільки слід врахувати, що з ним:

• мідь непогано зварюється ручним електродуговим (ММА) зварюванням з використанням металевих покритих електродів або аргоновим (TIG) зварюванням вольфрамовим прутком/електродом;
• алюміній, хоч і представляє певні труднощі для зварників через окисну плівку Al₂O₃ і швидкого застигання, зазвичай зварюється TIG зварюванням або напівавтоматичним зварюванням у середовищі захисних газів (MIG);
• титан зварюється неплавним електродом, а для попередження контакту зварювальної ванни з повітрям, її захищають газовою хмарою аргону й сумішей на його основі.

Особливості різних методів зварювання

Технологічні прийоми підготовки чавунних виробів та деталей та метод зварювання підбираються з урахуванням характеру і розміру дефекту й хімічного складу сплаву. Але в будь-якому випадку слід уникати перегрівів металу, а для запобігання утворенню цементиту після зварювання/наплавлення необхідно витримувати температуру близько 300°С з поступовим її зниженням. Добавка в матеріал шва міді або нікелю з присаджувального матеріалу перешкоджає формуванню карбідів й підвищує міцність.

Ручне електродугове зварювання (ММА)

Цей спосіб використовується в дрібносерійному виробництві і в ремонтних цілях. ММА зварювання на тонкостінних виробах виконується короткими валиками, при малій силі змінного або постійного струму зворотної полярності та електродами гранично допустимого мінімального діаметра. Під час роботи необхідно періодично знімати шлак, що утворюється на поверхні зварювальної ванни.

Найчастіше ММА зварювання виконується електродами з чавунними стрижнями. Для виправлення невеликих дефектів на виливках та великих деталях можна використовувати електроди з низьковуглецевої сталі з основним типом покриття, а в інших випадках краще застосовувати присаджувальний матеріал зі спеціальним покриттям або зі спеціальним складом металу. ММА зварювання чавуну електродом здійснюється в нижньому положенні.

Специфіка роботи з напівавтоматом

MIG зварювання застосовується для заварки великого браку на литих заготівлях, ремонту тонкостінних чавунних деталей й для усунення дрібних дефектів, що розкрилися в результаті механічної обробки. Спосіб дозволяє виконувати роботи з високою продуктивністю, а також якісно усувати дефекти лиття і зварювати чавунні деталі із застосуванням порошкового дроту зі сталевою оболонкою, спеціального кремній-бронзового або нікелевого дроту.

Щоб домогтися проплавления заданої товщини, зварювання чавуну напівавтоматом здійснюється із суворим дотриманням параметрів сили струму і напруги. При цьому особливо важливо забезпечити плавну та стабільну подачу дроту. Краї виробів товщиною більше 5 мм обробляють під кутом 45-60°, а зварювальний шов формують в кілька проходів. Роботи краще виконувати в середовищі газового середовища з аргону (80%) та діоксиду вуглецю (20%), а швидкість подачі дроту може становити 100...550 м/год. Для зварювання тонких чавунних виробів існує практика застосування спеціальних графітових пластин, які концентрують розплавлений метал в зварюваній зоні.

Аргонодугова технологія

Дугове зварювання в середовищі аргону (TIG) – поширений спосіб, який за рахунок використання неплавного електрода й хімічної природи захисного газу дозволяє звести до мінімуму шлакоутворення й появу тріщин в навколошовній зоні. Величина зварювального струму в залежності від товщини оброблюваної деталі задається в інтервалі 40-80 ампер. Діаметр присаджувальних матеріалів повинен бути вдвічі менше товщини зварювальних заготівель.

Сварка чавуну аргоном з неплавким вольфрамовим електродом виконується безперервним способом й вважається кращою в обробці чавунних заготівель, так як вольфрамовий стрижень занурюється в тіло шва тільки після прогрівання металу, а аргон ефективно захищає попадання повітря в зону формування зварювальної ванни й мінімізує шлакоутворення.

Для забезпечення міцного з'єднання краще TIG зварювання виконувати в нижньому положенні та з подальшим природним охолодженням. До того ж вона відмінно підходить для холодного способу.

Використання інвертора для отримання високоякісного шва

На даний момент зварювання чавуну інвертором – найбільш ефективний та перспективний спосіб. Електрозварювальні апарати створені на інноваційній схемотехніці, мають розширений діапазон робочих параметрів, характеризуються плавністю регулювання зварювального струму та оснащені множинними опції, які забезпечують спрощений розпал та підвищену стабільність дуги. Такі джерела дозволяють:

• легко підібрати оптимальний режим роботи на постійному (DC) і змінному (AC) струмі;
• виконувати гаряче та холодне зварювання чавуну в різних просторових положеннях;
• зварювати його зі сталлю й кольоровими металами.

Види електродів

Ремонтні роботи з застосуванням спеціальних вугільних, вольфрамових та графітових електродів – хороша альтернатива використанню більш дорого зварювального дроту на основі нікелю, міді або алюмінію. Із застосуванням цих матеріалів найчастіше проводиться реставрація поверхні й усунення дефектів на виливках. В цілому для зварювальної та спорідненої обробки чавунів використовуються наступні присаджувальні матеріали (прутки й електроди):

• для ковких – марки ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-6 або МНЧ-2;
• для сірих – марки ОЗЧ-2, ОЗЧ-4, ОЗЧ-6, ОЗЖН-1, ОЗЖН-2 і МНЧ-2;
• для високоміцних – МНЧ-2, ОЗЧ-3, ОЗЖН.

Вибір присаджувальних матеріалів і технологія робіт залежать від характеру дефекту, марки чавуну, товщини та маси виробу, умов подальшої експлуатації. Важливо враховувати всі вимоги до зварного з'єднання. Його якість безпосередньо залежить від того, яким електродом виконане зварювання чавуну.

• Чавунний – кращий варіант для литого металу. Може використовуватися для гарячого і холодного способу та для усунення тріщин, пор, відколів. Підходять для роботи зі зварювальними інверторами, що мають, в тому числі, і опцію наплавления.
• Сталевий, покритий графітом, – найменш бажаний варіант. При його застосуванні шов виходить неоднорідний, з високим вмістом цементиту в складі. При зварюванні чавуну сталлю вкрай важливо уникнути навуглецювання металу, але так як цей процес слабо контролюється, такий спосіб застосовується в тих випадках, коли оброблюваних виробів не потрібна подальша механічна обробка й для них не обумовлюються параметри міцності.
• Неплавний. Використовується для ручного та напівавтоматичного зварювання в середовищі захисних газів або в поєднанні із застосуванням флюсів.

У чому суть і особливість гарячої зварювання чавуну?

Швидке охолодження заварених ділянок обумовлює високу твердість металу в зоні термічного впливу та його схильність до окрихчування. Відповідно попередній підігрів заготівлі дозволяє сповільнити швидкість охолодження, надати металу необхідні пластичні властивості й уникнути появи тріщин.

Фахівці поділяють напівгаряче та гаряче зварювання. Напівгаряче обмежується нагріванням зварюваного виробу до 300-400°С . На невеликих ділянках весь заварюваний обсяг підтримується в розплавленому стані, а при великих обсягах – тільки частина наплавленого металу.

Перед гарячим зварюванням заготівлі/деталі нагрівають до температури в межі 600-700°С . Це можна зробити:

• в індукційної або муфельній печі;
• паяльною лампою або газовим пальником;
• ковальським або газовим горном.

Такий нагрів дозволяє рівномірно прогріти поверхневі шари, а при гарячому зварюванні весь метал заварюваного колодязя знаходиться в розплавленому стані. Таким чином формується монолітне зварювальне з'єднання з високою однорідністю та тріщиностійкістю.

Газове зварювання виконують з використанням чавунних прутків марок А і Б, а електродугову – вугільними, мідь- та нікельутримуючими електродами, чавунними присаджувальними прутками й покритими електродами. Рід струму будь-який, а його величина підбирається з урахуванням типу та діаметра присаджувального матеріалу. Застосування графітових накладок дозволить сформувати рівний та якісний зварний шов. При цьому гаряче зварювання чавуну застосовується для виробів масою до 2,5 тонн.

Можливість виконання робіт у вогненебезпечних середовищах і інші нюанси холодного зварювання

Холодний метод передбачає виконання зварювання без попереднього підігріву і може здійснюватися з використанням шпильок та без них. Зварювання з «закручувачами» дозволяє отримати міцне з'єднання навіть на товстостінних деталях. Але перед роботою слід виконати фаску на 80...90 градусів та ретельно провести очищення й знежирення. Для деталей менше 2 мм знімати фаску на кромках необов'язково. Зварка чавуну без шпильок застосовується тільки для тонкостінних виробів і тих, що не підлягають подальшій механічній обробці та експлуатації з ударними навантаженнями.

Щоб виключити перегрів зварюваних та ремонтованих металовиробів, необхідно ретельно контролювати температуру поверхні. А виконується холодне зварювання чавуну електродами з низьковуглецевих сталей без покриття та з основним або рутиловим покриттям і спеціальними електродами. Перша група присадних матеріалів забезпечує невисоку міцність з'єднання і формує валик з неоднорідною структурою металу. Застосовується для усунення дефектів, пайки чавуну та сталі. Друга група більш велика та включає нікелеві, залізонікелеві та залізомідні присаджувальні матеріали. Вони забезпечують більш високі параметри якості та надійності зварних з'єднань. Мідно-нікелевими виконується заварка вад на поверхні, отриманих при литті, й попереджається осередкове підвищення твердості.

Так як метод не передбачає для нагріву заготівлі використання паяльної лампи та іншого джерела відкритого вогню, його застосування доцільно при виконанні зварювальних робіт у вогненебезпечних середовищах та поруч з потенційними пожежонебезпечними об'єктами. При присутності останніх в зоні зварювання, слід обов'язково використовувати захисну ширму.

Виникаючі труднощі при зварюванні чавуну та шляхи їх вирішення

Розрізняються за властивостями та хімскладом метали зварюються по-різному. Потрібно знати, які сплави не піддаються такому виду з'єднання, та інші нюанси.

Важливо не перегрівати зону робіт біля шва. Допоможуть в цьому невеликі перерви перед черговим проходом та застосування багатопрохідного зварювання. Зі збільшенням товщини металу збільшується сила струму та перетин електродів.

За кінцевим результатом може здатися, що варити метал зовсім не складно. Насправді, гаряче або холодне зварювання чавуну – це кропітка праця над кожним швом, кожною деталлю. Для досягнення задовільного результату присаджувальні матеріали повинні бути першосортними й в достатній кількості.

Проблеми, що виникають при електрозварюванні чавунних виробів, цілком можливо вирішити при повному дотриманні технології робіт і застосуванні відповідного високим стандартам металу. Знайти його в широкому асортименті можна в каталозі продукції ТОВ «Метінвест-СМЦ». Співпраця з нами – це завжди надійність та відповідальність, краща якість, широка лінійка типорозмірів й сортаменту металопрокату, вигідні умови оплати й доставки.