Как сварить чугун:полное руководство

Сварка чугуна возможна, но проблематична из-за высокого содержания углерода. Это содержание углерода часто составляет 2-4%, что примерно в десять раз больше, чем у большинства сталей. В процессе сварки этот углерод мигрирует в металл шва и/или околошовную зону, что приводит к повышению хрупкости/твердости. Это, в свою очередь, может привести к трещинам после сварки.

Чугун состоит из железа и углерода в различных пропорциях с дополнительными элементами, такими как марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и т. д., для улучшения определенных свойств. Кроме того, он может содержать значительно более высокое содержание серы и фосфора, чем примеси, что затрудняет сварку без образования трещин.

Различные типы чугуна включают серый чугун, белый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун с широким диапазоном свариваемости. Все категории чугуна, за исключением белого чугуна, считаются свариваемыми, хотя сварка может быть значительно сложнее по сравнению со сваркой углеродистой стали.

Однако может быть трудно определить разницу между этими разными типами чугуна без подробного металлургического анализа. Несмотря на это, чугун — это долговечный и износостойкий металл, который использовался веками.

Этапы подготовки к сварке чугуна

Прежде чем приступить к сварке чугуна, необходимо выполнить четыре ключевых шага, чтобы обеспечить эффективную сварку чугуна. К ним относятся:

• Определение типа чугуна
• Очистка слепка
• Выбор правильной температуры предварительного нагрева.
• Выбор правильной техники сварки

1. Определение типа чугуна

Первым этапом такого вида сварки является определение типа чугуна. Существует множество типов, и вам не захочется сваривать большинство из них.

Чугун имеет плохую пластичность, поэтому он может треснуть из-за термических напряжений при быстром нагревании или охлаждении. Склонность к растрескиванию зависит от типа/категории чугуна. Это означает, что необходимо понимать, с каким типом сплава вы работаете:

• Серый чугун: Это самая распространенная форма чугуна. Углерод осаждается в графитовые чешуйки во время производства в перлитную или ферритную кристаллическую микроструктуру. Он более пластичен и поддается сварке, чем белый чугун. Тем не менее, это по-прежнему представляет собой проблему для потенциальных сварщиков, поскольку чешуйки графита в сером чугуне могут попасть в сварочную ванну и вызвать охрупчивание металла сварного шва.
• Белый чугун: Белый чугун удерживает углерод в виде карбида железа, не выделяя его в виде графита. Кристаллическая микроструктура цементита очень твердая и хрупкая. Белый чугун обычно считается непригодным для сварки.
• ковкий, шаровидный или ковкий чугун: Все эти чугуны менее хрупкие из-за микроструктурных различий, связанных с производством. Все три имеют сфероидальную углеродную микроструктуру, созданную их уникальными производственными процессами.

Самый простой способ определить, с каким типом железа вы работаете, — это проверить исходную спецификацию. Химический и металлографический анализ также может помочь в определении категории чугуна, с которым вы работаете.

Есть и другие способы определить разницу между сплавами; серый чугун будет иметь серый цвет вместе с точкой излома, в то время как белый чугун будет иметь более белый цвет вдоль излома из-за содержащегося в нем цементита. Однако, например, у ковкого чугуна также будет более белый излом, но он гораздо лучше поддается сварке.

Серый чугун является наиболее распространенным типом свариваемого чугуна и должен быть единственным чугуном, который вы пытаетесь сплавить, если у вас нет опыта его литья или сварки. Еще одним хорошим вариантом является помощь кого-то опытного.

2. Очистить кастинг

Независимо от сплава все отливки должны быть должным образом подготовлены перед сваркой. При подготовке отливки к сварке очень важно удалить все поверхностные материалы. Отливка должна быть абсолютно чистой в области сварного шва. Удалите краску, жир, масло и другие посторонние материалы из зоны сварки. Лучше всего осторожно и медленно наносить тепло на область сварки в течение короткого времени, чтобы удалить захваченный газ из зоны сварки основного металла.

Простым приемом проверки готовности поверхности чугуна является нанесение на металл сварочного шва, при наличии примесей он будет пористым. Этот проход можно сточить, и процесс повторяется несколько раз, пока пористость не исчезнет.

3. Температура предварительного нагрева

Все чугуны подвержены растрескиванию под нагрузкой. Контроль температуры — единственный важнейший фактор, позволяющий избежать трещин.

Сварка чугуна требует трех шагов:

• Предварительный нагрев
• Низкое тепловложение
• Медленное охлаждение

Основной причиной теплового контроля является тепловое расширение. Когда металл нагревается, он расширяется. Напряжение не возникает, когда весь объект нагревается и расширяется с одинаковой скоростью, но напряжение будет накапливаться, когда тепло локализовано в небольшой зоне термического влияния (HZ).

Локальный нагрев вызывает ограниченное расширение, так как HZ удерживается более холодным металлом вокруг него. Степень результирующего напряжения зависит от температурного градиента между ГЦ и телом отливки. В стали и других пластичных металлах напряжение, вызванное ограниченным расширением и сжатием, снимается растяжением.

К сожалению, это может привести к растрескиванию в период усадки, поскольку чугуны обладают относительно низкой пластичностью. Предварительный подогрев уменьшает температурный градиент между телом отливки и ГЦ, тем самым сводя к минимуму растягивающие напряжения, вызванные сваркой. Как правило, методы сварки при более высоких температурах требуют предварительного нагрева при более высокой температуре.

Когда адекватный предварительный нагрев невозможен, наилучшей стратегией является минимизация подвода тепла, выбор низкотемпературного процесса сварки и сварочных стержней или проволоки с низкой температурой плавления.

Скорость охлаждения является еще одним фактором, оказывающим непосредственное влияние на напряжения, возникающие в сварном шве. Быстрое охлаждение вызывает усадку, в результате чего сварные швы становятся хрупкими и легко растрескиваются. Напротив, низкое охлаждение снижает напряжение закалки и усадки.

4. Техника сварки чугуна

Теоретически можно использовать любой из распространенных процессов дуговой сварки, такой как ручная дуговая сварка металлическим электродом, дуговая сварка с флюсовой проволокой, сварка металлическим активным газом, дуговая сварка под флюсом, вольфрамовая дуговая сварка и т. д. Процесс, который способствует медленному нагреву и охлаждению, является обычно предпочтительнее.

1. Ручная дуговая сварка металлическим электродом (MMA)

Этот тип сварки, также известный как дуговая сварка защитным металлом (SMAW), обычно считается лучшим процессом для сварки чугуна — при условии, что используются правильные сварочные электроды. Выбор электрода будет зависеть от области применения, требуемого сочетания цветов и объема послесварочной обработки.

Двумя основными типами электродов для ручной дуговой сварки металлическим электродом являются электроды на основе железа и на основе никеля. Электрод на основе железа будет производить металл сварного шва с высоким содержанием углерода мартенсита, поэтому обычно ограничивается мелким ремонтом отливки и когда требуется согласование цвета.

Чаще всего используются электроды из никелевого сплава, которые обеспечивают более пластичный металл сварного шва. Никелевые электроды также могут помочь уменьшить предварительный нагрев и растрескивание ЗТВ, обеспечивая более низкую прочность металла сварного шва.

Во всех случаях следует позаботиться о том, чтобы свести к минимуму плавление основного металла. Это сведет к минимуму разбавление.

2. Сварка МАГ

Сварка MAG обычно выполняется с использованием никелевого расходного материала. Для большинства применений подойдет смесь 80% аргона и 20% углекислого газа. Хотя можно использовать проволоку для пайки, обычно это не рекомендуется, так как припой будет значительно слабее, чем отливка.

3. Сварка ВИГ

Сварка ВИГ может обеспечить чистый сварной шов на чугуне, но обычно не предпочтительна из-за сильно локализованных характеристик нагрева. Как и при любой сварке TIG, качество сварного шва во многом определяется навыками сварщика.

4. Кислородно-ацетиленовая сварка

При кислородно-ацетиленовой сварке также используются электроды, но вместо дуги, генерируемой током, энергия для сварки обеспечивается кислородно-ацетиленовой горелкой. Чугунные электроды и медно-цинковые электроды подходят для кислородно-ацетиленовой сварки чугуна.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не окислить чугун во время ацетиленовой сварки, так как это вызывает потерю кремния и образование белого чугуна в сварном шве. Сварочный стержень следует плавить в расплавленной сварочной ванне, а не непосредственно в пламени, чтобы свести к минимуму температурные градиенты.

5. Сварка пайкой

Сварка пайкой является распространенным методом соединения чугунных деталей из-за минимального воздействия на сам основной металл. Сварочный стержень обеспечивает наполнитель, который прилипает к поверхности чугуна. Из-за более низкой температуры плавления наполнителя по сравнению с чугуном наполнитель не разбавляется чугуном, а прилипает к поверхности.

Чистота поверхности имеет решающее значение для этого метода сварки, поскольку соединение зависит от качества наполнителя, смачивающего поверхность основного металла. Согласно Machine Design, использование флюса для предотвращения образования оксидов во время пайки является обычным явлением.

Это жидкость, способствующая смачиванию, что позволяет наполнителю течь по соединяемым металлическим деталям. Он также очищает детали от оксидов, чтобы наполнитель более плотно сцеплялся с металлическими деталями. Кроме того, флюсы используются при сварке для очистки металлических поверхностей.

Технологии сварки без предварительного нагрева

Размер отливки или другие обстоятельства могут потребовать, чтобы ремонт производился без предварительного нагрева. В этом случае деталь должна быть прохладной, но не холодной.

Повышение температуры литья до 100 градусов по Фаренгейту полезно. Если деталь находится на двигателе, можно запустить ее на несколько минут, чтобы получить эту температуру. Никогда не нагревайте отливку до такой степени, чтобы на нее нельзя было положить голую руку.

Сделайте короткие сварные швы длиной примерно 1 дюйм. В этом методе важна проклевка после сварки. Дайте сварному шву и отливке остыть. Не ускоряйте скорость охлаждения водой или сжатым воздухом.

Можно сваривать другую область отливки, пока предыдущий сварной шов остывает. Все кратеры должны быть заполнены. По возможности шарики должны располагаться в одном направлении, и желательно, чтобы концы параллельных шариков не совпадали друг с другом.

Использование присадочной проволоки или электрода для литейной сварки

Как упоминалось выше, выбор сварочного электрода важен для сварки чугуна, хотя большинство экспертов советует использовать никелевый электрод.

1. 99% никелевых стержней

Эти электроды дороже, чем другие варианты, но также обеспечивают наилучшие результаты. Стержни из 99% никеля обеспечивают сварные швы, которые поддаются механической обработке и лучше всего подходят для отливок с низким или средним содержанием фосфора. Эти стержни из чистого никеля создают мягкий, ковкий наплавленный металл.

2. 55% никелевых стержней

Менее дорогие, чем 99% стержни, они также поддаются механической обработке и часто используются для ремонта толстых профилей. Более низкий коэффициент расширения означает, что они производят меньше трещин в линии сплавления, чем 99% стержень. Эти ферроникелевые стержни идеально подходят для сварки чугуна со сталью.

Доступны менее дорогие варианты, такие как стальные стержни, хотя они не так эффективны, как никелевые стержни:

3. Стальные стержни

Стальные стержни представляют собой самый дешевый вариант из трех и лучше всего подходят для мелкого ремонта и заполнения. Стальные электроды производят твердые сварные швы, которые требуют дополнительной шлифовки и не поддаются механической обработке. Однако, несмотря на эти недостатки, стальные стержни обеспечивают соответствие цвета и лучше переносят не совсем чистые отливки, чем никелевые стержни.

4. Пайка бронзы

Вы можете использовать кислородно-ацетиленовую пайку или использовать стержни с помощью сварочного аппарата TIG. Это хороший способ обеспечить прочность в трещине или между двумя компонентами, нуждающимися в соединении, при этом не вызывая растрескивания и изменения свойств чугуна.

Очистка и наплавка поверхностей сварки

Как и в большинстве случаев сварки, чем чище поверхность, тем качественнее будут ваши сварные швы. Иногда материал, который вы свариваете, имеет запасы дыма или масла на протяжении всей отливки, и это вызывает проблемы при сварке. При сварке чугуна необходимо помнить об определенных вещах.

Использование расходных материалов для сварки, таких как стержни из сплава для сварки чугуна MG-289, которые предназначены для сварки загрязненного чугуна, — лучший способ обеспечить достаточный сварной шов.

Упрочнение — это процесс постукивания по мягкому сварному шву при его охлаждении молотком с шариковым бойком для предотвращения растрескивания. Это следует делать с осторожностью и только тогда, когда сварной шов может деформироваться, но это не всегда необходимо, так как в первую очередь причиной появления трещин является неравномерный или быстрый нагрев или охлаждение детали. Предварительный нагрев и медленное охлаждение вашего проекта — это самое важное.

Подогрев или холодная сварка?

Есть несколько разных мнений о том, следует ли сваривать горячим или холодным способом. Все согласны с тем, что предварительный нагрев — хороший вариант, но некоторые считают, что сварки с минимальным нагревом тоже достаточно.

При принятии решения о том, как сваривать чугун, необходимо использовать один из этих подходов, потому что, в отличие от большинства металлов, чугун является хрупким и имеет очень минимальную способность к деформации при изгибе или расширении и сжатии. Тепло всегда оказывает деформирующее воздействие на металл, и если одна часть металла нагревается или остывает быстрее, чем другая, в чугуне или сварном шве возникают напряжения и трещины.

Предварительный нагрев сводит к минимуму этот эффект, приближая окружающую область сварного шва к температуре сварки, обеспечивая равномерное изменение всего компонента. Чугун меняет характеристики при температуре более 1400 градусов по Фаренгейту, поэтому крайне важно не подвергать компонент чрезмерному нагреву.

Считается, что сварка чугуна в холодном состоянии без предварительного нагрева и с использованием минимального тепла помогает в этом за счет снижения общей температуры. Это может быть полезно, поскольку не образуются видимые трещины, и это будет более прочный шов, чем горячий шов без предварительного нагрева. Однако внутреннее напряжение по-прежнему возникает, что может проявиться позже в течение срока службы компонента, и в целом оно приводит к более слабому сварному шву, чем при правильном предварительном нагреве перед сваркой.

Опытные сварщики чугуна, работающие на ремонте или изготовлении чугунных изделий, всегда и только предварительно нагревают. Это лучший способ обеспечить внутреннюю прочность сварного шва, а не только заметное отсутствие трещин.