Ремонт чугунных и алюминиевых деталей сваркой

3. Ремонт чугунных и алюминиевых деталей сваркой

 

Свариваемость чугуна.

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Основные трудности при сварке обусловлены высокой склонностью его к отбеливанию, т.е. появлению участков с выделениями цементита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне. Кроме того, чугун имеет низкую по сравнению со сталью температуру плавления (1200-1250^оС) и быстро переходит из жидкого состояния в твёрдое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газов из сварочной ванны продолжается и на стадии кристаллизации.

Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и усложняет формирование шва. Вследствие окисления кремния на поверхности сварочной ванны возможно образование тугоплавких оксидов, что может привести к непроварам.

При выборе способа сварки чугуна необходимо учитывать следующие особенности:

· высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может вызвать появление трещин в процессе сварки;

· ускоренное охлаждение приводит к образованию отбеленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;

· сильное газообразование в жидкой ванне может вызывать пористость сварных швов;

· высокая жидкотекучесть чугуна обусловливает необходимость в ряде случаев подформовки.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300-400^оС и выше) углерод и кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким. Чугун, содержащий окислённый углерод и кремний, называют горелым.

Плохо свариваются также чугунные детали, работающие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. Поверхность чугуна пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве.

Способы сварки чугуна.

Сварку чугуна применяют при ремонтно-восстановительных работах и для изготовления сварно-литых конструкций. Чугун сваривают преимущественно при устранении дефектов литья в чугунных отливках до и после механической обработки, а также при ремонте деталей.

К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от условий эксплуатации предъявляются различные требования - от декоративной заварки наружных дефектов до получения соединений, равнопрочных с основным металлом.

Чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, порошковой проволокой, газовой сваркой и другими способами.

Наиболее часто способы сварки чугуна классифицируют по состоянию свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают сварку с подогревом (горячую сварку) и без подогрева (холодную сварку).

Горячую дуговую сварку чугуна применяют в случаях, когда металлом шва должен быть чугун, по своим свойствам приближающийся к свойствам основного металла детали.

Холодную дуговую сварку чугуна выполняют на обрабатываемых и обработанных поверхностях деталей, когда дефекты литья незначительны или средних размеров, когда они несквозные или сквозные, но небольшой протяжённости и, наконец, когда наплавляемый металл не предусмотрен в виде чугуна. При холодной сварке свариваемые детали не подвергают предварительному нагреву.

Особенности применения различных способов дуговой сварки чугуна показаны в таблице 1. Выбор способа и технологии сварки зависит от требований к сварному соединению. При выборе технологии сварки учитывают необходимость подогрева металла, а также механической обработки металла шва и околошовной зоны после сварки.

Таблица1.

Области применения различных способов дуговой сварки чугуна.

Способ сварки	Область применения	Характеристика наплавленного металла
Горячая ванная ручная чугунными электродами и механизированная порошковой проволокой.	Различные дефекты крупных размеров на обрабатываемых, обработанных и ответственных необрабатываемых поверхностях	Хорошие обрабатываемость и плотность, макроструктура, твёрдость, прочностные показатели аналогичны основному металлу.
Ручная электродами на медно-никелевой основе.	Несквозные дефекты небольших и средних размеров на обработанных поверхностях. В отдельных случаях сквозные дефекты небольшой протяжённости.	Хорошие обрабатываемость, плотность и прочность.
Ручная электродами на железо-никелевой основе.	Различные дефекты небольших и средних размеров на поверхностях отливок и деталей.	Хорошие обрабатываемость, плотность и прочность. Цвет совпадает с цветом основного металла.
Ручная электродами на основе низкоуглеродистой стали со специальным покрытием.	Несквозные дефекты небольших размеров на обработанных поверхностях.	Твёрдость и цвет совпадают с твёрдостью и цветом основного металла.
Ручная электродами на медно-стальной основе.	Сквозные дефекты на необрабатываемых поверхностях отливок и стенках резервуаров.	Высокие плотность и прочность. Обрабатываемость затруднена. Отличается по цвету.
Холодная ручная стальными электродами.	Несквозные дефекты на необрабатываемых поверхностях отливок.	Высокая твёрдость, недостаточные плотность и прочность.

 

Горячая сварка чугуна.

Технологический процесс состоит из механической обработки под сварку, формовки свариваемых деталей, предварительного подогрева, сварки и последующего медленного охлаждения.

Подготовка под сварку дефектного места заключается в тщательной его очистке от загрязнений и в разделке свариваемых кромок.

При сварке сквозных трещи или заварке дефектов, находящихся на краю деталей, необходимо применять графитовые формы, предотвращающие вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Формы изготавливают из графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, которая состоит из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле. Кроме того, формы можно скреплять в опоках формовочными материалами, применяемыми в литейном производстве.

Детали и чугунные отливки нагревают до температуры 300-700^оС (в зависимости от формы детали, дефекта, способа сварки). Сварку выполняют чугунными электродами или порошковой проволокой с присадкой керамического стержня. Подогрев необходим для того, чтобы после сварки происходило равномерное охлаждение всего изделия и не образовывались трещины.

Детали нагревают в специальных печах или с помощью индукционных нагревателей. Для ручной дуговой сварки используют плавящиеся электроды марок ЦЧ-4, ЭВЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-2 и др.

Горячую сварку чугуна выполняют на большой силе сварочного тока без перерывов до конца заварки дефекта при большой сварочной ванне. Так, для сварки электродом диаметром 8мм требуется ток 600А, а диаметром 12мм - ток 1000А. Используют электродержатели, имеющие защиту руки сварщика от теплового излучения.

Варка угольным электродом ведётся постоянным током прямой полярности: для электродов диаметром 8-20мм используются соответственно токи 280-600А. Применяют преобразователи ПСМ-1000, выпрямители ВАМ-1601, трансформаторы ТДФ-1601.

Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объём расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать его концом электрода или присадочного стержня. Для медленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углём или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3-5 суток.

Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоёмкость процесса и тяжёлые условия труда сварщиков.

Холодная сварка чугуна.

Сварка чугуна без подогрева изделия применяется шире, чем с подогревом. Подготовка поверхности дефектов к заварке заключается в сверлении, зачистке, фрезеровании и т.д. до получения чистой поверхности основного металла.

Разделку краевых дефектов осуществляют таким образом, чтобы предупредить сколы при механической обработке.

При сварке без предварительного нагрева дефекты, расположенные друг от друга на расстоянии более чем 20мм, вырубают или высверливают порознь, при более близком расположении - производят сплошную вырубку дефектного участка. Разделка кромок зависит от толщины детали. При глубине дефекта 5-7мм вырубают фаску с углом раскрытия 70-80^о. В местах, доступных для сварки с двух сторон, производят Х-образную разделку кромок. Зазор b составляет 0-3мм, притупление с- 0-3мм.

Если концы трещины не выходят на поверхность детали, то в местах окончания трещины сверлят отверстия и участок видимой части трещины вырубают (вышлифовывают) или разделывают воздушно-дуговой резкой.

По концам несквозной трещины просверливают отверстия глубиной 2-4мм, а по концам сквозной трещины - на всю глубину сверлом диаметром 6-10мм.

Наплавку ведут через центр разделки, а затем наплавляют валики на правой и левой её частях.

Трещины, сколы разделывают (V-образная разделка кромок) для односторонней сварки.

На практике используют несколько разновидностей холодной сварки: стальными, медно-железными, медно-никелевыми, железо-никелевыми, никелевыми и другими электродами.

Сварное соединение, полученное холодной сваркой, неоднородно. Оно состоит из наплавленного металла, зон сплавления и термического влияния. Размер зоны сплавления зависит от диаметра электрода (3-6мм - по размеру завариваемого дефекта).

Применяя медно-никелевые (марки МНЧ-2) и медно-стальные (марки ОЗЧ-2) электроды, получают наплавленный металл, легко поддающийся механической обработке. Наплавку образуют однослойной или многослойной укладкой валиков.

Для сварки чугуна наиболее часто используют электроды марок МНЧ-1, МНЧ-2, ЦЧ-4, ОЗЖН-1 и др.

Стальные электроды марки ЦЧ-4 (на основе проволоки из низкоуглеродистой стали с карбидообразующим покрытием) применяют при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объёмом наплавки, не требующих после сварки механической обработки.

Сварку стальными электродами с защитно-легирующими покрытиями выполняют с V- или X-образной разделкой кромок. Для устранения неравномерного разогрева детали сваривают отдельными участками вразбивку. Длина этих участков сварного шва не должна превышать 100-120мм. После сварки участкам дают возможность остыть до температуры 60-80^оС. Наилучшие результаты получают при сварке электродами с покрытием марки УОНИ-13/45 постоянным током обратной полярности.

Медно-железные электроды применяют для заварки отдельных дефектов или небольших несплошностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе и работающих под давлением. Наиболее совершенные из них - электроды марки ОЗ4-2, представляющие собой медный стержень диаметром 4-5мм, на который нанесено покрытие, состоящее из смеси электродной обмазки марки УОНИ-13/45 (50%) и жидкого стекла. При сварке не следует допускать сильного разогрева свариваемых деталей. После сварки лёгким молотком выполняют проковку наплавленного металла в горячем состоянии. Она уменьшает сварочные напряжения и снижает опасность образования трещин в околошовной зоне. В результате наплавленный металл приобретает высокую пластичность и удовлетворительно обрабатывается.

Медно-никелевые электроды применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твёрдости недопустимо. В промышленности используются электроды марки МНЧ-1 со стержнем из монель-металла и марки МНЧ-2 со стержнем из константана. Сварку выполняют электродами диаметром 1-4мм ниточным швом короткими участками. При этом не следует допускать перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы в работе для охлаждения шва. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами лёгкого молотка. Положительные свойства электродов заключаются в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твёрдость после нагрева и быстрого охлаждения. Наплавленный металл обладает низкой твёрдостью, хорошо обрабатывается.

Железно-никелевые электроды марки ОЗЖН-1 используют для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения из серого и высокопрочного чугуна. Наплавленный металл имеет высокую прочность и плотность, хорошо обрабатывается.

Никелевые электроды марки ОЗЧ-3 применяют для исправления небольших дефектов в ответственных изделиях. Электродами марки ОЗЧ-4 наплавляют последний слой на поверхности, работающей на трение.

Способ сварки чугуна с помощью шпилек применяется для восстановления ответственных изделий, работающих при значительных нагрузках и не требующих обработки после сварки. Сварка комбинируется с механическим усилением зоны сплавления путём ввёртывания в металл изделия стальных шпилек, которые связывают металл шва и основной металл, разгружая хрупкую закаленную прослойку в зоне сплавления.

Диаметр шпилек составляет 5-16мм. Максимальное их количество по площади не должно превышать 25% площади излома детали. Высота шпилек над поверхностью металла - не более 5-6мм, глубина ввёртывания-1,5 диаметра шпильки.

Для сварки используются электроды диаметром 3-4мм любой марки, обеспечивающие мягкий наплавленный металл. Сварку ведут на малой силе сварочного тока (100-120А) для обеспечения малой глубины проплавления чугуна и минимального нагрева изделия, что уменьшает отбеливание и предотвращает появление трещин.

Вначале кольцевыми швами обвариваются ввёрнутые шпильки. Обварку производят вразброс, чтобы получить более равномерный нагрев детали. Затем наплавляют отдельными валиками участки между обваренными шпильками. Длина каждого валика не должна превышать 100мм. Второй слой валиков наносят перпендикулярно к направлению валиков первого слоя. После наплавки кромок заваривают разделку трещины. Для ускорения заварки трещины вводят дополнительные металлические связи (в виде прутков). Сварка с применением шпилек может выполняться в любом пространственном положении.

Сварка деталей из алюминия и его сплавов.

Такая сварка затруднена из-за постоянно образующейся на поверхности расплавленного металла тугоплавкой пленки-оксида алюминия AL₂O₃, которая плавится при температуре 2050 ⁰С, в то времяпература плавления алюминия 658⁰С.

Алюминий и его сплавы сваривают с помощью электродуговой, аргонно-дуговой и газовой смеси. Перед сваркой алюминиевые изделия специально подготавливают: обезжиривают поверхность растворителями и зачищают стальной щеткой до блеска. Детали толщиной до 20…25 мм сваривают без предварительного нагрева. При большей толщине детали перед сваркой рекомендуется подогреть до 300…400⁰С.

Для сплавления алюминия с присадочным металлом необходимо разрушить и снять оксидную пленку, что достигается применением специальных флюсов или механическим удалением ее с помощью металлического прутка. В состав флюсов входят следующие материалы: хлористый натрий, калий, литий, магний; фтористые: калий, литий, натрий, барий и др. Самый распространенный флюс АФ-4А содержит 28% хлористого натрия, 50% хлористого калия, 14% хлористого лития и 8% фтористого натрия.

При электродуговой сварке алюминия металлическими электродами флюс в виде покрытия толщиной 0,5…1,0 мм наносят на электродные прутки. Для сварки чистого алюминия выпускают электроды ОЗА-1, а для сварки сплавов алюминия – ОЗА-2. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности.

Алюминий и его сплавы можно сваривать угольными или графитовыми электродами с присадочным материалом. В качестве присадки используют проволоки из алюминия и его сплавов; Св-АВ00, Св-1А, Св-АК5, Св-АМЦ и др. Перед сваркой на кромки трещин насыпают слой флюса. После сварки детали из алюминия и его сплавов медленно охлаждают в термосе. Затем шов тщательно промывают горячей водой и зачищают стальными щетками. Чтобы избежать проплавления металла при заварке трещин в пустотелых деталях, их набивают песком.

В ремонтных мастерских применяют также газовую сварку алюминия и его сплавов без флюсов. В процессе подогрева и расплавления металла разрушают и удаляют оксидную пленку металлическим скребком.

Широкое применение в ремонтном производстве получила электродуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде аргона. Присадочные алюминиевые прутки вводят в дугу, которая горит между деталью и вольфрамовым электродом. Сварку можно вести как на постоянном токе обратной полярности, так и на переменном. Для аргонно-дуговой сварки промышленность выпускает установки УДАР-300-1, УДАР-500-1 и УДГ-301, УДГ-501.