Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали

Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в 1-м слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоростях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительного подогрева изделия, приобретает резкую закалку. Поэтому металл 1-го слоя будет иметь высокую твердость, низкую деформационную способность и окажется подверженным образованию холодных трещин, а также пористости. Во 2-м слое, естественно, доля участия чугуна уменьшится, однако содержание углерода в нем будет находиться еще на высоком уровне, что также приведет к закалке и возможному образованию трещин. В последующих слоях доля участия чугуна окажется незначительной, и металл шва будет обладать определенным уровнем пластичности.

В связи со сказанным такие стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требования обеспечения прочности, плотности и обрабатываемости режущим инструментом. С целью уменьшения доли участия основного металла в шве, а также размеров зоны термического влияния (в том числе и участков отбеливания и закалки) применяют электроды небольших диаметров (для 1-го слоя 3 мм, для 2-го и последующих 3 ... 4 мм), на малых токах, не перегревая основной металл.

Сначала выполняют облицовку 1-м слоем. Сварку выполняют короткими участками, валиками небольших сечений вразброс для охлаждения шва и околошовной зоны до температуры 50 ... 60 °С. После 3-го слоя можно применять режимы с несколько большей погонной энергией, но также с перерывами, чтобы зона разогрева чугуна была небольшой. Для уменьшения напряжений полезно применять проковку средних слоев.

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами общего назначения наиболее слабое место сварного соединения - околошовная зона у границы сплавления. Хрупкость этой зоны и наличие в ней трещин нередко приводят к отслаиванию шва от основного металла. Для увеличения прочности сварного соединения, когда к нему не предъявляется других требований (например, при ремонте станин, рам, кронштейнов и других несущих элементов толстостенных конструкций), применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения - линию сплавления.

Шпильки имеют резьбу, их ввертывают в тело свариваемой детали. Размеры шпилек обычно зависят от толщины свариваемых деталей. Практикой установлены следующие рекомендации: диаметр шпилек 0,3 ... 0,4 толщины детали, но не более 12 мм; глубина ввертывания шпилек 1,5 диаметра их, но не более половины толщины свариваемых деталей; высота выступающей части 0,75 ... 1,2 диаметра шпильки. Шпильки располагают в шахматном порядке на скошенных кромках деталей и в один ряд на поверхности детали с каждой стороны стыка, причем расстояние между ними должно быть равно 4 ... 6 диаметров шпильки.

Сварку выполняют в следующем порядке. Сначала обваривают каждую шпильку и облицовывают поверхности кромок электродами диаметром 3 мм на малых токах. Затем на облицованные кромки и шпильки наплавляют валики и окончательно заполняют разделку (рис. 3).

При сварке деталей с толстыми стенками для уменьшения количества наплавленного металла рекомендуется в шов вваривать связи из круглой или полосовой стали (рис. 3, в). Для удержания расплавленного металла шва рекомендуется заформовать трещину (рис. 3, г).

Для снижения содержания углерода в металле шва предложено выполнять сварку по слою флюса, содержащего до 30 % железной окалины (например: буры 50 %, каустической соды 20 %, железной окалины 30 %).

Углерод, попадающий в сварочную ванну, в высокотемпературной ее части активно окисляется и выводится из нее в виде окиси углерода, не растворимой в металле. В результате концентрация углерода к моменту затвердевания сварочной ванны снижается. Твердость металла шва уменьшается, деформационная способность возрастает.

Однако для более полного эффекта выжигания углерода необходимо применять режимы сварки, характеризующиеся относительно большой погонной энергией, что, однако, отрицательно сказывается на околошовной зоне: в ней образуются значительные по размерам участки отбеливания и закалки, приводящие к образованию трещин. При сварке чугуна с достаточно высоким содержанием элементов-графитизаторов при небольшой толщине стенки свариваемых деталей можно получить положительные результаты частичной релаксацией сварочных напряжений, что снижает вероятность образования трещин в зоне термического влияния.
Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железоникелевые электроды. Существует несколько типов медно-железных электродов:

1. Медный стержень с оплеткой из жести толщиной 0,25 ... 0,3 мм, которую в виде ленты шириной 5 ... 7 мм навивают на стержень по винтовой линии. На электрод наносят ионизирующее толстое покрытие. Либо электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной проволоки, представляющий собой сердечник стальной проволоки, плотно за прессованный в медную трубку, изготовляют на станках для производства порошковой проволоки.
   Может быть также и другой вариант: медный стержень со стальной оболочкой. Во всех разновидностях содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10 ... 15 %, так как в противном случае в шве образуются (в большом количестве) очень твердые включения железа с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва.
2. Пучок электродов, состоящий из одного или двух медных стержней и стального электрода с защитным покрытием любой марки. Пучок связывают в четырех-пяти местах медной проволокой и на конце, вставляемом в электрододержатель, прихватывают для надежного контакта между всеми стержнями.
3. Наиболее совершенные из числа медно-железных электродов - электроды марки ОЗЧ-1, представляющие собой медный стержень диаметром 4 ... 5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из сухой смеси покрытия УОНИ-13 (50 %) и железного порошка (50 %), замешенных на жидком стекле.

Медно-железный сплав в шве получается также при сварке медными электродами по слою специального флюса, который состоит из прокаленной буры (50 %), каустической соды (20 %), железной окалины (15 %) и железного порошка (15 %). Флюс насыпают слоем толщиной около 10 мм, расплавляют дугой; далее по мере перемешивания дуга горит между медным электродом и расплавленным флюсом.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспечивающих стабильное горение дуги, короткими участками вразброс, с перерывами для охлаждения свариваемых деталей.

Более удачным оказался другой путь. В металл шва вводят сильный карбидообразователь - ванадий. В этом случае в основном образуются карбиды данного элемента, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных нетвердых включений. Металлическая основа при этом оказывается обезуглероженной и достаточно пластичной. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из низкоуглеродистой проволоки марок Св-08 или Св-08А и покрытием следующего состава: мрамор 12 %, плавиковый шпат 16 %, феррованадий 66 %, ферросилиций 4 %, поташ 2 %, жидкое стекло 30 % массы сухой смеси.

Металл, наплавленный этими электродами, имеет следующий состав: до 0,15 % С; до 0,6 % Si; 0,5 % Мn; 8,5 ... 0,5 % V; серы и фосфора до 0,04 % каждого. Этими электродами сначала облицовывают кромки на малых токах. Сварку выполняют параллельными валиками с перекрытием каждого предыдущего на половину его ширины. После 2-го слоя силу тока увеличивают на 15 ... 20 %; окончательно разделку заполняют электродами УОНИ-13/45.

Область применения таких электродов - сварка поврежденных деталей и заварка дефектов в отливках из серого и высокопрочного чугуна. В случае необходимости можно также сваривать соединения серого и высокопрочного чугуна со сталью. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность. К способам, обеспечивающим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали, можно также отнести механизированную сварку короткими участками электродной проволокой марок Св-08ГС или Св-08Г2С диаметром 0,8 ..-. 1 мм в углекислом газе. Сила сварочного тока составляет 50 ... 75 А, напряжение дуги 18 ... 21 В, скорость сварки 10 ... 12 м/ч.