Сварка, резка и пайка металлов

Сварка чугуна

Сварка чугуна является трудной задачей. Трудности его сварки объясняются следующими причинами. По химическому составу чугун сильно засорён различными примесями. Большая часть углерода в сером чугуне находится в структурно свободном состоянии в виде пластинчатых включений графита.

Серый чугун, наиболее применяемый в машиностроении, представляет собой не сплошной металл, а пористую металлическую губку, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом — графитом. Такая структура крайне неблагоприятна для сварки; она не встречается ни в одном другом металле. Чугун весьма хрупок. Его относительное удлинение при разрыве практически равно нулю. Он разбивается на куски ударом. Поэтому чугун, больше чем какой-либо другой металл, склонен к образованию трещин при сварке, и борьбе с трещинами приходится уделять особое внимание при сварке чугуна.

Весьма часто в процессе сварки происходит отбеливание чугуна, что придаёт ему высокую твёрдость и хрупкость в зоне сварки и делает его совершенно непригодным для механической обработки после сварки. К этому следует добавить, что чугуны неоднородны по составу и структуре, и может оказаться, что процесс сварки, давший хорошие результаты на одной детали, следующий раз даст результаты отрицательные на такой же детали вследствие значительного отличия свойств чугуна. Поэтому при ответственных работах по сварке чугуна рекомендуется производить химический анализ и металлографическое исследование металла. Встречаются сорта чугуна, практически совершенно не поддающиеся сварке, например, не поддаётся сварке так называемый горелый серый чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и т. п. Вследствие пористости чугуна в подобных случаях окисление проникает во всю толщину металла, обволакивая металлические зёрна плёнкой окислов и делая металл рыхлым и механически непрочным. При расплавлении такой чугун даёт больше шлака, чем металла и не позволяет получить доброкачественное сварное соединение.

Трудность сварки чугуна вызвала появление многочисленных способов сварки чугуна и их разновидностей, но ни один из способов не является вполне удовлетворительным для всех случаев, встречающихся на практике. Рассмотрим в первую очередь дуговую электросварку чугуна, как наиболее дешёвый и сравнительно хорошо изученный способ.

Горячая дуговая сварка чугуна

Дуговой сваркой чугуна много занимался ещё Славянов, изобретатель способа дуговой электросварки, в конце прошлого столетия. Он применял способ так называемой горячой сварки чугуна, остающийся наиболее совершенным способом до настоящего времени. При этом способе сварочная ванна жидкого металла имеет большой объём — до нескольких сотен кубических сантиметров, поэтому сварка возможна только в нижнем положении, и место сварки должно быть предварительно

заформовано для устранения утечки жидкого металла и возможности получения необходимого усиления места сварки и припуска на последующую механическую обработку. Место сварки предварительно разделывается для возможности доступа дуги и проплавления металла по всей толщине сечения.

По окончании разделки, которая производится обычно посредством вырубки металла пневматическим зубилом или вручную, место сварки заформовы-вается , т. е. ограждается снизу и с боков графитными или угольными пластинами. Пластины, в свою очередь, снаружи заформовываются кварцевым песком, смоченным жидким стеклом, для уплотнения места сварки и устранения возможности утечки жидкого металла. Заформовка удерживается металлической формой из тонкого листового железа, в котором пробиваются отверстия для облегчения сушки заформовки и удаления газов при сварке. Пример заформовки изделия под сварку показан на фиг. 189.

Заформовка позволяет также производить приливку небольших частей, утерянных до сборки. По окончании формовки и её просушки производится подогрев детали.

При регулярном производстве горячей сварки чугуна более или менее однотипных деталей, например при исправлении брака чугунного литья, пользуются различными нагревательными печами. Особенно удобны печи с газовым отоплением и со съёмными боковыми стенками и сводом, позволяющими выполнить сварку детали прямо в печи и производить медленное охлаждение изделия, по окончании сварки, вместе с печью.

Для отдельных эпизодических работ по горячей сварке крупных чугунных изделий, например цилиндров паровых машин, двигателей и т. п., прибегают к нагреву деталей во временных горнах, выкладываемых по размерам и форме изделия. Временный горн складывается насухо из кирпича на открытом воздухе или под вытяжным зонтом. Если горн находится в помещении, то для него часто устраивается в полу яма, выложенная кирпичом. Изделие укладывается в горн и засыпается древесным углём, В нижней части кладки горна вынимаются отдельные кирпичи и создаются продухи, через которые поджигается древесный уголь и в дальнейшем поступает воздух для горения угля, происходящего при естественной тяге. Нагрев на древесном угле, сгорающем при естественной тяге, обеспечивает медленное и равномерное повышение температуры всего изделия без перегрева отдельных частей и опасности оплавления острых кромок, тонких рёбер и т. п ,

Для уменьшения повреждения нагревом обработанных поверхностей, резьбы и т. д. их обмазывают перед нагревом раствором огнеупорной глины и т. п. Нагрев ведётся до температуры красного каления 600—700°, тогда расчищают места сварки, выдувают из них золу и другие загрязнения и приступают к выполнению процесса сварки. Сварка ведётся чугунными электродами длиной 700— 900 мм, диаметром от 8 до 20 мм. Чугунные стержни отливаются из чугуна с повышенным содержанием кремния (3,5—4%).

Сила тока берётся от 400 до 1200 а в зависимости от толщины металла размеров изделия и диаметра электродного стержня. При отсутствии достаточно мощного источника сварочного тока применяют параллельное соединение нескольких сварочных агрегатов или трансформаторов. Сварка ведётся таким образом, чтобы вся поверхность места сварки находилась одновременно в жидком состоянии. Для этого стараются вести процесс по возможности без перерыва (фиг. 190).

Если поверхность сварки слишком велика и её не удаётся удерживать одновременно в расплавленном состоянии при имеющейся силе тока, то при заформовке объём наплавки делят на несколько частей угольными или графитными перегородками. При заварке одной части удаляют соответствующую перегородку и заваривают следующий участок и т. д. Уголь или графит применяется для заформовки при сварке чугуна вследствие неплавкости этого материала, а также и потому, что пластина, соприкасаясь с жидкое ванной, науглероживает металл.

При сварке чугуна происходит потеря углерода, и введение в ванну дополнительного его количества всегда желательно. Наплавка металла в заформовку ведётся до тех пор, пока поверхность наплавленного металла не будет выше поверхности основного металла на припуск, необходимый для последующей механической обработки. В процессе сварки, по мере разогрева ванны, в неё забрасывают кусочки чугуна и ферросилиция.

По окончании заполнения ванны прекращают наплавку, закрывают продухи в кладке горна для прекращения тяги воздуха, добавляют в горн древесного угля, засыпают место сварки золой и сухим песком и закрывают листами асбеста для медленного охлаждения, которое продолжается от 3 до 40 час. в зависимости or размеров и веса заваренного изделия. По охлаждении разбирают горн, очищают изделие от золы и направляют на механическую обработку мест сварки, если таковая требуется. Благодаря надлежащему составу чугунных электродов, добавлению в ванну ферросилиция и замедленному охлаждению изделия получают наплавленный металл высокого качества, имеющий структуру серого чугуна, хорошо поддающийся механической обработке.

Несмотря на высокое качество наплавленного металла, полное устранение внутренних напряжений, отсутствие образования трещин, горячая сварка чугуна в настоящее время применяется довольно редко. Процесс трудоёмок, обходится дорого, длительный нагрев повреждает изделие, ухудшая состояние механически обработанных поверхностей и нередко вызывая так называемый рост чугуна, связанный с увеличением размеров изделия, вследствие структурных изменений в металле при продолжительном нагреве.