1. Общие сведения о чугунах

Чугун - широко применяемый конструкционный материал, отличающийся хорошими литейными свойствами и малым коэффициентом линейного расширения, высокой износостойкостью и обрабатываемостью.

Чугун -многокомпонентный железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% С, кремний и некоторое количество марганца, серы, фосфора. В специальные чугуны вводят легирующие добавки: никель, хром, молибден, ванадий и др.

В соответствии с диаграммой состояния железо-углерод чугуны могут быть доэвтектическими, эвтектическими и заэвтектическими (определяется величиной углеродного эквивалента С_э=С_об+0,35Si). Доэвтектический чугун затвердевает с первоначальным выделением из расплава структурно свободного аустенита. Заэвтектические чугуны (свыше 4,33% С) затвердевает с выделением первичного графита или цементита. Характер затвердевания чугуна определяется его составов и скоростью охлаждения. Ускоренное охлаждение обычно способствует выделению карбидов, а замедленное охлаждение образованию графита. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белые, серые; высокопрочные и ковкие чугуны.

Белые чугуны, имеют светло-серый или почти белый в изломе цвет. Это обусловлено тем, что углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа-цементита (Fe₃C). Последний образует эвтектику ледебурит, представляющую собой смесь цементита и перлита или цементита и аустенита. Цементит хрупок и имеет высокою твердость (НВ800), вследствие чего белые чугуны также отличаются высокой твердостью и хрупкостью, не поддаются мехобработке. Эти чугуны в основном используются для получения ковкого чугуна.

Серне чугуны в изломе имеют серебристый цвет вследствие наличия в них пластинчатых включений графита. Практически в чугунах основное количество углерода присутствует в свободном состоянии в виде графита, и лишь 0,6-0,8% находится в связанном состоянии в ви­де вторичных, карбидов в перлите.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна - процесс графитизации. От него зависит количество, форма и распределение графита в структуре, а также вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П+Ц), перлитной (П) , перлитно-ферритной (П+Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной це­ментит – структурно свободный. Графитизации способствуют следующие элементы - С, Si, Al, Ni и др. Задерживают процесс графитизации (отбеливающее действие) - сера, ванадий, хром, олово и марганец.

Графит - наиболее мягкая и вместе с тем наиболее хрупкая составляющая чугуна. Он пронизывает металлическую основу чугуна и нарушает его сплошность, действуя как внутренний надрез. Вместе с тем графит сообщает чугуну малую чувствительность к внешнему надрезу, придавая тем самим сплаву высокую сопротивляемость знакопеременным нагрузкам. Эти свойства чугуна (серого), а также высокие литейные свойства, хорошая обрабатываемость его обычным режущим инструментом и износостойкость определяют в первую очередь широкое применение сплава как важного конструкционного материала. Охлаждение уже затвердевшего чугуна сопровождается сравнительно небольшими структурными изменениями. В серых и белых чугунах избыточный углерод, выделяющийся из аустенита с понижением температуры наслаивается на включения графита или цементита. При дальнейшем снижении начинается эвтектоидное превращение.

Высокопрочные чугуны получают при отливке по специальной технологии с применением особых добавок (магния, редкоземельных элементов и др.). Благодаря этому выделяющийся графит приобретает шаровидную форму и включения его равномерно распределяются в металлической матрице. Шаровидная форма графита придает такому чугуну высокие механические свойства. Структура матрицы чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной, перлитной, аустенитной или мартенситной.

Ковкие чугуны нашли применение в различных отраслях промышленности и особенно в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Графит этих чугунов имеет форму крупных хлопьев или розеток равномерно распределенных в металлической матрице чугуна. Такая форма графита получается в результате специальной термообработки, обеспечивающей хорошие свойства чугуна. Для ковких чугунов характерно более низкое содержание углерода по сравнению с серыми и высокопрочными.

Специальные чугуны

Аустенитно-никелевне чугуны находят применение в химической промышленности, красильных, пищевых, нефтяных и др. подобных производствах для изготовления насосов, реакторов, котлов, частей трубо­проводов. Эти чугуны обладают высокой жаростойкостью и жаропроч­ностью. В состав этих чугунов может входить 9-22% Ni, до 9% Cu, 1,5-4,0% Cr.

Высоколегированные хромистые чугуны применяют в основном для особо износостойких цилиндровых втулок, а также деталей, подверженных интенсивному абразивному износу. Они обладают высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Содержат до 10% хрома, до 3% меди, до 3% молибдена.

Маркировка чугуна

Серые чугуны маркируются буквами CЧ и цифрами, первые 2 цифры -предел прочности при растяжении, две другие - предел прочности при изгибе (кг/мм²). Пример: СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ38-60.

Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами, первая ив которых характеризует временное сопротивление чугуна при растя­жении (кгс/мм²), вторая - относительное удлинение (%). Пример: ВЧ60-2, ВЧ40-10.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и цифрами, обозначающими временное сопротивление при растяжении ( кгс/мм²), вторая относи­тельное удлинение (%), Пример: КЧ38-8, КЧ35-10.

2.Свариваемость чугуна

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна применяется очень широ­ко для исправления брака чугунного литья, ремонта чугунных изделий, а также при изготовлении сварно-литых конструкций.

Основные причины, обуславливающие плохую свариваемость чугуна:

1).Высокие скорости охлаждения металла шва и ОШЗ, соответству­ющие термическому циклу сварки приводят к отбеливанию чугуна - образованию твердого и хрупкого цементита в котором под действием остаточных напряжений за счет неравномерного нагрева, а также за счет разной плотности отбеленных участков (7,4-7,7 г/см³) и участков с серым чугуном (плотность 6,9-7,3 г/см³) могут возникнуть трещины. Следует отметить, что трещины в сварном соединении могут возникнуть от литейной усадки металла шва. Они могут возникнуть не только в шве и ОШЗ, но и в других участках детали, в которых вследствие дополнительной деформации, вызываемой сваркой или локальным предварительным подогревом, возникают напряжения, превышающие предел прочности чугуна. Трещины, образующиеся при сварке чугуна, можно отнести к холодным трещинам, так как верхняя граница температурного интервала появления трещин не превышает 250-400°С. Трещи­ны при сварке чугуна образуются, в отличии от холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, не при постоянной температуре, а чаще всего в процессе охлаждения, когда внутренние напряжения вследствие усадки шва непрерывно возрастают. Напряжения не могут релаксироваться ввиду ничтожной пластичности серого чугуна, а металлографический анализ показывает, что для образования трещин наличие закалочных структур (цементита, мартенсита) в околошовной зоне не обя­зательна. В то же время возникновение трещин значительно облегчается, если в околошовной зоне имеется мартенсит, который увеличивает напряжения второго рода.

2).Большая склонность к образованию пор за счет сильного газооб­разования в сварочной ванне.

3).Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплав­ленного металла от вытекания и формирование шва.

4).Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле свароч­ной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких темпера­турах, почти не поддаются сварке. Причиной служит охрупчивание чугу­на за счет высокотемпературного окисления углерода и кремния. Его показывают иногда горелым. Также плохо свариваются чугуны, работа­ющие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. В та­ких случаях поверхность чугуна как бы пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие по­явлению сплошной пористости в сварном шве.

Особенности структуры ЗТВ чугуна

Шов в случае сварки присадочным (электродным) материалом имеющим состав чугуна, после затвердевания в зависимости от скорости охлаждения имеет структуру белого или серого чугуна с различным ко­личеством структурно-свободного углерода.

Участок неполного расплавления (Т>1150°С) состоит из участков жидкой и твердой фаз. Твердая фаза представляет собой аустенит с предельным содержанием углерода (до 2,14%). После быстрого охлаждения жидкая фаза образует белый чугун, в аустенитных участках возмож­но образование мартенсита.

Участок, нагревающийся от 800 до 1150°, может характеризоваться в зависимости от состава чугуна и скорости охлаждения аустенитом + цементитом либо аустенитом + графитом. При быстром охлаждении ме­таллическая основа приобретает структуру закалки.

Участок (750-800°C) - неполной перекристаллизации - при быстром охлаждении приобретает структуру закалки.

Участок (500-738°С) в условиях сварочного нагрева не претерпевает заметных структурных превращений.

В случае сварки без подогрева практически при любом составе чугуна в шве и участке ЗТВ, нагре­вающегося до Т = 800°С и выше будет иметь место отбелившие.

При сварке с подогревом до 300-400°С в зависимости от количества графитизаторов в шве и участке, нагревающимся до 800°С может быть получен либо белый либо серий чугун.

При высоком подогреве (600-650°С) скорость охлаждения столь мала, что происходит распад аустенита с образованием ферритной или перлитно-ферритной металлической основы.

Таким образом, наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и ЗТВ и закалки - высокий предварительный или сопутствующий подогрев чугуна до температуры 600-650°С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна. Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также ликвидации трещин и пористости за счет увеличения времени существования жидкой ванны и лучшей дегазации ее за счет уменьшения термических напряжений.

Сварку с подогревом до Т=300-400°С называют полугорячей, а без предварительного подогрева - холодной сваркой чугуна.

При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют ме­таллургические и технологические средства воздействия на металл с целью повышения качества сварных соединений, а именно:

а) легирование наплавленного металла элементами - графитизаторами, с целью получения при данной скорости охлаждения структуру серого чугуна;

б) легирование наплавленного металла такими элементами, которые позволяют получить в шве перлитно-ферритную структуру, характер­ную для низкоуглеродистой стали путем связывания избыточного углеро­да в карбиды, более прочные, чем цементит и равномерно распределенные в металле;

в) введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода (выжигание его и получение в металле шва низкоуглеродистой стали);

г) применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно- никелевых, медно-железных, железо-никелевых, обладавших высокой пластичностью и температурой плавления, близкой к температуре плав­ления чугуна.

2.3. Горячая сварка чугуна

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости), однако это трудоемкий процесс. Он включает в себя:

а) подготовку изделия год сварку;

б) предварительный подогрев деталей;

в) сварку;

г) последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта и включает в себя: очистку от загрязнения, разделку, подформовку места сварки для предупреждения вытекания чугуна из места заварки, либо для придания месту заварки необходимой формы. Формовку производят либо с помощью графитовых пластинок, либо с помощью формовочной смеси. После формовки необходима просушка (при Т до 120°С) затем предварительный подогрев под сварку со скоростью 120-150°С в час, в печах, горнах и др. Замедленное охлаждение после сварки достигается укрытием сварных изделий теплоизолирующим материалом (асбест, песок, шлак) или при охлаждении вместе с печами.

Для сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б.

Состав чугунных стержней:

Марка	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Примечания
А	3,0-3,5	3,0-3,4	0,5-0,8	0,2-0,4	до0,08	до0,05	до0,3	для горячей сварки
Б	3,0-3,5	3,5-4,0	0,5-0,8	0,3-0,5	до0,08	до0,05	до0,3	для горячей и полугорячей сварки

В состав покрытия, наносимого на литые прутки диаметром 5-20мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. В качестве последних использует графит, карборунд, ферросилиций, силикокальций и др. Горячую сварку чугуна выполняют на больших токах J_св=(60÷100d_э) без перерывов до конца заварки. Электродержатель должен иметь за­щитный кожух.

Можно производить сварку угольным электродом. Сварка на постоянном токе прямой полярности. В качестве присадочного материала исполь­зуют чугунные прутки марок А и В.

В последнее время стали широко применять сварку порошковой про­волокой ППЧ-3. В состав порошковой проволоки входит шихта, дающая при расплавлении чугуна.

Состав порошковой проволоки ПШЧ-3:

Материал	C	Si	Al	Ti
Порошковая проволока	4,5-5	3,3-4	0,1-0,3	0,1-0,3
Наплавленный металл	3,0-3,8	3,0-3,8	до 0,1	до 0,1

2.4.Холодная и полугорячая сварка чугуна

2.4.1. Получение в шве серого чугуна

Сварку можно производить следующими материалами:

а) сварка электродами с чугунным стержнем;

б) сварка электродами со стальным стержнем;

в) сварка порошковой проволокой ППЧ-1 и ППЧ-2.

При сварке электродами с чугунными стержнями необходимо для предупреждения отбеливания необходимо вводить в наплавленный металл большое количество графитизаторов и легировать элементами, способствующими сфероидизации графита (магнием). Пример таких электродов - электроды марки ЭМ4, стержень которого чугун с повышенным содержа­нием С (до 5,2%) и кремния. Покрытие двухслойное: первый слой - ле­гирующий, второй обеспечивает газовую и шлаковую защиту. При сварке этими электродами деталей, толщиной 12 мм без предварительного по­догрева удается получить швы без отбеливания и закалки. При сварке массивных деталей требуется предварительный подогрев до 400°С.

Для улучшения обрабатываемости и повышения пластичности металла шва используют электроды из никелевых чугунов, например нирезиста, или никросилаля.

Чугун	C	Ni	Si	Cu	Mn
Нирезист	2,0	29	1,3	7,6	0,4
Никосилаль	2,0-2,3	19-22	5,2-6,4	-	0,5

Основные недостатки - дороговизна и склонность к образованию горячих трещин.

Сварка электродами со стальным (С-08, Св-08А по ГОСТ 2246-70), а в покрытие вводятся достаточное количество графитизаторов (электроды марки ЭМ4С). Сварка толщин до 10 мм - холодная, большие толщины - полугорячая.

Для сварки небольших толщин можно использовать прово­локу ППЧ-1, для полу горячей ППЧ-2.

Состав металла, получаемого при сварке порошковыми проволоками

Материал	C	Si	Mn	Ti	Al	Примечания
ППЧ-1	4,5-5,5	3,5-4,2	0,5-0,9	0,3-0,5	0,5-0,8	Холодная сварка
ППЧ-2	3,5-4,5	3,0-3,8	0,5-0,9	0,2-0,5	0,3-0,6	Полугорячая сварка

2.4.2.Получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали (холодная сварка).

При сварке чугуна электродами, предназначенными для сварки сталей, металл шва сильно науглероживается и при сварке без предварительного подогрева приобретает структуру закалки и большую вероятность обра­зования трещин. При многослойной сварке только середина шва будет более или менее пластичной. Поэтому сварку чугуна электродами, предназначенными для сварки сталей производят как декоративную заварку дефектов, при условии отсутствия требований по прочности, пластичности, плотности. С целью уменьшения доли участия основного металла в шве, а также размеров ЗТВ в том числе и участков отбеливания и закалки применяют электроды небольших диаметров (3 мм для первых слоев и 4 мм для последующих). Сварку производят короткими участками (облицовку кромок) вразброс с перерывами для охлаждения шва и ОШЗ до Т =50-60°С. На 1-й слой наносят 2-й поперечными валиками. Для уменьшения напряжений используют проковку средних слоев.

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами наиболее слабое место сварного соединения - околошовная зона границы сплавления - хрупкая. Происходит отслаивание.

Для увеличения прочности сварного соединения, когда к нему не предъявляется других требований, применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения - ли­нию сплавления.

Шпильки ввертывают в тело свариваемой детали. Размеры шпилек зависят от толщины свариваемых деталей. Практикой установлены сле­дующие рекомендации: диаметр шпилек 0,3- 0,4 толщины деталей, но не более 12 мм; глубина ввертывания шпилек 1,5 их диаметра, но не более половины толщины свариваемых деталей; высота выступающей час­ти 0,7-1,2 диаметра шпилек. Шпильки располагаются в шахматном порядке на скошенных кромках деталей и в один ряд на поверхности де­тали с каждой стороны стыка. Расстояние между шпильками должно быть равно 4-6 диаметрам шпилек.

Порядок сварки: сперва обваривают каждую шпильку и облицовывают поверхность кромок электродами d_э= 3 мм на малых токах. Затем на облицованные кромки и шпильки наплавляют валики и заполняют раз­делку, как в предыдущем случае.

Для снижения содержания углерода в слое предложено выполнять сварку по слою флюса, содержащего до 30% железной окалины (флюс Na₂B₄O₇ 50% + каустическая сода 20%, железная окалина 30%). За счет окалины углерод частично выгорает.

Для связывания углерода иногда применяют сильные карбидообразующие элементы, в основном ванадий, карбиды ванадия имеет небольшие размеры, нерастворимы в железе и равномерно распределяются в металле шва. Примером могут служить электроды марки ЦЧ- 4 со стержнем из низкоуглеродистой проволоки марок Св-08 или Св-08А с покрытием следующего состава: мрамор 12%, плавиковый шлак 18%, феррованадий 66%, ферросилиций 4%, поташ - 2%, жидкое стекло 30% от сухой массы. Также можно применять электроды типа СЧС-ТЗ, содержащие в покрытии титан но они получили меньшее распространение.

В наплавленном металле содержится около 10% ванадия. Этими электродами сперва облицовывают кромки на малых токах 20 d_э. Затем для второго слоя увеличивает ток 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 чугунов, а также чугуна со сталью. Сварные соединения имеют удовлетворительную обрабатываемость плотность и достаточно высокую прочность.

К способам, обеспечивающим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали можно отнести также и механизированную сварку короткими участками электродной проволокой марок СвО8ГС, СвО8Г2С диаметром 0,8-1 мм в углекислом газе.

2.4.3.Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в металле шва цветных и специальных сплавов.

Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающее получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля. Медь и ни­кель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве уменьшает растворимость углерода в железе и способствует графитизации. Поэтому попадая в зону неполного расплавления, прилегающему к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, пластич­ность металла шва способствует частичной релаксации сварочных на­пряжений и поэтому снижается вероятность образования трещин в ЗТВ. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железо-никелевые электроды.

Электрода на основе никеля

Такие электроды широко распространены и не имеют (в некоторых случаях) равноценного заменителя. Никель неограниченно растворим в железе, а никелевый аустенит может содержать много углерода без образования карбидов и имеет высокую пластичность и низкую твердость. Эти особенности никелевого аустенита обуславливают хорошую обрабатываемость сварных соединений чугуна и высокую стойкость швов против образования трещин. Наименьшую склонность к образованию трещин имеет металл наплавлен­ный электродами из железоникелевого сплава, что объясняется его сравнительно низким пределом прочности по сравнению с прочностью, чугуна. Все же для полного устранения трещин рекомендуется предварительный подогрев свариваемых изделий до температуры 150-300°С. Основной недостаток таких электродов - их высокая стоимость. Электроды на железно-никелевой основе марка 03ЖH-1 дают проч­ность наплавленного металла 42-50 кгс/мм². Отбел чугуна в ОШЗ практически отсутствует. Сварка на постоянном токе обратной поляр­ности.

На практике применяются следующие составы сварочных проволок на никелевой основе для полуавтоматической и автоматической сварки чугуна.

Химический состав проволок на основе никеля

Марка	Химический состав по массе, %
	Ni	Mn	Al	Ti	Si	Cu		Fe
ПАНЧ-11	основа	5-6	–	–	–	2,3-3	0,38-0,41	<2
НМцАТК	основа	1-1,5	1,1-1,8	2,5-3,5	0,1-0,2	–	–	–
НМцАТ	основа	2,5-3,3	1,1-1,6	0,5-0,8	–	–	–	–

После сварки без термообработки сварное соединение обладает низкими пластическими свойствами, обусловленные наличием в зоне сплавления и ЗТВ хрупких структурных составляющих.

Сварные соединения склонны к образованию горячих трещин. Их предупреждение обеспечивается предварительным подогревом не ниже 160°С.

Сварные соединения, выполненные проволокой ПАНЧ-11 склонны к образованию пор.

Для получения более качественного сварного соединения рекомендуется высокотемпературный отжиг(850-1000°С).

Электроды на основе меди

Бывают электроды медно-стальные и медно-никелевые.

Сварка электродами на медно-стальной основе рекомендуется для исправления сквозных дефектов в чугунных деталях и отливках в виде трещин, отверстий, несплошностей, разбитых частей. Существует большое количество медно-стальных электродов.

Медь практически не растворима в железе. Поэтому при сварки чугуна медными электродами шов получается неоднородным. В медной основе расположены включения высокоуглеродистой железной фазы, часто имеющей мартенситную структуру. Кроме того, по границе сплав­ления создается зона повышенной твердости вследствие образования ледебурита. Поэтому обрабатываемость сварных соединений затруднена. К числу других недостатков следует отнести повышенную склонность к образованию пор.

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 15%, замешанного на жидком стекле.

Электроды АН4-1, стержень которых состоит из аустенитной стали марки Св-04Х18H9 и медной оболочки. На электрод наносится покрытие фтористо-кальциевого типа. Швы, полученные этими электродами, обла­дают лучшей обрабатываемостью.

Получение железно-медной композиции можно также осуществить следующими путями:

1.Пучок электродов, состоящий из одного или двух медных стержней и стального электрода с защитным покрытием любой марки.

2.Медный стержень с оплеткой из жести, на который наносится покрытие.

3.Сварка медными электродами по слою специального флюса, состо­ящего из Na₂B₄O₇ (50%), каустическая сода (20%), железная окалина(15%) и железного порошка (15%).

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей, а также применять проковку наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений и предупрежде­ния образования трещин в ОШЗ.

Медно-никелевые электроды в производстве применяет главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, так как медь и никель не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размерах практически отсутствует, так как медь и никель - элементы графитизаторы, проникая в этот участок, оказывают положительное действие: в то же время никель и железо обладают неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению. Для изготовления электродов используют медно-никелевые сплавы: монель-металл (65-75% Ni, 27-30% Cu, 2-3% Fe и 1,2-1,8% Mn) например НМЖМц 28-2,5-1,5, константан, содержащий 60% никеля и 40% меди (МНМц 40-1,5), нихром (Х20Н80).

Недостатки этих сплавов - высокая стоимость и дефицитность, большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин, часто имеющих вид сплошной сетки, что существенно снижает прочность сварных соединений. В связи с этим данные сплавы не рекомендуется применять для заварки трещин в изделиях, которые несут силовую нагрузку.

Марки электродов МНЧ-1, МНЧ-2 (первый - стержень из монель-металла, второй - из константана). Сварку ведут ниточными швами, короткими участками, при возвратно-поступательном движении электрода, не допуская перегрева детали с проковкой в горячем состоянии. Твердость наплавленного металла 140-160 НB.

СВАРКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Производство цветных металлов, и в особенности алюминия, неуклонно возрастает, опережая рост выпуска стали. С каждым годом увеличивается число металлов и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов для производства сварных изделий. Наряду с конструкциями из алюминия, меди, никеля, титана в сварном исполнении в настоящее время изготавливают изделия из циркония, серебра, платины, бериллия и других металлов.

По своим физико-химическим свойствам многие цветные металлы рез­ко отличаются от стали, что необходимо учитывать при выборе способа и технологии сварки:

1. Цветные металлы, как правило, имеют большое сродство к кислороду, а также хорошо растворяют другие газы при нагреве, что предъяв­ляет более жесткие требования по защите расплавленного металла в процессе сварки.

2. Цветные металлы образуют систему окислов, более тугоплавких чем сам металл, что приводит к засорению металла шва этими окислами. Или окислов, имеющих более низкую температуру плавления, чем металл, что приводит к образованию горячих трещин.

3. Большая теплопроводность некоторых цветных металлов и их удельная теплоемкость, способствующие быстрому охлаждению места сварки, требует более мощных источников нагрева.

4. Дня некоторых сплавов цветных металлов большая разница между температурами плавления и кипения отдельных компонентов способствует испарению легкоплавких компонентов.

5. Резкое снижение механических свойств металла при сварочном нагреве, вызывающее разрушение металла от незначительных нагрузок.

Технология сварки алюминия и его сплавов

1. Свариваемость алюминия и его сплавов

Алюминий характеризуется малой плотностью (2,7 г/см³), повышенной хладостойкостью, коррозионной стойкостью в окислительных средах и на воздухе. Чистый алюминий обладает малой прочностью (σ_вр≤ кгс/мм²) поэтому из него изготавливают изделия, для которых требуется только высокая коррозионная стойкость.

Алюминий и его сплавы обладают низкой температурой плавления (660°С), высокой тепло и электропроводностью, повышенным в сравнении со сталью коэффициентом линейного расширения и более низким значением модуля упругости.

Алюминий и его сплавы делят на две основные группы: деформируемые, применяемые в прессованном, катанном и кованом состояниях, и литейные (недеформируемые), используемые в виде литья.

Деформируемые сплавы, в свою очередь делят на термически не упрочняемые, к которая относятся технический алюминий и его сплавы с марганцем и магнием (сплавы АМц и АМг) и термически упрочняемые к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием и другими элементами (Al-Mg-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg).

К литейным (марки АЛ) относятся сплавы со значительным содержанием кремния или меди.

Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожженном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в ЗТВ.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в ЗТВ разупрочняется (на 30-40%). Поэтому для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле ЗТВ требуется двойная термообработка - закалка и искусственное старение.

Трудности сварки алюминия и его сплавов

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла Al₂O₃ (Т_пл=2050°С) с плотностью большей, чем у алюминия затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может при­вести к разрушению (проваливанию) твердого металла не расплавившейся части кромок под действием веса расплавленного металла.

3. Высокая жидкотекучесть алюминия требует особой тщательности подготовки кромок, либо применения подформовывающих устройств для предотвращения вытекания через корень шва металла.

4. Из-за большой величины коэффициента линейного расширения и низкого модуля упругости алюминиевые сплавы имеют повышенную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пневматических и гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов.

5. Большая склонность к порообразованию за счет водорода. Выделе­нию водорода препятствует в процессе кристаллизации окисная пленка, покрывающая сварочную ванну, а также низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии.

Поры образуются преимущественно внутри металла шва, а также у линии сплавления. Наибольшей склонностью ж порообразованию имеют сплавы АМг.

Для предупреждения пор при сварке толстого металла применяют предварительный и сопутствующий подогрев.

6. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты, а также предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150°С.

7. Металл шва склонен к образованию трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия. Легкоплавкая эвтек­тика на основе кремния (Т_пл=577°С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5%); при содержании кремния свыше 4-5% образующаяся эвтектика "залечивает" трещины. При обычном содержании кремния (до 0,5%) для предупреждения трещин в металле шва вводят железо для связывания кремния в тугоплавкое тройное соеди­нение.

8. При сварке сплавов типа Al-Zn-Mg возможно образование холодных трещин за счет сварочных напряжений и выпадением интерметаллидов.

Для предотвращения вредного влияния окисной пленки Al₂O₃ на свариваемость алюминиевых сплавов, ее необходимо удалять. Удаляют ее с помощью флюсов, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Остатки флюса для предупреждения коррозионного разрушения металла необходимо удалять. Большое распространение получил способ удаления окисной пленки путем катодного распыления при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом.

2. Способы сварки алюминия и его сплавов

а) Сварка ручная угольными или графитовыми электродами.

б) Сварка ручная покрытыми электродами.

в) Автоматическая сварка по флюсу.

г) Электрошлаковая сварка.

д) Сварка в инертных газах.

е) Плазменно-дуговая сварка.

ж) Электронно-лучевая сварка.

Наибольшее применение имеет сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом. Рассмотрим каждый способ в от­дельности. Сварка ручная угольными или графитовыми электродами сохра­нилась только для неответственных конструкций. Сварку производят постоянным током обратной полярности. Удаление окисной пленки дости­гается применением флюса типа АФ-4А (50% KCl, 14% LiCl, 8% NaF, 28% NaCl). Сварку металла толщиной до 2 мм ведут без присадочной проволоки и без разделки кромок. Стыковые соединения металла толщиной более 2 мм сваривают с обязательным зазором величиной 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок.

Недостатки сварки угольным и графитовым электродом: тяжелые условия труда сварщика, вследствие мощного изучения ярко горящей дуги, близко расположенной к рабочему, значительная деформация изделия и др.

Сварка ручная покрытыми электродами

РДС покрытыми электродами применяется для сварки изделий из технически чистого алюминия, алюминиево-марганцевого сплава и алюминиево-магниевого сплава. Сварка металла толщиной до 10 мм обычно без подогрева, более 10мм с предварительным подогревом. Температуру подогрева выбирают в зависимости от толщины металла в интервале 100-400°С. Сварку производят постоянным током обратной полярности, без колебания юнца электрода. Электроды применяют диаметром 5-8мм. Сила тока ~60d_э. Металл толщиной до 20 мм сваривают без разделки кромок с малым зазором (0,5-1мм). Сварка обычно двусторонняя.

При сварке чистого алюминия и сплавов АМц обычно используют стержни из металла, близкого по составу основному металлу. Для сварки сплавов АМг необходимо в проволоке иметь большое содержание магния вследствие его частичного улетучивания.

Основу электродных покрытий для сварки алюминия и сплавов АМц составляют галоидные соли щелочных и щелочноземельных металлов и криолит (Na₃AlF₆). Наибольшее распространение получили два типа покрытия. Покрытие первого типа состоит из 65% флюса АФ-4А(50% KCl, 14% LiCl, 8% NaF, 28% NaCl) и 35% криолита. Bторой тип АН-А1 состоит из 50% KCl, 30% NaCl и 20% Na₃AlF₆. Покрытие замешивают на воде или растворе поваренной соли.

Электроды для сварки алюминиево-магниевых сплавов широкого распространения не получили.

Автоматическая сварка по флюсу

Сварку по флюсу алюминия и алюминиевых сплавов ведут с применением фторидно-хлоридных флюсов марок АН-А1 и АН-А4. Флюс марок АН-А1 используют для сварки технического алюминия, флюс марки АН-А4(50% KCl, 20% LiCl, 30% Na₃AlF₆) не содержащий NaCl - алюминиево-магниевых сплавов. Проволоки обычно по составу близки к основному металлу.

Сварка ведется по слою флюса (или так называемой полуоткрытой дугой). Выделяющиеся пары и газы изолируют дуговой промежуток от проникновения воздуха. Необходимость такой технологии обусловлена тем, что флюсы для сварки алюминия обладают высокой электропроводностью. В расплавленном состоянии они легко шунтируют дугу, что нарушает устойчивость горения. При тонком слое флюса это явление исключается. При сварке алюминия под флюсом путем применения очень короткой дуги или менее электропроводных шлаков не удается обеспечить высокого качества формирования и физико-химических свойств металла шва. Автоматическую сварку по флюсу применяют для толщин 10-35 мм. Сварку ведут одной или двумя проволоками, чаще сдвоенным электродом. Односторонние швы сваривают на временной стальной подкладке с целью предотвращения вытекания металла. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева.

Из-за малой жесткости проволоки и возможного отклонения конца электрода от оси шва возможен непровар корня шва. Поэтому лучше ва­рить сдвоенным электродом, увеличивающим размер сварочной ванны и как следствие - лучшая дегазация металла. Автоматы типа ТС-17MA, приспособления для сварки алюминия имеют дозаторы флюса и водоохлаждаемые мундштуки.

Примеры режимов сварки алюминия по слою флюса(сварка однопроходная, одиночным электродом)

Толщина, мм	dэ, мм	j,А/мм2	Uдуги, В	Vсв, м/час
4 8 12 16 20 25	1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-4,0	130-150 100-120 100-110 75-90 70-75 30-40	27-30 29-32 35-37 38-40 39-41 40-42	24-26 20-22 18-19 16-17 14-15 12-23

Электрошлаковая сварка

ЭШС применяется для сварки толщиной 50-250 мм. Скорость сварки независимо от толщины 6-8 м/час. Для ЭШС применяют флюсы АН-301, АН-302 и АН-304 обеспечивающие качественную сварку без тщательной подготовки кромок под сварку. Сварка переменным током с применением пластинчатых или комбинированных электродов. Пластинчатым электродом сваривают шинопроводы и другие изделия толщиной 50-150мм при длине швов до 600 мм. Сварку плавящимся мундштуком применяют для соедине­ния металла толщиной до 250 мм большой протяженности. В качестве источников питания используют трансформаторы ТШС-3000-1 и ТШС-10000-l.

Сварка в инертных газах

Наиболее важное значение имеет в настоящее время сварка в среде инертных газов (ручная и механизированная).

В среде инертных газов сварку выполняют плавящимся и неплавящимся электродом. Вольфрамовые электроды лантанированные и итрированные. Газы - аргон и гелий, и их смеси. Присадочный материал - близкий по составу к свариваемому материалу. Толщина вольфрамовых электродов 2-6 мм. Диаметр присадочных прутков 2-5мм.

Ручная дуговая сварка вольфрамовым электродом ведется на переменном токе на установках УДГ-300 и УДГ-500. Металл толщиной до 6мм сваривают без скоса кромок, при больших толщинах - скос кромок (V-образная или X- образная разделка).

Существенное повышение производительности труда получается при использовании трехфазной дуги (в 3-5 раз). В специальной горелке с увеличенными размерами сопла расположены два вольфрамовых электрода. Электроды и изделие подключаются к трехфазному трансформатору (либо используют 2 однофазных).

Сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной по­лярности проволокой диаметром 1,5-2,5 мм. При сварке толстого ме­талла применяется V и Х образная разделка.

При сварке плавящимся электродом в связи с капельным переносом металла через дуговой промежуток трудно обеспечить надежную защиту сварочного пространства от попадания воздуха.

Рекомендуемые режимы сварки вольфрамовым электродом

Металл	Диаметр, мм		Сила тока, А
	вольфрамового электрода	присадочного прутка	в аргоне	в гелии
1-2 4-6 4-6 6-10 11-15	2 3 4 5 6	1-2 2-3 3 3-4 4	50-70 100-130 160-180 220-300 280-360	30-40 60-90 110-130 160-240 220-300

Большое применение имеет полуавтоматическая сварка, особенно с использованием импульсов. Наложение импульсов тока заданных парамет­ров на основной сварочный ток сокращает промежуток времени пребыва­ния капли на торце электрода и позволяет осуществить устойчивый процесс при относительно малом среднем значении тока.

Плазменно-дуговая сварка неплавящимся электродом

Технологические характеристики процесса повышаются при использо­вании пламенной сварки вместо обычной дуговой. Особенно широко в настоящее время применяется так называемая микроплазменная сварка для соединения тонколистового алюминия толщиной 1мм и менее. При аргонодуговой сварке тонколистового алюминия неплавящимся электродом из-за прожогов и провисания металла шва не удается получить качествен­ное соединение. Снижение силы сварочного тока до 10 А и менее приводит к нарушению стабильности дуги. Наблюдаемое при этом блуждание дуги вызывает необходимость сваривать при коротком дуговом промежутке, что приводит к замыканию вольфрамового электрода на присадочный материал и попадание вольфрама в шов. Если затруднить диффузию плазмы и развитие процесса ионизации в радиальном направлении, то плотность тока и пространственная устойчивость дуги могут быть существенно повышены. С этой целью применяют интенсивное охлаждение периферийных слоев плазмы и специальные сопла, ограничивающие диаметр столба дуги.

Для микроплазменной сварки алюминия применяют вольфрамовые электроды ВЛ-10 диаметром 0,8-1,2 мм. В качестве плазмообразующего газа используют аргон чистотой не менее 99,6% в качестве защитного газа - гелий. Защитный газ выполняет одновременно две функции: охлаждает периферийные слои плазмы и защищает жидкий металл сварочной ванны от воздействия воздуха.

Электронно-лучевая сварка.

Применительно к алюминиевым сплавам повышенной прочности этот вид сварки обладает рядом ценных преиму­ществ по сравнению с другими видами сварки плавлением: за счет высокой плотности энергии, малого тепловложения и относительно высокой скорости сварки достигается минимальное разупрочнение металла в околошовной зоне. Кроме того, в вакууме сохраняется высокая чистота металла шва. Обеспечивается минимальное коробление изделия вследствие малой ширины шва.

Электронно-лучевая сварка позволяет выполнять соединения различных типов. Свойства соединений, полученных на ЭЛУ либо превышают, либо равны соответствующим свойствам соединений, полученных аргонодуговой сваркой.