Совместная сварка стальных и чугунных деталей

 (статья из журнала Наука и Техника, от апреля 1964 г.)

Стали условно можно разделить на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся. В отличие от хорошо сваривающейся стали остальные требуют применения дополнительных и нередко сложных технологических приемов. Что касается плохо сваривающейся, то даже при соблюдении этих условий не всегда можно получить качественное сварное соединение.

Свариваемость стали во многом зависит от ее химического состава. Из элементов, всегда присутствующих в стали, наиболее существенное влияние на ее свойства оказывает углерод. С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, но зато резко падает пластичность и свариваемость. Сталь, содержащая более 0,3 процента углерода, обладает пониженной свариваемостью по сравнению с низкоуглеродистой (0,15 — 0,20 процента углерода). Дальнейшее повышение углерода приводит к образованию хрупких структур в зоне, прилегающей ко шву, и к появлению трещин.

Содержание серы и фосфора в стали не должно превышать 0,035 — 0,040 процента. Наличие в ней этих вредных примесей выше допустимых пределов сильно снижает свариваемость стали. Сера может быть причиной образования «горячих» трещин при сварке, а фосфор резко снижает пластичность стали и делает ее при низких температурах хрупкой, способствует образованию «холодных» трещин.

Марганец и кремний при содержании их до одного процента улучшают свариваемость стали. Марганец, кроме того, положительно влияет на прочность сварного шва, уменьшает разбрызгивание металла при сварке и вредное влияние серы. Содержание марганца и кремния свыше одного процента и остальных легирующих элементов также повышает прочностные свойства стали, но при этом пластичность и свариваемость ее снижается.

Помимо химического состава на свариваемость оказывает влияние структура и засоренность металла неметаллическими включениями и газами. Наличие неметаллических включений и газов зависит от способа производства, а структура — от термической обработки, жесткости конструкции и т. д.

Чугун — это сплав железа с углеродом. В нем содержится более 2 процентов углерода, а также примеси: кремния 1,6—2,5 процента, марганца 0,5 —1,0 процента, серы до 0,12 процента, фосфора до 0,8 процента. Промышленный чугун, из которого изготовляются отливки, содержит от 2,5 до 4,5 процента углерода.

Большое содержание в чугуне углерода, серы и фосфора очень сильно затрудняет его сварку. Поэтому чугун относится к плохо сваривающимся сплавам.

Как в процессе сварки, так и при охлаждении в зонах, прилегающих к сварному шву, а также и в самом шве могут появиться трещины. Они образуются в результате того, что пластические свойства чугуна очень низкие, а в процессе нагрева в нем возникают большие внутренние напряжения. Выгорание кремния при сварке, а также быстрое охлаждение сварочной ванны способствуют получению отбеленных зон, которые могут появиться как в основном металле, прилегающем к сварному шву, так и в самом шве. Высокая твердость и хрупкость этих зон способствуют образованию трещин, а также затрудняют последующую механическую обработку сваренных участков.

Интенсивное выгорание углерода делает сварной шов пористым. На образование пористости также оказывает влияние быстрый переход чугуна при охлаждении из жидкого состояния в твердое, так как газы не успевают выделиться.

Чугунные детали, работавшие длительное время при высоких температурах, практически не поддаются сварке. Это происходит потому, что под действием высоких температур углерод и кремний окисляются и чугун становится очень хрупким. Чугун с окисленным углеродом и кремнием называется горелым.

Свариваемость чугуна зависит также от его структуры. Чугуны с мелкозернистой структурой свариваются значительно лучше, чем с крупнозернистой.

Сравнивая оба материала — сталь и чугун, можно сделать вывод, что при совместной их сварке на качество соединения больше всего оказывает влияние именно чугун.

Чугунные детали в зависимости от сложности конфигурации и условий последующей механической обработки сваривают либо без подогрева (холодная сварка), либо с предварительным и сопутствующим подогревом детали, общим (горячая сварка) или местным (полугорячая сварка).

Если свариваемый элемент детали закреплен только в одном направлении и скрепляющие элементы могут быть легко выделены, в этом случае применяют подогрев только скрепляющих элементов . Нагрев ведется лишь на столько, чтобы эти элементы расширились на такую величину, как и в месте сварки. Обычно для этого достаточен нагрев до температуры 500 — 600°. Указанную температуру необходимо выдерживать на весь процесс сварки.

Местный нагрев проводится горелками, паяльными лампами, древесным углем и др. Если место сварки фиксировано с основным металлом со всех сторон, то в таком случае приходится подогревать всю свариваемую деталь до температуры 600 — 800°. При единичных ремонтных работах подогрев ведется в специальных термических печах или в горнах. Если такие печи отсутствуют, на месте сварки сооружают временные. При подогреве деталей (как при общей, так и при местной) нужно следить за тем, чтобы все части изделия нагревались и охлаждались одновременно, а главное — постепенно.

Если в месте сварки из-за конфигурации свариваемых деталей ничто не препятствует расширению, то можно успешно применять холодную сварку чугуна, без подогрева. (Об этом способе рассказано в № б нашего журнала за 1962 г.) Здесь же рассмотрим некоторые другие способы, которые было бы целесообразно применять при совместной сварке стальных и чугунных деталей.

Одним из лучших способов в этом случае можно считать сварку (пайку) стальных и чугунных деталей различными латунными сплавами, причем место пайки нагревают газовым пламенем.

Значительным преимуществом пайки чугуна латунью перед сваркой плавлением является то, что при пайке чугуна нагрев до температуры плавления латуни 850 — 900° не вызывает существенных изменений структуры металла детали и значительных термических напряжений. При таком способе большое значение, имеет подготовка деталей к пайке. Поверхности соединяемых кромок должны быть совершенно чистыми, без жира, грязи, ржавчины и окалины. Так как при этом способе соединения переходный слой получается менее прочным, чем основной и наплавленный металл, то желательно увеличивать поперечное сечение в переходной зоне, применяя форму швов, показанную на рис. 2. Поверхности соединяемых кромок лучше сделать шероховатыми, а не гладкими. Гладкая поверхность недостаточно хорошо смачивается латунью и поэтому не обеспечивает необходимого сцепления латуни с чугуном. Углерод в виде графита, выступая наружу на поверхности кромок, препятствует прочному соединению металлов. Графит с поверхности должен быть удален путем выжигания его на глубину 0,2 —1,5 мм. Этого можно добиться нагревом свариваемых кромок чугунных деталей до температуры 50 — 900° (светло-красное каление) газовой горелкой, отрегулированной на пламя с избытком кислорода.

Техника пайки состоит в следующем. Кромки нагревают до красного каления, посыпают флюсом и облуживают, натирая прутком латуни. При этом пламя должно быть нейтральным. Лужение проводится участками. Кромки, подлежащие пайке, должны находиться в наклонном положении. Пайка проводится снизу вверх, при этом расплавленная латунь не должна стекать на нелуженую поверхность.

В качестве флюса наиболее широко употребляются следующие составы: 1) буры (переплавленный) — 70 процентов; борной кислоты — 10 процентов, поваренной соли — 20 процентов; 2) буры — 50 процентов; борной кислоты — 50 процентов.

После окончания пайки полезно хорошо прогреть места спайки, покрыть их асбестом и дать медленно остыть. Мощность пламени при пайке чугуна должна соответствовать удельному расходу ацетилена — около 75 л/час на 1 мм толщины детали в месте пайки.

Наиболее доступный и широко применяемый способ электродуговой сварки в этом случае — это сварка стальными электродами. Но, к сожалению, этот способ часто дает низкое качество сварного соединения. В качестве электродов рекомендуется применять электроды марки УОНИ-13, ОММ-5 и др.

При сварке стальными электродами в металле шва зачастую наблюдается образование пор из-за повышенного содержания газов в чугуне. Быстрое охлаждение, имеющее место при холодной сварке, приводит к значительному                повышению

твердости наплавленного металла и около шовной зоны, что может служить причиной появления трещин.

Для улучшения качества сварного соединения рекомендуется применять электроды малого диаметра и пониженную силу тока (диаметр электрода 3 мм, сила тока 90 —100 а), чтобы уменьшить тепловое воздействие на чугун. Сварку следует вести участками длиной 100 — 150 мм, вразброс, стараясь как можно меньше проплавлять чугун. После наплавки отдельных участков им дают возможность остывать до температуры 60 — 80° С.

Данный способ обычно применяют, если толщина чугунной детали не превышает 10 —15 мм. Шов наплавлен таким образом, чтобы его усиление перекрывало поверхность свариваемой детали (см. рис. 3). Со стороны стальной детали такое перекрытие можно и не делать.

Если толщина свариваемых деталей больше 10 —15 мм, то для увеличения прочности соединения стальной наплавки с чугуном на скошенной и на краю чугунной детали рекомендуется ставить стальные шпильки. Расстановка шпилек показана на рис. 4. Резьба нарезается без смазки отверстия, а шпильки завинчиваются туго до конца. Диаметр и количество шпилек зависят от толщины детали h в завариваемом месте. Диаметр шпилек d берется 0,15 — 0,2 h, но не менее 3 мм и не более 13 мм. Глубина завинчивания m равна 1,5—2,0 d, но не более 0,5 h. Шаг шпилек b принимается равным 4—8 d, высота выступающей части равняется диаметру шпильки d.

Сначала каждая шпилька обваривается концентрическими угловыми швами, причем обварка производится вразброс и с перерывами, чтобы деталь сильно не нагревалась. После того как обварка всех шпилек будет соприкасаться друг с другом, приступают к заплавке разделки тонкими валиками с тщательной очисткой каждого слоя и также с перерывами во избежание сильного нагревания. Нагрев проверяется прикосновением руки к детали на расстоянии не более 100 мм от завариваемого места, причем металл не должен обжигать, то есть температура его не должна превышать 50 — 60°. При более высокой температуре сварку следует прервать и дать детали остыть.

Если свариваемая стальная деталь изготовлена из углеродистой или легированной стали, то рекомендуется предварительный подогрев свариваемых деталей до температуры 150—300°.