Зва́рювання чавуну́ () — технологія зварювання виробів з чавуну. Чавун належить до важкозварних металів через вміст великої кількості вуглецю та низьку пластичність. Зварювання чавуну набуло поширення як засіб виправлення браку чавунного литва, ремонту чавунних виробів, а іноді й при виготовленні конструкцій. Зварювання чавунів може проводитись електродуговим методом плавкими або неплавкими (вольфрамовими, вугільними, графітовими) електродами з підігрівом чи без нього а також методом газового зварювання.
Властивості чавуну
Чавун — це сплав заліза з вуглецем, вміст останнього у чавуні становить від 2,14 % до 6,67 %. Вуглець надає сплавам заліза твердості, зменшує пластичність та ударну в'язкість. Вуглець у чавуні міститься у вигляді сполуки цементиту (карбід заліза) і графіту.
Температура плавлення чавуну — 1150–1200 °C, яка є на 300 °C нижчою, ніж у чистого заліза. Теплопровідність чавуну є нижчою, ніж у сталей, коефіцієнт теплового розширення такий же.
За швидкого охолодження чавуну від температури понад 750 °С, вуглець з графіту переходить у цементит, при цьому чавун перетворюється із сірого на білий. Утворюється гартівна структура із внутрішніми напруженнями, що можуть спричиняти появу тріщин.
Дефекти від зварювання Зварювальне нагрівання з подальшим охолодженням настільки змінюють структуру і властивості чавуну в зоні розплавлення та навколошовній зоні, що отримати зварні з'єднання без дефектів з необхідним рівнем властивостей є досить складним завданням. У зоні зварювання проявляються такі негативні явища, як пористість, тріщини, окрихчення тощо.
Пористість Інтенсивне газовиділення зі зварювальної ванни, яке триває і на стадії кристалізації внаслідок окиснення вуглецю з утворенням монооксиду вуглецю (CO) викликає появу пористості при зварюванні чавунів. При цьому не виключається також утворення пор від водню та азоту. Методи запобігання утворенню пор такі ж, як і при зварюванні сталей, а саме: металургійні: зв'язування водню у сполуки, які не розчиняються у рідкому металі (HF та OH), технологічні: ретельне очищення крайок від іржі, мастил, фарби; надійний захист зони зварювання від азоту; прожарювання електродів, флюсів; зменшення швидкості зварювання, щоб гази встигли виділитись тощо.
Гарячі тріщини Високий вміст вуглецю та низька пластичність металу сприяють утворенню гарячих тріщин.
Холодні тріщини Велика кількість вуглецю сприяє утворенню мартенситних структур в процесі охолодження особливо в зоні термічного впливу. Внаслідок місцевого нерівномірного нагрівання металу виникають зварювальні напруження, які, через малу пластичністю чавуну, призводять до утворення холодних тріщин у шві та навколошовній зоні.
Окрихчення зварних з'єднань Високі швидкості охолодження металу шва і зони термічного впливу, відповідно до термічного циклу зварювання, призводять до відбілювання чавуну, тобто появи ділянок з виділенням цементиту. Висока твердість відбілених ділянок сприяє окрихченню та практично позбавляє можливості обробляти чавуни різальним інструментом.
Нерівноміцність зварного з'єднання з основним металом Рівноміцність можна забезпечити лише при гарячому зварюванні чавунів чавунними електродами. Підвищена рідкотекучість чавуну утрудняє утримання розплавленого металу від витікання і формування шва. Наявність кремнію, а іноді й інших елементів у металі зварювальної ванни сприяє утворенню на її поверхні тугоплавких оксидів, що призводять до утворення непроварів.
Підходи до забезпечення якості зварних з'єднань чавуну Методи підвищення якості зварних з'єднань: легування наплавленого металу елементами-графітизаторами (кремній, титан, алюміній) з тим, щоб при даній швидкості охолодження отримати у шві структуру сірого чавуну; легування наплавленого металу такими елементами, які дозволяють отримати у шві перлітно-феритну структуру, характерну для низьковуглецевої сталі, шляхом зв'язування надлишкового вуглецю в карбіди, міцніші, ніж цементит й рівномірно розподілені у металі; введення до складу зварювальних матеріалів кисневмісних компонентів з метою максимального окиснення вуглецю (випалювання його) та отримання в металі шва низьковуглецевої сталі; застосування зварювальних матеріалів, що забезпечують у наплавленому металі отримання різних сплавів кольорових металів мідно-нікелевих, мідно-залізних, залізо-нікелевих та інших, що мають високу пластичність і температуру плавлення близьку до температури плавлення чавуну.
Особливості технологій зварювання
Гаряче зварювання Найефективнішим засобом запобігання відбілюванню металу шва і високотемпературної ділянки навколошовної зони, а також загартуванню на ділянці навколошовної зони, — високий попередній або супутній підігрів чавуну до температури 600–650 °С. Зварювання з таким підігрівом називають гарячим зварюванням чавуну. Гаряче зварювання чавуну дозволяє отримувати зварні з'єднання, рівноцінні металу, який зварюється (за механічними характеристиками, щільністю, оброблюваністю тощо), проте це трудомісткий і дорогий процес.
Технологічний процес гарячого зварювання складається з таких операцій: підготовка виробу під зварювання, попередній підігрів деталей; зварювання, подальше уповільнене охолодження.
Підготовка під зварювання залежить від виду дефекту, що виправляється. Однак, у всіх випадках підготовка дефектного місця полягає в ретельному очищенні від забруднень і в обробленні для утворення порожнин, що забезпечують доступність для маніпулювання електродом і впливу зварювальної дуги. Для попередження витікання рідкого металу зі зварювальної ванни, а в ряді випадків для додання наплавленому металу відповідної форми, місце зварювання формують. Формування виконують залежно від розмірів і місця розташування дефекту за допомогою графітових пластинок, що скріплюються формувальною масою, яка складається з кварцового піску, замішаного на рідкому склі, або іншими формувальними матеріалами, що застосовуються в ливарному виробництві. Після формування необхідна просушка форми при поступовому підйомі температури від 60 до 120 °С.
Подальший попереднє підігрівання для зварювання проводять зі швидкістю 120–150 °С/год в електропечах або полум'ям газового пальника.
Для зварювання використовують електроди зі стрижнями з чавуну. До складу покриття, що наноситься на литі прутки, діаметром 5–20 мм, входять стабілізуючі та легуючі матеріали. У ролі останніх, зазвичай, використовують графіт, карборунд, феросиліцій, силікокальцій, силікомагній та інші, що містять елементи-графітизатори.
Зварювання виконують на великих силах постійного струму зворотної полярності без перерв до кінця заварювання дефекту. Використовуються чавунні електроди наприклад, ОМЧ-1 великого діаметра (від 8 до 16 мм). Для гарячого зварювання чавуну можна використовувати дугове зварювання вугільним електродом. Зварюють на постійному струмі прямої полярності вугільними електродами діаметром 8–20 мм. Як присадковий матеріал використовують чавунні прутки. Для переводу тугоплавких окислів у легкоплавкі з'єднання застосовують флюси на борній основі, найчастіше технічну безводну (прожарену) буру. Прогресивним є гаряче зварювання порошковим дротом ПП-АНЧ-5, ППСВ-7 ДСТУ 3328-96 Дугове зварювання конструкційних чавунів. Вимоги до технологічного процесу (ГОСТ 30430-96), що значно покращує умови праці.
Уповільнене охолодження (50–100 °С/год) сприяють зниженню тріщиноутворення і пористості за рахунок збільшення часу існування рідкої ванни і кращої її дегазації, а також зменшення температурного градієнта а отже і термічних напружень.
Напівгаряче та холодне зварювання Зварювання чавуну з підігрівом до температур 300–400 °С називають напівгарячим, а без попереднього підігріву — холодним зварюванням. При напівгарячому і холодному зварюванні чавуну широко використовують металургійні та технологічні засоби впливу на метал з метою підвищення якості зварних з'єднань.
Холодне зварювання чавуну звичайними електродами, позитивних результатів зазвичай не дає, так як при великих швидкостях охолодження за таких умов зварювання, утворюється структура білого чавуну в шві та високотемпературній області навколошовної зони, а також відбувається гартування ділянок зони термічного впливу. Деформації, що виникають при цьому, перевищують деформаційну спроможність металу, в результаті чого утворюються тріщини. Для запобігання відбілюванню необхідно забезпечити такий склад металу шва, для якого за цих умов буде утворюватись структура сірого чавуну з у найбільшій мірі сприятливою формою графітних включень. Це може бути досягнуто шляхом уведення в наплавлений метал графітизаторів (ванадій, ніобій, титан, наприклад, електроди ЦЧ-4 ТУ 14–4–831–77) та легування чавуну елементами, що сприяють сфероїдизації карбідів (магній). Прикладом таких електродів можуть служити електроди марки ЭМЧ, стрижень яких виготовляють з чавуну з підвищеним (до 5,2 %) вмістом кремнію, покриття двошарове: перший шар — легувальний, другий — забезпечує газовий та шлаковий захист. Отримати в наплавленому металі та металі шва сірий чавун можна застосовуючи спеціальні зварювальні матеріали, які забезпечують легування через електродне покриття. Прикладом можуть служити електроди ЦЧ-5, стрижень яких виготовлений з дроту низьковуглецевої сталі, а в легувальному покритті міститься достатня кількість графітизаторів. Найхарактернішими є електроди марки ЭМЧС стрижень яких складається з низьковуглецевого електродного дроту, а покриття з трьох шарів (легувального, шлако- й газотвірного, газозахисного).
Ручне дугове зварювання пошкоджених чавунних деталей виконують з використанням покритих електродів на нікелевій (ОЗЧ-3, ОЗЧ-4, МНЧ-2), нікель-залізній (ОЗЖН-1), мідній (ОЗЧ-2, ОЗЧ-6) або залізній (ЦЧ-4) основі.
Для холодного та напівгарячого зварювання чавуну автоматами і напівавтоматами використовують спеціальні зварювальні дроти, що забезпечують отримання у шві сірого чавуну. Використовується дріт суцільного перерізу марок ПАНЧ-11 (ТУ 48-21-593–77, склад: 0,1–0,5 РЗМ (мішметал); 0,5–10 %Mn; 0,1–3 %Cu; 0,05–15 %Fe; 0,3 % Si, решта Ni), ПАНЧ-12 (70 % Ni; 30 %Fe; добавки Mn і Ti), МН-25 та ін.
При зварюванні виробів з чавуну слід віддавати перевагу використанню автоматизованих процесів дугового зварювання, так як вони виконуються без перерв при невеликій витраті електродних матеріалів. У разі багатопрохідного зварювання процес може перериватися на зачистку швів, кантування вироби, зміна режиму зварювання.
Для збільшення міцності зварного з'єднання, коли до нього не ставляться інші вимоги (наприклад, при ремонті станин, рам, кронштейнів та інших несучих елементів товстостінних конструкцій), застосовують сталеві шпильки, які частково розвантажують найслабшу частину зварного з'єднання — лінію сплавлення.
Для отримання швів, які мають досить високу пластичність в холодному стані, застосовують електроди, що забезпечують отримання в наплавленому металі сплавів на основі міді та нікелю. Мідь і нікель не утворюють сполук з вуглецем, але їх наявність у сплаві зменшує розчинність вуглецю в залізі та сприяє графітизації. Тому, потрапляючи в зону неповного розплавлення, прилеглу до шву, вони зменшують ймовірність відбілювання. Крім того, пластичність металу шва сприяє часткової релаксації зварювальних напружень і тим самим знижується ймовірність утворення тріщин у зоні термічного впливу. Для зварювання чавуну використовують мідно-залізні, мідно-нікелеві і залізо-нікелеві електроди.