Методы предупреждения дефектов при сварке чугуна

Технологические методы предупреждения дефектов

Основные показатели качества сварного соединения чугуна - это структура, механические свойства и сплошность. В качестве критерия оценки структуры принимают количество твердых структурных составляющих. Наличие значительного количества карбидов в сварном соединении - показатель неудовлетворительного качества сварки. Равнопрочность сварного соединения чугуна является важным критерием качества В равной степени оцениваются механические свойства как металла шва, так и ЗТВ. При наличии трещин в сварном соединении его качество считается неудовлетворительным. Поры в шве и зоне сплавления могут ослабить соединение и сделать его непригодным для эксплуатации под давлением.

Перечисленные показатели качества сварного соединения определяются свариваемостью чугуна, особенностями сварочного материала, режимами и техникой сварки. При благоприятных сочетаниях этих факторов удается обеспечить сварное соединение требуемых качеств.

Основные дефекты и методы их предупреждения. Образование холодных трещин при сварке чугуна однотипным металлом в случае несоблюдения технологий образований, как правило, начинается со шва или наплавки, а завершается на основном металле. При сварке чугуна разнородным материалом они образуются обычно в детали, рядом со швом и располагаются либо поперек, либо вдоль швов. Часто можно наблюдать отрывы стальной наплавки по большей части поверхности сплавления с чугуном.

При сварке чугуна электродными материалами на основе никеля в швах могут образоваться горячие трещины. К другим дефектам, которые можно обнаружить в соединениях чугуна, относятся поры, несплавления, спель.

В некоторых отливках повышение твердости металла шва и ЗТВ по сравнению с основным металлом считается дефектом, так как затрудняет обрабатываем ость поверхностей или не позволяет их эксплуатировать в дальнейшем, например, для скольжения по плоскости сопряженных деталей (направляющие).

Оценка качества соединения и допустимость обнаруженного дефекта определяются в каждом конкретном случае в зависимости от назначения детали и предъявляемых к ней требований.

Холодные трещины - наиболее распространенный дефект. Одна из причин большой склонности соединений серого чугуна к образованию холодных трещин - наличие пластинчатого графита в металлической матрице, который играет роль надреза. Под действием растягивающих напряжений у краев графитных пластинчатых включений создается перенапряжение, которое и может вызвать разрушение. У серого чугуна практически отсутствует запас пластичности, поэтому разрушение происходит хрупко, путем отрыва и в основном по графитным включениям. Присутствие в чугуне цементита, ледебурита и мартенсита повышает хрупкость и способствует образованию трещин.

Стойкость наплавленного чугуна против образования холодных трещин зависит от степени графитизации в процессе его кристаллизации. С увеличением количества свободного углерода (графита) уменьшаются свободная линейная усадка наплавленного металла и сварочные напряжения, улучшается структура матрицы и повышается пластичность чугуна в целом. Росту степени графитизации способствует увеличение содержания углерода и предварительный подогрев свариваемого изделия. Положительная роль повышения исходной температуры чугунных деталей проявляется в большей степени, если проводят не местный, а общий подогрев, так как в первом случае достигается лишь снижение скорости охлаждения наплавки, а во втором - обеспечивается также значительное снижение сварочных напряжений из-за сокращения линейных размеров свариваемого изделия.

При усадке в металле шва возникают растягивавшие напряжения, причем тем больше, чем протяженнее швы. Под действием этих напряжений могут образоваться поперечные трещины в металле шва. Их предотврашают, подбирая соответствующий состав металла шва и применяя технику сварки, снижаюшую напряженное состояние.

Если металл шва - чугун, то необходимо обеспечить высокий предварительный подогрев и последующее медленное охлаждение соединения. Однако в этом случае часто нет гарантии, что трещина не образуется, если не выполнить отжиг для снятия внутренних напряжении.

При сварке чугуна стальными электродами образования трещин в валиках и однопроходных швах избежать невозможно. Меньше трещин получается при механизированной сварке стальной проволокой малого диаметра в защитном газе на низком режиме. Сварку выполняют небольшими участками, первый валик сразу перекрывают вторым для замедления охлаждения и отпуска закалочных структурных составляющих.

В швах на основе никеля или меди поперечные трещины встречаются редко, так как сварку проводят короткими участками с,проковкой для уменьшения напряжений. Поперечные трещины в основном металле встречаются чаще всего при сварке тонкостенных чугунных отливок толщиной δ = 5...10 мм. Прилегающая к шву достаточно широкая зона основного металла нагревается до температуры выше 550...600°С и под влиянием сжимающих напряжений претерпевает пластическую деформацию. После выравнивания температуры шва и околошовной зоны при дальнейшем охлаждении соединения в этих зонах основного металла напряжения меняют знак и могут привести к разрушению. Опасность образования поперечных трещин в основном металле тем больше, чем тоньше чугун, чем больше в нем фосфидной эвтектики и грубого пластинчатого либо междендритного графита. С уменьшением толщины свариваемой детали ухудшается теплоотвод, зона высоких температур становится шире, общее напряженное состояние усложняется. Кроме того, с уменьшением толщины чугуна может сильнее проявиться наличие в опасной зоне дефектов основного металла: внутренних скрытых пор, крупных неметаллических включений, скоплений фосфидной эвтектики и др.

Снижения сварочных напряжений можно достигнуть двумя путями:

1) уменьшать тепловложение в основной металл с тем, чтобы не допускать высокой концентрации тепловой энергии в районе шва на длительное время. Очевидно, такую меру предосторожности необходимо выполнять тем тщательнее, чем тоньше свариваемый чугун;

2) снижать темп и величину сокращения линейных размеров шва, поэтому на практике стремятся к повышению пластичности шва, а также выполняют проковку наплавленного металла в процессе охлаждения.

Продольные трещины в околошовной зоне при внешнем осмотре часто не обнаруживаются, но выявляются при испытании сварных соединений на герметичность. Они образуются только при сварке чугуна без предварительного подогрева.

Различают отколы - трещины, проходящие по ЗТВ, и отрывы, возникающие в результате отслоения шва от основного металла. Зона оплавления при сварке чугуна благодаря графитным включениям представляет собой извилистую границу с глубокими впадинами и выступами. Поэтому продольные трещины, образующиеся в районе границы основного и наплавленного металлов, пересекают не только различные участки ЗТВ, но и участки шва, вклинившиеся в основной металл. Такие трещины относят к отколам, их образованию способствует наличие хрупких составляющих в структуре металла околошовной зоны.

Отрыв шва при сварке чугуна возникает, если основной элемент состава шва не образует с железом твердых растворов в широком диапазоне концентраций (например, медь) или дает интерметаллидные прослойки по границе (как алюминий). Вероятность образования отрывов увеличивается при сварке ферритных чугунов с грубыми включениями пластинчатого графита, которые препятствуют смачиванию сварочной ванной оплавленной поверхности основного металла. Образованию отрывов способствует дефект в виде цепочки мелких пор по границе сплавления, что часто наблюдается при сварке чугуна высоконикелевыми сплавами.

Выполнение сварки с предварительным местным подогревом до температуры 150...250°С, проковка участков шва, использование в качестве основного металла чугуна с мелким завихренным или компактным графитом, неокисленного и непропитанного маслами в процессе эксплуатации, способствуют исключению продольных трещин в околошовной зоне.

Горячие трещины. Если в процессе кристаллизации и последующего охлаждения металла в области высоких температур создаются условия, при которых возникающие деформации укорочения металла не обеспечиваются его деформационной способностью, то может происходить нарушение сплошности – образование горячих трещин, образованию которых способсгвует наличие легкоплавких эвтектик, остающихся жидкими между затвердевшими кристаллами.

Углерод и сера уменьшают стойкость швов против горячих трещин особенно при сварке чугуна высоконикелевыми сплавами. Углерод создает несплошности, которые ослабляют формирующийся шов. Это проявляется сильнее, если включения графита имеют пластинчатую форму. При сварке чугуна никелем важно добиться, чтобы в структуре шва включения графита имели компактные формы, лучше всего шаровидную или точечную.

Сера не растворяется в никеле, но может образовывать с ним соединения, например, сульфид никеля Ni₃S₂ который дает с никелем хрупкую эвтектику с температурой плавления 644°С. При содержании серы в никеле более 0,01 % в швах, как правило, появляются трещины. Снижение содержания серы в наплавленном металле и связывание ее в тугоплавкие соединения - важная задача при разработке сварочных материалов для чугуна.

Предварительный подогрев изделия до 150...250°С благоприятно сказывается на стойкости швов против горячих трещин, поскольку снижается темп нарастания деформации при кристаллизации шва Проковка как технологический прием здесь неэффективна, так как трещины образуются гораздо раньше, чем может быть осуществлено деформирование металла шва.

Чем позже начинает деформироваться металл в ЗТВ при остывании сварного соединения, тем меньше вероятность образования очагов разрушения и развития трещины. Снижение температуры плавления металла шва – эффективная мера уменьшения температуры начала деформаций. В этом отношении очевидно преимущество аустенитного металла шва по сравнению с ферритным даже с учетом того, что усадка аустенита больше, чем феррита.

Поры - серьезный дефект сварных соединений чугуна, особенно для деталей, работающих под давлением. Отдельные поры в чугуне, наплавленном при заварке крупных дефектов, не представляют опасности. Однако при значительной пораженности металла шва сварное соединение не может быть признано удовлетворительным. Поры представляют собой не успевшие выделиться до затвердевания металла пузырьки водорода, азота, водяного пара, оксида углерода. В наибольшей степени образованию пор в наплавленном чугуне способствуют азот и водород вследствие скачкообразного изменения их растворимости в период кристаллизации сварочной ванны.

Уменьшение пористости наплавленного чугуна достигают тщательной очисткой основного металла от ржавчины и органических загрязнений, связыванием водорода в соединения (HF, OH), нерастворимые в жидком металле. Благодаря способности азота образовывать стойкие нитриды титана, алюминия, циркония, исключают его вредное влияние путем легирования сварочной ванны этими элементами. Чтобы предотвратить образование газовых пузырьков водяного пара и оксида углерода, сварочную ванну жидкого чугуна раскисляют титаном, алюминием, кремнием. Вероятность образования пор снижается с уменьшением скорости кристаллизации жидкого чугуна. Поэтому при больших объемах ванны, характерных для сварки с предварительным подогревом, дегазация успевает пройти, и поры не образуются.

При сварке чугуна сплавами на основе никеля и меди главным возбудителем пор считают водород. Образованию пор также способствуют оксиды углерода, которые в обильном количестве образуются при сварке чугуна. Для уменьшения пористости электроды на основе никеля и меди изготавливают с основным фтористо-кальциевым покрытием. Чтобы снизить количество растворенного водорода в ванне, сварку выполняют на низком режиме короткой дугой. На плотность швов значительно влияют геометрия разделки, форма сварочной ванны и ее способность к дегазации при затвердевании. При сварке штучными электродами разделка должна быть неглубокой, без острых переходов, с возможно большим отношением ширины к глубине.

При загрязнении основного металла органическими маслами трудно избежать пор в швах на основе цветных металлов. Такое явление чаще всего наблюдается при ремонте базисных деталей двигателей, корпусов редукторов, деталей станков, других изделий. Поэтому перед сваркой поверхности тщательно очищают горячим щелочным раствором. Особенно опасны скопления пор в виде цепочек по границе сплавления, если требуется герметичность соединения, так как это способствует образованию отрывов. Даже если трещина и не возникла, соединение может быть забраковано из-за потери герметичности. Предварительный подогрев детали замедляет скорость кристаллизации сварочной ванны и способствует более полному удалению газов.