Дело в том, что чугун переносит сжатие в два раза лучше, чем растяжение. Это связано с его химическим составом и с тем, насколько велики кристаллы, какой они формы и сколько в нем примесей. По этим характеристикам и различают марки чугуна.

Самый распространённый — серый, который варится тяжело. Ковкий чугун и высокопрочный с шаровидным графитом варится легче. Белый чугун невозможно заварить. На практике в изделиях встречаются также легированный чугун, который имеет свои особенности, например кремнистый чугун или хромистый.

Также, встречаются детали, вылитые из вторичного чугуна или из бракованной плавки. Не варится чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры. Сложно заварить деталь, которая долго находилась в масле.
Если вы поняли, что Ваша чугунная деталь сваривается — читайте дальше.

Перед нами встала задача сварки большого числа фланцевых соединений для одного из подразделений ЛУКОЙЛа, конструкция из сварных чугунных патрубков использовалась Заказчиком для остужения серной кислоты, которую получают из нефти. Для производства деталей конструкции было принято решение использовать фланец из ст. 20 и трубу из ВЧШГ. Так мы и столкнулись с тем, что нужно сварить огромный объём чугунных деталей с безупречным качеством, так как среда внутри трубы — опасная, а шов должен быть устойчив к растяжению.

Применение электродов по стали в соединении с медью результатов не принесло. Шов по прошествии 1,5 часов после окончания сварки давал трещину, несмотря на медленное остывание в сухом песке и в минеральной вате. Сварщикам не удавалось получить шов, проходящий ГОСТ 30242, 16037, 14771, 6996. Сильно страдала геометрия шва, ванна была неуправляема, медь плохо перемешивалась. Шов получался переменной твëрдости, с выраженными пятнами. Применение электродов при тонкой стенке чугунной трубы вызывало пережог и отбеливание шва в ЗТВ.

Тогда мы решили отказаться от электродов по стали в соединении с медью. Выбор пал на электроды на железоникелевой основе при 25% содержании никеля, но они имели очень прочный шлак, затрудняющий получение качественного шва при нескольких проходах, и давали результат с успехом 50% по плотности и твердости шва. Твердость и геометрия шва не проходили контроль. Зона ЗТВ была со следами кипения и отбела по чугуну. Ни предварительный подогрев, ни последующая термообработка серьезного улучшения не давали. Изделия приходилось часто подваривать, от чего они приходили в негодность из-за развития множественных трещин.

Теперь нам стало ясно, что электроды со своей мощной дугой и проплавлением не способны обеспечивать результаты, необходимые для качественного производства.

Улучшило ситуацию применение полуавтоматической сварки и проволоки для сварки углеродистой стали. Уменьшилась ЗТВ, примесь чугуна в ванну стала меньше, шов по геометрии приблизился к нормативу, а с ростом опытности сварщиков и разработкой оснастки, вошёл в параметры. С использованием термоподготовки и последующей термообработкой шов становился мягче. Но всё же не таким мягким, чтобы исключить трещины по ЗТВ в переходе на чугун.

Обеспечение герметичности шва также требовало подварки, которая происходила с успехом на 10-15% изделий. Фактически, шов был одноразовый, т. е. сварщику было необходимо нанести швы с первого раза. Восстановление такого брака было не выгодным, отрезанный фланец надо длительно отжигать, чтобы шов стал мягким. Но даже потом, расход резцов при токарной обработке фланца не позволял рационализировать процесс.

И так, через опыт, мы дошли до использования железно-никелевой сварочной проволоки с содержанием никеля 50%, марки KSFeNi50. Разработанные технологические карты процесса, жестко регламентирующие действия сварщика, позволили получать качественные изделия. При этом шов получался необходимой прочности и твердости, отсутствовали трещины. Те изделия, которые не проходили по герметичности, стало возможным неоднократно исправлять.

Вне сомнения, чтобы купить такую сварочную проволоку, необходимо было затратить существенные денежные средства, потому что цена по сравнению с обычной проволокой выше примерно в 30 раз.

В оправдание использования такого дорогостоящего материала можно сказать, что испортить чугунное изделие легко, исправить его после неудачной сварки будет скорее всего невозможно или проблематично. Для этого как минимум нужно убрать сам шов и всю прилегающую к нему область, затем надо убедиться в отсутствии трещин, углубляющихся в изделие. Если трещина есть и без нагрузки, то при мощной тепловой нагрузке во время сварки, она точно продолжит развиваться дальше.

Для начала надо сказать, что на успех в сварке чугуна влияют следующие факторы:

Если изделие восстанавливается, то подготовка начинается с обследования места сварки на трещины. Трещины должны быть устранены все, с гарантией того, что они отсутствуют. Это важно сделать до применения нагрузки, особенно тепловой. Уже при поднятии температуры до 200-300 градусов трещина пойдет развиваться.

Сверлить чугун до сварки легко, после сварки невозможно, он гарантированно станет прочнее в области шва. Трещину необходимо остановить, засверлив еë начало и конец. Затем выбрать v-образную канавку на всю глубину трещины.

Далее очистка места сварки. Очистить надо всë место сварки на расстоянии 10 см от него от масла и смазок. Деталь можно подогреть, чтобы смазка сама вытекла из пор чугуна. Но выжигать, разогревая кромки до того, что масло начинает вскипать, нельзя, это около 250 градусов. Чугун может "раскрыться" и внутрь его слоëв может поступать кислород, который окислит его, а впоследствии, при сварке, даст вам множество больших пор. Сварочная проволока изготавливается технологией холодной вытяжки и имеет на своей поверхности смазку, разные производители относятся к этому моменту по-разному, кто-то еë не убирает. Вам нужно еë обезжирить.

Многие считают, что это излишне, так как смазка выгорит сама. Не слушайте это. Смазку для сварочной проволоки, да и вообще все минеральные смазки, производят из нефти, из-за этого в составе смазки присутствуют сульфиды (соединения серы — обеспечивают хорошее скольжение). Так вот, сера препятствует объединению зëрен сплава сварочного шва при застывании и ведëт к образованию трещин. Как и фтор, который иногда добавляют в смазки. Наконец водород, сама основа углеводородного сырья — нефти, вызывает водородную хрупкость.

Представьте, что вы строите ледяную стену из кубиков льда (зëрен металла) и соединяете их при помощи смазки (серы и фтора) вместо мокрого снега (отдельных молекул металла). Такая стена получится непрочной и легко треснет, вне зависимости от еë толщины, а увеличение размеров кубиков льда только ухудшит ситуацию.

Убираем ржавчину. Она поставляет в шов кислород и водород из влаги. Кислород в соединении с углеродом из чугуна даст вам углекислый газ, а эта «газировка» застынет в шве порами, частично газонаполненными, а частью со шлаком от других химических соединений. Такой пористый и твёрдый сплав легко даëт трещины. Ржавчину надо убирать.

Электроды иногда имеют ржавый стержень, а покрытие в виде обмазки напитывается влагой. И то и другое вносит в шов кислород и водород. Покрытие наносят на стержень электрода окунанием в составы, в которых присутствует вода, затем их сушат. Поэтому отбейте смазку на электроде и посмотрите нет ли ржавчины. Цвет покрытия должен быть равномерным.

Далее электроды надо без перегрева прокалить. Сварка электродом даже 2,5 мм даëт гораздо больший объëм ванны шва и более глубокое проплавление, чем проволока. А из-за этих факторов в шов поступает большее количество элементов из чугуна, которые находятся дольше при температуре, достаточной для образования более крупного зерна, область ЗТВ увеличена, что отрицательно сказывается на прочности шва. Формирование шва по причине более жидкой и кипящей ванны затруднено. Сварщики, сваривающие только низкоуглеродистые стали, должны приспособиться, им вряд ли удастся избегать подреза.

Мы постоянно сталкиваемся с тем, что чугун прожигается и сразу стекает, а дальше жидкая ванна кипит. Выдавить дугой такую ванну не получается, она сразу разрастается, не давая сформировать геометрию шва. Шов получается с подрезами и наплывами, разной высоты и толщин. В месте подреза часто возникают трещины.

Сварку надо вести на токах, близких к прилипанию электрода, на высокой скорости. Не каждое оборудование даст вам возможность выполнить сварку для формирования правильного шва и дальше избежать трещин. К сожалению, наш опыт показывает, что железно-никелевый электрод с 25% никеля не достаточен. Увеличенный объëм ванны при сварке электродом не позволяет никелю в данной концентрации графитизировать углерод.

Вы спросите, а причëм тут вообще никель? Все просто, никель — элемент, который обеспечивает стабилизацию аустенита при концентрации свыше 8% при комнатной температуре. Аустенит — раствор железа с другими элементами, в котором углерод высвобождается из цементита и прибывает в несвязанном состоянии. Это состояние сплава достигается при температурах плавления, никель же позволяет сохранить это состояние сплава при обычной температуре.

В сплаве с высокопрочным чугуном никель с другими элементами распределяет углерод равномерно и глобулизирует его, в этом заключается его способность графитизации. При достаточной концентрации никеля в сплаве не возникает образования твердых соединений железа с углеродом — цементита. Сварочный шов при этом получается пластичный, практически отсутствует отбел по ЗТВ, последующая термообработка может не проводиться.

При снижении концентрации никеля возникают мартенситный сплав с примесями, поступающими из чугуна. При резком остужении такой шов покрывается трещинами. Необходимо этого избегать.

А почему бы не использовать медь? На первый взгляд медь — лучший вариант, во-первых, она дешевле никеля, во-вторых, медь не образует соединений с углеродом, то есть графитизирует сплав. Но без никеля медь очень плохо соединяется с железом. Тут дело в реакции меди с железом и углеродом, она попросту отсутствует.

Если никель при высокой температуре химически реагирует, то медь нет, поэтому медью нужно сваривать в присутствии никеля. Тогда сплав сварочного шва приобретает дополнительную пластичность, что важно для серого чугуна и вообще для качества шва.

Мы используем свою композицию газа MAG, которая поставляется на заказ. Иногда пропорции газа не выдерживаются поставщиком, как и влажность. Но мы нашли свои способы решения этих трудностей. Вам же достаточно будет применить MIG.

Знатоки скажут: «Почему бы не использовать порошковую проволоку?».
Зная то, что порошковая проволока не требует газа, мы попробовали варить ей. К сожалению, сварка чугуна данным видом проволоки с завидной регулярностью вызывает появление пор в чугуне, так как имеет место несплошность наполнения проволоки порошком. Заранее заметить, что в проволоке будут пробелы в наполнении порошком практически невозможно, так что мы от такого способа отказались и вам не советуем.

Сложность в получении формы шва, обеспечении вязкости ванны, чешуйчитости шва и отсутствие трещин во многом зависит от состава и качества элементов смеси MAG. Поддув применяется по необходимости, что зависит от формы детали. Но надо помнить и об подстуживании шва. Передув также затягивает кислород в шов вместе с воздухом, в котором его 20%, т. е. сквозняк недопустим. Попробуйте просто поварить на воздухе без поддува сварочной смеси даже обычную низкоуглеродистую сталь, вы получите прерывание дуги, непровары и множественные поры.

Предварительный подогрев. Он избавляет от наводороженности шва. Шов потеет при сварке всегда, если не было прогрева. Начало шва будет хрупким, оно треснет в месте перехода, где металл наплавленного шва сплавляется с основным металлом. Греть место будущего шва непосредственно направляя на него горелку нельзя. Крупные детали подогреваются на протяжении сварки постоянно.

Токи, напряжения надо подбирать исходя из условий формирования геометрии шва. Сварка ведëтся быстро. Если происходят остановки или имеет место многопроходная сварка, то места будущих стыковок последующих швов зачищаются до абсолютно чистого металла, так как полуавтомат окислы, как говорят сварщики, "не продавливает". Должна быть обеспечена одна и та же скорость подачи проволоки, пробуксовка недопустима. Нужен надежный контакт по массе.

После окончания сварки шов подогревается до температуры около 300 градусов. Подогрев необходимо распространять от шва на как можно большее расстояние. Он должен быть равномерным. Нельзя греть точкой или маленьким пятном нагрева.

Пористость шва является, к сожалению, спутником процесса сварки чугуна. При наличии кислорода в расплавленной ванне углерод легко соединяется с ним и, образуя углекислый и угарный газ, стремится еë покинуть, объединяясь в пузырьки.

Помимо этого, аргон также хорошо растворяется в сплаве с никелем. Во время застывания шва не весь газ покидает ванну, поэтому возникает пористость. Ещё одним отрицательным воздействием обладает кислород, который способствует выгоранию никеля, снижая его концентрацию.

В сравнении по весу, цена наплавленного металла электродом и проволокой в промышленном масштабе примерно равны. Но по скорости производства и качеству, выигрыш далеко за проволокой с высоким содержанием никеля 50% и более типа KSFeNi50 и газ для MIG сварки.

Взяли объём для ЛУКОЙЛа, конструкция большая, работа ответственная, варили трубы из ВЧШГ с фланцами из ст.20, попробовали все возможные методы и материалы для сварки чугуна, на своей шкуре испытали все боли, теперь делимся технологией.

Если данная технология кажется Вам неоправданно сложной, Вы можете прислать нам заявку на восстановление Вашей чугунной детали и/или изготовление новой по адресу: info@kernst.ru или связаться с нами по телефону +7 (495) 927-51-50

Если же Вы знаете менее трудоёмкие и/или более экономически оптимальные методы сварки чугуна, мы приглашаем Вас к нам на работу, напишите на: job@kernst.ru

Также Вы можете приобрести проволоку для сварки чугуна в нашей компании — мы реализуем как стандартные кассеты для сварочных аппаратов, так и намотки для небольшого объема сварки, напишите на info@kernst.ru .