3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВАРКА-ПАЙКА ЧУГУНА
Процессы сварки-пайки различных металлов и сплавов за последнее время находят все большее распространение в промышленности. Отличительной особенностью этих процессов является отсутствие фазы расплавления основного металла. Образование сварного соединения происходит путем взаимной кристаллизации расплавленного присадочного металла с нагретыми до достаточно высоких температур кристаллами и кристаллитами основного металла; диффузией расплавленного металла в основной нагретый металл; образованием промежуточного химического соединения между основным и присадочным металлом; адгезией и затеканием присадочного металла в микропоры основного нагретого металла.
Сварка-пайка чугуна может осуществляться одним из следующих трех способов, разработанных ВНИИавтогенмашем: 1) высокотемпературной сваркой-пайкой при нагреве поверхности основного металла до 790—850 °C и применением в качестве присадки чугуна специального состава; 2) сваркой-пайкой при 700—750 °C с применением в качестве присадочного металла латуней различных составов; 3) сваркой-пайкой при 350 °C с присадкой на цинковой основе. Эти способы применяются в промышленности для исправления дефектов чугунного литья и ремонтных целей.
Сварка выполняется ацетилено-кислородным пламенем с использованием нормальной аппаратуры. Можно применять в качестве горючего пропан-бутановую смесь (как заменитель дефицитного ацетилена). Указанный способ сварки характеризуется значительным уменьшением внутренних напряжений; сохранением состава основного металла в зонах термического влияния; хорошей обрабатываемостью соединения по всему сечению. Тепловой режим сварки с невысокой температурой нагрева основного металла создает благоприятные условия для равномерного распределения тепла в переходных зонах. Опытные наплавки на детали большой толщины показывают, что закалка переходных зон почти отсутствует.
СВАРКА-ПАЙКА ЧУГУННЫМ ПРУТКОМ
Присадочные прутки для низкотемпературной сварки изготовляются из серого чугуна с примесью никеля и титана. Стержни диаметром 5, 6 и 8 мм отливаются в кокиль, в оболочковые или песчаные формы по специальной технологии. Химический состав стержней приведен в табл. 12. Наличие титана и никеля увеличивает жидкотекучесть расплавленного металла, создает хорошее растекание и смачивание расплавленным металлом нагретой поверхности.
Дефектный участок, подготовленный механическим путем к сварке, подогревают газовой горелкой до 790—830СС и покрывают специальным флюсом, который создает условия для соединения расплавленного металла присадки с нерасплавленным основным металлом. Присадочный чугунный пруток расплавляется пламенем горелки и, растекаясь по нагретой поверхности под пленкой флюса, дает прочное и плотное соединение с основным металлом.
Флюсы, применяемые для низкотемпературной сварки, должны снимать с нагретой свариваемой поверхности следы окислов, жиров и других загрязнений; частично окислять выступающие на подготовленную поверхность металла включения графита, образуя микроуглубления и увеличивая тем самым прочность сцепления наплавленного металла с основным; защищать нагретую поверхность и расплавленный металл от действия воздуха; уменьшать поверхностную энергию расплавленного металла, увеличивая его жидкотекучесть и растекае-мость по основному металлу. Наиболее распространен для сварки-пайки чугунной присадкой флюс, состоящий из 23%' буры, 27% соды и 50% азотнокислого натрия.
Завариваемый участок подготовляют механическим путем (вырубкой, сверлением, фрезерованием, строжкой) с полным удалением неметаллических включений в дефектном участке..
Простые по форме массивные изделия, в которых при сварке не могут возникнуть трещины, завариваются без общего подогрева. Изделия сложной конфигурации, обладающие большой жесткостью, с тонкими стенками и дефектами в жестких узлах требуют общего предварительного подогрева до 300—350 °C. При сварке нагретый конец присадочного прутка опускают вс флюс и затем вводят в пламя горелки. Расплавленный металл "текает под жидкой пленкой флюса и, растекаясь по свариваемой поверхности, постепенно заполняет разделку шва. Желательно наплавку вести в несколько слоев, что улучшает распределение тепла по наплавленному участку и обеспечивает промежуточный отжиг металла наплавки. Заваренное изделие медленно охлаждают, засыпая место сварки сухим песком или укрывая асбестом.
СВАРКА-ПАЙКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАТУННЫХ ПРИСАДОК
Часто возникает необходимость произвести ремонт чугунного изделия, не нагревая деталь выше 700 °C и не подвергая ее металл структурным изменениям. Для этого используется способ низкотемпературной сварки-пайки латунными присадками. Сварное соединение, выполненное латунным присадочным прутком, по прочности не отличается от основного металла, в то же время оно обладает значительно большим запасом пластичности, чем основной металл чугуна, что является весьма важным свойством, обеспечивающим возможность эксплуатации детали при значительных знакопеременных нагрузках.
В качестве присадочного материала может быть использована выпускаемая промышленностью латунь марки ЛОК-59-1-0,3, которая хорошо смачивает поверхность чугуна и дает прочноплотный шов. Для получения одноцветного соединения ВНИИавтогенмаш разработал специальную присадку. Основные затруднения при этом процессе связаны с наличием на поверхности чугуна структурно свободного графита, мешающего смачиванию и растеканию присадочного металла по нагретой поверхности чугуна. Для улучшения процессов смачивания необходимо удалить выступающие частицы графита со свариваемой поверхности путем: выжигания пламенем горелки; выжигания кислородом, выделяющимся из состава флюса; связывания элементами, входящими в состав флюса. Во флюс вводят бористые соли, образующиеся при плавлении буры пли борной кислоты (В2О3), которые связывают и ошлаковывают основные окислы железа, меди, цинка и др.
Для ошлаковывания окиси кремния SiO2, образующейся при сварке чугуна, во флюс необходимо вводить основные соли. Наиболее целесообразно в данном случае использовать углекислые соли натрия, обладающие низкой температурой плавления. Флюс для сварки-пайки чугуна латунными присадками содержит следующие вещества: 50—60% буры или борной кислоты, 25—20% углекислой соды, 25—20% углекислого натрия. Такой флюс обеспечивает хорошую растекаемость присадочного металла и смачивание им основного металла, а также является индикатором температуры, так как его плавление происходиг около 700 °C. Процесс сварки-пайки ведется по следующей технологии: подготовленные механическим путем кромки прогревают газовым пламенем до 600—650 °C, затем на нагретую поверхность наносят слой флюса. Нагрев кромок продолжают до расплавления флюса. Конец присадочного прутка, на который предварительно нанесен слой флюса, прогревают горелкой до начала плавления, и пруток погружают под слой расптав-ленного флюса, находящийся на детали. Конец прутка все время должен касаться нагретой поверхности детали и расплавляться только под флюсом. После заполнения разделки шва пламя горелки медленно отводят от детали, шов накрывают листовым асбестом. Схема процесса сварки чугуна латунным прутком дана на рис. 85. Механические испытания сварных образцов, выполненных этим способом, показывают, что разрыв во всех случаях происходит вне сварного соединения, по основному металлу (чугуну).
Данный способ может быть рекомендован для ремонтных работ при заварке трещин в тонкостенных чугунных деталях сложной формы, например, при ремонте деталей типографского, текстильного, пищевого оборудования. Особенно хорошие результаты получаются при заварке мелких надрывов и трещин, расположенных в особо жестких узлах детали. В этом случае сварка-пайка латунью позволяет изменить жесткость данного узла, так как благодаря некоторой пластичности соединения общая работоспособность соединения повышается. При применении этого способа поверхность свариваемого изделия должна быть чистой, без следов масла. Перед механической обработкой рекомендуется производить предварительный обжиг места сварки газовой горелкой и тщательное удаление всех образовавшихся шлаков и накипи. После разрубки кромок перед началом сварки осуществляют вторичный обжиг и зачистку щеткой кромок перед нанесением на них флюса.
СВАРКА-ПАЙКА ЦИНКОВЫМ ПРИПОЕМ
Процесс происходит при нагреве места пайки до 300—350 °C. Подготовку кромок производят механическим путем так же, как и для других способов низкотемпературной сварки-пайки. В качестве присадки применяют литые стержни марки Ц следующего состава: 92—94% Zn, 5,5—7,5% Sn, 0,5% Pb. Прочно плотное соединение между чугуном и припоем создается благодаря образованию цинкатов железа на границе между чугуном и сплавом. Цинкаты железа должны находиться в виде тонких прослоек, так как в случае образования прослоек большой толщины возрастает опасность получения хрупких составляющих. Толщина прослойки определяется длительностью нагрева и температурой. Процесс должен протекать быстро, без задержек. Для пайки требуется высокоактивный флюс. Таким является флюс ЗП-19, предназначенный для газовой заварки-пайки чугуна, стали и цветных металлов при 300—350 °C.
Флюс ЗП-19 представляет собой механическую смесь мелко раздробленных обезвоженных солей. Он изготовляется по инструкции ВНИИавтогенмаша. В процессе сварки-пайки флюс интенсивно ошлаковывает окислы, образуя всплывающие на поверхность легкоплавкие шлаки, и увеличивает жидкотекучесть присадочного металла.
Заварку-пайку чугуна с применением флюса ЗП-19 производят в следующем порядке: разделку деталей осуществляют механическим способом; участок металла в месте расположения разделанного дефекта нагревают до 300°C и затем на поверхность разделки наносят флюс. Расплавление флюса указывает на то, что требуемая температура (300—350 °C) достигнута и можно начинать заварку-пайку. Одновременно нагревают конец присадочного прутка и, не доводя его до расплавления, облу-живают поверхность разделанного дефекта. После этого расплавляют конец присадочного прутка и, делая прутком круговые движения, заполняют всю разделку жидким металлом. Расход флюса составляет приблизительно 2% от веса наплавленного металла.
Флюс ЗП-19 пригоден для сварки чугуна, стали и цветных металлов пропан-бутан-кислородным и ацетилено-кислородным пламенем, а также пламенем жидких горючих. Флюс выделяет значительное количество газов, содержащих хлористые соединения, поэтому работы должны производиться при наличии местных вентиляционных отсосов.
Цинковый сплав обеспечивает предел прочности соединения 7—8 кГ/мм2, поэтому рекомендовать его для заварки трещин в узлах, несущих значительную нагрузку, нельзя. Этот сплав в сочетании с разработанным флюсом обладает очень хорошей текучестью и легко проникает в мельчайшие поры и неплотности чугунных отливок. В связи с этим его можно широко применять при исправлении различных неплотностей и мелкой пористости б чугунных стенках, работающих под действием гидростатического, пневматического давления и вакуума. В этих случаях поверхность, подлежащая уплотнению, обрабатывается механически наждачным камнем для снятия литейной корки, обжигается газовой горелкой для удаления следов масла и грязи, а затем пропаивается цинковым припоем под флюсом ЗП-19. Такой ремонт обеспечивает полную герметичность изделий, работающих на плотность.
ГАЗОФЛЮСОВАЯ СВАРКА ЧУГУНА
ВННИавтогенмаш совместно с заводом «Станколит» разработал и внедряет эффективный способ исправления дефектов чугунного литья путем газофлюсовой сварки. Этот способ может быть рекомендован для тех ремонтных работ, где требуется особая плотность металла. Заварка дефектов производится газовой горелкой с подачей в ацетплено-кпслородное пламя паров флюса БМ-1 или БМ-2. Подача газообразного флюса в пламя горелки осуществляется автоматически с помощью простой по устройству и в эксплуатации установки КГФ-1-56, состоящей из осушителя ацетилена и флюсопитателя ФГФ-1-56, в котором горючий газ насыщается парами флюса.
Газообразный флюс позволяет получать плотный наплавленный металл, однородный по цвету и твердости с основным металлом, устраняет пористость в наплавленном металле даже при использовании присадочных прутков, металл для которых получен упрощенным способом, с дошихтовкой обычного серого чугуна до необходимого состава по кремнию введением ферросилиция в желоб вагранки. Газовая сварка чугуна с порошковыми флюсами при использовании присадочных прутков, изготовленных по упрощенной технологии, дает большое количество газовых включений в наплавленном металле. Условия работы сварщика, использующего газообразный флюс, значительно улучшаются, а процесс сварки по сравнению со сваркой на порошковых флюсах упрощается, так как не расходуется время на подачу и плавление флюса.