Как избежать трещин в швах при сварке чугуна без подогрева

Сварка чугунных деталей без применения предварительного нагрева всегда требует максимальной точности, грамотного выбора присадочного материала и соблюдения режима охлаждения.

Хрупкость, склонность к образованию усадочных напряжений и наличие графита в структуре делают соединение таких заготовок особенно чувствительным к локальным температурным скачкам. В условиях, когда подогрев невозможен, основной упор приходится делать на подбор проволоки, способ нанесения и параметры самого процесса.

Для исключения появления трещиноватости в соединениях применяют электроды с никелевым стержнем либо обмазкой на его основе. Такие составы значительно смягчают напряжения в зоне воздействия и обеспечивают пластичную, безрезкую структуру наплавленного слоя.

Так, марки ОЗЧ-4 и ЭНиКИ-ЗЖ отлично справляются с серым и ковким чугуном, не вызывая структурных сдвигов в основном теле детали. При использовании полуавтоматов в среде инертного газа выбирают проволоку ERNiFeCr-1, а сила тока в этом случае ограничивается значением 90–120 А для исключения перегрева участка.

Если доступ ограничен, а соединение выполняется в стеснённых условиях, то дугу ведут короткими швами длиной до 25 мм, с обязательным промежутком между проходами до 5 минут.

При этом каждая лужа металла охлаждается на воздухе до температуры касания рукой, то есть приблизительно 40 °C, перед нанесением следующей порции наплавки.

Такой подход снижает вероятность появления внутренних трещинок в переходной зоне между основным телом и валиком.

Молотковая обработка горячего шва — ещё один способ компенсировать возникающие напряжения. Удары следует наносить не позднее 5 секунд после завершения короткого прохода, пока металл сохраняет пластичность.

Интенсивность обработки — не более 120 ударов в минуту, используя шариковый молоток массой до 300 грамм. При повышении температуры воздуха в рабочей зоне свыше 30 °C перерыв между проходами рекомендуется увеличить на треть.

Когда сваривание производится на неподвижных конструкциях или корпусных деталях, важно уделить внимание фиксации. Для снижения уровня внутренних сдвигов следует применять прихватки по схеме "от центра к краям", выдерживая шаг между точками не более 50 мм.

После нанесения каждого соединения крепежи срезаются и снимаются, чтобы позволить телу отыграть термическое расширение без внешнего сопротивления.

Для швов на деталях с толщиной свыше 10 мм предпочтительно использовать V-образную разделку кромок с углом 70–80°, глубина выбирается до 2/3 от толщины элемента.

Обработка выполняется напильником или шлифовальной машинкой со шлифкругом зернистостью P40, а для тонких частей — просто подрезка фаски под 60°. Внутренние напряжения удается снизить за счёт правильной геометрии, исключающей резкие изменения формы.

Перед нанесением дуги рабочее место очищается от масла, окалины и графитовой пыли. Жировые загрязнения вызывают пористость в зоне сплавления, а остатки смазки вступают в реакцию с присадкой, нарушая плотность металла.

Лучше всего очищать поверхность ацетоном или метилэтилкетоном, выдерживая испарение минимум 10 минут до старта сварки.

Температура плавления у серого чугуна составляет около 1140 °C, в то время как у наплавленного никелевого слоя она доходит до 1430 °C. Такой перепад создает границу с разными коэффициентами теплового расширения, и если соединение происходит без подогрева, этот фактор необходимо компенсировать малым сечением шва.

Оптимальная ширина валика — не более 6 мм, глубина проплавления — 2 мм, иначе возникает риск образования внутренних пустот.

На практике особенно чувствительны к холодной сварке корпуса насосов, втулки и основания станков. Для них характерна высокая жесткость и массивность, что делает невозможным равномерный прогрев. В этом случае используют прихваточное закрепление с симметричным нанесением валиков. При этом первый шов располагается по оси, а последующие — зеркально, чередуя стороны.

Сложные детали, включающие вставки из стали, свариваются с использованием биметаллических переходных пластин. Такие элементы привариваются сначала к чугуну, затем — к стали, с использованием проволок разного состава: для первого соединения — ERNi-CI, для второго — обычная нержавеющая ER308L. Это решение позволяет снизить деформацию за счет постепенного изменения терморасширяемости.

Если в зоне соединения имеются усталостные микротрещины, их удаляют сверлением отверстий диаметром 2 мм на концах трещины, а затем расшивкой основной канавки шириной 1,5 мм. После этого в углубление накладывают валик, проходя по всей длине дугой со смещением 1–2 мм за пределы канавки. Это позволяет распределить напряжение по длине соединения и устранить риски развития скрытых дефектов.

Обдув инертным газом должен быть стабильным. Расход аргона или гелия не менее 12 литров в минуту исключает контакт зоны плавления с воздухом и предотвращает образование оксидов, особенно на начальной стадии формирования валика. Для проволоки диаметром 1,2 мм рекомендуемая подача составляет 6–7 м/мин, при этом напряжение удерживается на уровне 20–22 В.

Если в наличии только электроды, то сварка ведется короткой дугой при напряжении 23–25 В и силе тока 70–90 А. При этом важно обеспечить постоянную полярность: обратная (плюс на электроде) позволяет получить мягкое наплавление и лучшее сцепление с телом детали. Обмазка должна быть сухой, хранится в герметичной упаковке и прогревается перед использованием при 100 °C в течение двух часов.

После окончания работ соединение затирается шлифовальной машинкой с использованием круга зернистостью не ниже P80, затем обрабатывается мягким абразивом до сглаживания границ. Это уменьшает разность коэффициентов линейного расширения между телом детали и швом. Излишнюю толщину удаляют, чтобы не создавать термических узлов в дальнейшей эксплуатации.