Порошковая проволока для сварки и наплавки чугуна

Темы: Порошковая проволока, Сварка чугуна, Наплавка.

Чугун является трудносвариваемым материалом, поскольку в условиях дуговой сварки имеет склонность к образованию трещин в сварных соединениях. Предотвратить образование трещин можно двумя путями.

Первый основан на использовании цветных металлов (никеля, меди и их сплавов) или легированных сталей в качестве основы покрытых электродов или проволок сплошного сечения при сварке без подогрева. Второй — предусматривает применение высокого предварительного подогрева (400—700 °C) отливок или деталей перед сваркой и использование электродных материалов, обеспечивающих получение однородных и равнопрочных основному металлу соединений.

Стремление улучшить условия труда сварщиков, отдалив от них высоконагретую отливку, а также увеличить производительность процесса и сократить время сварки, обусловило разработку и широкое применение порошковых проволок для механизации процесса дуговой сварки с подогревом.

Преимущества применения порошковых проволок при сварке и наплавке чугуна заключаются в возможности регулирования в широких пределах состава металла шва или наплавленного металла путем изменения состава шихты и коэффициента заполнения проволок. По сравнению с покрытым электродом с чугунным стержнем можно ввести в шихту большое количество углерода, кремния, марганца, микролегирующих и модифицирующих форму графита, а также обеспечить меньшее выгорание металлов при дуговом процессе за счет того, что шихта находится в оболочке из стальной ленты.

История развития. Впервые порошковая проволока для сварки и наплавки чугуна были разработаны в ИЭС им. Е. О. Патона в начале 60-х годов прошлого века и достаточно широко внедрены в промышленности. Эти проволоки марок ППЧ-1, ППЧ-2 и ППЧ-3 (позже стали называться соответственно ПП-АНЧ-1, ПП-АНЧ-2 и ПП-АНЧ-3) были предназначены в основном для заварки дефектов на отливках из серого чугуна с пластинчатым графитом с толщиной стенки в месте дефекта более 15 мм. Они отличались различным содержанием основных компонентов-графитизаторов: углерода и кремния (в ППЧ-1 — наибольшие, а в ППЧ-3 — наименьшие). Кроме того, все они содержали небольшое количество марганца, титана и алюминия.

В соответствии с составом назначение проволоки каждой марки следующее:

• ПП-АНЧ-1 — для заварки без предварительного подогрева небольших дефектов (раковин, недоливов, пор, сыпи и др.) на поверхностях, не подвергающихся последующей механической обработке (декоративная заварка);
• ПП-АНЧ-2 — для заварки дефектов на стенках отливок большой толщины с предварительным подогревом до 300—350 °C, а также без предварительного подогрева в тех случаях, когда при заварке обеспечивается достаточный разогрев значительной массы основного металла и имеется возможность свободной усадки наплавки;
• ПП-АНЧ-3 — для заварки с высоким предварительным подогревом (400—600°C) дефектов различных размеров.

В зависимости от расположения дефекта, его размеров, жесткости конструкции, массы отливки и требований, предъявляемых к качеству заварки, в каждом конкретном случае решается вопрос о температуре предварительного подогрева, выбирается марка проволоки и определяются режимы сварки.

Диапазон возможных режимов сварки порошковой проволокой диаметром 3 мм: сварочный ток I_св = 250-600 А, ток — постоянный прямой полярности; напряжение дуги U_д = 30-40 В; скорость плавления проволоки v_п.пр = 100-300 м/ч; скорость сварки v_св = 5-10 м/ч. Сварку и наплавку чугуна порошковой проволокой выполняют открытой дугой. В отдельных случаях при плохом качестве основного металла во избежание пор целесообразно создавать дополнительную защиту углекислым газом с расходом 600—900 л/ч. При сварке с высоким подогревом ванным способом газовую защиту обычно не применяют, так как при этом создаются благоприятные условия для дегазации жидкого чугуна и освобождения его от неметаллических включений.

Структура металлической основы, а также форма и размеры графитных включений в наплавленном чугуне зависят от состава проволоки и условий охлаждения после сварки.

При сварке проволокой ПП-АНЧ-1 без подогрева металл шва (или наплавленный металл) имеет перлитно-ферритную основу с псевдоэвтектическим графитом, отдельные карбиды и участки ледебурита; ферритно-перлитная основа и розеточный графит образуются при сварке проволокой ПП-АНЧ-2 с подогревом до 300—350 °C; перлитно-ферритная основа и мелкий завихренный графит получаются при сварке проволокой ПП-АНЧ-3 с подогревом до 500—600 °C. Таким образом, сварка и наплавка данными порошковыми проволоками обеспечивают получение однородных и равнопрочных сварных соединений серого чугуна с пределом прочности (временным сопротивлением разрыву) от 120 до 300 МПа.

Установлено, что при сварке порошковыми проволоками с предварительным подогревом до 300—350 °C можно исправлять большинство дефектов, встречающихся в практике литейного производства. Исключение составляют различные сквозные дефекты (трещины, раковины), расположенные на особо жестких конструкциях, мелкие дефекты на трущихся поверхностях, дефекты на изделиях, к которым предъявляются повышенные требования к однородности по твердости, цвету и т. п. В этих случаях необходимо применять сварку с высоким предварительным подогревом.

Кроме заварки дефектов литья были выполнены многочисленные работы по ремонтной сварке чугунных деталей: наплавка бобышек на зубчатое колесо очистного барабана, заварка двух сквозных трещин на станине четырехшпиндельного автомата, исправление дефектов на корпусе камеры компрессора и многие другие.

Совместно с ИЭС им. Е. О. Патона сварку и наплавку чугуна порошковой проволокой освоили многие предприятия тяжелого машиностроения, турбиностроения, химического машиностроения, станкостроения и других отраслей промышленности. Особо следует отметить широкое внедрение технологии ремонта изложниц, поддонов и другого сменного оборудования для разливки стали на металлургических заводах с использованием порошковой проволоки ППЧ-2 (ПП-АНЧ-2).

На московском заводе "Станколит" совместно с базовой лабораторией сварки ВНИИЛитмаша были проведены исследования по корректировке состава порошковой проволоки для заварки крупных дефектов на чугунных станинах с высоким предварительным подогревом. Установлено, что для указанных условий сварки целесообразно введение в шихту проволоки кристаллического графита и железной окалины.

Высокие значения сварочного тока и скорости подачи проволоки при механизированной сварке ванным способом обусловили необходимость повышения электропроводности проволоки. Эта задача была решена путем армирования внутренней, заполненной шихтой полости одной—тремя стальными проволоками. Такое усовершенствование позволило уменьшить электросопротивление проволоки и, следовательно, увеличить удельную плотность сварочного тока в ее сечении; повысить при одних и тех же параметрах сварки (по сравнению с неармированной проволокой) производительность процесса. Использование армирующих проволок позволило исключить из состава шихты железный порошок. Технологичность протяжки порошковой проволоки повысилась в связи с ее значительным упрочнением. Армированная порошковая проволока имела марку ППЧ-3М. При сварке этой проволокой металл шва или наплавленный металл содержал пластинчатый графит в ферритно-перлитной матрице.

При сварке чугунов с шаровидным графитом (ЧШГ), в том числе легированных, структура металла шва и ЗТВ должна характеризоваться шаровидной или компактной формой графита, а также подобной металлической матрицей, чтобы сохранить в сварном соединении ценные свойства основного металла. Сфероидизации графитной фазы достигают путем введения в состав порошковых проволок магния, кальция, редкоземельных металлов, иттрия.

Так, проволока ПП-АНЧ-5, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона, содержит комплекс модифицирующих форму графита элементов — Mg + Ca + РЗМ, которые вводят в шихту в виде лигатуры на основе кремния.

Сварку ЧШГ порошковой проволокой выполняют с предварительным нагревом отливок или деталей до 400—600 °C. Диапазон режимов определяется скоростью подачи проволоки: для диаметра проволоки 3 мм I_св = 250-600 A, U_д = 25-40 В, v_п.пр = 80-350 м/ч, ток — постоянный прямой полярности. Заваренные отливки, как правило, подвергают термической обработке — отжигу. Сварные соединения идентичны по структуре основному металлу и равнопрочны ЧШГ ферритного (ВЧ 42-12), перлитно-ферритного (ВЧ 45-5) и перлитного (ВЧ 50-2) классов.

Шихта порошковой проволоки ППВЧ-1, разработанной во ВНИИЛитмаше, имеет в своем составе модификатор МР-1 или МР-2, изготовленный из иттрийсодержащего сырья. Сварку ЧШГ этой проволокой можно осуществлять с высоким подогревом сварочной ванны без опасности потери шаровидной формы графита в шве.

Порошковая проволока ППСВ-7, разработанная во ВНИИКомпрессормаше (Сумы, Украина) и содержащая большое количество силикокальция, была широко внедрена на предприятиях химического машиностроения для заварки литейных дефектов на чугунных отливках.

В 70—80 гг. былв предложена порошковая проволока для сварки и наплавки чугуна и других видов, но они по химическому составу и технологическим возможностям не добавляли ничего принципиально нового к приведенным выше.

Повышение производительности сварки и наплавки.

Практика заводов показала, что производительность сварки порошковой проволокой при наиболее распространенных режимах составляла 4—8 кг/ч наплавленного металла. При сварке с высоким предварительным подогревом, когда скорость подачи проволоки составляет 450—600 м/ч, производительность сварки возрастает до 15—20 кг/ч наплавленного металла. Сварка армированной порошковой проволокой ППЧ-3М за счет применения более высоких значений тока позволяет достичь производительности процесса до 15—17 кг/ч, что соответствует примерно производительности ручной дуговой сварки ванным способом чугунными электродами с диаметром стержня 14—16 мм.

С целью повышения производительности при заварке крупных дефектов было предложено использовать одновременную подачу в сварочную ванну трех порошковых проволок диаметром 3 мм.

Для этого был разработан специальный аппарат А-1072С, рассчитанный на ток до 2000 А. Тремя подающими механизмами проволоки подают одновременно по трем гибким шлангам в одну горелку.

Расчетная производительность — до 60 кг/ч наплавленного металла — на практике достигала лишь 35—40 кг/ч, поскольку трудно обеспечить бесперебойную работу всех трех подающих механизмов в течение длительного времени.

Другая возможность — применение порошковой проволоки увеличенного диаметра (4,5—6,0 мм) и видоизмененной конструкции: двухслойной или армированной порошковой проволокой диаметром 3 мм. Такой проволокой на специальном сварочном полуавтомате А-1072М выполняют сварку на высоких режимах, поддерживая большой объем наплавляемого чугуна в жидком состоянии и достигая производительности процесса до 25—30 кг/ч. Например, сварку проволокой ППЧ-9 (диаметром 5,0 мм) ведут на режиме: I_св = 1100-1300 А; U_д = 55-60 В; v_п.пр = 250-600 м/ч.

Сварка и наплавка легированных чугунов. При выполнении сварочных работ на отливках или деталях из легированных чугунов (при заварке литейных дефектов или восстановлении после повреждений) обычно применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами со стержнем из чугуна подобного химического состава, а также аргонодуговую или газовую сварку с присадкой однородных прутков. В то же время для легированных чугунов многих марок удается подобрать композицию шихты порошковой проволоки, обеспечивающую при сварке получение металла шва (наплавленного металла), идентичного по составу, структуре и свойствам основному металлу.

Так, аустенитные марганцовистые чугуны, содержащие 8—17 % Мn, стойкие против износа, коррозии, кавитации, частых теплосмен, имеют особые магнитные свойства. Сохранить в полной мере указанные свойства основного металла возможно только в том случае, когда металл шва близок к нему по химическому составу и структуре.

Cваривали пластины из чугуна следующего химического состава (%): 4,0 С; 9,15 Мn; 2,3 Si; 1,14 Ni; 2,9 Сu; 0,5 Аl; 0,006 S; 0,062 Р, со структурой, представляющей пластинчатый и розеточный графит в аустенитной матрице с включениями карбидной фазы. Временное сопротивление при растяжении такого чугуна составляет 140—160 МПа, а твердость аустенитной основы — 120—160 HV.

Разработана самозащитная порошковая проволока, компоненты шихты которой обеспечивают следующий химический состав металла шва (%): 3,0—4,5 С; 9—12 Мn; 2—3 Si; 2,5—3,0 Сu; 1,0—1,5 Ni; 0,3—0,7 Al; ≤ 0,01 S; ≤ 0,08 Р. Температура предварительного подогрева, при которой надежно предотвращается образование трещин в сварных соединениях, составляла 300—400 °C.

Искусственные дефекты глубиной 10 мм на пластинах толщиной 20 мм были заварены (наплавлены) в три-четыре слоя. Для механической обработки мест заварки плиты подвергали отжигу при 800 °C в течение 3 ч и охлаждали с выключенной печью. Микроструктура металла наплавленного слоя и ЗТВ — аустенитная матрица с очень малым количеством мелкодисперсной карбидной фазы и включениями графита компактной формы. Механические испытания показали, что временное сопротивление образцов находится на верхнем уровне этой характеристики для основного металла (около 160 МПа), а разрушение, как правило, происходит по основному металлу. Специальные исследования показали, что магнитные свойства наплавленного чугуна и основного металла практически не отличаются. Сделан вывод, что для сохранения физико-механических свойств аустенитного марганцовистого чугуна в сварных соединениях следует применять порошковую проволоку, обеспечивающую получение однородного и равнопрочного сварного шва.

Аустенитный никелевый чугун с шаровидным графитом МКС-1 обладает такими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, что в ряде случаев его можно применять вместо легированных сталей или медных сплавов. Сваривали пластины и части литых деталей – корпусов задвижек трубопроводов с толщиной стенок 8—12 мм из чугуна МКС-1. Химический состав чугуна (%): 2,5—2,6 С; 2,9—3,0 Si; 2,4—2,5 Мn; 19—20 Ni; ≤0,01 S; ≤0,2 Р. Графит — шаровидной формы, структура матрицы — аустенит; твердость 180—200 HV. Механические свойства при испытании на растяжение: σ_в = 470-490 МПа; σ_т = 230-250 МПа; δ = 38-42 %; ударная вязкость KСU = 32,5-32,7 Дж/см².

Искусственные дефекты объемом до 100 см3 на пластинах толщиной 20—30 мм заваривали экспериментальной порошковой проволокой диаметром 1,7—2,2 мм, обеспечивающей химический состав металла шва, близкий к основному металлу. Применяли предварительный подогрев пластин до 200—300 °C. В сварных соединениях структуры зоны сплавления и наплавленного металла идентичны: аустенитная матрица с равномерно распределенной графитной фазой. Дефекты в зоне сплавления и ЗТВ не обнаружены. При испытании сварных образцов на растяжение установлена равнопрочность соединений основному металлу (σ_в ≈ 500 МПа).

Снижение температуры предварительного подогрева. Следует отметить, что разработка состава порошковой проволоки для наплавки аустенитного никелевого чугуна с шаровидным или пластинчатым графитом позволила частично решить проблему снижения температуры предварительного подогрева. Эксперименты показали, что при прочих равных условиях сварки (наплавки) температуру подогрева можно снизить на 150—200 °C, однако склонность металла шва к образованию пор возрастает, что требует усложнения состава шихты за счет газошлаковой защиты; стоимость проволоки увеличивается из-за относительно высокого содержания никеля и других легирующих элементов, а сварочные аэрозоли более токсичные вследствие присутствия соединений никеля — потенциальных канцерогенов.

Проволоки специального назначения. В технологическом процессе вертикальной дуговой сварки чугуна с принудительным формированием шва реализованы преимущества как электрошлаковой сварки (отсутствие предварительного подогрева, высокое качество металла шва и соединения в целом), так и дуговой сварки порошковой проволокой (возможность широкого варьирования химическим составом наплавленного металла и выполнения швов большой протяженности, простота и универсальность применяемого оборудования).

Механические свойства металла шва в значительной мере определяются составом порошковой проволоки. Применение порошковой проволоки ПП-АНЧ-3 с относительно меньшим содержанием графита позволяет добиться увеличения доли перлита в структуре металла шва и уменьшения размеров графитных включений. При сварке порошковой проволокой ПП-СВ7 химический состав металла шва практически тот же, но благодаря модифицирующему действию входящего в ее состав силикокальция структура чугуна становится чисто перлитной, а включения графита еще более уменьшаются. Это обеспечивает повышение механических свойств металла шва. Еще больше повышает предел прочности металла шва (σ_в = 214-226 МПа) введение в состав проволоки оксида лантана.

При этом в зоне сплавления образуется мелкий точечный графит, а в металле шва — графит компактной формы, равномерно распределенный. Металлическая основа имеет ферритно-перлитную матрицу, ледебурит в сварном соединении отсутствует.

При испытании на растяжение образцов, вырезанных из сварного соединения, разрушение происходило по основному металлу (σ_в ≥179 МПа).

Современное состояние и дальнейшее развитие. К концу 80-х годов прошлого столетия уже был накоплен научный потенциал и практический опыт по разработке и применению порошковых проволок для сварки чугуна. Они обобщены в справочнике, многочисленных публикациях в журналах "Автоматическая сварка", "Сварочное производство", "Литейное производство" и др., тематических сборниках по сварке чугуна, докладах и тезисах научно-технических конференций. Было предложено более 50 составов порошковых проволок, защищенных авторскими свидетельствами, и даже предпринята попытка подготовить государственный стандарт на порошковые проволоки для дуговой сварки и наплавки чугуна, принятие которого было остановлено в 1990 г. вследствие сравнительно небольшого числа проволок, освоенных производством, и малых объемов их изготовления.

После 1991 г. исследования в области дуговой сварки чугуна в странах СНГ фактически не проводились, а практическое использование порошковых проволок осуществлялось по трем традиционным направлениям.

1. Создание литосварных изделий и конструкций. При автоматизированной сварке чугунных трубчаток теплообменников применены самозащитные порошковые проволоки ПП-СВ7 и ПП-СВ23, разработанные во ВНИИКомпрессормаше. С целью предотвращения образования трещин в сварных соединениях трубные решетки и торцы труб предварительно нагревали газовыми горелками до 450—550 °C, а при необходимости проводили также промежуточные подогревы после сварки восьми—десяти труб.

Структура металла шва при сварке проволокой ПП-СВ7 имеет перлитно-ферритную матрицу с разрозненными участками ледебурита, а также отдельные компактные включения графита. В зоне сплавления формируется несплошная полоса металла шириной до 400 мкм с твердостью 370—460 HV. Полученные трубчатки с 31 трубой, длиной 2 м использованы при изготовлении кожухотрубных теплообменных аппаратов для охлаждения горячей концентрированной серной кислоты в ПО "Химпром" (Сумы).

При увеличении числа труб в трубчатке перспективно применять вертикальную дуговую сварку с принудительным формированием металла шва заранее подготовленных по приведенной выше технологии секций в количестве 2—6 шт.

В автомобильном производстве США разработана технология сварки трубы из стали SAE 1035 с изготовленной из чугуна SAE D4512 обоймой, охватывающей цапфу передней оси. Механические свойства чугуна: σ_в = 455 МПа, σ_0,2 = 315 МПа, δ = 12 %. Механизированную дуговую сварку в защитном газе выполняли порошковой проволокой.

Состав металла полученного сварного шва (%): 50 Ni; 44 Fe; 4,2 Mn; 0,6 Si; 1,0 С. Обеспечены необходимые прочность и усталостный ресурс сварного узла.

2. Заварка дефектов литья. Разработана технология механизированной сварки порошковой проволокой применительно к исправлению литейных дефектов на тюбингах шахтных стволов и метрополитена. Замена тюбингов из серого чугуна тюбингами из ЧШГ дает большую экономию металла за счет уменьшения толщины стенок и, следовательно, массы. Этот эффект возрастает при использовании ЧШГ с перлитной основой. Сварка такого чугуна, однако, затруднена вследствие его низкой пластичности.

Для обоснования рекомендаций по тепловому режиму заварки литейных дефектов на тюбингах исследовали влияние термических циклов при дуговой сварке на структуру и свойства ЧШГ с перлитной основой. Знание кинетики превращения аустенита в основном металле облегчило обоснование температуры предварительного подогрева, промежуточных подогревов (при необходимости), а также режимов термической обработки — отжига с нормализацией — после заварки дефектов.

3. Ремонт поврежденных деталей. В зависимости от применяемых электродных или присадочных материалов все способы восстановительной сварки можно разделить на две группы: обеспечивающие получение в металле шва чугуна или сплавов на основе цветных металлов. Для получения однородного соединения применяют ручную дуговую сварку электродами с чугунным стержнем или механизированную дуговую сварку порошковыми проволоками. Примеры таких технологических процессов для восстановления чугунных деталей с толщиной стенки 40 мм и более приведены в работе.

Традиционной областью применения механизированной сварки порошковой проволокой остается ремонт сталеразливочной оснастки из чугуна, где порошковая проволока используется как для наплавки облицовочного слоя из низкоуглеродистой стали (ПП-АН11), так и рабочего слоя из серого чугуна (ПП-АНЧ-2).

В межгосударственном стандарте (ГОСТ 30430—96), действующем с 1 июля 1998 г., порошковые проволоки представлены марками ПП-АНЧ-2, ПП-СВ7, ППЧ-ЗМ, ППЧ-9 (для сварки и наплавки чугуна с пластинчатым графитом) и ПП-АНЧ-5 (для сварки и наплавки чугуна с шаровидным графитом). В стандарте сформулированы требования к технологическим процессам дуговой сварки и наплавки чугуна, даны рекомендации по режимам сварки каждой конкретной проволокой и нормы расхода порошковых проволок.

ООО "НПФ "Элна", которое специализируется на разработке и производстве порошковой проволоки для дуговой сварки и наплавки, а также дугового и плазменного напыления, разработало новые технические условия на порошковые проволоки ПП-АНЧ-2С и ПП-АНЧ-5М для сварки чугуна (ТУ Украины 28.7-21459234-020 — 2004). В них скорректирована или изменена сырьевая база некоторых компонентов шихты, улучшены сварочно-технологические характеристики порошковых проволок ПП-АНЧ-2 и ПП-АНЧ-5. Так, небольшие добавки силикокальция в проволоки повысили стабильность горения дуги и уменьшили разбрызгивание, что ведет к снижению их расхода при сварке.

Порошковые проволоки, отвечающие требованиям новых ТУ, широко опробованы на ряде предприятий Украины, России и Белоруссии для исправления дефектов литья на отливках из серого и высокопрочного чугунов, восстановительной наплавки изношенных валов, барабанов волочильных станов, тормозных барабанов лифтов, катков и других подобных деталей.

Разработка новых электродных и присадочных материалов для сварки чугуна, в том числе и порошковых проволок, будет продолжаться и в дальнейшем. Это обусловлено тем, что невозможно создать универсальный материал, удовлетворяющий всем предъявляемым требованиям в разнообразных ситуациях. Даже в рамках одного способа, например дуговой сварки, существует различный подход к выбору сварочного материала в зависимости от марки чугуна, толщины стенки детали, условий эксплуатации отливок, деталей или литосварных изделий.

С целью снижения температуры предварительного подогрева перед сваркой перспективно разрабатывать порошковые проволоки, обеспечивающие получение в металле шва или наплавленном металле структуры никелевого чугуна с аустенитной основой [6]. Для увеличения содержания никеля и повышения пластичности металла шва следует при изготовлении порошковой проволоки использовать ленты из никеля или высоконикелевых сплавов. Определенной корректировки требуют составы проволок сплошного сечения и порошковых проволок, если их применяют в автоматизированных и роботизированных процессах дуговой сварки. Развитию этих процессов следует придавать приоритетное значение, так как только при их применении можно организовать крупномасштабное изготовление литосварных изделий и конструкций из чугуна, заварку литейных дефектов и восстановление поврежденных деталей, что обеспечит максимальный экономический эффект при высоком качестве соединений.

• Порошковая проволока для наплавки и ремонта деталей (ESAB) ЧАСТЬ 1 >