Применение проволоки порошковой для сварки, наплавки чугуна ПП-АНЧ-1, ПП-АНЧ-2, ПП-АНЧ-3
Сварка чугуна порошковой проволокой
Чугун, при всех своих достоинствах, относится к числу трудносвариваемых сплавов железа. Основная причина возможных неудач со сваркой чугуна - высокое содержание углерода.
Во время процесса сварки (или наплавки) имеющийся углерод мигрирует в металл сварного шва и/или в зону термического влияния, прилегающую к металлу шва. Твёрдость, а, следовательно, и хрупкость, существенно возрастают. Это становится причиной последующего растрескивания чугуна.
Вторая проблема – добиться приемлемой производительности процесса. Например, при газовой сварке вышеуказанных явлений практически не наблюдается. Из-за меньшей температуры диффузия углерода в поверхностные слои ниже, но зато падает производительность, что имеет значение при сварке массивных изделий.
Что же касается дуговой электросварки, то локальное повышение температуры, присущее такому виду неразъёмного соединения, вызывает неравномерное расширение разных участков свариваемых металлов. Это может создавать трещины на некотором расстоянии от готового сварного шва. Таким образом, при сварке чугуна возникает необходимость использовать особые расходные материалы, которые, не влияя на производительность, обеспечивали бы подачу нужного количества обогащённого графитом флюса в зону дугового разряда.
Что такое порошковая проволока
Как заварить чугун и как наплавить чугун?
Порошковая проволока является наилучшим вариантом решения данных проблем, связанных с низкой производительностью, оптимальными условиями прогрева заготовок и обеспечением должной производительности процессов.
Известны самозащитные порошковые проволоки, покрытые слоем флюса. При его выгорании от тепла дуги образуется защитный экран, который ограничивает температурный градиент на поверхности значениями в 500…700 °C. В результате улучшаются условия труда, и снижается опасность растрескивания чугуна.
Порошковая проволока в виде непрерывно подаваемого расходного материала была изобретена учёными Всесоюзного института электросварки им. Патона в середине прошлого века.
Она представляет собой полую стальную оболочку круглого поперечного сечения, внутри которой содержится шихта определённого химического состава.
Применение непрерывно подаваемого в зону сварки расходного материала обеспечивает следующие преимущества:
• Исключается необходимость в предварительном подогреве заготовок;
• В состав шихты можно вводить большее количество компонентов;
• Минимизируется выгорание стальной оболочки полой проволоки;
• Можно регулировать состав компонентов, находящихся во внутренней полости;
• Для сварки чугуна порошковой проволокой не требуется внешний защитный газ, предохраняющий сварной шов от атмосферных воздействий.
Основные составляющие порошковой проволоки были разработаны таким образом, чтобы получить характеристики, недостижимые при сварке сплошной проволокой. Поскольку вся защита обеспечивается защитным газом, компоненты сердцевины должны быть тщательно выбраны, чтобы увеличить производительность сварки в определенной области, например, для получения плавного переноса распылением. При этом фактическая скорость сварки примерно в два раза выше, чем при сварке чугуна электродами с внешним флюсовым покрытием.
Порошковая проволока, разработанная специалистами института Патона, несмотря на повышенную трудоёмкость её производства, может использоваться как для неразъёмного соединения чугунных деталей, так и для ремонтно-восстановительных операций.
Состав, характеристики и марки проволоки для сварки чугуна
Процессы сварки чугуна включают использование:
• Электрода в виде непрерывно подаваемой проволоки;
• Источника сварочного тока с постоянным напряжением;
• Прочих приспособлений (сварочных пистолетов и кабелей, устройств подачи), аналогичных тем, которые используются при сварке металлов активным газом.
Для плавления основного металла в области сварного шва применяется тепло, создаваемое электрической дугой.
Флюсовая смесь, которая находится в трубчатом электроде, при сгорании вступает в реакцию со сварочной дугой, образуя газ, который обеспечивает защиту сварочной ванны.
Благодаря проникающим свойствам состава порошковой проволоки и высокой скорости сварки/наплавки, применение описываемого процесса целесообразно для сварки на открытом воздухе или при сварке поверхностно загрязнённых металлов и сплавов.
Таким образом, данная технология является достойной альтернативой технологии ручной электросварки.
Внутреннее наполнение присадочной проволоки должно состоять из элементов, которые создают защитные газы, образующиеся при горении сварочной дуги.
Для сварки оптимальные значения составляют:
1. Углерод, % - 0,05…0,10.
2. Марганец, % - 1,30…1,75.
3. Кремний, % - 0,30…0,70.
4. Медь, % - 0,10… 0,40.
5. Никель, % - 0,20… 0,80 %.
6. Рутил, % - 2,0… 5,5 %.
7. Флюорит, % - 1,0…3,5 %.
8. Мрамор, % - 2,0…6,0 %.
Таким образом, в состав порошка входят все основные химические элементы, имеющиеся в обычной малоуглеродистой стали (включая никель и медь как неизбежные примеси). Они повышают пластичность готового сварного шва.
Наличие рутила (минерала, состоящего в основном из диоксида титана) способствует образованию так называемой «мягкой» дуги, при которой образование шлака легче контролировать, а дугу легче зажигать, в том числе, и повторно.
Присутствие флюорита (фторида кальция CaF2 или плавикового шпата) обеспечивает снижение в металле шва процентного содержания серы и кислорода. Таким образом, увеличиваются прочность и ударная вязкость сварного шва, а также повышается сопротивление горячему растрескиванию. Наличие флюорита улучшает условия проведения позиционной сварки при всех положениях.
Являясь природной смесью газообразующих соединений карбонатов кальция, магния и железа, мрамор улучшает экранирование зоны сварного шва, что исключает насыщение металла сварочной ванны кислородом и азотом атмосферного воздуха, возможное при температурах более 650…700 °C.
Порошковая проволока, предназначенная для наплавки и наварки поверхности чугунных изделий, обязательно содержит твёрдую фазу особо мелкозернистого карбида.
Её состав:
1. Хром - 8,6…20,2 %
2. Бор - 1,2…4,1 %
3. Ниобий - 0,5…2,4 %
4. Углерод - 0,47…1,9 %
5. Марганец - 1,86…2,9 %
6. Кремний - 1,5…2,5 %
7. Железо – остальное.
Применение порошковой проволоки
Разработаны следующие марки:
• ППЧ-1 (новое название – ПП АНЧ-1), используется для сварки и наплавки небольших чугунных деталей без их последующей механической доработки, отличается наибольшим процентом углерода и кремния;
• ППЧ-2 (в настоящее время – ПП АНЧ-2), рекомендуется для сварки и наплавки чугунных изделий с пластинчатым графитом при предварительном поверхностном подогреве до температур не выше 3500 °C. Применяется для сварки чугунных отливок больших габаритных размеров с возможной естественной усадкой сплава;
• ППЧ-3 (сейчас - ПП АНЧ-3), допускает предварительный подогрев чугунной заготовки до 500…600 °C. Пригодна для сварки массивных изделий из чугуна с различными стальными деталями.
В ГОСТ 30430-96 предусмотрены и другие марки порошковой проволоки, которые предназначены для сварки и наплавки чугуна.
В частности, для обработки отливок, которые произведены из высокопрочного чугуна ВЧ с шаровидной структурой углерода, используется порошковая проволока марки ПП-АНЧ-5.
Типовыми чугунными деталями, при сварке/наплавке которых используются рассматриваемые расходные материалы, являются станины многошпиндельных токарных автоматов, корпуса мощных компрессорных установок и т.п.
Рекомендуемые ГОСТ 30430-96 параметры технологического процесса сварки чугуна порошковой проволокой:
• Наружный диаметр проволоки, 3-мм;
• Сила сварочного тока, А - 250…550;
• Напряжение на дуге, В - 18…22;
• Скорость подачи расходного материала, мм/с - 80…250;
• Ток – постоянный;
• Полярность тока – прямая.
При заварке дефектов площадью более 100 см2 скорость подачи рекомендуется снижать до значений 10…30 мм/с.
Следует отметить, что, в связи со сравнительно небольшой сферой применения проволоки марок ПП АНЧ-1 и ПП АНЧ-3, ГОСТ 30430-96 не регламентирует их технические требования, поэтому данная продукция производится по ТУ предприятий – производителей.
Достоинства и ограничения порошковой проволоки
Процесс дуговой сварки порошковой проволокой находит своё применение в таких отраслях, как строительство, ремонт тяжёлого производственного оборудования, монтаж металлоконструкций, судостроение и т. д.
В отличие от большинства других сварочных процессов, сварка порошковой проволокой работает со всеми видами материалов, даже если они загрязнены (за исключением сварки поверхностей, не очищенных от масла или краски).
Важно, что при данном виде сварки возможно надёжное соединение поверхностей, покрытых прокатной окалиной и ржавчиной.
Основные преимущества данной технологии сварки и наплавки:
1. Более высокая производительность.
2. Нечувствительность к состоянию соединяемых поверхностей.
3. Процесс идеален для всех положений сварки и работ на открытом воздухе.
4. Простота применяемых приспособлений и оснастки, что делает технологию удобной для быстрого освоения.
5. Независимость конечного результата от квалификации сварщика.
6. Минимум дополнительного оборудования.
С технологической точки зрения сварка/наплавка порошковой проволокой придаёт сварным соединениям повышенную механическую прочность и надёжность, способствует меньшему количеству дефектов сварных швов.
Среди ограничений технологии необходимо отметить:
1. Невозможность полной автоматизации процесса, в связи с чем может снижаться точность формообразования сварного шва.
2. С предосторожностью следует применять данный процесс вблизи мест выделения токсичных паров: сварка должна производиться в хорошо вентилируемом помещении.
3. Стоимость порошковой проволоки выше, чем сплошной.
4. Для получения высококачественной поверхности сварного шва необходимо производить постоянное удаление образующегося шлака.
Для реализации процесса сварки/наплавки чугуна порошковыми проволоками марок ПП АНЧ-1, ПП АНЧ-2 и ПП АНЧ-3 необходимо оснащение рабочего места специальными подающими устройствами, отличающимися пониженными нагрузками на подающие ролики (при тех же параметрах захвата проволоки). Обычно с этой целью применяют не гладкие ролики, а инструменты с насечкой или накаткой профиля.
При полуавтоматической сварке изделий из чугуна использование порошковой проволоки оптимального химического состава гарантирует высокую производительность при любом расположении сварного шва, хорошее качество поверхности, отсутствие разбрызгивания металла, стабильность энергосиловых характеристик обработки.
Рассмотренная технология работоспособна и в полевых условиях, обеспечивая, в частности, равномерность процесса заварки дефектов на нетранспортабельных чугунных конструкциях.
