СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ЧУГУНА Российский патент 1997 года по МПК B23K9/14 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при сварке деталей и чугуна в различных отраслях народного хозяйства.

Известен дуговой процесс сварки чугуна. г. Ульяновск УЭТС (журнал "Сварочного производства" N 3 1981 г. с.33) где разделку кромок несквозных дефектов выполняют воздушно-дуговой резкой, вырубкой пневмоинструментом и фрезерованием. Обязательна подформовка места сварки специальным огнеупорным составом. Используют также шамотные кирпичи и графитовые пластины. При подготовке трещин под заварку их обязательно рассверливают по концам и разделывают до общего угла раскрытия кромок 60 90. При длине трещины более 200 мм используют вставки замки типа восьмерок. Сварку ведут специальными электродами на медно-никелевой основе.

Процесс сложен и не надежен. Известен способ дуговой сварки и наплавки чугуна (авт.св. N 297443, кл. B 23 K 9/16 1971), преимущественно многопроходный в смеси кислорода и углекислого газа, первые проходы выполняют в смеси с 95% содержанием кислорода, а последующие с постепенным уменьшением его содержания до 5% При сварке по данному способу сварной шов получается непрочным и негерметичным из-за искаженного теплового процесса, который сопровождается хлопками и обилием брызг.

Выбран за прототип (Способ электродуговой сварки чугуна по патенту N 1811458A3, кл. B 23 K 9/14, 9/173 1993).

Способ включает предварительный подогрев, а также разделку кромок и сварку. Предварительный подогрев осуществляют дугой плавящегося электрода, при этом подогрев и разделку кромок выполняют с периодическим горением дуги, со скоростью не менее 15 мм/с и длительностью пауз, вдвое превышающей длительности периодов горения дуги, после разделки кромок проводят оплавление кромок с удалением расплавленного металла, причем подогрев, разделку и оплавление кромок выполняют на токе, превышающем ток сварки на величину от 30 до 50%
Способ имеет ряд недостатков:
1. Сварное соединение подвержено усадкам и деформациям, т.к. основной металл в кромках при сплавлении переходит из более рыхлого состояния в более плотное сокращаясь в объеме, в результате внутреннее напряжение может перерасти прочность основного металла, что приводит к долевому разрыву основного металла прилегающему к зоне сплавления.

2. В способе не заложено приемов снятия напряжения (отжига) со сварных швов, что также приводит к накоплению внутренних напряжений в сварном шве.

3. В способе для подогрева, разделки и оплавления кромок используют превышающий ток сварки на величину от 30 до 50% что приводит к сложности выполнения операция, прожогу тонкостенных деталей из-за большого рассеивания дугового пространства.

4. В способе не принято дополнительных мер способствующих медленному остыванию термической зоны после сварки, а известные рекомендации, такие как покрытие горячей зоны деталей сухими опилками, может привести к пожару. Засыпать горячим песком трудоемко и не всегда возможно.

Целью изобретения является повышение качества сварного соединения различных толщин и конфигураций шва.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа (патент N 1811458A3) подогрев, разделку и оплавление кромок обеспечивают дугой плавящейся электродной проволоки в среде защитного газа усадку металла в разъемных (не соединенных), нагретых и оплавленных кромах проводят до полной свободной кристаллизации при остывании, снятие напряжений с валиков (отжиг) шва обеспечивают проходом дуги плавящего электрода с сохранением геометрии валика, медленное остывание сварного соединения обеспечивают путем поддержания подогрева дугой плавящегося электрода на металлической пластине, прилегающей к зоне шва.

Существенным признаком данного изобретения является то, что подогрев, разделку, оплавление кромок и сварку обеспечивают дугой плавящейся электродной проволоки в среде защитного газа или в комбинированном сочетании с покрытыми штучными электродами. Этот существенный признак приобретает новые свойства заключающийся в том, что позволяет избирательно влиять на дуговой процесс путем изменения ионизационного процесса, а также диаметра и скорости подачи присадочного материала.

Второй отличительный признак заключается в том, что с целью предотвращения трещин вдоль шва предварительно в нагретых, оплавленных не соединенных между собой кромок, обеспечивают усадку прогретого металла, а затем приступают к их соединению между собой.

Третий существенный признак заключается в том, что с целью повышения прочности сварного соединения, проводят снятие напряжения с валиков (отжиг) шва путем прохода дуги плавящегося электрода вдоль валика без изменения его геометрии.

И четвертый существенный признак заключается в том, что с целью повышения пластичности сварного соединения и его зоны, обеспечивают медленное остывание путем поддержания подогрева дугой плавящегося электрода на металлической пластине, прилегающей к зоне шва.

Процесс начинают с предварительного подогрева деталей, который проводят полуавтоматической сваркой в среде защитного газа скорость подачи проволоки от традиционной сварки уменьшают примерно на 10% для устойчивого горения дуги, причем первоначально проходы дуги для тепловложения проходят быстро (присадочный материал образует пыль на деталях). Следующие проходы дугой проводят медленнее (присадочный материал остается на деталях в виде застывших капель и пристающих наплавленных участков). Дальнейшие проходы проводят еще медленней. После разогрева кромок до нужной температуры и деталей до температуры, исключающей возможность образования в зоне шва трещин и зон отбела, проводят электродуговую разделку кромок выплавкой основного металла до нужной конфигурации и размеров. Для обеспечения беспрепятственного удаления расплавленного металла детали устанавливают таким образом, чтобы свариваемые кромки находились вертикально или наклонно, обеспечивая вытекание расплавленного металла сквозным проплавлением или удалением расплава прутком. Разделка кромок в предлагаемом решении является продолжением подогрева деталей в зоне шва для успешного проведения последующих операций.

Подготовку разделанных и разогретых кромок к сварке проводят несколькими проходами горящей дуги с плавящейся электродной проволокой вдоль кромок сверху вниз, при этом обеспечивают свободное стекание расплавленного металла за пределы кромок, с каждым разом обновляя металл в матрице кромок до образования переходного слоя, обеспечивающего хорошую свариваемость и состоящего практически из присадочного металла. При этом размеры и конфигурация кромок существенно не изменяется, т.е. по крайней мере ничего не предпринимается, чтобы их изменить. Поведение металла в расплавленной ванночке контролируют визуально и добиваются прекращения кипения металла, которое наблюдается в присутствии вредных примесей мешающих хорошему свариванию. Вредные примеси удаляются из переходного слоя вместе с выплавляемым (заменяемым) металлом. Процесс подготовки кромок можно назвать промывкой, так как в каждом новом проходе в момент сплавления происходит сильное разбавление содержания примесей и поступление металла без примесей обеспечивая чистоту кромок. Толщина переходного слоя составляет как правило 2 4 мм и определяется глубиной проплавления металла в перемещающейся ванночке в зоне горения дуги.

В переходном слое при остывании основной металл переходит из рыхлого состояния в более плотное, при этом стремится сократиться в объеме (так называемая усадка), усадку проводят до начала соединительного процесса кромок, путем обеспечения свободного остывания на воздухе до полной кристаллизации металла в переходном слое. При сварке ответственных деталей заполнение кромок ведут в несколько проходов валиком и после каждого прохода с валика снимают напряжение (отжиг) путем прохода дуги плавящегося электрода сверху вниз в доль валика. Для сохранения формы шва расплав присадочного металла выплавляют за пределы шва наклоном дуги вниз, операции ведут в обычных режимах сварки полуавтоматической или ручной сваркой штучным электродом.

Для повышения пластичности сварного соединения и его зоны, после окончания заполнения кромок присадочным металлом в зоне шва, обеспечивают длительное остывание наплавленного металла путем поддержания подогрева дугой плавящегося электрода на металлической пластине, прилегающей к зоне шва, или перемещением подогреваемой пластины по необходимым участкам, поддержание подогрева можно осуществлять полуавтоматической или ручной сваркой штучными электродами.

Основным фактором, определяющим получение положительных результатов (повышение качества сварных соединений различных толщин и конфигураций) при подогреве дугой, является участие малого объема дугового пространства, получаемого при полуавтоматической сварке с использованием тонких проволок в среде защитного газа, обеспечение предварительной усадки металла в оплавленных кромок до соединения их швом, снятие напряжение (отжиг) с валиков шва дугой плавящегося электрода с сохранением геометрии валиков и обеспечения медленного остывания зоны шва подогревом дуги плавящегося электрода с сохранением формы шва.

Пример 1. В процессе сваривали блок дизельного двигателя румынского производства, он был разморожен и имел трещины по клапанам с течью из рубашки охлаждения. Блок установили таким образом, чтобы свариваемые кромки находились вертикально. Для выполнения сварочного процесса использовали источник сварочного тока ВС 300 комплектуемый полуавтоматом А 547У и присадочной проволокой СВ 08Г2С диаметром 1,2 мм. Режим сварки подбирали из расчета: сила тока 160 180 А, напряжение 21 В, вылет электрода 9 15 мм. Режим сварки предварительно корректировали на пластине (образце) и после получения нормального процесса сварки, скорость подачи проволоки уменьшали до образования расплывчатого шва и надежного возбуждения дуги. Операцию начинали с подогрева детали быстрыми (со скоростью 75 150 мм/с) проходами дуги сверху вниз вдоль будущих кромок, затем операцию повторяли, но время прохода увеличивали в два раза (скорость 40 50 мм/с) и снова проходы осуществляли со скоростью 30 40 мм/с. В следующих проходах скорость перемещения дуги задавали 15 мм/с, при этом обеспечивалась дуговая выплавка кромок, в 2 3 прохода дуги задавали конфигурацию и размеры кромок. После этого увеличили скорость подачи проволоки до получения в сварном шве возвышенного валика с сохранением стабильного возбуждения дуги и приступили к промывке кромок, которую проводили со скоростью 30 40 мм/с, давая стекать металлу с оплавляемых кромок, и тут же наплавляя присадочным металлом. При этом наблюдали поведение ванночки как она кипит и сплавляется с основным металлом. Промывку проводили до достижения плотной структуры в границах кромок, хорошей смачиваемости ванночки металла в ней, т.е. до создания в пределах кромок состава металла близкого к хорошо свариваемой низкоуглеродистой стали.

Затем сделали остановку 1 2 мин, чтобы свободно прошла усадка оплавленных швов, на вид он имел сероватую окраску поэтому этот валик удалили дуговой выплавкой и наложили новый, который имел светлую окраску, по валику провели отжиг проходом дуги плавящегося электрода сверху вниз с сохранением геометрии шва.

После окончания процесса сварки нагрели другую металлическую пластину и наложили на участки швов и его зоны, в которой периодически поддерживали нагрев дугой плавящегося электрода в течении 20 мин. После остывания детали произвели расточку швов на координатном станке обычной фрезой и блок принял рабочее состояние.

Пример 2. Сваривали между собой разъемные по вертикали две плоскости конуса из серого чугуна СЧ-28, диаметр основания и высота составляли 600 мм. Деталь устанавливали основанием на металлический лист, а для изоляции теплопотерь между сварочным столом и металлической пластиной подложили металлические шайбы. Использовали источник постоянного сварочного тока ВДУ - 504 1 а сварочные материалы электроды УОНИ диаметром 4 м. Режимы сварки подбирали из расчета 250 А и начинали с подогрева детали проходами дуги плавящегося электрода вдоль будущих кромок сверху вниз поочередно с обеих сторон, проход сверху вниз составлял во времени 4 6 с (скорость 10 15 мм/с). Эти циклы повторяли еще четыре раза, затем в кромках металл нагрелся до такой степени, что операция подогрева перешла в дуговую выплавку расплавленного металла и приступили к разделке кромок также с чередованием сторон до глубины 100 мм. После этого сварочный ток снизили до 180 А и приступили к сварке и одновременно промывке кромок снизу вверх вертикальным швом. Вначале был промыт от плохой свариваемости нижний участок длиной 10 20 мм и на нем был сформирован выступ в виде начала шва, затем в расплавленной ванночке обеспечивали промывание расплавленного металла путем сдвигания расплава с примесями плохой свариваемости на край сползания уступа шва и удаляли его за пределы шва дугой электрода, затем дополняли валик уступа шва электродным металлом без примесей с обеспечением хорошей смачиваемости в соединительном слое ванночки. Такими действиями формировали сварные швы с чередованием обеих сторон. После каждого полного прохода валика шва подчищали кромки у шва проходом дуги плавящегося электрода сверху вниз с одновременным снятием напряжения с валика шва (отжиг). Заполнение кромок вели до возможного принятия участия газоэлектрической горелки, это примерно 40 мм незаполненных кромок, затем перешли на полуавтоматическую сварку в защитной среде углекислого газа, присадочной проволокой Св 08Г2С диаметром 2 мм, на режимах тока 280 300 А, напряжение 28 30 В, вылет электрода 20 25 мм, источник сварочного тока остался прежним, сварку выполняли вертикальным швом с чередованием обеих сторон до заполнения кромок.

Сварная деталь (таким образом) имела хорошую обрабатываемость обычным резцом на токарном станке и в дальнейшем использовалась как монтажная оправа с нагрузками ударов кувалдой.

Использование: способ может быть широко использован при сварке деталей из чугуна в различных отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: при сварке чугуна подогрев, разделку кромок, оплавление и сварку производят в среде углекислого газа стальной проволокой со скоростью подачи проволоки на 10% меньше установленной для данных режимов. Перед сваркой производят охлаждение на воздухе нагретых кромок. При сварке производят охлаждение после каждого прохода дугой сверху вниз вдоль валика. После заполнения кромок осуществляют подогрев шва дугой, горящей между электродом и пластиной, прилегающей к зоне шва.

Способ электродуговой сварки чугуна, включающий подогрев, разделку кромок и сварку в полуавтоматическом режиме в среде углекислого газа, отличающийся тем, что, с целью удешевления технологии сварки при одновременном повышении качества сварки, подогрев, разделку кромок, оплавление и сварку производят в среде углекислого газа стальной проволокой со скоростью подачи проволоки на 10% меньше установленной для данных режимов, перед сваркой производят охлаждение на воздухе нагретых кромок до полной кристаллизации металла в переходном слое, сварку ведут в несколько проходов и после каждого прохода производят отжиг путем прохода дугой сверху вниз вдоль валика, а после заполнения кромок осуществляют подогрев шва дугой, горящей между электродом и пластиной, прилегающей к зоне шва.