Способность металлов образовы­вать неразъемное соединение с заданными свойствами оценивается понятием свариваемость. Свариваемость — изменяемая характе­ристика и зависит не только от свойств свариваемых металлов (химического состава, структуры и т. д.), но и от способа и режи­мов сварки, состава присадочных материалов, флюсов и пр.

Протекание физико-химических процессов (диффузия в жидком и твердых состояниях, способность образовывать жидкие и твер­дые растворы, кристаллизация наплавленного металла), которые приводят к образованию неразъемного соединения, называют фи­зической (принципиальной) свариваемостью. Способностью сва­риваться обладают все однородные металлы, образующие рас­творы и смеси эвтектического или неэвтектического состава. Не соединяются сваркой плавлением металлы и сплавы, не обладаю­щие взаимной растворимостью в жидком состоянии и образующие _хрупкие химические соединения.

“ Чугун с точки зрения физической свариваемости относится к группе хорошо свариваемых металлов, так как обладает неогра­ниченной растворимостью основного и присадочного металла в жидком состоянии (за исключением меди и некоторых других металлов), возможностью диффузии в твердом и жидком состоя­ниях и образованием твердых растворов.

Способность металла свариваться еще не определяет возмож­ность получения сварного соединения, отвечающего предъявляе­мым к нему требованиям (работоспособность, экономичность и т. д.). Металл шва и околошовной зоны обычно по многим пока­зателям заметно отличается от основного металла. Эти отличия, даже при хорошей физической свариваемости, могут приводить к низким свойствам сварного соединения в целом.

Поэтому принято способность основного металла при данной технологии образовывать сварное соединение без нарушения сплошности, искажения форм и снижения его качества характе­ризовать технологической свариваемостью. Это понятие зависит от состояния технологических процессов, по мере совершенство­вания которых ранее трудносвариваемые материалы становятся хорошо свариваемыми. Состояние современной сварочной техники показывает, что все материалы, обладающие физической свари­ваемостью, могут образовывать удовлетворительные сварные сое­динения. При этом трудносвариваемые материалы требуют при­менения более сложной технологии сварки. С точки зрения тех­нологической свариваемости чугун относится к трудносваривае - мым металлам.

Получение углерода в связанном или структур но-свободном состоянии зависит от химического состава чугуна, условий кри­сталлизации и остывания сплаваг а также режима последующей термообработки. Получение серый чугунов требует замедленного охлаждения сплава. По мере повышения скорости охлаждения увеличивается вероятность получения белых чугунов.

Углерод, кремний, алюминий, никель, кобальт, медь способ­ствует графитизации чугунов. Сера, ванадий, хром, молибден, марганец, оказывают обратное действие, т. е. препятствуют рас­паду карбидов железа и выделению свободного углерода.

Углерод снижает температуру плавления сплава и повышает его жидкотекучесть. С повышением содержания углерода в сплаве увеличивается количество и размеры графитовых включений, что снижает вероятность отбела, но в то же время ухудшает механи­ческие свойства чугуна.

Кремний уменьшает растворимость углерода в железе, так как межатомные силы связи с железом у него большие, чем у угле­рода. В то же время кремний является наиболее сильным графи - тизирующим элементом. Это действие особенно заметно при со­держании его —3%, дальнейшее увеличение сказывается менее заметно, поэтому в присадочных прутках для создания в шве благоприятных условий графитизации содержание кремния со­ставляет несколько более 3%. Большое влияние на структуру чу­гуна оказывает суммарное соотношение концентрации углерода и кремния. При сварке применяют присадочные прутки, как пра­вило, эвтектического состава.

Марганец стабилизирует карбиды, т. е. способствует отбелу чугуна. Однако это его свойство проявляется наиболее сильно при содержании в сплаве более 1,5% Мп. При меньших количе­ствах он оказывает даже положительное влияние на процесс гра­фитизации и, кроме того, устраняет отрицательное влияние серы, образуя с ней сернистый марганец (MnS), плохо растворимый в жидком и твердом чугуне и сравнительно легко удаляемый из металла в шлак.

Сера в чугунах является вредной примесыо. Она не только вы­зывает отбел чугуна, но образуя по границам зерен сравнительно легкоплавкую эвтектику (Fe—FeS), способствует образованию горячих трещин. Верхний предел содержания серы в чугунах 0,10%.

Фосфор в сплаве увеличивает жидкотекучесть и понижает тем­пературу затвердевания чугуна, способствует его графитизации. Вместе с тем фосфор'увеличивает склонность чугуна к образова - нию трещин. Содержание его в чугунах обычно не превы­шает 0,2%.

Повышенное содержание хрома, молибдена и других элемен­тов, увеличивающих прокаливаемость металла, приводит к повы­шению твердости в зоне термического влияния.

Чугунам свойственна склонность к образованию в сварном соединении структур отбела и закалки, трещин и пор. Структура наплавленного металла определяется условиями и кинетикой его кристаллизации, которая в значительной мере зависит от усло­вий сварки: скорости охлаждения, состояния жидкого металла и химического состава. Достаточно хорошо изучена роль этих фак­торов при изготовлении отливок. При сварке, когда получение жидкого металла протекает в совершенно иных условиях (ско­рости охлаждения сварочной ванны и наплавленного металла весьма велики), данные вопросы требуют специального рассмотре­ния.

При всех способах сварки плавлением для локального расплав­ления металла применяются мощные источники тепловой энер­гии, позволяющие вводить в ограниченный объем большое коли­чество теплоты, создавать значительное местное повышение тем­пературы. Это приводит, как правило, к значительному перегреву расплавляемого при сварке металла.

Сварочная ванна образуется путем смешивания наплавляемого металла с расплавляемым основным. При дуговой сварке темпе­ратура капель достигает 2100—2500° С при средней температуре ванны около 2000° С [13]. Таким образом, при сварке перегрев металла значительный. В литейной практике считается, что чу­гун значительно перегрет, когда его температура достигает 1500°С. Перегрев чугуна изменяет его химический состав (в том числе содержание газов), оказывает влияние на вязкость, поверхност­ное натяжение, переохлаждение при кристаллизации.

Состояние жидкого чугуна обусловливается не только нагре­вом, но и выдержкой при этой температуре, модифицированием и другими методами обработки в процессе кристаллизации, исход­ными шихтовыми материалами и режимом плавки (сварки). Мо­дифицирование, продувка газами и другие методы обработки жид­кого чугуна воздействуют на степень графитизации, форму, раз­меры и распределение графита. Подготовка шихтовых материалов также оказывает влияние на процессы кристаллизации и струк - турообразование чугуна. Высокий перегрев металла, вызываемый процессом горения дуги; выдержка жидкой ванны, регулируемая температурой предварительного подогрева и техникой сварки (ско­рость перемещения электрода, сварка валиками или ванным спосо­бом и т. п.); подготовка сварочных материалов и введение в состав покрытия электрода, в порошковую проволоку или керамический стержень модифицирующих добавок — все эти вопросы тре­буют глубокого изучениями учета при разработке технологии сварки.

Интересно Также сопоставить Значения скбростей охлаждения чугуна при литье и сварке. Так, по данным И. Н. Богачева, Н. Г. Гиршовича, К. П. Ващенко и др., скорость охлаждения чугунной отливки в зависимости от ее массы, размеров и тол­щины стенок в интервале температур 1200—1100°С колеблется в пределах 0,1—0,7° С/с. __

В процессе сварки эти скорости значительно выше. Так, исследования, выполненные Ю. А. Стеренбогеным, В. Ф. Хору - новым и Ю. Я. Грецким, показали, что при наплавке порошковой проволокой отдельного валика на пластину толщиной 100 мм ско­рость охлаждения в интервале 1200—1100° С составляет более 30° С/с, на пластину толщиной 15 мм — —25° С/с. Предваритель­ный подогрев пластин до температуры 300° С снижает скорость охлаждения до 10° С/с, 600° С — до 6° С/с.

Эти сведения относятся к случаю охлаждения отдельных ва­ликов. На практике часто приходится сталкиваться с необходи­мостью наплавки значительных объемов чугуна на массивное изделие. При этом скорости охлаждения сварочной ванны и на­плавленного металла существенно замедляются. Например, при заварке дефектов чугунных отливок ванным способом наплавлен­ный металл в интервале температур 1200—1100° С остывает со скоростью 4—8° С/с при сварке без предварительного подогрева изделия; 2,5—5,5° С/с при подогреве до 300° С; 0,6—2° Ос при подо­греве до 650° С.

Приведенные данные подтверждают значительно более высо­кие скорости охлаждения при сварке чугуна по сравнению с литьем поэтому для получения наплавленного металла без отбела необхо­димо прибегать к специальным технологическим мерам, напри­мер, применять предварительный подогрев изделия, выполнять сварку на повышенных токах, а также варьировать химический состав компонентов в присадочных материалах.

Большое влияние на процессы кристаллизации и структуро- образование оказывает также химический состав литейного чу­гуна и сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле чугун. Изучив состояние жидкого металла и определив интервал скоростей охлаждения, можно путем изменения хими­ческого состава сварочного материала (присадочного прутка, электрода, порошковой проволоки, керамического стержня) по­лучать необходимую конечную структуру чугуна.

Образование хрупких структур в металле шва и околошовной зоне понижает пластичность чугуна, а следовательно, и его стой­кость против образования трещин. Трещины в сварном соединении могут возникать от неравномерного нагрева и охлаждения дета­лей, литейной усадки металла шва, жесткости свариваемого из­делия. Они могут возникать не только в шве и околошовной зоне, но и в других участках детали, в которых вследствие дополни­тельной деформации, вызываемой сваркой или локальным пред­варительным подогревом, возникают напряжения, превышающие предел прочности чугуна. Наиболее благоприятные условия для образования трещин в околошовной зоне создаются при сварке менее прочных чугунов с крупными и многочисленными графи­товыми выделениями в виде пластинок. Менее склонны к образо­ванию трещин мелкозернистые перлитные чугуны с мелкими гра­фитовыми включениями, а также чугуны, легированные нике­лем, титаном или молибденом, что связано с измельчением структуры металлической основы сплава и графитовых вклю­чений.

Трещины, образующиеся при сварке чугуна, можно отнести к холодным трещинам, так как верхняя граница температурного интервала появления трещин не превышает 250—400° С. Опас­ность образования трещин значительно увеличивается при нали­чии цементита на границе сплавления и мартенсита, увеличиваю­щих напряжения. Наиболее опасны напряжения, возникающие от усадки металла шва и околошовной зоны, характеризующиеся в наибольшей степени величиной свободной линейной усадки шва. Чем больше предусадочное расширение и меньше доперлитная усадка чугуна, тем меньше склонность к образованию трещин, а это достигается в основном графитизацией, поэтому в состав присадочных материалов вводят не только углеродосодержащие компоненты, но и вещества, способствующие графитизации. Поры образуют не успевшие выделиться из жидкого металла газы: водород, азот, водяной пар, окись углерода. Особенно опасны водород и азот вследствие скачкообразного изменения их раство­римости в расплавленном металле. В расплавленном состоянии металл сварочной ванны может растворить значительное коли­чество водорода и азота. По мере остывания металла растворимость газов снижается и резкое скачкообразное снижение растворимости отмечается в момент кристаллизации. Образующиеся при этом газовые пузырьки могут не полностью выйти на поверхность сва­рочной ванны, задержаться между кристаллитами и вызвать по­ристость в металле шва.

Пористость, вызванная окисью углерода, образуется при га­зовой сварке или при холодной дуговой сварке, когда в приса­дочных прутках или покрытиях электродов избыток углерода при­водит к заэвтектическому его содержанию в наплавленном ме­талле. При высоких температурах сварочная ванна спокойна, но при охлаждении избыточный углерод выделяется, образуя гра­фитную спель и окись углерода.

Наибольшую опасность представляет водород в атомарном состоянии, значительное количество которого постоянно имеется в газовом пламени и в газах сварочной дуги. Однако присутствие только атомарного водорода еще не приводит к возникновению пористости. Необходимым условием возникновения пористости в сварочной ванне является развитая поверхность плохо смачи­ваемых дисперсных неметаллических включений и прежде всего алюмосиликатов, наличие которых часто связано с введением 12 в чугун при его выплавке некоторых модификаторов (ферросили­ция, силикохрома и др.).

Четко выраженных и общепринятых показателей сваривае­мости чугуна пока нет. Однако известно, что лучше свариваются чугуны, имеющие мелкозернистую структуру и светло-серый из­лом, хуже — чугуны с крупнокристаллическим изломом, имею­щие крупные включения графита. Плохо свариваются чугуны с черным изломом. Это связано с тем, что наличие на поверхности чугуна большого количества графита ухудшает условия ее сма­чиваемости жидким металлом. Плохо сваривается также металл деталей, бывших в эксплуатации.