Как заварить трещину в чугуне: электроды, подогрев, засверловка и когда сварка не нужна

Почему чугун трескается при сварке

В сером чугуне СЧ20 углерод в основном лежит пластинками графита. Эти пластинки действуют как готовые надрезы: предел прочности серого чугуна на растяжение по ГОСТ 1412 для марки СЧ20 не менее 200 МПа, а относительное удлинение до разрушения меньше 1 %. Чугун не течёт, как сталь, он ломается, когда упругая деформация исчерпана. Параметры марки смотрите на странице серого чугуна СЧ20.

Высокопрочный чугун ВЧ50 с шаровидным графитом гораздо пластичнее и прочнее (σв не менее 500 МПа), но и его шов с обычным электродом превращается в хрупкую зону.

Дуга плавит чугун местно, и соседний металл за секунды нагревается до 750 °C и выше. Если после этого он остывает быстро, графит растворяется, а углерод выделяется в виде цементита Fe₃C: образуется отбел, то есть участок белого чугуна твёрдостью в несколько сотен единиц по Бринеллю (справочные значения твёрдости собраны в справочнике по твёрдости). Напильник и сверло такую зону не берут. Рядом идёт закалённая зона с внутренними напряжениями. Шов остывает и сжимается, а чугун вокруг него растянуть нечем, поэтому рядом со швом возникает новая трещина.

Все приёмы ремонта сводятся к трём задачам: уменьшить нагрев, замедлить остывание и сделать шов более податливым, чем чугун. Первое решают маленькими швами, второе подогревом, третье никелевым наплавленным металлом, который мягче и пластичнее чугуна.

Диагностика: чистая ли трещина

Перед ремонтом выясните три вещи.

Где концы трещины. Зачистите поверхность до металла, смочите керосином и вытрите насухо: трещина проявится тёмной линией, а через несколько минут на сухой поверхности проступит керосин из неё. Конец трещины всегда дальше, чем кажется: при ремонте плиты печи он нередко оказывается на 10–15 мм дальше видимого.

Сквозная ли она. Трещина с обеих сторон (сквозная) разделывается с двух сторон или с одной на всю глубину, неглубокая только с одной. Для сквозной трещины на толстой стенке выгодна X-разделка: вдвое меньше наплавленного металла и меньше усадка.

Есть ли в чугуне масло. Корпуса редукторов, насосов, блоки двигателей пропитаны маслом на глубину нескольких миллиметров. Если варить без подготовки, масло закипает в шве, и шов получается пористым и с горячими трещинами. Деталь прогревают горелкой до 300–400 °C, пока дымление не прекратится, выдерживают, затем зачищают и обезжиривают, процедуру повторяют после разделки.

Подготовка: засверловка и разделка

Два способа: холодный и горячий

Холодным называют сварку без общего подогрева, горячим с подогревом всей детали. Между ними есть промежуточный вариант с подогревом до 250–350 °C.

Температуры подогрева в таблице собраны по справочным источникам: для тёплого способа 300–330 °C называет TWI, для толстых сечений и ковкого чугуна 250–300 °C рекомендует ESAB, для горячего способа 500–700 °C указано в справочной статье о сварке чугуна. Это ориентиры, точный режим зависит от детали и электрода.

Холодный способ: никелевые электроды

Никель почти не растворяет углерод и не образует с ним цементита, поэтому наплавленный металл остаётся мягким и пластичным, а шов можно обрабатывать резцом. Данные ESAB из каталога наплавочных материалов приведены для электрода Ø3,2 мм.

Электрод OK 92.18 из чистого никеля даёт самый мягкий шов, подходит для обработки и обычного серого чугуна. Никель-железный OK 92.58 прочнее, лучше сопротивляется образованию трещин при кристаллизации, и его выбирают для высокопрочного и ковкого чугуна и для серого с повышенным содержанием серы и фосфора. Данные приведены по каталогу ESAB, в паспорте вашей партии они могут отличаться.

Отечественные марки выпускают по техническим условиям заводов, потому что ГОСТ 9466-75 классифицирует электроды для сталей и наплавки, а чугуна в нём нет. Среди них МНЧ-2 (медно-никелевый, около двух третей никеля), ОЗЖН-1 (железоникелевый), ЦЧ-4, который чаще других встречается на полках. Диапазон тока, полярность, прокалка и ресурс у них зависят от завода, и брать их нужно из паспорта на упаковке, а не из статей.

Режим холодной сварки одинаков по смыслу и для OK 92.18, и для отечественных марок:

• электрод Ø2,5–3,2 мм, ток по нижней половине паспортного диапазона, короткая дуга;
• шов длиной 20–30 мм, ширина не больше двух диаметров электрода, желательно без поперечных колебаний;
• кратер заваривают тщательно, иначе из него пойдёт трещина;
• сразу после обрыва дуги шов проковывают закруглённым бойком молотка, пока он красный, лёгкими частыми ударами по всей длине;
• следующий шов накладывают, когда деталь остыла до 60 °C: в этот момент рука её терпит несколько секунд;
• швы идут вразбивку и обратноступенчато: сначала середина, затем участки у концов, потом остальные.

Проковка нужна потому, что шов сжимается при остывании, а пластичный никель при ударе растягивается и снимает напряжение. Без неё усадка рвёт соседний чугун.

Горячий способ: подогрев и медленное остывание

Если отливка большая, сложная по форме или шов должен быть одинаковым по составу и твёрдости с основой, деталь нагревают целиком до 500–700 °C в печи, горне или обкладывают углями, затем варят чугунным электродом или газовой горелкой с чугунным прутком (флюс обязателен) и дают остывать вместе с печью или под слоем песка и термоизоляции. Остывание занимает часы, иногда сутки. Горячий способ требует оборудования и опыта, и в гараже он применим редко.

Тёплый вариант, 250–350 °C, подходит для толстой детали под никелевый электрод. Температуру контролируют термокраской или контактным термометром: оценка «на глаз» ошибается на сотню градусов.

Пайка-сварка, склеивание и стяжки

Не каждую трещину нужно варить. Три альтернативы стоит рассмотреть до того, как брать электрод.

Пайка-сварка латунью или бронзой. Чугун нагревают газовой горелкой до температуры смачивания, но не плавят, и заполняют разделку латунным или бронзовым припоем с флюсом. Нагрев мягче, чем при дуговой сварке, зона отбела отсутствует, поэтому способ удобен для ненагруженных деталей: кронштейнов, ручек, декоративных отливок. У латунного шва прочность ниже, чем у никелевого, и он не любит перегрева: для детали, которая нагревается как плита печи, он слабое место.

Эпоксидные составы («холодная сварка»). Двухкомпонентные металлонаполненные составы заделывают трещины в корпусах, поддонах и баках, которые не греются и не несут нагрузку. Рабочая температура у обычных составов не превышает 100–150 °C, ударов и вибрации шов не держит. Это временное решение, а не ремонт.

Стяжки и металлический «шов» (метод Lock-N-Stitch). Метод металлической сшивки придуман в 1930-х годах для ремонта чугунного оборудования нефтяных промыслов и сегодня принадлежит группе Wärtsilä. Вдоль трещины сверлят отверстия в шахматном порядке, нарезают резьбу, вкручивают специальные конусные штифты с утолщённой головкой, которые стягивают берега трещины, и герметизируют их составом, затем головки шлифуют заподлицо. Тепла в детали почти нет, остаточных напряжений тоже. Метод применяют для блоков двигателей, корпусов насосов и станин, когда сварка рискованна. Комплекты выпускают, но работа требует точной разметки и оснастки, поэтому её чаще делают в цехе.

Расчёт: сколько швов и электродов на плиту печи

Задача. Чугунная плита печи, толщина 12 мм, сквозная трещина длиной 120 мм. Ремонт никелевым электродом OK 92.18 Ø3,2 мм холодным способом.

Разделка. Варим с одной стороны, V-разделка 70° на 2/3 толщины: глубина h = 12 × 2/3 = 8 мм. Ширина канавки по верху b = 2 × h × tg 35° = 2 × 8 × 0,70 = 11,2 мм. Площадь сечения треугольника S = ½ × 8 × 11,2 ≈ 45 мм². С учётом усиления шва добавим 20 %: 45 × 1,2 = 54 мм².

Длина шва. Концы засверливаем на 5 мм дальше видимого края, значит канавка идёт на 120 + 2 × 5 = 130 мм.

Объём и масса наплавленного металла. V = 54 × 130 = 7020 мм³ = 7,0 см³. Плотность никелевого наплавленного металла возьмём 8,8 г/см³: m = 7,0 × 8,8 ≈ 62 г.

Электроды. По каталогу ESAB на 1 кг наплавленного металла идёт 45 электродов Ø3,2 × 350 мм. На 62 г: 0,062 × 45 = 2,8 электрода. Огарки по 40–50 мм и пробные швы на образце (чтобы подобрать ток) добавляют ещё один, итого берём 4 электрода.

Швы. Нарезаем 130 мм на швы по 25 мм: 130 / 25 = 5,2, значит 6 швов длиной 21–25 мм. На шов уходит 62 / 6 ≈ 10 г металла, то есть примерно 0,45 электрода. Время горения одного шва порядка минуты (ESAB указывает 66 с на целый электрод при 90 % максимального тока, на нижнем токе дольше).

Остывание. После каждого шва плита остывает до 60 °C. Для тонкой плиты 12 мм это ориентировочно 5–10 минут, зависит от условий, в тёплом помещении дольше. Итого 6 швов × (1 мин горения + 1 мин проковки и зачистки + 7 мин остывания) ≈ 55 минут. Подготовка вместе с засверловкой и разделкой обычно занимает столько же.

Типичный брак

• Сварка по маслу. Масло из пор кипит в шве, шов пористый и с трещинами по границе. Лечится выжиганием и обезжириванием, после разделки повторить.
• Сплошной шов без проковки. Усадка шва рвёт чугун вдоль линии сплавления. Шов длиннее 30 мм без остановки и проковки почти всегда заканчивается новой трещиной рядом.
• Перегрев. Большой ток и долгая дуга дают широкую зону отбела. Признак: после сварки сверло и резец не берут металл рядом со швом.
• Сырые электроды. Покрытие, набравшее влагу, даёт пористость и водород в шве. Режим прокалки берут из паспорта партии, у электродов для чугуна он умеренный, ориентир 120–150 °C, перегрев разрушает покрытие. Хранят их в сухом пенале.
• Трещина пошла дальше концов. Концы не засверлили или засверлили в видимом конце, а не за ним. Теперь трещина длиннее, и ремонт начинают заново.
• Мало проварено. Разделка не на всю глубину, дно канавки острое, наплавленный металл не сплавился с основой.

Когда ремонт не оправдан

Обычная стальная проволока вроде СВ-08Г2С для чугуна не годится: по границе шва пойдут трещины, нужны никелевые электроды или никелевая проволока. Детали из рессорной стали 65Г, такие как пружины, стабилизаторы и рессоры, вообще не варят: после сварки они теряют упругость и ломаются.

Если деталь простая и нагруженная, часто лучше сделать её заново из стали: кронштейн, фланец, втулку, плиту. Сталь пластичнее, варится обычными электродами, и вместо литья заготовку вырезают лазером или фрезеруют из листа. Порядок обмера и выбора материала для новой детали описан в статье о том, как изготовить деталь по образцу. Общий обзор способов ремонта, где сварка стоит рядом с наплавкой и пайкой, есть в статье «Как восстановить сломанную деталь».

Сравнение дуговой, полуавтоматической, аргонной и лазерной сварки по нагреву и области применения есть в отдельной статье.

Если после ремонта нужно вернуть твёрдость рабочей поверхности, пригодится материал о закалке, отпуске и цементации, а перевод единиц твёрдости можно выполнить в калькуляторе перевода твёрдости.