Spawanie żeliwa

Spawalność żeliw

Ze względu na dużą zawartość węgla i wynikającą stąd kruchość żeliwa są trudno spawalne, a żeliwo białe i niektóre gatunki żeliw stopowych uważa się za niespawalne. W przylegającym do spoiny obszarze strefy wpływu ciepła (SWC) tworzą się węgliki, a w dalszej części powstaje wysokowęglowy martenzyt. Oba składniki strukturalne są bardzo kruche i skłonne do pęknięć w warunkach oddziaływania naprężeń spawalniczych. Żeliwa sferoidalne i ciągliwe z osnową ferrytyczną mają większą zdolność do absorbowania naprężeń spawalniczych niż żeliwa szare. Obniżeniu ilości wydzielonych węglików (głównie Fe3C - żeliwo białe) i wysokowęglowego martenzytu w SWC sprzyja obecność grafitu w postaci sferoidalnej o małym stosunku powierzchni do objętości, stąd spawalność żeliwa sferoidalnego jest lepsza od spawalności żeliwa szarego z grafitem płatkowym.
Duży wpływ na właściwości złącza spawanego ma rodzaj zastosowanego materiału dodatkowego i stopień wymieszania stopiwa z materiałem żeliwa. W celu uzyskania jak najmniejszego wymieszania należy podczas spawania stosować możliwie małą energię liniową, ponieważ duża zawartość węgla, i krzemu, fosforu i siarki w żeliwie ma niekorzystny wpływ na właściwości spoiny i jej wadliwość. Spawając żeliwo spoiwem ze stali węglowej, dochodzi na ogół do zwiększenia zawartości węgla w metalu spoiny w wyniku wymieszania. Spoina może zostać utwardzona, mieć małą ciągliwość i stwarzać trudności przy obróbce mechanicznej, o ile uprzednio nie zostanie obrobiona cieplnie. Brak możliwości odkształceń plastycznych spoiny i relaksacji naprężeń spawalniczych jest również przyczyną powstawania pęknięć w SWC, w której wydzielił się cementyt (zabielenie) i powstał wysokowęglowy martenzyt.
Niebezpieczeństwo powstawania pęknięć maleje, gdy granica plastyczności metalu spoiny jest niska, w wyniku czego następuje znaczna relaksacja naprężeń spawalniczych. W tym celu stosuje się spoiwa niklowe lub ze stopów niklu. Dodatkową zaletą tego rodzaju spoin jest możliwość ich obróbki mechanicznej bez konieczności ich obróbki cieplnej.
Wysoką twardość SWC można obniżyć przez zastosowanie wstępnego podgrzania spawanych elementów i zapewnienie ich wolnego stygnięcia po spawaniu. Mała prędkość stygnięcia w czasie i po przemianie austenitu zmniejsza ilość powstającego martenzytu, a tym samym i twardość. Wysokość temperatury podgrzania zależy od gatunku żeliwa, masy i kształtu odlewu, metody spawania i rodzaju użytego spoiwa. Wyższe temperatury podgrzania są wymagane, gdy do spawania i stosuje się spoiwa z żeliwa, ponieważ w pobliżu temperatury pokojowej metal spoiny ma małą ciągliwość. W przypadku użycia spoiw o dobrych własnościach plastycznych, jak np. niklowych lub ze stopu niklu, temperatura podgrzania może być niższa lub można spawać bez podgrzania.

Wytyczne spawania żeliw

Rozróżnia się spawanie żeliwa :

- na zimno,

- na gorąco

- i na półgorąco, przy czym ostatni sposób jest stosowany stosunkowo rzadko.

Spawanie żeliwa na zimno (bez podgrzewania wstępnego) polega na wprowadzaniu możliwie jak najmniejszej ilości ciepła do złącza, aby w ten sposób ograniczyć naprężenia spawalnicze i zapobiec powstawaniu pęknięć. Należy stosować elektrody o małej średnicy, małe natężenie prądu, wykonywać krótkie i wąskie ściegi oraz często przerywać spawanie. W celu obniżenia naprężeń korzystne jest młotkowanie kolejnych warstw spoiny.
Jako spoiwa stosuje się stopy niklu i elektrody stalowe.
Do spawania żeliwa na gorąco należy cały odlew podgrzać wolno i równomiernie do temperatury 600÷700°C i utrzymywać ją aż do zakończenia spawania. Spawa się gazowo lub elektrycznie materiałami dodatkowymi o składzie żeliwa szarego. Po spawaniu odlew powinien stygnąć z małą prędkością, aby uniknąć pęknięć.
Spawanie na półgorąco jest stosowane do odlewów o prostych kształtach bez poprzecznych żeber i znacznych różnic grubości ścianki. Podgrzewa się nie cały odlew, lecz tylko obszar spawania do temperatury 250÷500°C. Małe elementy można spawać bez wstępnego podgrzania. Przeważnie stosuje się spoiwo z żeliwa szarego.

Przygotowanie powierzchni i brzegów do spawania

Z łączonych powierzchni i przylegającego obszaru odlewu należy usunąć wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia. Skuteczną metodą przygotowania powierzchni żeliwa do spawania jest czyszczenie strumieniem śrutu stalowego lab piaskowanie. Pozostałości olejów lub smarów, pochodzące z eksploatacji odlewów, można usunąć za pomocą rozpuszczalników lub czyszczenia za pomocą pary wodnej. Gdy jest to możliwe, odlew należy powoli i równomiernie nagrzać do temperatury ok. 370°C i wygrzać przez 30 minut. Nagrzanie odlewu do temperatury ok. 550°C za pomocą palnika gazowego skraca czas wygrzewania. Spawanie powierzchni nieoczyszczonych jest przyczyną powstawania w spoinach pęcherzy i porów oraz wtrąceń niemetalicznych. Sposób przygotowania brzegów do spawania łukowego stali węglowych jest na ogół przydatny w zastosowaniu do żeliwa. Odstęp w grani powinien być wystarczająco szeroki do uzyskania dobrego wtopienia w brzegi rowka i w podkładkę, w przypadku jej stosowania. W miarę możliwości odlewy o dużej grubości należy ukosować na X lub podwójne U i spawać dwustronnie. Naprawiając pęknięte odlewy, należy najpierw wywiercić na końcach pęknięć otwory o średnicy co najmniej 5 mm, w celu zapobieżenia ich dalszemu rozprzestrzenianiu się. Następnie należy usunąć wystarczającą ilość żeliwa wzdłuż pęknięcia, tak aby powstał rowek spawalniczy o kształcie i wymiarach umożliwiających poprawne manipulowanie elektrodą lub uchwytem podczas spawania naprawczego.
Do spawania gazowego brzegi na ogół ukosuje się na X z kątem rozwarcia rowka 90°. Gdy nie ma możliwości spawania dwustronnego, brzegi należy ukosować na V i większe kąty rowka (nawet do 120°), w celu umożliwienia dobrego wtopienia w grani i ułatwienie manipulowania palnikiem. Przed przystąpieniem do spawania należy sprawdzić, czy powierzchnia jest właściwie przygotowana i czy zastosowane spoiwo zwilża ją równomiernie.

Wybór spoiwa

Dobierając materiał dodatkowy do spawania żeliwa, należy uwzględniać następujące czynniki:
- rodzaj żeliwa,
- wymagane właściwości mechaniczne złącza spawanego,
- wrażliwość stopiwa na wymieszanie z materiałem podstawowym,
- możliwość relaksacji naprężeń spawalniczych w wyniku odkształceń plastycznych metalu spoiny,
- podatność spoiny do obróbki mechanicznej,
- dopasowanie spoiny do materiału żeliwa pod względem koloru,
- metodę spawania możliwą do zastosowania,
- koszty.

1. Spawanie łukowe ręczne

Do spawania żeliwa stosuje się elektrody otulone: niklowe, ze stopów niklu, ze stopów miedzi, ze stali niskowęglowej i elektrody dające stopiwo o składzie chemicznym żeliwa szarego. Dobór spoiwa zależy od rodzaju żeliwa, wymagań odnośnie do właściwości wytrzymałościowych spawanego elementu i możliwości zastosowania podgrzewania.

2. Spawanie w osłonie gazów ochronnych

Do naprawy niezgodności o niewielkich rozmiarach jak pęcherze lub krótkie pęknięcia, oraz do spawania odlewów o małej grubości ścianki stosuje się metodę TIG z użyciem jako spoiwa prętów żeliwnych lub drutów niklowych i żelazo-niklowych. Spawanie prętami żeliwnymi wymaga podgrzania odlewu do temperatury jak przy spawaniu elektrodami otulonymi.
Spawanie metodą MIG/MAG łukiem zwarciowym jest stosowane do odlewów z żeliwa sferoidalnego. Mała ilość wprowadzonego ciepła powoduje, że tylko wąski, przylegający do spoiny obszar SWC zostaje utwardzony, co nie ma istotnego wpływu na wytrzymałość i właściwości plastyczne złącza spawanego.

3. Spawanie gazowe

Spawanie gazowe należy do najstarszych metod spawania żeliwa i może być stosowane bez wstępnego podgrzewania, na gorąco i półgorąco. Płomień palnika acetylenowo-tlenowego wykorzystuje się również do podgrzewania spawanego odlewu. Ze względu na stosunkowo niską temperaturę źródła ciepła spawanie gazowe odlewów o większej grubości wymaga na ogół wyższych temperatur podgrzania niż spawanie elektryczne (600÷700°C). Uzyskuje się mniejsze wtopienie i wymieszanie stopiwa z materiałem żeliwa. Mniejsza prędkość stygnięcia złącza powoduje, że SWC jest szersza i występują w niej struktury o niższej twardości.