книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

растяжением. Пластины после отливки предварительно обрабатывались с двух плоскостей фрезерованием до заданной толщины образца. Затем в пластине с обеих сторон строгали или фрезеровали канавки: продольные канавки определяли размер образца (ширину), а по­ перечная представляла собой Х-образиую разделку под углом 70°, принятую для сварки встык. Несквозные ка­ навки позволяли сохранять пластину и одновременно сваривать все образцы. Сварка выполнялась электрода­ ми марки СЧС-ТЗ диаметром 4 мм па прямой полярно­ сти при силе тока 120—140 А и скорости 1—2 мм/с. Сварка во всех случаях многослойная, с чередованием направления накладываемых швов и при полном охлаж­ дении пластины перед наложением последующего слоя. После сварки пластины отделялись по продольным ка­ навкам и подвергались дальнейшей механической обра­ ботке: снятию усиления и строжке боковых кромок до заданного размера. Испытания механических свойств сварных образцов производились так же, как и образцов без шва.

Средние данные механических испытаний приведены в табл. 23.

Анализ полученных данных позволяет отметить ряд особенностей.

Механические свойства сварных образцов на 10—15% ниже механических свойств соответствующих плоских образцов без шва, а механические свойства сварных об­ разцов составляют 30—40% от механических свойств ци­ линдрических образцов, имеющих литейную корку. В этом проявилось влияние наложения сварного шва па механические свойства свариваемого чугуна. Это тепло­ вое влияние снижает механические свойства околошов­ ной зоны. Наблюдения показывают, что при испытаниях

свойств чугуна в зоне термического влияния отмечалось и ранее [72].

Механические свойства сварных образцов малого се­ чения выше свойств образцов большого сечения. Это вы­ звано не только влиянием масштабного фактора, но и условиями выполнения сварки: чем толще образец, тем больше слоев сварного шва, тем сильнее тепловое влия­ ние на околошовную зону. Поэтому при использовании

190

Т а б л и ц а 23

С р ед н и е д ан н ы е м е х а н и ч е с к и х и с п ы т а н и й п л о с к и х с в а р н ы х о б р а з ц о в ч у г у н а р а з н ы х м а р о к

сварного соединения чугуна надо стремиться по возмож­ ности применять чугун меньшей толщины.

Механические свойства сварных образцов, изготов­ ленные в соответствии с ГОСТ 1497—61, позволяют вы­ явить прочность металла шва по отношению к прочности основного свариваемого чугуна. Если разрушение про­ исходит по основному металлу, то очевидно, что проч­ ность металла шва выше прочности основного металла. Однако действительная прочность металла шва при этом не выявляется, что в некоторых случаях имеет значение,

191

поэтому целесообразно применять иногда образец другой

формы.

Для определения прочности только сварного шва ГОСТ 6996—54 предусматривает образец типа XVIII. Эти образцы (с выточкой в области шва) применяются для стального шва. Мы применили такой образец для чугуна, чтобы выявить прочность металла шва. Образец с расчетным сечением 20X30 мм имел выточку по радиу­ су 20 мм. Пластины, отлитые из чугуна марки СЧ 24-44, были сварены вручную электродами СЧС-ТЗ и полуавто­ матической сваркой в среде углекислого газа проволокой СВ-08Г2С. Испытание показало, что опять-таки разру­ шение происходит по зоне термического влияния при среднем пределе прочности при растяжении 11— 14 кГ/мм2 расчетного сечения.

Конструкционная прочность сварного соединения

При изготовлении различных изделий, станин, обо­ рудования в отдельных узлах конструкций из чугуна, чугуна и стали могут применяться сварные соединения. Для выявления конструкционной прочности таких соеди­ нений были приготовлены пластины размером 8Х75Х ХЗОО мм и 12X120X200 мм из чугуна марки СЧ 18-36 и из стали Ст. 3. Чугунные пластины после отливки про­ стругивались до требуемой толщины, а стальные гото­ вились из проката. Испытывались стыковые, нахлесточные и крестообразные сварные соединения в различных сочетаниях чугунных и стальных пластин. Сварка выпол­ нялась электродами марки СЧС-ТЗ диаметром 4 мм при силе тока 130—150 А на прямой полярности. Прочность сварных образцов определялась на растяжение при ста­ тическом нагружении. Для более объективной оценки получаемой прочности отдельные пластины того же раз­ мера испытывались без сварного шва. Анализ получен­ ного материала испытаний позволяет отметить следую­ щее.

Сварка чугуна с чугуном и чугуна со сталью при раз­ личных видах сварного соединения может обеспечить прочность, близкую к прочности основного свариваемого чугуна.

192

Наибольшей прочностью обладает стыковое соедине­ ние и наименьшей нахлесточное, поэтому в сварных кон­ струкциях предпочтение надо отдавать стыковому соеди­ нению.

Прочность сварного шва на растяжение, полученного при сварке стальных пластин, составляет 39,5 кГ/мм2. Это значит, что сварку в окислительной атмосфере сталью можно применять не только к чугунным, но и к чугунно-стальным конструкциям.

Сварное соединение при нагружении обычно разру­ шается по зоне термического влияния. Это объясняется не только более высокой прочностью металла шва, но и неблагоприятным влиянием теплового процесса сварки на свариваемый чугун. Для снижения этого явления предпочтение следует отдавать сварным узлам из более тонкого металла.

Многие сварные конструкции работают в условиях пульсирующей и даже знакопеременной нагрузок. При­ готовленные стыковые сварные образцы чугун — сталь сечением 8X75 мм подвергались растяжению цикличе­ ской знакопостоянной нагрузкой с частотой 400 циклов/ мин. Максимальные и минимальные нагрузки устанавли­ вались исходя из данных статической прочности подоб­ ных образцов. Результаты испытаний в виде средних данных из трех-пяти образцов приведены ниже.

Обрабатываемость — это свойство, или способность, материала поддаваться обработке режущим инструмен­ том. Обрабатываемость материала определяется комп­ лексом физико-технологических свойств его, которые не остаются постоянными в процессе резания. Они зависят от условий резания, которые в свою очередь определя­ ются формой и природой режущего инструмента и режи­ мом резания. Для оценки обрабатываемости применяют

качественные и количественные показатели процесса резания:

1)возникающие силы, температуру, характер обра­ зования стружки и ее деформацию;

2)износ инструмента, стойкость и скорость при за­

данных условиях обработки; 3) качество обработанной поверхности.

Рис. 46. а — возможное отклонение сверла; б — образование «сту­ пеньки» при обработке инструментом сопряженных металлов разной

твердости (/-/в > / / в )

При обработке сварного изделия, когда сварной шов расположен между основным чугуном, режущий инстру­ мент одновременно обрабатывает сварной шов и основ­ ной металл. Это затрудняет выбор критериев оценки об­ рабатываемости сварного изделия, имеющего разнород­ ные металлы. С точки зрения обрабатываемости эти металлы различаются многими свойствами. В качестве приближенного критерия обрабатываемости можно принять твердость, которая неодинакова у свариваемого чугуна и сварного шва.

В случае, когда разность в твердости металла шва и свариваемого чугуна невелика, режим резания можно производить по любому из этих металлов. При большой разности в твердостях обоих металлов более твердый металл (металл шва) будет отжимать режущий инстру­ мент, нарушая качество обрабатываемой поверхности. При сверлении происходит увод сверла и наблюдается искажение формы отверстия (рис. 46, а), а при строга­ нии, фрезеровании и точении возможно образование «ступеньки» (рис. 46, б). В связи с этим представляет интерес выявление зависимости высоты получающейся ступеньки от разности твердости обрабатываемых ме­ таллов. Высота получающейся ступеньки (шерохова­ тость обработанной поверхности) [86] может быть мерой для оценки обрабатываемости сварного соединения ре­ жущим инструментом.

194

Для выявления обрабатываемости были приготовле­ ны стальные и чугунные пластины, на которые наклады­ вали валики наплавленного металла. На стальные пла­ стины наплавку производили электродами диаметром 5 мм с покрытием из графита (50%) и феррохрома (50%). Было приготовлено шесть партий электродов, различающихся количеством покрытия на электроде.

Различное количество покрытия на прутке обеспечи­ вало разную степень легирования наплавленного метал­ ла и, следовательно, разную твердость его. Чтобы еще больше изменить разность твердостей, одна партия стальных пластин после наплавки подвергалась отпуску при 400 °С в течение одного часа.

На чугунные пластины наплавка производилась элек­ тродами нескольких марок (СЧС-ТЗ, БЕЛ-10ч и БЕЛ-18ч), а также полуавтоматом, проволокой СВ-08

усиление валика было снято заподлицо и замерена твер­ дость шариком диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кг.

10 мм при 107—400—650— 1000 об/мин и ручной подаче.

Сверло устанавливалось в зону сплавления, захватывая одновременно наплавленный и основной металлы. После сверления отверстие подвергалось осмотру и замеру диа­ метра как вдоль, так и поперек зоны сплавления. Ис­ следования показали, что отверстие во всех случаях

было ровным, цилиндрическим, смещения сверла не на­ блюдалось. Почти все отверстия были рассверлены без предварительного накернивания центра сверления. Этим создавались более благоприятные условия для смеще­ ния сверла в начальный период сверления. При сверле­ нии наблюдалось непостоянство усилия на сверло при его подаче. Чем больше твердость наплавленного метал-

Пластина

Рис. 47. Расположение точек замера твердости образцов с наплав­ ленным металлом

ла, тем большее требовалось усилие подачи по сравнению с усилием при сверлении основного металла. Изложенное справедливо для всех исследованных комбинаций ме­ таллов и режимов наплавки.

Строгание производилось на поперечно-строгальном станке поперек наплавленного слоя резцами, оснащен­ ными пластинками ВК-8, при скорости резания 25 м/мин и подаче резца 0,3 мм/ход. Это собственно черновое строгание, которое все же позволяло выявить отжатие резца. Оно наблюдалось во всех случаях, и слой наплав­ ленного металла несколько возвышался над металлом пластины. Высота образующихся ступенек измерялась с помощью индикатора. После прохода резец вынимал­ ся и на его место закреплялся индикатор, который вме­ сте с ползуном станка вручную перемещали по пути резца. Результат замера в виде средних данных из трех­ пяти измерений приведен в табл. 24.

Из полученных данных видно, что величина ступень­ ки существенно зависит от разности твердостей сопри­ касающихся металлов. Причем при малой разности твер­ дости величина ступеньки возрастает почти пропорцио­ нально разности (примерно до разности 200 Яв), а затем более медленно. Остальные параметры металлов замет­ ного влияния на величину ступеньки не оказывают.

196

Во второй серии опытов выявлялось влияние последу­ ющей термической обработки на величину ступеньки. На холодные пластины чугуна СЧ21-40 размером 20Х X 120X150 мм в простроганные канавки наплавляли ме­ талл: полуавтоматом в среде углекислого газа, прово­ локой СВ-08 II электродами СЧС-ТЗ, БЕЛ-18ч и СЧЧ-1. Наплавку производили в одни и два слоя. Были приготов­ лены четыре партии пластин: первая обрабатывалась после сварки, вторая после сварки сразу же подверга­ лась нагреву при 750 °С, третья—нагреву при 850 °С и четвертая — нагреву при 950 °С. Выдержка при задан­ ной температуре во всех случаях составляла 30 мин.

После наплавки и соответствующей термической об­ работки пластины подвергались строганию и фрезерова-

197

производилось дисковой фрезой Р-9 (110X3, 5Х40П)

рений приведены в табл. 25.

При фрезеровании высота ступенек меньше, чем при строгании. Это вызвано тем, что при фрезеровании обра­ ботанная поверхность более чистая и менее шерохова­ тая, при строгании поверхность более грубая.

Последующая термическая обработка, снижая раз­ ность твердостей металлов, способствует резкому сниже­ нию величины ступеньки. Нагрев пластин до 750 °С дает ощутимые результаты. Для металла шва стали величина ступеньки меньше, чем для металла шва чугуна. Наплав­ ка второго слоя не очень заметно снижает величину сту­ пеньки. По-видимому, это вызвано сравнительно боль­ шой скоростью наплавки обоих слоев (3 мм/с).

В третьей серии опытов пластины были приготовлены из чугуна СЧ21-40 с искусственными дефектами, полу­ чаемыми сверлением и фрезерованием. Заварка дефек­ тов производилась в цеховых условиях вручную электро­ дами БЕЛ-18ч без подогрева пластин. После заварки пластины по заваренной поверхности подвергались фре­

3 мм. Фрезерование проходило нормально во всех слу­ чаях. После фрезерования в пластинах замеряли твер­ дость в разных местах наплавки и производили сверле­ ние, а в некоторых местах нарезание резьбы. Некоторые из обработанных пластин показаны на рис. 48.

Проведенные исследования обрабатываемости свар­ ного соединения позволяют отметить, что сварное соеди­ нение и сварной шов поддаются обработке режущим инструментом без особых затруднений. Основное вни­ мание необходимо обращать на качество обработанной поверхности, что можно характеризовать высотой сту­ пеньки. Если эту ступеньку сравнивать с неровностями, которые появляются на поверхности после обработки ее режущим инструментом, то обработанную поверхность

198

199