Żeliwo jest materiałem powszechnie wykorzystywanym do wykonywania odlewów. Stosowane jest do produkcji elementów o dużych rozmiarach i niejednolitych kształtach. W procesach produkcyjnych i w czasie użytkowania może dochodzić do powstawania szczelin i niedoróbek, które wymagają uzupełnienia. Właśnie te elementy najczęściej poddawane są procesom spawalniczym. W jaki sposób układać spoinę, żeby skutecznie wypełnić strukturę materiału?
Czym jest żeliwo – charakterystyka i właściwości
Żeliwo jest jednym z pierwszych stopów metali wytwarzanych przez człowieka. Jego właściwości i trudności przy spawaniu żeliwa wynikają właśnie ze składu tego materiału. Jest to przetopiona ruda żelaza z dużą zawartością węgla i innych dodatków stopowych. Dostają się one do mieszanki w procesie przetapiania rudy żelaza z użyciem paliwa węglowego.
Duża zawartość węgla sprawia, że materiał ma niską kurczliwość i dużą płynność. Te cechy są wykorzystywane do wykonywania odlewów z masy żeliwnej. Materiał ma też wady, a należy do nich kruchość i niska odporność na pękanie. Szczególnie pod wpływem dużych różnic temperatury może dochodzić do zniszczenia struktury materiału.
Na dobór techniki spawania żeliwa ma wpływ między innymi rodzaj żeliwa. W zależności od składu chemicznego i wyglądu materiału wyróżnia się kilka typów:
- żeliwo białe – w składzie tego materiału znajduje się perlit, ledeburyt i cementyt, a nazwa wynika z białych matowych pęknięć. Materiał jest twardy, a jednocześnie wyjątkowo plastyczny i podatny na obróbkę mechaniczną. Topi się w temperaturze około 1350 stopni;
- żeliwo szare – to stop żelaza z węglem, dodatkiem krzemu, a także takich materiałów jak fosfor, siarka i mangan. Kolorystyka pęknięcia jest szara, a materiał jest dosyć miękki. To rodzaj najczęściej stosowany do tworzenia wanien, grzejników i innych akcesoriów domowego użytku. Temperatura topnienia tego materiału wynosi 1260 stopni;
- żeliwo ciągliwe – to żeliwo białe, które poddawane jest wielokrotnym procesom wyżarzania materiału. Zawiera perlit lub ferryt, a dzięki długotrwałemu procesowi powstaje materiał o strukturze płatków.
Podział na typy żeliwa nie wyczerpują różnic pomiędzy materiałami. Materiał występuje w ponad stu gatunkach, które różnią się między sobą nie tylko składem chemicznym, ale także strukturą, techniką produkcji i w efekcie przeznaczeniem.
Spawanie żeliwa – gdzie jest stosowane?
W zależności od składu chemicznego i struktury żeliwo jest uznawane za stop trudno spawalny lub niespawalny. Dlatego spawanie żeliwa jest prowadzone tylko w miejscach i sytuacjach niezbędnie tego wymagających. Najczęściej procesowi poddawane są elementy, które uległy uszkodzeniu mechanicznemu. Pęknięcia zabezpiecza się przed dalszym rozszerzaniem poprzez wywiercenie otworów na końcach szczeliny. Następnie można je łatać konkretną metodą spawalniczą. Inną sytuacją, w której dopuszcza się spawanie żeliwa, jest uzupełnianie niedoróbek powstałych przy tworzeniu odlewów.
Proces spawania żeliwa jest prowadzony także do łączenia dwóch elementów z tego materiału. Jednak zawsze spoina musi być położona między dwoma materiałami żeliwnymi. Nie zaleca się łączenia żeliwa z innymi metalami metodami spawalniczymi ze względu na różnice w temperaturze topnienia, a także we właściwościach chemicznych i fizycznych.
Popularne metody spawania żeliwa
Do spawania żeliwa wykorzystuje się kilka najpopularniejszych metod spawalniczych. Do przeprowadzenia pracy mogą być potrzebne maszyny do spawania MMA, MIG i MAG, a także TIG. Są to techniki wykorzystujące łuk elektryczny, który pojawia się pomiędzy polem o ładunku ujemnym a neutralnym. Prace z żeliwem są prowadzone elektrodami topliwymi, a w przypadku metody TIG elektrodą nietopliwą i topikiem podawanym ręcznie. Energia elektryczna wytwarza wysoką temperaturę, która stapia materiał i dodatkowe spoiwo.
Wszystkie prace prowadzone są w osłonie gazów neutralnych, a zatem niemających wpływu na temperaturę spawania. Osłona gazowa ma na celu jedynie zabezpieczenie jeziorka spawalniczego przed zanieczyszczeniem pochodzącym z zewnątrz. Z reguły stosuje się tu argon.
Na co zwrócić uwagę przy doborze techniki spawania?
Spawanie żeliwa to proces złożony, a do jego prawidłowego przeprowadzenia konieczna jest analiza warunków. Najczęściej prace wykonuje się metodami spawania na zimno lub na gorąco. Dobranie odpowiedniej techniki spawania i możliwości zastosowania jej w konkretnych warunkach ma wpływ na jakość spoiny. Przed przystąpieniem do pracy należy wziąć pod uwagę na takie czynniki, jak:
- rodzaj żeliwa i jego skład chemiczny
- dopasowanie metody spawalniczej do materiału i warunków pracy;
- dobór spoiwa do składu chemicznego żeliwa, a także jego kolorystyki i struktury.
Spawanie żeliwa na zimno
Najczęściej stosowaną techniką spawania żeliwa jest łączenie na zimno. To technika, w której materiał jest nagrzewany do temperatury około 60 stopni w odległości około 10 cm od miejsca spawania. Polega na układaniu spoiny punktowo, czyli w bardzo krótkich odcinkach o długości do 3 cm. Dzięki temu unika się nagrzewania odlewu.
Spawanie należy prowadzić urządzeniami z możliwie najniższymi parametrami prądowymi. Przy łataniu pęknięcia spoinę należy ułożyć najpierw na środku szczeliny, a następnie na obu końcach. Następnie krótki ścieg układa się naprzemiennie po obu stronach, prowadząc stopniowo do środka szczeliny. Za każdym razem po ułożeniu spoinę należy przekuć młotkiem i sprawdzić jej jakość.
Metoda spawania na zimno wykorzystywana jest do łączenia elementów o dużych wymiarach. Sprawdza się też w przypadku napraw konstrukcji, których nie sposób poruszyć i przetransportować do warunków warsztatowych. Technika jest uznawana za stosunkowo kosztowną, a to ze względu na stosowanie w niej drogich spoiw, w których składnikiem jest nikiel, miedź, a także żelazo.
Spawanie żeliwa na gorąco
Metodą alternatywną jest spawanie na gorąco. Dla uniknięcia pękania żeliwa należy podgrzewać element do temperatury prawie 700 stopni Celsjusza. Wykorzystuje się do tego piece gazowe lub węglowe, a przy mniejszych wyrobach do podniesienia temperatury wystarczy palnik acetylenowy. Ważne jest, żeby temperatura wzrastała stopniowo z prędkością około 100 stopni na godzinę. Pozwoli to uniknąć pękania żeliwnego elementu pod wpływem nagłego podniesienia temperatury.
Do spawania wykorzystywana jest głównie metoda TIG, czyli spawanie za pomocą elektrody wolframowej nietopliwej w osłonie gazu obojętnego. Przy pracy wykorzystywany jest prąd stały o bardzo wysokim natężeniu. Jeśli w konkretnym zadaniu potrzebne jest spoiwo, podaje się je ręcznie. Alternatywną metodą jest MMA, czyli spawania elektrodami otulonymi.
Po zakończeniu prac element należy stopniowo studzić, utrzymując tempie około 50 stopni na godzinę. Zaletą metody spawania na gorąco jest niewielkie wtopienie w głąb materiału. W jeziorku spawalniczym spoiwo dobrze miesza się ze stopionym żeliwem i tworzy jednolity materiał. Po stronie wad należy postawić dosyć dużą uciążliwość samego procesu.
Na czym polega lutospawanie żeliwa?
Inną metodą łączenia elementów żeliwnych jest lutospawanie. Tutaj wykorzystywane są spoiwa o temperaturze topnienia niższej niż żeliwo. Najczęściej wykorzystuje się spoiwa miedziane, mosiężne, a także wzbogacone dodatkami krzemu. Połączenie można przeprowadzić spawarkami do metod TIG lub MAG. Przed przystąpieniem do spawania należy podgrzać żeliwo za pomocą palnika acetylenowego, a następnie układać spoiwo. Metoda lutospawania jest najbardziej neutralna dla odlewu żeliwnego. W czasie pracy nie dochodzi do stopienia krawędzi, ponieważ roztopione spoiwo stale zwilża ściany odlewu.
Spawanie termitowe elementów żeliwnych
W szczególnych przypadkach do łączenia niektórych elementów żeliwnych stosuje się metodę spawania termitowego. Jest to technika wykorzystująca reakcję chemiczną pomiędzy tlenkami żelaza i aluminium pogrzanymi do temperatury 1300 stopni. W wyniku reakcji wytwarza się energia podnosząca temperaturę prawie do 3000 stopni. To prowadzi do stopienia żelaza i wypełnienia szczeliny.
Spawanie termitowe można wykorzystać do zespojenia głębokich pęknięć i szczelin. Jednak nie jest pierwszym wyborem konstruktorów, ponieważ wymaga przegotowania specjalnej formy. Także same maszyny spawalnicze są głównie specjalistyczne i niewiele jest urządzeń o uniwersalnym zastosowaniu. Spawanie termitowe sprawdza się głównie przy powtarzalnych pracach, takich jak łatanie otworów technologicznych. W wyniku działania wysokiej temperatury może dochodzić też do pękania odlewów.
Spawanie żeliwa – podsumowanie
Spawanie żeliwa TIG, MAG i jest procesem stosunkowo trudnym i uciążliwym. Bardzo łatwo można doprowadzić do popękania żeliwa w wyniku zbyt dużych różnic w temperaturze. Wysoki jest też koszt procesu, co wynika z kosztownych elektrod i konieczności stopniowego nagrzewania elementu. W związku z tym prace prowadzone są głównie na konstrukcjach trudnych do wymiany lub bardzo kosztownych. Z reguły spawane łukowe odlewów żeliwnych jest prowadzone jako zabieg reperacyjny i w niewielu przypadkach spawania uznaje się za część procesu produkcji gotowych wyrobów.
