Je nutné litinu před svařováním zahřát?

Svařování litinových slitin se provádí několika způsoby. Každá z nich je zvolena jako rovnováha mezi cenou a složitostí práce a silou požadovanou od švu. To je způsobeno fyzikálními vlastnostmi litinových materiálů, které se výrazně liší od naprosté většiny ostatních slitin a kovů.

Vlastnosti svařování litiny

Litina je slitina železa s vysokým obsahem uhlíku. Uhlík dodává ocelovým slitinám tvrdost, když jeho obsah přesáhne 2,14 %, výsledná slitina je již litina. Protože uhlík není kov, nemůže tvořit krystalové mřížky se železem a je přítomen ve formě grafitových inkluzí různých tvarů nebo vstupuje do chemické vazby se železem. Litina má díky grafitu porézní strukturu, je nasycená plyny a absorbuje olej.

Při svařování litiny začínají problémy ihned po vytvoření švu. Při zvláště rychlém ochlazení se snadno objevují trhliny způsobené kalením a silným pnutím v kovu. Vzniká karbid železa (cementit), litina se „bělí“, získává vysokou tvrdost a křehkost. Proto je po svařování nutné udržovat teplotu na 200-300°C, postupně ji snižovat, aby nedocházelo k tvorbě cementitu.

Pomáhá také zavádění niklu do svarového materiálu. Míchá se se železem v libovolném poměru. V tomto případě nedochází k tvorbě karbidů a ke zvýšení tvrdosti, což zabraňuje vzniku trhlin. Pro tyto účely lze použít měď, ale neposkytuje tak rovnoměrný svar jako nikl.

Relativně nízký bod tavení litiny (od 1200 do 1250 stupňů) vede k její vysoké tekutosti a omezuje svařovací polohy – obzvláště obtížné je svařovat stropní švy. Kromě toho se zvyšuje tvorba plynu, která pokračuje, i když se šev ochladí.

Takzvanou „spálenou“ litinu (která byla dlouhodobě vystavena vysokým teplotám) nelze svařovat kvůli výskytu oxidů křemíku a uhlíku. Obecně je výhodnější vyměnit litinové díly a zabránit jejich zničení během používání.

Hlavní potíže při svařování litiny:

• tvorba trhlin při ochlazení švu;
• silné zvýšení tvrdosti v oblasti svaru;
• uvolňování plynů vytváří poréznost ve švu;
• tekutost lázně komplikuje technologii.

Příprava litiny pro svařování

Před svařováním, zejména kritických dílů, je nutné kov připravit. K tomu se provádí následující seznam prací:

• čištění od nečistot a oleje pro všechny druhy svařování;
• příprava hran pro všechny druhy svařování;
• instalace svorníků pro svařování za studena (se zvýšenými požadavky na pevnost);
• zahřívací díly pro svařování za tepla;
• lisování v horké svařovací lázni.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat odstranění oleje pomocí rozpouštědel nebo žíháním hořákem.

Při řezání hran je nutné vyříznout všechny trhliny. Pokud mají být instalovány kolíky, měly by být hrany seříznuty pod úhlem. V okrajích se vyvrtají otvory, vyřežou se závity a zašroubují se ocelové trny alespoň do dvou nebo tří „rozměrů“ (poměr délky k průměru). Vnější konce svorníků musí umožňovat jejich vzájemné svaření.

Přípravné zahřívání dílů během svařování za tepla se provádí postupně, při 100-150 stupních za hodinu. Chlazení se také provádí pomalu, přičemž se díly ohřívají při poklesu teploty.

Možnosti svařování litiny a jejich stručná charakteristika

V závislosti na požadavcích na pevnost a charakteru poškození litinových dílů se používá jeden z více způsobů svařování.

Svařování za tepla

Svařování za tepla se používá v případech, kdy je nutné získat vysokou obrobitelnost švu a blízkost jeho složení a struktury ke zbytku litiny. Části, které se mají svařovat, se připraví jak je popsáno výše a zahřejí se na teplotu 700 °C. V případě potřeby se před zahřátím vyrobí forma z materiálů používaných ve slévárenství. To je nutné pro poškození skrz a hrany (třísky). Broušené povrchy a závity by měly být chráněny hlínou.

Svařování za tepla se používá pro výrobky velké hmotnosti v případech, kdy je vyžadována zvýšená pevnost. Teplo pro lázeň se získává buď z elektrického oblouku, nebo z plynového hořáku. Svařování za tepla se liší od ostatních typů v největším objemu lázně (až 0.5-1 kubický palec). To vyžaduje, aby byly obrobky instalovány pouze ve spodní poloze.

Přídavný materiál pro svařování za tepla – litinové elektrody se zvětšeným průměrem (od 8 mm nebo více) nebo plněný drát.

Svařování za tepla

Položhavé svařování litiny se provádí podobně jako výše popsané svařování za tepla, ale teplota předehřevu je zde nižší, cca 300-350°C. To pomáhá snížit rychlost ochlazování kovu po svařování.

U položhavého svařování je stupeň „vybělení“ litiny menší ve srovnání s metodou za tepla, což také přispívá k nižšímu riziku vzniku trhlin. Kromě toho je zapotřebí méně energie k ohřevu součástí.

Položhavé svařování se provádí elektrodami z nízkouhlíkové oceli s legujícími přísadami nebo autogenem, přidáním litinové tyče pro přísadu.

Svařování za studena

Svařování za studena se nejčastěji používá u drobných poškození. Slovo „studené“ zde znamená, že svařované díly nejsou předehřívány. To značně zjednodušuje proces, i když to neumožňuje získat kvalitu švu dosažitelnou metodou za tepla. Ale u drobných závad na nezatížených dílech – tělesech mechanismů, krytech atd. – je tato metoda zcela opodstatněná.

U nosných dílů lze výztuž použít ocelovými trny, které jsou z vnější strany přivařeny a následně uzavřeny vrchním švem. Při svařování za studena se snaží kov zahřát co nejméně a používají ocelové elektrody malé tloušťky (3-5 mm). Pro snížení zahřívání se používá stejnosměrný proud a elektroda je připojena k plusu zařízení (přepólování). Materiál elektrody by měl obsahovat co nejméně uhlíku. Ale i bez toho se ve švu vytvoří tenká vrstva bílé litiny. Ani prodloužené žíhání nepomůže se toho zbavit.

Dobré výsledky se dosahují při použití niklu nebo monelového kovu (nikl 70 %, měď 20 %) ve svařovacích elektrodách, ale tato metoda je drahá. Měl by být používán v případech, kdy je požadováno následné soustružení, broušení nebo frézování součásti. Je však nutné vzít v úvahu, že mechanická pevnost „poniklované“ litiny je snížena.

Základní metody svařování litiny

Šedou litinu lze vařit několika způsoby. Nejčastěji se jedná o obloukové svařování ocelovými nebo speciálními elektrodami. Tyto metody patří k metodě svařování za studena.

Ruční obloukové svařování stavnými elektrodami

Nejmenší poškození litinových dílů lze opravit běžnými 3mm ocelovými elektrodami s tenkým povlakem. Před svařováním jsou švy očištěny a trhliny jsou vyříznuty nebo vyříznuty. Svařování se provádí malým proudem 80-120 ampér.

Poškození	Elektrody	Dále
Malé	Ocel	Kování švu kladivem
průměrný	Měď
Velké	Měď a nikl	Vyztužení pomocí cvočků

Pokud je nutné zlepšit kvalitu svaru obloukovou metodou, použije se místo transformátoru invertor, protože umožňuje provoz na stejnosměrný proud. Získáte tak některé další funkce uvedené v tabulce níže.

Polarita	Detail	Elektroda	Vlastnosti
Přímka	Plus	Bez	Zvýšené zahřívání dílu. Nízká spotřeba elektrod
Zpětná vazba	Bez	Plus	Mírné zahřívání součásti. Vysoká spotřeba elektrod

Důvod tohoto rozdílu je ve fyzice procesu: kladná elektroda je silně bombardována těžkými zápornými ionty, které poskytují dodatečnou energii v celkové rovnováze uvolňování tepla. Rozdíl teplot může dosáhnout 700°C. Obecně platí, že za schopnost vyhnout se přehřátí litiny při svařování elektrickým obloukem musíte zaplatit určitou cenu: plýtvání elektrodami navíc.

Použití transformátoru zbavuje svářeče možnosti zahřát elektrody různými způsoby, protože se střídavým proudem takový rozdíl neexistuje – teplo se uvolňuje rovnoměrně na každém konci oblouku. Navíc klesá stabilita oblouku – na střídavý proud nehoří pořád.

Chcete-li snížit přehřátí švu, pohybujte elektrodou cik-cak nebo v kruhu, jak je pro svářeče pohodlnější. Teplo je distribuováno rovnoměrněji. Je také užitečné rozdělit velké švy na menší úseky a mezi úseky nechat kov vychladnout na 80-50°C.

Pro zlepšení kvality svaru na litině se používají elektrody s přídavkem mědi, niklu nebo kovu monel (slitina mědi a niklu). Nejjednodušší a nejlevnější varianta: ocelový drát Sv-08 (Sv-08A) je obalený měděným drátem a ponořen do roztoku křemičitanu sodného (tekuté sklo). Po zaschnutí povlaku můžete vařit.

Svařování plynem

Plyn nebo elektřina pro svařování je jen způsob ohřevu a dodávání energie do svarové lázně. Ale kvůli rozdílům ve fyzice a chemii těchto procesů se mohou objevit technologické rozdíly. Při svařování litiny plynem můžete použít acetylen nebo směs propan-butanu, ale obě možnosti využívají kyslík. Místo elektrody se používá niklový plnicí drát nebo litinová tyč. Aby nedošlo k oxidaci, můžete výplňový materiál natřít tavidly (na bázi boraxu), ale často stačí použít ohřev kovu redukční částí hořáku.

Pomocí hořáku postupně zahřívejte oblast kolem svaru. Pouze zkušenost svářeče pomůže určit vhodnou teplotu v oblasti svaru (200-350°C). Po dosažení tohoto je oblast svařena. Poté hořák postupně vyjměte, vyhněte se náhlému ochlazení. Samozřejmě se zde spotřebovává mnohem více plynu než při svařování oceli, ale to je nevyhnutelné při svařování litiny plynem, jinak vzniknou trhliny.

Argon-oblouk

Argonové obloukové svařování litiny je možné, ale je to příliš drahá možnost a neposkytuje žádné zvláštní výhody oproti jiným typům svařování. Litina nepotřebuje tolik ochrany před oxidací jako například hliník. Pokud stále musíte vařit litinu s argonem, měli byste dodržovat stejná pravidla:

• vyvarujte se přehřátí kovu;
• postupně zahřívejte oblast švu;
• po svařování postupně ochlazovat.

To vše vede k velké spotřebě argonu. Proto je lepší použít jiné způsoby vytápění. Obvykle se jedná o stejný acetylenový hořák, takže je zbytečné vařit s argonem vůbec. Při svařování argonem se obvykle používají nekonzumovatelné elektrody nebo poloautomat. V druhém případě bude nutné jej nabít požadovaným typem drátu, například niklem.

Další možnosti

Mezi další možnosti můžete doplnit část o svařování za tepla. Tato metoda vyžaduje nejvyšší spotřebu energie a přípravu forem pro velkoobjemovou svarovou lázeň. Po vyčištění místa pro šev se kolem tohoto místa (a v případě potřeby) zespodu vytvoří příčky ze žáruvzdorné hlíny. Pro formy se používají také grafitové desky. Vnější strana formy je chráněna schránkou z plechu: tím je zajištěno, že se lázeň nevylije. K předehřívání a pomalému ochlazování dílů se používají pece (za starých časů se na větší díly používal oheň).

Při svařování velkých dílů za studena je kov řezán pod úhlem 90 stupňů a do řezných zkosení jsou zašroubovány krátké trny z nízkouhlíkové oceli. Horní konce čepů obou polovin švu jsou rovněž svařeny ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Dodávají švu výraznou pevnost. Vrchní šev je svařen mědí nebo slitinou mědi a niklu.

Svařování, navařování a svařování litinových výrobků je běžnou metodou obnovy velkých dílů opotřebovaných intenzivním používáním. Problém je, že tato slitina se špatně svařuje, takže při nedodržení technologie jsou často pozorovány praskliny v hotových dílech.

Jak svařovat litinu nebo tavit litinu elektrodou? Před zahájením práce je třeba vyřešit čtyři klíčové problémy:

1. Určete typ slitiny.
2. Důkladně očistěte odlitek.
3. Nastavte teplotu předehřívání produktu.
4. Vyberte metodu svařování nebo navařování.

Proč potřebujete znát typ litiny?

V praxi se používají tyto druhy litiny: Bílá, šedá, kujná a vysokopevnostní (druhá pro speciální aplikace). Svařitelnost každého z těchto typů je odlišná.

Jak je známo, litina je slitina železa a uhlíku a procento uhlíku nesmí být menší než 2…4 %. To dává litině vysokou tvrdost, ale také sníženou tažnost. Během svařování způsobují střídavé cykly zahřívání a ochlazování kov roztahování a smršťování. Litina se však neroztahuje ani nedeformuje, ale praská. Podmínky pro takové praskání jsou dány typem litiny.

Bílá litina. Zadržuje uhlík ve formě karbidu železa (cementitu), aniž by jej uvolňoval jako grafit. Krystalická mikrostruktura cementitu je velmi tvrdá a křehká, proto nelze svařovat bílou litinu – praskání odlitku je nevyhnutelné při jakémkoli zvýšení/poklesu teploty. Jediným způsobem, jak se vyhnout praskání, je podrobit slitinu dlouhodobému žíhání při 900. 10500C, v důsledku čehož se přemění na temperovanou litinu.

Temperovaná litina. Má nejmenší křehkost, protože má sféroidní uhlíkovou mikrostrukturu.
Šedá litina. Uhlík obsažený ve slitině se při odlévání ukládá do grafitových vloček perlitové nebo feritové krystalické matrice. Z hlediska tažnosti a svařitelnosti zaujímá mezipolohu mezi tvárnou a bílou litinou, nicméně vločky grafitu v šedé litině se mohou dostat do svarové lázně a způsobit křehnutí svarového kovu.

Nejdostupnějším způsobem, jak určit typ litiny, je zkontrolovat barvu kovu v místě zlomu. Bílá litina bude mít světlejší barvu díky vyššímu obsahu cementitu. Kujná litina však vypadá přibližně stejně. Proto je lepší použít tzv. jiskrovou zkoušku, při které nedochází k destrukci odlitku.

Podstata jiskrové zkoušky spočívá v tom, že hrana svařovaného nebo svařovaného výrobku je přiložena na rotující brusný kotouč. Když se kov dostane do kontaktu s povrchem nástroje, vytvoří se jiskry. Jejich barva, vzhled a tvar umožňují určit, do jakého typu litiny výrobek patří. Broušení by mělo být provedeno tak, aby proud jiskry byl vržen vodorovně a na dostatečně tmavé pozadí.

U litiny se barva jisker vždy pohybuje od načervenalé po slámově žlutou. Jiskry jsou velmi tenké a krátké a začínají na brusném kotouči a nerozvětvují se.

Jiskrová zkouška umožňuje nejen odlišit litinu například od oceli, ale také určit typ slitiny. Při stejné rychlosti otáčení brusného kotouče a stejné upínací síle bude tok jiskry z dílu z tvárné litiny vždy delší než z šedé. Kromě toho bude šířka toku menší a nejmenší jiskry budou blízko okraje kruhu. Za stejných zkušebních podmínek bude délka a objem toku jiskry z bílé litiny menší než u šedé litiny.

Jednoduchou metodou kontroly připravenosti povrchu pro svařování litiny elektrodami je zkušební nanesení svaru na kov – pokud jsou nějaké nečistoty, bude šev porézní. Tato povrchová vrstva musí být odstraněna opakováním procesu, dokud pórovitost nezmizí.

Tepelné procesy při svařování

Svařování litiny elektrodou zahrnuje tři fáze:

• Předehřívání;
• Vlastní svařování (nebo svařování) s minimálním požadovaným množstvím vstupní tepelné energie;
• Pomalé chlazení.

Nezbytností tepelné kontroly je omezení tepelné roztažnosti. Odpovídající napětí nenastane, když se celý objekt zahřeje a roztáhne stejnou rychlostí, ale bude se akumulovat, když je teplo omezeno na relativně malou tepelně ovlivněnou zónu.

Předehřev snižuje teplotní gradient mezi hlavním tělesem odlitku a jeho povrchem a minimalizuje tahová napětí způsobená svařováním. Pro svařování litiny je nejlepší strategií minimalizovat přísun tepla – výběr nízkoteplotního svařovacího procesu a svařovacích elektrod, které mají nízký bod tání.

Je také důležité kontrolovat rychlost ochlazování, která má přímý vliv na napětí vznikající ve svaru. Rychlé ochlazení způsobuje smrštění, což způsobuje, že svary se stávají křehkými a snadno praskají. Tomu se lze vyhnout předehřátím kovu před svařováním.

Metody svařování litiny elektrodami

Nejčastěji se používá obloukové a kyslíko-acetylenové svařování a také pájení.
Při svařování litiny elektrodou se používají přídavné materiály potažené tavidlem. Volba elektrody je dána rozsahem použití a rozsahem následného mechanického zpracování.

Pro svařování litiny se používají následující typy elektrod:

• Litina/ocel, potažená tavidlem;
• Vyrobeno ze slitin mědi;
• Vyrobeno z niklu a slitin železa a niklu.

Nejlepší kvalitu svaru zajišťují elektrody ze slitin železa a niklu: Svar má vysokou pevnost a má nízký koeficient tepelné roztažnosti. Tím se snižuje namáhání při svařování a zvyšuje se odolnost litiny proti praskání. Doporučuje se používat minimální hodnoty proudu.

Přítomnost kroku předehřívání závisí na materiálu elektrody. Před svařováním litinovými nebo měděnými elektrodami se svařované/svařované výrobky zahřejí na teplotu minimálně 130. 150 °C, přičemž niklové elektrody lze použít bez předehřívání obrobků.

Pro kyslíko-acetylenové svařování litiny jsou vhodné pouze litinové a měděno-zinkové elektrody. Je třeba dbát na to, aby při svařování acetylenem nedošlo k oxidaci litiny, protože to způsobuje ztrátu křemíku a tvorbu bílé litiny ve svaru. Elektroda by měla být ponořena přímo do lázně taveniny spíše než tavenina v plameni – to minimalizuje výsledné teplotní gradienty.

Pájení je běžná metoda spojování litinových dílů z důvodu minimálního tepelného vlivu na základní kov. Tavidlo přítomné na elektrodě, vzhledem k jejímu nižšímu bodu tání (ve srovnání s litinou), nevstupuje do termochemických reakcí s litinou, ale jednoduše se ukládá na povrchu a zabraňuje tvorbě oxidů.

Čistota povrchu takového spoje závisí na kvalitě tavidla, které smáčí povrch základního kovu. To umožňuje, aby plnivo přetékalo přes spojované díly a čistilo je od oxidů, což podporuje těsnější spojení.

Sortiment a značky domácích svařovacích elektrod určených pro práci s litinovými výrobky se řídí technickými požadavky GOST 30430-96. Výběr elektrod pro svařování litiny lze provést podle následující tabulky:

Druh litiny	Značka elektrody	Aktuální síla, A.	Průměr elektrody mm
Šedá litina	Litina ECH-1;2	1100. 1400	12-16
Šedá litina	Ocel TsCh-5	110. 240	3. 6
Tažné železo	Litina EVCh-1	400. 1300	8. 14
Jakýkoli	Měď-nikl MNC-2	100. 130	3. 4
Pro svařování a navařování	Železo-nikl OZZHN-1	60. 90	3. 5
Pro svařování a navařování dílů pracujících pod rázovým zatížením	Nikl OZCH-4	70. 190	3 5 ..

Všechny elektrody jsou navrženy pro provoz se stejnosměrným proudem s obrácenou polaritou. Jejich omezení jsou:

• Potřeba přísného dodržování tepelných podmínek svařování;
• Zvýšené požadavky na kvalitu čištění povrchů;
• Citlivost na směr tvorby svaru;
• Potřeba pomalého chlazení hotového dílu nebo spoje.

V druhém případě je nutné použít speciální tepelně izolační materiály zpomalující ochlazování, případně využít periodický ohřev svaru. To zvyšuje pracnost práce.