Opublikowano dnia 30 marca 1957 r.TEK A! .,'0 i.rowego i POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 39811 ^m^f/^9 Manfred Waldemar Berg Lerum, Szwecja Arved Magi Sztokholm, Szwecja Sposób spawania rurowych odlewów ieliwnych Patent trwa od dnia 23 lipca 1955 r.Sposób wyrobu rur zeliwnych, zaopatrzonych z kazdej strony w kolnierze lub kielichy, polegal dotychczas wylacznie na odlewach w formach piaskowych, wykonanych wedlug modeli przy uzyciu rdzeni itd., lub wykonanych na maszynach potrzasajacych przy uzyciu modeli metalowych, przy czym dalsza procedura byla taka, jak przy formach piaskowych.Rur kolnierzowych czy dwukielichowych nie umiano dotychczas wytwarzac w calosci sposo¬ bem odlewania odsrodkowego, natomiast wytwa¬ rzano je tym sposobem z nasadzonymi na skurcz lub nakrecanymi na gwint kolnierzami. Tesposo¬ by sa jednak zbyt pracochlonne, a wytworzone rury nie wykazuja tej dobroci w stosunku do szczelnosci i odpornosci przeciwko korozji w gwin¬ cie, przylegajacym do kolnierza. Na skutek gwin¬ tu grubosc scianek jest w nich mniejsza, przez co zwykle powieksza sie ja na calej dlugosci rury.Sposób wedlug wynalazku wykonywania rur odlewem odsrodkowym z jednym kolnierzem lub jednym kielichem na jednym koncu i skladania dwóch takich czesci razem stronami bezkolnie- rzowymi czy bezkielichowymi przy pomocy spa¬ wania oporowego w maszynie do spawania na styk daje oczywiste korzysci, gdyz umozliwia produkcje masowa, zmniejsza koszty produkcji i daje rury, posiadajace strukture bardziej scisla i drobnoziarnista, odporniejsza na korozje, po¬ siadajace wszedzie te sama grubosc i mogace byc wykonanymi w dlugosciach o wiele wiekszych, niz te, które sa odlewane w formach piaskowych, wzglednie te, które sa formowane w znanych maszynach odlewniczych.Aby móc dobrze spawac zeliwo w maszynach do spawania stykowego, nalezy jednak uwzgled¬ nic wlasciwosci zeliwa, jego glówne skladnikij icl£W|iyw *ia jego wytrzymalosc. W tym celu * podane Ef%*po»izej warunkiniajace wplyw na spawanie zeliwa.Do uzytku technicznego stosowane jest prawie wylacznie zeliwo podeutektyczne, a wiec zeliwo, zawierajace 1,7 — 4,2°/o C, czyli tak zwane zeliwo szare, natomiast rzadko jest stosowane zeliwo nadeutektyczne, zawierajace ponad 4,2% wegla, gdyz zawiera ono duze ilosci gruboziarnistego grafitu i jest grubokrystaliczne, przez co ma ono zla wytrzymalosc.Równiez za mala zawartosc wegla jest w tech¬ nice niekorzystna. Im mniejsza jest zawartosc wegla, tym mocniejsze jest zwykle zeliwo, ale tylko w pewnych granicach, gdyz przy niskiej zawartosci wegla zwiekszaja sie w zeliwie napre¬ zenia wewnetrzne, z punktu widzenia obróbki • staje sie ono twardsze, staje sie szybko gestoplyn- ne, wymaga wyzszej temperatury topienia i two¬ rzy sie w nim wiecej pecherzy.Najlatwiejsze do operowania jest zeliwo, po¬ siadajace zawartosc wegla od 2,9 do 3,5%.Zeliwo z zawartoscia wegla, zblizona do zeliwa eutektycznego jest lekko topliwe, lekko obrabiai- ne i posiada malo pecherzy. Ma ono jednak przy zlamaniu strukture gruboziarnista i mala wy¬ trzymalosc.Wytrzymalosc zeliwa opada w pewnych grani¬ cach z wzrostem zawartosci grafitu. Z wzrostem zawartosci grafitu w stosunku do wegla zwiaza¬ nego spada równiez jego wytrzymalosc na zgiecie i na ciagnienie. Poniewaz krzem posiada maly wplyw na wytrzymalosc, zmiane wytrzymalosci nalezy odniesc do zawartosci grafitu, która jednak jest tym wyzsza, im wyzsza jest zawartosc krze¬ mu. Ponad to duzy wplyw na wydzielanie grafitu ma szybkosc studzenia przetopu. Im wolniej za¬ styga stop zelaza z weglem, zawierajacy krzem, tym wiecej wydziela sie grafitu. Postac grafitu wplywa na wytrzymalosc i przy tych samych warunkach, zeliwo, zawierajace drobnoziarnisty grafit posiada wyzsza wytrzymalosc, niz zeliwo z grafitem gruboziarnistym. Przy tej samej ilosci grafitu i tym samym jego rozdrobnieniu, zeliwo, posiadajace strukture perlitowa posiada lepsza wytrzymalosc, niz zeliwo z struktura ferrytowa czy perlitowo-ferrytowa. Z reguly mozna przyjac, ze wytrzymalosc na ciagnienie wzrasta z powiek¬ szeniem ilosci struktury perlitowej. Przy struk¬ turze wylacznie perlitowej mozna otrzymac dal¬ sze zwiekszenie wytrzymalosci tylko przez drobniejszy podzial grafitu. Fosfor podwyzsza wytrzymalosc przy zawartosci do 0,5ft/o, ale przy wiekszej jego zawartosci wytrzymalosc spada.Podwyzszenie zawartosci fosforu do l,15°/o moze np. zmniejszyc wytrzymalosc udarowa o 50 do 60%. W stanie plynnym, fosfor czyni zeliwo lat¬ wiej topliwym, ale na zimno takie zeliwo jest bardziej kruche. Kruchosc ta powieksza sie przy zwiekszaniu sie zawartosci wegla zwiazanego, wobec czego zeliwo, zawierajace wiecej grafitu, znosi wieksza zawartosc fosforu.Z punktu widzenia odlewu odsrodkowego i na¬ stepnego spawania oporowego oraz wyzarzania, stosownie do wynalazku, * obiera sie surowiec o skladzie chemicznym podeutektycznym o stop¬ niu nasycenia % C c 4,23 — 0,312 Si — 0,33P + 0,066 Mn przy czym w surowcu tym suma zawartosci weg¬ la i krzemu nie powinna byc wieksza niz 6,2°/o a zawartosc fosforu nie wieksza niz 0,7%.Tego rodzaju material moze byc przed wyza¬ rzaniem spawany oporowo, to znaczy, ze zawiera on wiecej zwiazanego wegla, niz wolnego grafitu (t. zw. zeliwo biale), a po spawaniu — wyzarzo¬ ny dla znormalizowania, poczym otrzymuje struk¬ ture z przewaga ferrytyczna z drobno rozdrobnio¬ nym grafitem, wytraconym tak, jak wegiel odza- rzania, przy czym zostaja zneutralizowane napre¬ zenia, powstajace przy spawaniu. Wzglednie moga byc rury odlewane odsrodkowo z surowca o skladzie powyzszym, poddane wyzarzeniu nor¬ malizacyjnemu przed spawaniem, a spawanie dokonane przy przewadze zeliwa ferrytycznego, posiadajacego drobno rozdrobniony grafit wytra¬ cony, podobny do wegla odzarzania.Rury o wiekszej wytrzymalosci otrzymuje sie, gdy zawartosc fosforu jest w nich ponizej 0,5% i gdy ten fosfor na skutek dyfuzji w wysokich temperaturach przechodzi do czesci ferrytycznych struktury pod postacia fosforków twardych i kru¬ chych. Im drobniejsza strukture maja te fosforki i im mniejsza jest ogólna zawartosc i drobniejszy podzial wydzielonego grafitu, tym wieksza moze byc zawartosc fosforu ponad 0,5% a wiec az- do 0,7%, bez widocznego pogorszenia wytrzymalosci zeliwa.Abywyeliminowac niebezpieczenstwo tworzenia sie w materiale rys i pekniec przy spawaniu, za¬ leca sie w przypadkach, gdy zawartosc fosforu przekracza 0,5°/©, w szczególnosci dla rur, podle¬ gajacych wiekszym naprezeniom dynamicznym, aby ich material zawiera! znane skladniki dodat¬ kowe, powiekszajace wytrzymalosc i wydluzenie, jak np. Cr, Ni, Ti, V, Mo, Co, Mg, itd. w odpowied¬ nich ilosciach, osobno lub w zestawieniu z inny¬ mi skladnikami. Material otrzymuje wtedy wiek¬ sza wytrzymalosc przeciw powstajacym w czasie oporowego spawania lokalnym przegrzaniom materialu i miejdzykrystalicznym naprezeniom na ostrych granicznych przejsciach przy tych miejscach. s . Na rysunku uwidoczniono schematycznie przy¬ kladowe urzadzenie do wykonywania sposobu wedlug wynalazku. Jako zródlo ciepla sluzy tu prad elektryczny zmienny, plynacy z duzym na¬ tezeniem i pod malym napieciem, np. 7 do 15 woltów z transformatora T przez spawane czesci i dzieki ich oporom wewnetrznym i oporom z sty¬ ku rozgrzewajacy ten styk do zmiekniecia wzgled¬ nie stopienia. E oznacza miedziane elektrody, A — spawane czesci, zas a — odleglosc zamocowania.Ze zeliwo wbrew dotychczasowym pogladom, w pewnych warunkach moze byc spawane oporo¬ wo, potwierdzaja spawy próbne, przy których otrzymano dobre wartosci wytrzymalosci. W spa¬ wie np. przy spawaniu rur zeliwnych, wytworzo¬ nych odlewem odsrodkowym wytrzymalosc na ciagnienie*20 i 26,7 kg/mm* i calkowita szczelnosc przy wewnetrznym cisnieniu wody 200 atmosfer.Wytrzymalosc na zginanie wynosila 53 i 45 kg/mm2.Dla wyjasnienia tak dobrych wyników w wyko¬ nanych spawach, nalezy wyjasnic, ze wedlug wy¬ kresu zelazo-wegiel, w zakresie 2,7 — 3,6*/© C, dwa kawalki zeliwa, z których jeden zawiera 2,8*/©, a drugi 3,5% wegla, — nie maja tej samej temperatury topienia. Próbka z 2,8°/© C musi byc ogrzana do 1295°C, podczas gdy próbka z 3,5°/© C wymaga ogrzania tylko do 1215° C dla uzyskania calkowitego stopienia. Jezeli próbuje sie spawac ta¬ kie czesci, po jednej stronie spawu moga pozostac^ niestopione krysztaly, przez co spaw bedzie nie¬ kompletny. Ujawnia sie to przy próbie wytrzyma¬ losci spawanych czesci, jak równiez przy badaniu spawu przy pomocy promieni rentgenowskich, przy uzyciu których okazuje sie, ze spaw nie jest kompletny i znajduja sie w nim powierzchnienie przetopione.Poza tym, zeliwo w stanie plastycznym lub (topionym posiada duze powinowactwo do tlenu powietrza i tendencje tworzenia tlenku zelaza, przez co tworza sie wrostki, które sa bardzo szkodliwe w spawie, gdyz zmniejszaja one wy-? trzymalosc, szczególnie przy obciazeniach dyna¬ micznych. Aby uniknac utlenienia lub zmniejszyc wplyw juz utworzonych tlenków, zeliwo spawa sie oporowo metoda spalania, polegajaca na utworzeniu atmosfery ochronnej* która przeszka¬ dza postepowi utleniania. Po ogrzaniu do przewi¬ dzianej temperatury, rozgrzana czesc podtapia sie na glebokosc paru milimetrów, zalezna od wielkosci spawanej powierzchni i nastepnie spe- cza sie razem pod duzym cisnieniem te dwie nadtopione sztuki. Podczas speczania zostaja wy¬ cisniete ze spawu wszelkie ewentualne wrostki tlenkowe."Liczne próby wykazaly, ze usuniecie wrostków tlenkowych zalezy bezposrednio od zastosowane¬ go cisnienia speczania na mm2. Przy cisnieniu 2,5 kg/mm2, na spawanej powierzchni lyl^ jeszcze wyrazne wrostki tlenkowe, podczas gtiy przy cisnieniu 5 i 9 kg/mm2 wyniki byly korzystniejsze i tak wytrzymalosc na ciagniecie jak i na zginanie spawanych próbek wzrosly znacznie.Dlatego cisnienie speczania winno wynosic 3—5 kg/mm2 lub nawet wiecej, ptzy czym 3 kg/mm2 nalezy w wielu przypadkach uwazac ja¬ ko minimum. Przy oporowym spawaniu zeliwa jest poza tym wazne, aby przy duzej energii pra¬ du elektrycznego otrzymac krótki czas spawania z mozliwie waska strefa ogrzania tak, aby mate¬ rial podlegajacy speczaniu mógl szybko byc oswobodzony od ciepla, doprowadzonego przy spawaniu. Tylko w ten sposób mozna uniknac wydzielania sie grafitu pod postacia plytek i otrzymac grafit dobrze rozdrobniony, oraz unie^ mozliwie przenoszenie ciepla dalej z nieuniknio¬ nym niebezpieczenstwem tworzenia rys.Wytrzymalosc na ciagnienie próbki zeliwa o za¬ wartosci 3,0% C, 1,85°/© Si, 0,67°/© Mn, 0,45°/# P. 0,12°/© S wyniosla 27 kg/mm2.Potrzebna jest struktura z drobnoziarnistym grafitem lub z przewaga wegla zwiazanego i mala, iloscia wydzielonego grafitu, gdyz dla otrzymania dobrej wytrzymalosci w spawie nalezy dazyc do tej samej struktury, co w materiale spawanym, — 3 —a to celem zmniejszenia naprezen miedzykrysta- licznych. Wskazane jest, miedzy innymi, stosowa¬ nie zeliwa sferoidalnego.Poza stosowaniem cisnienia speczania 3 — 5 kg/mm2 spawanej powierzchni nalezy dazyc do wytworzenia jak najwezszej strefy ogrzania, przez doprowadzenie duzej energii spawania; Spawy próbne na rurach odlewanych wykazaly, ze dla spawu o powierzchni przekroju 340 mm! potrzeb¬ na energia w obwodzie elektrycznym wynosi 30 — 35 kVA, co odpowiada energii 230 — 270 kVA dla powierzchni spawu 2600 mm2. Dla rury o powierzchni przekroju np. 18000 mm2 wymaga¬ na moc wynosila by 1500 kVA. Przy zastosowaniu nizszej mocy musi byc przedluzony czas nagrze¬ wania.Przy okraglych pretach zeliwnych z zeliwa „handlowego" otrzymano wytrzymalosc na ciag¬ nienie, wynoszaca do 24,7 kg/mm2. Uzyta moc wynosila w tym przypadku 125 kVA, a spawana powierz2hnia 700 mm2. W tym przypadku dzieki zastosowaniu duzej mocy czas spawania byl duzo krótszy i nie zauwazono wrostów tlenkowych.Tym tlumacza sie wyjatkowo dobre wyniki prób wytrzymalosciowych.Stosunkowo dobre spawy mozna bylo otrzymac w tym przypadku juz przy mocy 60 do 70 kVA.W przypadku, gdy dwie spawane czesci róznia sie swym skladem chemicznym i na skutek tego przy ogrzaniu do temperatury spawania mozna sie spodziewac w spawie róznych struktur na spawanych koncach tych dwóch czesci, przy tej czesci, która wedlug analizy wykazuje, ze pózniej dojdzie do temperatury topienia, nalezy zmniej¬ szyc odleglosc uchwytu a tak, aby przez zmniej¬ szenie podgrzewanej masy materialu i w tej cze¬ sci mozna bylo otrzymac wlasciwa, temperature spawania, przy jednoczesnym zagrzaniu drugiej czesci do wlasciwej dla niego temperatury spa¬ wania. Obliczenia odleglosci a mozna latwo do¬ konac na podstawie wykresu zelazo-wegiel, przedstawiajacego zaleznosc temperatury topie¬ nia od zawartosci wegla.Przy wyrobie rur zeliwnych z kolnierzami z obydwóch konców nie jest celowe robienie odle¬ wu odsrodkowego w kokilach, gdyz w czasie stygniecia rura kurczy sie i kolnierz zostaje przez to przesuniety. Z tego powodu nie bylo mozliwe dotychczas wytwarzanie rur kolnierzowych spo¬ sobem odlewu odsrodkowego.Wedlug wynalazku rury zeliwne laczy sie z odlanymi odsrodkowo kolnierzowymi zakoncze¬ niami, przy czym wskazane jest, aby jeden z nich lub obydwa te kolnierze zeliwne byly odlane wraz z przynalezna do nich czescia rury, po czym te czesci rurowe sa przy lokalnym podgrzaniu powierzchni stykowych scisniete razem i bez do¬ datku innych materialów ani topnika zostaja razem stopione. Dlugosc rur jest bez znaczenia; Do ogrzewania i sciskania razem rur stosuje sie znana maszyne do spawania stykowego z prze¬ grzaniem, w której kazdy ze spawanych kawal¬ ków jest zamocowany w parze szczek, podlaczo^ nych do zródla pradu elektrycznego, celem rozgrzania spawanych powierzchni styku.Po dostatecznym rozgrzaniu obydwóch powierz¬ chni stykowych zastaja one w maszynie silnie do siebie docisniete. Wysokosc temperatury i do¬ cisk dostosowuje sie do przekroju i wlasciwosci spawanego materialu.Biorac pod uwage, ze, spawanym materialem jest zeliwo i dla unikniecia ewentualnego pow¬ stawania w nim rys, powierzchnie stykowe na¬ grzewa sie raptownie, przez co zweza sie do minimum slrefe nagrzania. Okazalo sie, ze przez lokalne przegrzanie i silny docisk speczajacy, chroniace spawane powierzchnie stykowe przed utlenieniem, otrzymuje sie spaw scisly i wolny od pecherzy oraz wrostków tlenkowych lub zuz¬ lowych. Otrzymane rury sa nieprzenikliwe dla wody pod cisnieniem, nawet przy najwiekszych dopuszczalnych dla nich cisnieniach. Spaw taki, pod. wzgledem zdolnosci obróbczej, jest tak miekki jak i reszta rury. Próby wytrzymalosci wykazuja wartosci, odpowiadajace reszcie materialu. Prze¬ prowadzone badania metalograficzne wskazuja, ze struktura spawu odpowiada strukturze reszty rury.Sposób ten jest tani, gdyz nie stosuje sie w nim zadnych modeli czy tez rdzeni, a czynnosc spawa¬ nia jest prosta i szybka. Poza tym, sposobem wedlug wynalazku moga byc wytwarzane rury kazdej zadanej dlugosci, co bez bardzo znacznych kosztów nie jest mozliwe znanymi sposobami dotychczasowymi. PL