Spawanie żeliwa – przygotowanie, metody i praktyczne wskazówki

Spawanie żeliwa to proces wymagający precyzyjnego podejścia i odpowiedniego przygotowania materiału. Ze względu na specyficzną strukturę i właściwości żeliwa, takie jak kruchość i skłonność do pęknięć, techniki spawalnicze muszą być odpowiednio dobrane, aby zapewnić trwałe i wytrzymałe połączenia. Od przygotowania materiału — po wybór najlepszych metod i narzędzi, sprawdź kompletny poradnik, jak osiągnąć wysoką jakość spoin, nawet w trudnych warunkach.

Wyjątkowe cechy żeliwa

Żeliwo jest materiałem o wyjątkowych właściwościach, takich jak doskonała wytrzymałość, wysoka odporność na ścieranie, skuteczność w tłumieniu drgań, łatwość odlewania złożonych form oraz niski koszt produkcji. Jednak, ze względu na dużą zawartość węgla, żeliwo jest materiałem trudnym do spawania. Jego kruchość, wynikająca z tego samego czynnika, sprawia, że jest mało plastyczne i łatwo łamliwe, co utrudnia procesy takie jak gięcie, rozciąganie czy kucie. 

W żeliwie zawartość węgla wynosi od 2 do 4%, co daje materiałowi wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale czyni go mniej odpornym na inne formy obciążeń. Szczególnym przypadkiem jest żeliwo białe, które charakteryzuje się obecnością węgla w postaci cementytu, co sprawia, że jest wyjątkowo twarde i kruche, przez co praktycznie niemożliwe do spawania tradycyjnymi metodami.

Wśród najczęstszych zalet żeliwa wymienia się przede wszystkim znakomitą:

•  wytrzymałość,
•  wysoką odporność na ścieranie,
•  skuteczność w tłumieniu drgań,
•  łatwość odlewania złożonych form,
•  niski koszt wytwarzania. 

Przygotowanie do spawania

Aby zapewnić wysoką jakość spoiny, przed przystąpieniem do spawania, powierzchnie muszą zostać odpowiednio przygotowane. Usunięcie wszelkich zanieczyszczeń, takich jak rdza, oleje, smary oraz kurz, jest kluczowe dla uzyskania dobrego kontaktu spoiwa z materiałem bazowym. Skutecznymi metodami czyszczenia są szlifowanie, użycie szczotek drucianych lub szlifierki kątowej. Oleje i smary należy usuwać przy pomocy rozpuszczalników lub za pomocą czyszczenia parą wodną. Niedokładne oczyszczenie powierzchni może prowadzić do powstawania porów, pęcherzy czy wtrąceń niemetalicznych w spoinie, co wpływa na jej wytrzymałość.

W przypadku naprawy pęknięć należy wywiercić otwory o średnicy 5 mm lub większej na końcach pęknięć, co zapobiega ich dalszemu rozprzestrzenianiu się. Następnie, wzdłuż pęknięcia, tworzy się rowek spawalniczy, który umożliwia precyzyjne manewrowanie elektrodą i zapewnia dobre wtopienie spoiny w brzegi rowka. W przypadku grubych odlewów warto zastosować ukosowanie na kształt litery X lub podwójne U, aby spawać dwustronnie.

Dobór spoiwa

Dobór odpowiedniego spoiwa jest kluczowy dla sukcesu procesu spawania. Spoiwo musi być dopasowane do rodzaju żeliwa, metody spawania oraz wymagań dotyczących kolorystyki spoiny i obróbki mechanicznej. W przypadku żeliwa szarego stosuje się spoiwa o podobnym składzie chemicznym, natomiast dla żeliwa białego, które jest bardziej kruche, należy używać elektrod o wyższej zawartości węgla, takich jak elektrody zasadowe czy stalowe. Żeliwo sferoidalne, które cechuje się lepszą wytrzymałością i plastycznością, wymaga spoiw z dodatkiem stopów, takich jak mangan czy krzem.

Wybór odpowiedniego spoiwa zależy także od metody spawania. W przypadku spawania elektrodą otuloną dobór elektrod zależy od typu żeliwa, a dla MIG/MAG odpowiedni drut spawalniczy powinien być dopasowany do specyfiki materiału. Do spawania TIG najczęściej stosuje się pręty niklowe. Dodatkowo, dopasowanie kolorystyczne spoiny do materiału ma duże znaczenie estetyczne i funkcjonalne, może wskazywać na jakość spawania oraz właściwe parametry procesu.

Podatność na obróbkę mechaniczną

Podczas doboru spoiwa należy również uwzględnić jego podatność na obróbkę mechaniczną. Spoiwo powinno mieć twardość zbliżoną do materiału bazowego lub nieco niższą, aby umożliwić łatwiejszą obróbkę, zachowując przy tym odpowiednią wytrzymałość. Ważne jest, aby unikać nadmiernego chłodzenia spoiny, ponieważ zbyt szybkie schłodzenie może prowadzić do zwiększenia jej twardości, co utrudnia dalszą obróbkę. W przypadku spoin o wyższej twardości należy stosować narzędzia o wyższej twardości, by uniknąć ich szybkiego zużycia.

Metody spawania żeliwa

Spawanie żeliwa można przeprowadzać na kilka sposobów, zależnie od rodzaju materiału i wymagań co do trwałości oraz wytrzymałości połączenia. Każda z technik: spawanie na gorąco, na zimno, lutospawanie ma swoje specyficzne zalety i ograniczenia.

Spawanie na gorąco

Spawanie na gorąco jest jedną z najtrudniejszych technik łączenia żeliwa, wymagającą precyzyjnej kontroli temperatury oraz doświadczenia spawacza.

Etapy: 

• Podgrzewanie odlewu do 700°C

Aby uniknąć pęknięcia żeliwa, materiał należy podgrzać do około 700°C, co pozwala na uniknięcie nagłych zmian temperatury, które mogłyby spowodować naprężenia prowadzące do pękania. Proces podgrzewania musi być przeprowadzany powoli, z zaleceniem nieprzekraczania tempa 100°C na godzinę. 

• Pokrycie odlewu roztworem wapna lub kredy

Odlew należy pokryć gęstym roztworem wapna lub kredy, aby zapobiec utlenianiu się powierzchni. Bezpośrednio przed spawaniem roztwór usuwa się a powierzchni materiału.

• Powolne ogrzewanie (maks. 100°C/h)

Podgrzewanie wstępne powinno odbywać się w temperaturze nieprzekraczającej 100 stopni C na godzinę, aby nie doprowadzić do popękania żeliwa w wyniku szybkiego działania wysokiej temperatury. Ogrzewanie prowadzi się na palenisku opalanym węglem drzewnym lub gazem. Małe elementy można podgrzewać płomieniem acetylenowo-tlenowym. 

• Technika spawania

Spawanie żeliwa wymaga specjalistycznej wiedzy i odpowiednich technik, aby zapewnić trwałość i wytrzymałość spoiny.

• Spawanie TIG (elektrodą nietopliwą w osłonie gazu obojętnego)

Spawanie żeliwa metodą TIG to spawanie go argonem przy pomocy niezużywającej się elektrody wolframowej. Jest to jedna z najbardziej precyzyjnych metod spawania, która umożliwia uzyskanie bardzo czystych i estetycznych spoin. 

Proces spawania TIG

Podgrzewanie materiału bazowego, tak jak w przypadku innych metod jest niezbędne, zwłaszcza dla grubszych elementów. Rodzaj spoiwa również ma znaczenie. Do spawania używa się drutu spawalniczego, który jest często niklowo-żelazny (NiFe), co zwiększa plastyczność spoiny. Podczas spawania wykorzystywany jest też argon, gaz ochronny, który zapewnia osłonę spoiny przed utlenieniem.

Alternatywnie spawanie elektrodą otuloną (EZO)

Spawanie żeliwa elektrodą otuloną (EZO) jest skuteczną metodą łączenia elementów żeliwnych, jednak wymaga uwzględnienia specyfiki tego materiału. Wybór odpowiednich elektrod, kontrolowanie parametrów spawania oraz podgrzewanie materiału przed i po spawaniu to aspekty, które zapewnią dobrą jakość spoiny i zminimalizują ryzyko pęknięć. Spawanie żeliwa elektrodą otuloną jest popularne ze względu na stosunkowo niskie koszty i dostępność, ale wymaga dużej precyzji i doświadczenia spawacza.

Zalety spawania żeliwa elektrodą otuloną (EZO):

• Dostępność i koszt — spawanie elektrodą otuloną jest relatywnie tanie i dostępne w wielu warsztatach.
• Łatwość w użyciu — elektrody otulone są stosunkowo łatwe w obsłudze, co czyni tę metodę odpowiednią dla mniej doświadczonych spawaczy.
• Uniwersalność — ta metoda może być stosowana do różnych rodzajów żeliwa, w tym do żeliwa szarego, sferoidalnego i stopowego.

Zastosowanie: 

Spawanie elektrodą otuloną jest powszechnie wykorzystywane do naprawy uszkodzonych elementów żeliwnych, takich jak części silników, elementy maszyn czy części pojazdów.

Naprawy dotyczą głównie pęknięć w elementach, które nie wymagają wymiany całych komponentów, co zmniejsza koszty napraw.

Ta metoda może być stosowana do różnych rodzajów żeliwa, w tym do żeliwa szarego, sferoidalnego i stopowego.

 Wymagające odlewy o wysokiej stabilności kształtu i struktury:

Spawanie żeliwa elektrodą w otulinie stosuje się do naprawy odlewów bardzo wymagających i trudnych pod względem stałości i stabilności kształtu oraz struktury. Metoda ta najczęściej wykorzystywana jest do łączenia dużych i ciężkich odlewów a także wtedy gdy nadtapianie powierzchni żeliwa mogłoby osłabić jego strukturę.

Spawanie na zimno

Spawanie żeliwa na zimno to metoda łączenia elementów wykonanych z tego materiału bez konieczności ich podgrzewania do wysokich temperatur. Jest to szczególnie istotne, ponieważ żeliwo wykazuje tendencję do pękania pod wpływem nagrzewania. Dzięki tej metodzie możliwe jest uzyskanie mocnych i trwałych połączeń przy minimalnym ryzyku uszkodzenia materiału bazowego, co ma kluczowe znaczenie dla zachowania integralności strukturalnej żeliwa.

Zalety spawania żeliwa na zimno:

1. Spawanie żeliwa na zimno eliminuje ryzyko przegrzania, które mogłoby doprowadzić do pęknięcia materiału.
2. Proces ten jest szybszy w porównaniu do tradycyjnego spawania, ponieważ nie wymaga podgrzewania elementów.
3. Zastosowanie odpowiednich spoiw znacząco zmniejsza lub całkowicie eliminuje ryzyko powstawania pęknięć.

Etapy spawania na zimno

• Spawanie w temperaturze poniżej 70°C.

Spawanie na zimno jest powszechnie stosowaną metodą do naprawy pęknięć w dużych odlewach żeliwnych. Proces ten odbywa się w temperaturze wynoszącej około 60–70°C, co zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu materiału i minimalizuje ryzyko uszkodzenia jego struktury.

• Długość spoiny ograniczona do 20–30 mm.

Najlepiej, gdy poszczególne odcinki spoiny nie przekraczają długości 20–30 mm. Pierwszy odcinek spoiny umieszczany jest na środku pęknięcia, a kolejne na jego końcach. Następnie kolejne odcinki spoiny wykonuje się naprzemiennie, aż do całkowitego wypełnienia pęknięcia.

• Przekuwanie młotkiem po każdym odcinku spoiny.

Podczas spawania żeliwa na zimno, po nałożeniu każdego odcinka spoiny, należy przerwać spawanie i delikatnie przekuć spoinę młotkiem. Dzięki temu procesowi możliwe jest zmniejszenie naprężeń i poprawa wytrzymałości połączenia.

Spoiwa do spawania żeliwa na zimno:

• Spoiwa na bazie stopów niklu,
• Spoiwa na bazie stopów żelaza z dodatkami niklu i chromu,
• Spoiwa na bazie miedzi: miedź oraz stopy miedzi,
• Spoiwa na bazie stali nierdzewnej,
• Spoiwa na bazie stali węglowej (elektrody stalowe),
• Spoiwa na bazie stopów żelaza z dodatkami węgla.

Spoiwa niklowe, niklowo-miedziane i niklowo-żelazowe:

Spoiwa niklowe charakteryzują się dobrą elastycznością, co czyni je idealnym rozwiązaniem do spawania na zimno. Ich plastyczność pozwala na dopasowanie się do właściwości mechanicznych żeliwa, co skutkuje minimalizowaniem naprężeń i zmniejsza ryzyko pęknięć. Spoiwa niklowo-miedziane są wykorzystywane głównie przy lutospawaniu i oferują lepsze dopasowanie kolorystyczne do odlewów. Spoiwa niklowo-żelazowe oraz stalowe, choć efektywne, są dość drogie, co sprawia, że ich użycie podnosi koszt procesu spawania.

Zastosowanie spawania na zimno:

Spawanie na zimno jest mniej pracochłonne niż spawanie na gorąco, a ponadto stanowi bardziej ekonomiczne rozwiązanie. Niemniej jednak jego efektywność może być mniejsza w przypadku bardziej skomplikowanych połączeń. Metoda ta jest szczególnie zalecana w naprawach dużych i ciężkich odlewów.

Spawanie na zimno a obniżenie twardości odlewu:

Z uwagi na proces spawania w niskiej temperaturze, nie dochodzi do obniżenia twardości odlewu czy spoiny, co w przypadku innych metod może stanowić problem.

Lutospawanie żeliwa

Lutospawanie żeliwa to proces, w którym materiał łączony jest spoiwem na bazie miedzi, które topnieje w niższej temperaturze niż samo żeliwo. W procesie lutospawania materiał nagrzewa się przy użyciu palnika acetylenowo-tlenowego, który zapewnia równomierne rozgrzanie. Spawanie odbywa się metodami MAG lub TIG. Lutospawanie jest szczególnie przydatne, gdy połączenie ma być precyzyjne, ale niekoniecznie musi wytrzymywać ekstremalne obciążenia.

Spoiwa stosowane do lutospawania żeliwa:

Spoiwa stosowane w lutospawaniu żeliwa charakteryzują się elastycznością, co pozwala im dostosować się do właściwości mechanicznych żeliwa, minimalizując ryzyko pęknięć. Do lutospawania żeliwa wykorzystuje się między innymi:

Stopy miedzi z dodatkami cyny i fosforu, które mają stosunkowo niską temperaturę topnienia (około 800–1000°C), dzięki czemu można je stosować bez ryzyka uszkodzenia materiału. Stopy miedzi i cyny charakteryzujące się dobrą wytrzymałością i odpornością na korozję. Stopy miedzi i fosforu, które mają niższą temperaturę topnienia i są powszechnie używane do lutowania żeliwa białego i szarego, zapewniając dobrą przyczepność i elastyczność. Stopy żelaza z dodatkami niklu, krzemu, boru i innych pierwiastków, stosowane do spawania żeliwa sferoidalnego i białego, poprawiające właściwości mechaniczne oraz odporność na ścieranie.

Technika lutospawania:

Lutospawanie może być realizowane przy użyciu kilku różnych technik, w tym:

1. Lutospawanie gazowe (palnik tlenowo-acetylenowy): Jest to jedna z najstarszych metod lutospawania żeliwa, która polega na użyciu palnika acetylenowo-tlenowego do podgrzewania spawanego odlewu. Lutospawanie gazowe charakteryzuje się mniejszym wtopieniem materiału i wywołuje mniejszy efekt wymieszania stopiwa z materiałem bazowym, co sprawia, że spoina jest szeroka, o niższej twardości.

2. Lutospawanie MAG lub TIG: W tym przypadku materiał nagrzewany jest palnikiem tlenowo-acetylenowym, a spawanie wykonywane jest przy użyciu metod MAG lub TIG. W zależności od rodzaju materiału stosuje się odpowiedni rodzaj spoiwa.

Zastosowanie lutospawania:

Lutospawanie żeliwa jest szczególnie przydatne w przypadkach, gdy połączenie ma być precyzyjne, ale niekoniecznie musi wytrzymywać bardzo duże obciążenia. Technika ta jest idealna, gdy nadtopienie powierzchni żeliwa mogłoby osłabić jego strukturę. Lutospawanie zapewnia doskonałą jakość spoiny – są one gładkie, odporne na korozję i praktycznie pozbawione porów. Dzięki temu lutospawanie jest również atrakcyjne estetycznie, co jest szczególnie istotne przy naprawach karoserii samochodowych i innych zastosowaniach wymagających wysokiej jakości powierzchni.

Praktyczne wskazówki

Różne typy żeliwa wymagają odpowiednich metod, by zapewnić trwałość i wytrzymałość połączenia. 

Żeliwo szare: Do jego spawania należy stosować metody, które nie uszkodzą struktury materiału. Zalecane metody to spawanie łukowe elektrodą otuloną, spawanie gazowe TIG oraz MIG/MAG, a także spawanie w osłonie CO2.

Żeliwo sferoidalne: Zawiera grafit, co nadaje mu wyższą wytrzymałość na rozciąganie i lepszą plastyczność. Do spawania tego typu żeliwa najlepiej stosować metody TIG lub MIG/MAG w osłonie argonu.

Żeliwo białe: Charakteryzuje się minimalną zawartością grafitu, przez co jest twarde, ale kruche. Spawanie tego typu żeliwa jest trudne, a najlepszą metodą jest spawanie TIG z odpowiednimi elektrodami.

Żeliwo wysokostopowe: Wymaga metod spawania dostosowanych do wysokiej temperatury topnienia i twardości materiału. Spawanie najlepiej przeprowadzać metodami TIG lub MIG/MAG z odpowiednimi elektrodami i gazami ochronnymi.

Ustawienie parametrów:

Wybór parametrów spawania, takich jak natężenie prądu, temperatura i szybkość podgrzewania, ma znaczenie dla trwałości połączenia. Metody spawania żeliwa, takie jak spawanie na gorąco, na zimno oraz lutospawanie, zmieniają się zgodnie z wymaganiami co do ustawień sprzętu.

Podsumowanie

Spawanie żeliwa wymaga precyzyjnego przygotowania, doboru odpowiedniej techniki i doświadczenia spawacza. Wybór odpowiedniego procesu spawania zależy od rodzaju żeliwa, wymagań dotyczących połączenia oraz dostępnych narzędzi. Każda z metod (na gorąco, na zimno, lutospawanie) ma swoje unikalne zastosowania, ograniczenia oraz wymagania. Ważny jest również dobór odpowiednich parametrów pracy, tworząc trwałe połączenia. Ponadto, doświadczenie i odpowiednie przygotowanie są podstawą w spawaniu żeliwa.