Gjutjärns- svetsning - Esab

InnehållVad är gjutjärn?...................................................... 3Vitt gjutjärn............................................................... 4Grått gjutjärn............................................................ 4Segjärn...................................................................... 5Aducerjärn................................................................ 5Faktorer som påverkarsvetsbarheten............................................................ 6Egenspänningar........................................................ 6Spänningskoncentrationer....................................... 6Värmepåverkan......................................................... 6Utspädning av svetsgodset........................................ 6Oljeförorening av gjutgodset.................................... 6Hur man kan kontrollerafaktorer som påverkarsvetsbarheten............................................................ 7Rätt svetsparametrar................................................. 7Korta strängar........................................................... 7Förvärmning............................................................. 7Purra svetsen............................................................. 7Oregelbundna former............................................... 7HAZ och inträngningszon........................................ 7Kolupptag från grundmaterialet.............................. 7Oljeimpregnerat gjutjärn.......................................... 8Svetsprocedurer....................................................... 9Smuts, gjuthud, färg etc........................................... 9Fogberedning............................................................ 9Förvärmning............................................................. 9Förvärmningens nivåer............................................ 9Svetsning allmänt................................................... 10Buttring................................................................... 10Ensträngssvets........................................................ 10Kall svetsning.......................................................... 10Halvvarm svetsning 250°C......................................11Bakstegssvetsning....................................................11Purra svetsen............................................................11Flerlagersvets...........................................................11Värmebehandling....................................................11Avsvalning................................................................11Reparationer.......................................................... 12Sprickor................................................................... 12Brott......................................................................... 12Bränt gjutgods......................................................... 13Inre oxidering......................................................... 13Tunna sektioner...................................................... 13Järnbaserade elektroder....................................... 14Kopparbaselektroder............................................ 142

Vad är gjutjärn?Gjutjärn är järnbaserade legeringar med kolhalt högre än 2%. De vanligaste typerna avgjutjärn har kolhalter mellan 2,5%-4% C. Genom att legera järn med så pass mycketkol kan smältpunkten sänkas. Detta förenklar och förbilligar gjutprocessen samtidigtsom krympningen vid stelnandet blir mindre. Rent järn har smältpunkt vid 1534°Cmedan järn legerat med 4,3% C har smältpunkt vid 1147°C. Den höga kolhalten innebäratt svetsbarheten hos gjutjärn inte är speciellt bra. Gjutjärn innehåller dessutomofta mer svavel och fosfor än vanligt stål vilket ytterligare försämrar svetsbarheten.Gjutjärn finns som två olika grupper. Det är dels de grafitiska gjutjärnen som kännetecknasav att kolet till stor del ligger utskiljt som ren grafit i mikrostrukturen och delsdet så kallade vitjärnet där kolet ligger bundet till järn som cementit eller martensit.De grafitiska gjutjärnen delas i sin tur in i tre stora grupper utifrån den geometriskaform som grafiten har i materialet. De tre grupperna är:• Gråjärn• Segjärn• Acucerjärn3

SegjärnAducerjärnSegjärn är ett gjutjärn där man genom legeringmed små mängder magnesium eller cerium harfått grafiten att utskiljas i sfärisk form i ställetför som fjällgrafit. Detta ger, jämfört med gråjärn,betydligt högre hållfasthet, formbarhet ochseghet. Segjärnet har dessutom samma godavibrationsdämpande förmåga, goda ljuddämpandeförmåga, smörjande effekt och goda spånbrytningsom gråjärnet har. Liksom för gråjärn gällerlångsam svalning för att grafiten inte ska förenasig med järn och bilda hård och spröd cementit.Segjärnens grundmassa kan anta alla de strukturformersom stål kan anta, det vill säga ferrit,perlit, austenit, bainit och martensit vilket gör attde olika segjärnskvaliteterna tillsammans omfattarett stort hållfasthetsspann.Halten av fosfor och svavel är som regel lägre isegjärn än i gråjärn, eftersom dessa ämnen hållertillbaka sfäroidiseringen av grafiten.Liksom gråjärn är segjärnet möjligt att svetsaom bara tillsatsmaterial och svetsprocedur anpassastill materialet.Aducerjärn får man genom att värmebehandlavitt gjutjärn. Genom värmebehandlingen får mankolet att lämna sin förening med järn och övergåtill klumpformiga, något greniga inneslutningarav fri grafit. Grafitformen kallas temperkol. Pådet sättet ökar man segheten och de mekaniskaegenskaperna hos aducerjärn motsvarar i principsegjärnets. Grundmassans struktur varierasgenom reglering av svalningshastigheten eftervärmebehandlingen och kan bestå av ferrit, perliteller martensit.Aducerjärnets svetsbarhet är ungefär som segjärnets.5

Hur man kan kontrollera faktorer som påverkar svetsbarhetenRätt svetsparametrarAvsvalningsspänningarna kan minskas genomatt använda rätt svetsparametrar. Generellt börvärmetillförseln hållas låg.Korta strängarSvetsa med korta strängar, låg ström och planerasträngföljden. Ju mindre volym som svalnar destomindre avsvalningsspänningar. Därför är kortasträngar bättre än långa. Pendling innebär störresträcka med ökande avsvalningsspänningar.Strängad svets är därför att föredra. Vid flerlagersvetsningkommer efterföljande strängar attvärmebehandla de första svetsade strängarna ochdärmed lösa en del av spänningarna som byggtsupp i de tidigare strängarna.För att minimera värmetillförseln, i synnerheti tunna sektioner, har det visat sig framgångsriktatt svetsa fallande vertikalt. Det går utmärkt medOK 92.58 och OK 92.60. Använd elektrodersom ger ett svetsgods med låg sträckgräns ochhög seghet. Nivån på kvarvarande spänningar isvetsgodset närmar sig vanligtvis sträckgränsen.Följaktligen minskar man de kvarvarande spänningarnaoch avsvalningsspänningarna lättaremed ett svetsgods med låg sträckgräns än hög.FörvärmSträckgränsen i material minskar vanligen medökad temperatur. Om krympningsspänningarnasom emanerar från svetsningen kan rymmas isvetsgodset vid en högre temperatur än rumstemperaturkommer de kvarvarande spänningarnaatt bli lägre. Förvärmningen kommer således attminska risken för avsvalningsspänningar.Purra svetsenAtt smida eller purra svetsen bygger in tryckspänningari svetsgodset istället för dragspänningarnasom åstadkoms vid svetsningen. Dettaär den mest användbara metoden när man villundvika sprickbildning i gjutjärnssvetsar.Oregelbundna formerFör att undvika sprickor i andra delar av gjutjärnsdetaljenpå grund av krympspänningarorsakade av svetsning är det ofta nyttigt att utvidgadessa delar genom förvärmning och på såvis balansera dessa spänningar. Den här typen avförvärmning kallas vanligen indirekt förvärmning.Generellt kan man säga om den här metodenatt det är bättre att värma en stor yta till enlägre temperatur, än att värma en liten yta till högtemperatur. En hög lokal värmning av fogen ärförstås ändå nödvändig om man önskar en mjuk,bearbetbar svets.När man svetsar en komplicerad gjutjärnsdetalj,som innehåller tvära övergångar mellanolika sektioner skall värmebehandlingen genomförasvid en temperatur strax under rödglödande.Om det inte är möjligt kan man ändå åstadkommaen tillfredsställande reparation genom förvärmningtill en lägre temperatur och lokal uppvärmningav fogen. All förvärmning skall genomföraslångsamt för att tillförsäkra en samtidig uppvärmningav hela detaljen. Förvärmning av heladetaljer upp till 600°C kan ske i lämpliga ugnarmed hjälp av gas, träkol eller el. Slutligen, jubesvärligare form desto mer nödvändig blir ennoggrann förvärmning.HAZ och inträngningszonHårdheten i HAZ kan minskas genom förvärmning.För att få en verklig minskning måste gjutjärnetvärmas till 500°C. Hårdheten i den delvisåtersmälta zonen nära inträngningszonen kanminskas genom att minska topptemperatur undersvetsningen. Låg strömstyrka således.Kolupptag från grundmaterialetKolupptag från grundmaterialet inträffar alltidvid svetsning av gjutjärn. I princip finns det tvåsätt att minska effekterna av detta.1. Använd hög förvärmningstemperatur i kombinationmed långsam avsvalning. På det sättetminskas risken för bildning av oanlöpt martensit7

i svetsgods och den skadliga effekten av kolupptagetminskas.2. Använd elektroder där kolupptaget integer några skadliga effekter. Detta är den mestanvända metoden. Elektroderna är mestadels avNi-bastyp.Oljeimpregnerat gjutjärnNär oljan har trängt djupt in i gjutjärnet är detomöjligt att tvätta bort den med avfettningsmedel,eftersom detta verkar endast på ytan.Istället måste oljan brännas bort genom en förhållandevislång värmebehandling. 4-8 timmarvid 500°C.Detta är inte möjligt i många fall, och då kanmejsling med OK 21.03 vara en lämplig lösning.Uppstår det ändå porer, så är det bästa sättet attfå en ren svets att upprepade gånger svetsa ochslipa svetsen tills inga porer längre uppträder.Motorblock till fartygsmotor8

SvetsprocedurerAlla ytor måste noggrant rengöras. Gjutjärn i sig har så dålig styrka att det är onödigtatt ytterligare försvaga svetsfogen genom att förbigå dessa åtgärder.Smuts, gjuthud, färg etcDet hör till en normal svetsprocedur att avlägsnaden här typen av föroreningar. Ni-baselektroderavsedda för gjutjärnssvetsning är dessutomkänsligare för den här typen av föroreningar än6013-typer. Vanligen räcker det att göra rent enyta på 20 mm på var sida om svetsen.FogberedningFogvinklarna skall vara större än för konstruktionstål,80-90 grader. Alla grader och hörn rundasav, för att minska värmekoncentrationen.Generellt är U-fogar bättre än V-fogar. Detta ärdet största skälet till att mejsling är så fördelaktigtjämfört med andra metoder att fogbereda gjutjärn.Sprickor måste tas upp helt och hållet. Lämnaemellertid 2-3 mm i roten så underlättas passningen.Använd OK 21.03 för alla typer av fogprepareringi sprickor. Håligheter i gjutgodsetmåste vidgas och rengöras.FörvärmningÄven om en nöjaktig fog kan göras utan förvärmningär risken för sprickor stor på grund avmaterialets ringa seghet. I synnerhet vid kompliceradeformer, kan sprickrisken avsevärt minskasmed hjälp av förvärmning.Det finns tre olika metoder att applicera förvärmningpå gjutgods.• Lokal förvärmning för att minska avsvalningshastigheteni svetsfogen.• Förvärmning av hela arbetsstycket för att lösaspänningar och minska avsvalningshastigheten.Om temperaturen höjs till 450°C sker enliten förbättring av plasticiteten vilken ökar medhögre temperatur. Detta utjämnar en del av spänningarnaoch ökar vridsegheten samtidigt somrisken för sprickor i den svetsade fogen minskar.Det minskar också hårdheten i både svetsgodsoch HAZ.• Indirekt förvärmning är ofta användbart, om detanvänds med försiktighet. Det används för att expanderaintilliggande material så att krympspänningarnaorsakade av svetsningen balanseras.Förvärmningens nivåerAlla nivåer av förvärmning är fördelaktiga. Mendet kan vara lämpligt att sätta några nyckeltemperaturer.Omgivningstemperaturen säkerställeratt inte luftfuktigheten kondenserar på ytan.• 80-100°C. Torkar upp fuktiga ytor och tillförsäkraratt inget hydrogentillskott ges av luftfuktigheten.• 200-250°C. Används till segjärn för att förhindramartensitbildning i HAZ. Det är inte nödvändigtatt förvärma sådana gjutjärn till högre temp.• < 500°C. Indirekt förvärmning används vidalla nivåer upp till 500°C. Ju högre desto bättre,förutsatt att både uppvärmning och avsvalningsker långsamt.• 500-600°C. Används på grått och nodulärtgjutjärn för ge att minsta möjliga hårdhet i HAZ.9

Svetsning allmäntSom ovan nämnts kan svetsning utföras vid olika förvärmningstemperaturer. Som enallmän regel kan sägas, att ju högre temperatur desto mindre rigorös behöver svetsprocedurenvara. För att förenkla rekommendationerna håller vi oss till tre temperaturer:• rumstemperatur• 250°C• 500°CDessutom behöver vi göra skillnad på tre typer av svetsar:• buttring• ensträngssvets• flerlagersvetsButtringI en del svetsfall är det fördelaktigt att buttra.Kortfattat innebär detta att den ena, eller bådaytorna som skall svetsas beläggs med hänsyn tillfogningen. Anledningen kan vara såväl mekanisksom metallurgisk.• Metallurgisk. För att undvika spröda faser iolikartad svets.• Mekanisk. I första hand för att få avsvalningsspänningarnai den plastiska buttringen iställetför den ofta spröda HAZ. HAZ blir naturligtvisändå utsatt för avsvalningsspänningar från varjesträng i buttringslagret, men sprids över en störreyta och de hårda faserna i HAZ blir anlöpta avefterkommande strängar.Buttringen genomförs som en flersträngssvetsoch tillåter en mindre rigorös svetsföljd i fyllnadssträngarna.Krympspänningarna i efterföljande lager kommeratt rymmas i buttringslagret och därigenomsänka spänningsnivån och risken för sprickor.Värmen från efterföljande strängar kommer attanlöpa HAZ i gjutgodset och minska spänningsnivåni föregående sträng. Ingen utspädning avgjutjärnet sker på grund av det isolerande buttringslagret.Svetsar mellan gjutgodset mot andra metallersåsom stål, kopparlegeringar eller nickellegeringartillförsäkras ett gott svetsförband.Återuppbyggnad av större skador och materialbristpå grund av tillverkningsfel, gjutfel ellermekanisk åverkan. Idén är att skära av skadan.Använd korta strängar och sträck svetsen genomsmidning. Resten av svetsen kan sedan göras påenklare sätt. Svetsning under svåra förhållandentill exempel ersätta skadad material med stål.EnsträngssvetsVid ensträngssvets är allt svetsgods i kontaktmed gjutgodset. Ingen värmebehandling av HAZsker genom efterföljande strängar. Det här kräveren särskilt noggrann svetsprocedur och/eller förvärmning.Kall svetsningHårdheten i HAZ beror på avsvalningshastigheten.Enda sättet att minska den utan förvärmningär att öka värmetillförseln. Det här orsakaremellertid ett större smältbad, och därmed högreavsvalningsspänningar, vilket är ännu mer menligtpå resultatet än hårda zoner i HAZ.Använd därför inte hög värmetillförsel. Istället10

ReparationerReparationer i gjutgodset kan allmänt delas in i två grupper; Applikationer med lättaspänningar och applikationer med svåra spänningar. Där den defekta delen är utsattför spänningar består oftast reparationen i att kapa och svetsa defekt material utan attåstadkomma ytterligare förstärkande material. Där den defekta delen måste ta upphöga laster är reparationen ofta utförd med hjälp av mekaniska hjälpmedel eftersomdraghållfastigheten i gjutgodset vanligen är otillräcklig.SprickorDet är nödvändigt att fastställa den exakta utbredningenav en spricka. En allmän säkerhetsregelkan sägas vara att slipa bort mer materiali sprickans längd än vad som verkligen är nödvändigt,för att försäkra sig om att hela sprickanavlägsnats.Man kan borra ett litet hål (0,3 mm) i varjeända av sprickan för att förhindra att den spridersig under svetsningen. Där uppmejslingoch svetsning kan ske utan för mycket arbete ärdet fördelaktigt att frilägga sprickans ena ändagenom att mejsla ut till en kant på gjutgodset.Där sprickan redan har spridit sig till kanten,skall svetsen påbörjas i den fasta ändan och utförasmot kanten. Hur en svets skall läggas måstebedömas från fall till fall.• Spricka mitt på en yta. Begränsas i var ändaav ett borrhål och mejslas upp till fog. Svetsenstartar i mitten och svetsas mot ändan.• Uppriktning av arbetstycket. Alla ytor somskall anslutas mekaniskt till en annan yta måstevara exakt fixerade i det läget under svetsningen.Om inte kommer missanpassningen mellanytorna att resultera i sprickor när den reparerandedelen monteras. Ett vanligt exempel på detta ärspruckna fötter på elmotorer.BrottBrott beror ofta på en plötslig ökning av arbetslasten.Reparationen måste kunna bära lastenifråga som den reparerande delen utsätts för.Detta åstadkoms ofta med hjälp av skruvförbandeller påkrympta band.Brott som uppstått i tunna sektioner repareras oftastbäst genom att avlägsna den trasiga ytan ochsvetsa in stålplåt.En annan reparation som ibland lyckas, meninte alltid kan rekommenderas är att dra i pinnbultar.Pinnbult dras i brottet och svetsas motgjutjärnet innan arbetet med att svetsa upp denfelande delen påbörjas. Att använda bultar i fogarär oftast meningslöst eftersom dragspänningarlossar bultarna. För att återuppbygga kugghjulständerär däremot förstärkning med pinnbult fördelaktigt.En urgröpt skada i gjutgodset kan repareras påföljande sätt:• Avlägsna allt skadat material från gjutjärnet,helst genom slipning.• Runda alla skarpa kanter.• Slipa kanterna på gjutgodset till ungefär 45°.• Buttra kanterna på gjutgodset med OK 92.18.• Kapa till en plåtbit som passar i det buttradehålet. Eftersom stålplåt och gjutgods expanderarså olika är det bästa att välja hälften så tjockplåt som gjutgods. Det begränsar också mängdensvetsgods som behövs vilket gör det lättare atthålla sträckenergin låg. Slipa kanterna på plåteni 45°, lämna 2 mm näsa så förenklas passningenav ytorna.• Nästa plåten mot gjutgodset.• Svetsa med korta strängar enligt bakstegsprincipen.Lägg strängarna en efter en på sidorna.• Purra mot svetsen, hellre än vinkelrät motsvetsens yta, för att undvika sprickor i svetsen.Om alla gjutjärnsbitar går att använda vid reparationenbehöver man inte använda plåt. Det är dåmöjligt att svetsa utan buttring även om det geren bättre svets.12

Bränt gjutgodsUttrycket bränt gjutgods avser i allmänhet gjutjärnsom är oxiderat såväl på ytan som i strukturen.Den här oxidationen uppstår när gjutjärnetutsatts för hög arbetstemperatur. Beroende pålegeringshalten kan detta börja redan vid 400°C.Bränt gjutjärn karaktäriseras av: Synlig oxidhudpå ytan. Denna oxid består av Fe 2O 3, Fe 3O 4och FeO. Fe 2O 3innehåller mest syre och tar därförytterplatsen av de tre. Oxidskiktet kan ocksåinnehålla legeringsoxider.Inre oxideringOxygen tränger snabbt in i gjutgodset via grafitkornen.Av termodynamiska skäl resulterar dettainte bara i förbränning av grafit till CO och CO 2utan det bildas också järnoxid. Denna järnoxidformar en zon omkring grafitflagorna. Om överskottsoxygenfinns och temperaturen är denrätta, kommer grafiten att brännas bort. Grafitenersätts då med järnoxid eller lämnar ett tomrum istrukturen. Detta är en kontinuerlig process somfortsätter tills materialet är förstört. Järnoxidenhar större volym än järn vilket får till följd attgjutjärnet sväller. Närvaron av järnoxid resulterarockså i högre hårdhet. Detta ihop med engrov och smutsig yta gör bränt gjutjärn väldigtsvårt att svetsa, om inte de förstörda delarna avytan avlägsnas. Därför är det alltid bäst att slipaeller mejsla ner till friskt material vid sådana härapplikationer.På kokiller och liknande har det emellertid visatsig praktisk möjligt att åstadkomma en hyfsadsvets med OK 91.00 vid hög strömstyrka380-600 A. Anledningen tycks vara att den högaströmstyrkan tillåter en djup inträngning vilketskapar en god förbindelse med friskt material.Vidare tenderar mycket av föroreningen att stigaupp till ytan i smältbadet.Som en nödlösning på mindre gjutgods medbränd eller oxiderad yta, kan följande proceduråstadkomma ett nöjaktigt förband:• Rensa ytan från damm och löst fastsittandefördärvat material. Använd stålborste eller slipskiva.• Använd OK 91.58 och dra upprepade gångeröver ytan, som när man tänder en tändsticka.Detta orsakar tändmärken på den brända ytan.Dessa metallrester skapar en bättre förbindelseunder den egentliga svetsningen. AnvändOK 92.58 till detta. Erfarenheten har visat attOK 94.25 kan åstadkomma en framgångsriksvets när nickelbaselektroder misslyckats. Så hartill exempel grenrör svetsats vid många tillfällen.Tunna sektionerI många gjutgods är vissa sektioner tunnare änandra. Det ser man till exempel i motorblock,topplock, ventiler etc. Det stora problemet är attundvika stora mängder svetsgods för att minimeraavsvalningsspänningarna. Det är också svårt attpurra svetsen utan att spräcka den.Bästa sättet att lägga lagom svetsgods är attsvetsa fallande vertikalt, vilket är möjligt medOK 92.58. För att undvika sprickor i gjutgodsetunder purrning är det bättre att arbeta i 45° vinkelän vinkelrätt mot ytan.Elektroder för gjutgodset:OK 92.18 Ren nickelOK 92.58 FerronickelOK 92.78 NiCu1OK 94.25 KoppartennGrenrör till bilmotor13

Järnbaserade elektroderOK 92.18 används för alla typer av gjutgods.Svetsgodset är plastiskt och lätt att bearbeta. Denrekommenderas för återfyllning av håligheteroch allmänna reparationer och där maskinbearbetbarasvetsar önskas i gjutgods med en hårdhetomkring 150 HB. Den skall inte svetsas i merän två lager, därför lägger man i flerlagerssvetsarfyllnadssträngar med OK 92.58 och toppsträngarnamed OK 92.18. Den rekommenderas inteför gjutgods med hög svavel och fosforhalt.OK 92.58 används för kall svetsning i alla typerav gjutgods. Den är speciellt användbari segjärn på grund av sin höga styrka. Denrekommenderas där maskinbearbetbara svetsarönskas i gjutgods med en hårdhet runt 250 HB.Den har högre tolerans mot svavel och fosfor änOK 92.18.KopparbaselektroderOK 94.25 används i första hand för svetsningari kopparlegeringar. Goda resultat har emellertidfåtts i gjutgods med hög svavelhalt. Ibland harden också gett goda resultat i bränt gjutgods, dånickelbaselektroder misslyckats. Maskinbearbetningsegenskapernaär sämre än för OK 92.18.Anteckningar14

Anteckningar15

Innehåll• Vad är gjutjärn?• Vitt gjutjärn• Grått gjutjärn• Segjärn• Aducerjärn• Faktorer som påverkar svetsbarheten• Egenspänningar• Spänningskoncentrationer• Värmepåverkan• Utspädning av svetsgodset• Oljeförorening av gjutgodset• Hur man kan kontrollera faktorersom påverkar svetsbarheten• Rätt svetsparametrar• Korta strängar• Förvärmning• Purra svetsen• Oregelbundna former• HAZ och inträngningszon• Kolupptag från grundmaterialet• Oljeimpregnerat gjutjärn• Svetsprocedurer• Smuts, gjuthud, färg etc• Fogberedning• Förvärmning• Förvärmningens nivåer• Svetsning allmänt• Buttring• Ensträngsvets• Kall svetsning• Halvvarm svetsning 250°C• Bakstegssvetsning• Purra svetsen• Flerlagersvets• Värmebehandling• Avsvalning• Reparationer• Sprickor• Brott• Bränt gjutgods• Inre oxidering• Tunna sektioner• Järnbaserade elektroder• KopparbaselektroderXA 00136310ESAB ABBox 8004, 402 77 GöteborgTel 031 - 50 90 00 Fax 031 - 50 93 90info@esab.se www.esab.com