Jak i czym spawać żeliwo? Najlepsze metody spawania

Żeliwo – materiał o wysokiej zawartości węgla i złożonej strukturze krystalicznej – bywa postrzegane jako wymagające tworzywo w kontekście obróbki cieplnej. Mimo jego kruchości i tendencji do pękania pod wpływem naprężeń, znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym. Łączenie żeliwnych elementów spawalniczo wymaga nie tylko znajomości metody, ale również trafnego doboru elektrody do żeliwa oraz pełnego zrozumienia zachowania materiału w warunkach podgrzewania i chłodzenia.

Rodzaje żeliwa a jego podatność na spawanie

Różnorodność gatunków żeliwa wpływa bezpośrednio na zachowanie się spoiny w trakcie procesu łączenia. Materiał ten może występować w kilku odmianach, z których każda posiada odmienny układ grafitu oraz właściwości cieplne. Najczęściej spotykane typy to żeliwo szare, białe, ciągliwe i sferoidalne.

• Żeliwo szare – o strukturze płatkowej grafitu – należy do najbardziej rozpowszechnionych i równocześnie podatnych na spawanie rodzajów. W odróżnieniu od niego żeliwo białe, cechujące się twardością i brakiem grafityzacji, stanowi trudniejszy przypadek ze względu na wysoką kruchość i skłonność do mikropęknięć;
• Żeliwo ciągliwe, otrzymywane w wyniku długotrwałego wyżarzania białej odmiany, wykazuje poprawioną plastyczność, co wpływa korzystnie na trwałość połączenia. Z kolei żeliwo sferoidalne, zawierające grafit w formie kulistej, łączy właściwości mechaniczne stali z odpornością na odkształcenia, ale wymaga dużej precyzji w regulacji parametrów cieplnych.

Przygotowanie materiału przed spawaniem

Sukces w łączeniu żeliwnych detali zależy w dużym stopniu od jakości przygotowania powierzchni. Obecność grafitu, porów oraz zanieczyszczeń w strukturze tego materiału sprzyja powstawaniu wad spawalniczych, jeśli powierzchnia nie zostanie odpowiednio oczyszczona. Znaczenie ma usunięcie rdzy, tłuszczu, farb i zgorzeliny – najlepiej mechanicznie, przy użyciu szlifierki lub piaskarki. W miejscach trudno dostępnych warto zastosować obróbkę ręczną szczotką stalową o twardym włosiu. Niezależnie od wybranej metody, powierzchnia spawania powinna być jednorodna i wolna od wszelkich wtrąceń. Po zakończeniu oczyszczania należy przystąpić do kontroli strefy łączenia pod kątem pęknięć włoskowatych, często niewidocznych gołym okiem – pomocne może być użycie penetrantów barwnych albo luminoforowych. W przypadku spawania metodą elektrodą żeliwną ważnym etapem jest także wstępne podgrzanie materiału, szczególnie w przypadku dużych bądź masywnych elementów. Zalecane temperatury mieszczą się w przedziale 150–400 °C i powinny być utrzymywane równomiernie na całej powierzchni spawanego fragmentu, aby ograniczyć ryzyko szoków cieplnych i naprężeń.

Metody spawania żeliwa

Żeliwo można łączyć kilkoma technikami, z których każda wymaga innego podejścia do rozprowadzania ciepła i doboru materiałów dodatkowych. W zależności od charakterystyki detalu oraz oczekiwań dotyczących wytrzymałości spoiny, stosuje się spawanie na zimno, pół gorąco lub na gorąco.

Spawanie na zimno to technika zakładająca możliwie najniższe doprowadzenie ciepła do strefy roboczej. Pozwala ograniczyć ryzyko pękania poprzez stosowanie bardzo krótkich ściegów (zwykle nie dłuższych niż 25–30 mm), przerywanej pracy oraz intensywnego przekuwania spoiny młotkiem zaraz po ostygnięciu. Wymaga użycia specjalistycznych elektrod do spawania żeliwa, często o wysokiej zawartości niklu, dobrze wiążącego się z grafitem i nie wprowadzającego nadmiernego naprężenia. Spawanie pół gorące i na gorąco stosuje się w przypadku grubych albo masywnych elementów, gdzie lokalne naprężenia mają tendencję do rozprzestrzeniania się na całą bryłę. Wówczas materiał poddaje się kontrolowanemu podgrzewaniu – równomiernemu, w piecu bądź z użyciem opalarek – tak, by temperatura była stabilna w całym przekroju. Pozwala to uniknąć gwałtownych zmian objętości i zachować ciągłość strukturalną. Po zakończeniu spawania element powinien powoli ostygnąć, najlepiej w otulinie z popiołu lub wełny ceramicznej.

Elektrody do spawania żeliwa

Wybór odpowiedniego wariantu ma decydujący wpływ na trwałość i jakość połączenia. Elektrody do żeliwa różnią się nie tylko składem chemicznym, ale również zachowaniem łuku, plastycznością spoiny i zdolnością do kompensacji naprężeń powstałych w czasie chłodzenia. Wśród najczęściej stosowanych można wyróżnić dwa typy: niklowe oraz żelazowo-niklowe.

• Elektrody żeliwne o wysokiej zawartości niklu (powyżej 95%) stosowane są głównie do spawania na zimno. Zapewniają elastyczność spoiny, dobrą przyczepność do materiału rodzimego i minimalizują skurcz cieplny. Ich przewagą jest także możliwość obróbki skrawaniem po ostygnięciu. Wadą – wysoka cena i ograniczona dostępność w niektórych średnicach.
• Elektrody o mieszanym składzie niklowo-żelazowym (ok. 50–60% Ni) łączą właściwości elastyczne z lepszymi parametrami wytrzymałościowymi. Znajdują zastosowanie zarówno w naprawach, jak i w nowych konstrukcjach narażonych na wibracje albo zmienne obciążenia. W tej grupie mieszczą się takie produkty jak ESAB OK NiFe‑Cl‑A czy UTP 86 FN – cenione za stabilny łuk, małą ilość odprysków i dobrą adaptację do pracy w trudnych warunkach.
• Dla mniej wymagających zastosowań dostępne są także elektrody do żeliwa o otulinie grafitowo-wapniowej lub zasadowej. Choć nie zapewniają takiej jakości jak odmiany niklowe, są stosowane do doraźnych napraw, zwłaszcza w przypadku żeliwa szarego.

Przy doborze materiału spawalniczego warto kierować się nie tylko rodzajem żeliwa, ale również grubością ścianki, orientacją elementu oraz przewidywaną obróbką po spawaniu. Niewłaściwa elektroda zwiększa ryzyko utleniania, tworzenia mikroporów i pękania strefy wpływu ciepła.

Najczęstsze błędy podczas spawania żeliwa i jak ich unikać

Spawanie żeliwa wymaga skrupulatności, a nieuwaga na etapie przygotowania lub prowadzenia łuku często prowadzi do poważnych wad. Jednym z najczęstszych uchybień jest zignorowanie konieczności równomiernego podgrzewania materiału przed rozpoczęciem pracy. Wprowadzenie ciepła w sposób punktowy albo zbyt gwałtowny skutkuje rozwarstwieniami i wewnętrznymi pęknięciami, które mogą ujawnić się dopiero po ostygnięciu. Drugim typowym problemem jest zbyt długa ciągła spoina. Żeliwo nie toleruje nadmiaru energii cieplnej skupionej w jednym miejscu – dlatego zaleca się prowadzenie spawania odcinkami, z częstym przerywaniem i kontrolowanym schładzaniem. Praca bez przerw prowadzi do nadmiernego rozszerzania się struktury krystalicznej i powstawania naprężeń trudnych do zredukowania. Nie mniejsze znaczenie ma też dobór właściwego prądu. Zbyt wysoki natężenie łuku sprawia, że stopiony metal wnika zbyt głęboko w strukturę materiału, co pogarsza jego integralność i sprzyja powstawaniu porów. Z kolei zbyt niskie wartości powodują niestabilność jeziorka spawalniczego i brak przetopu. Prawidłowe ustawienia powinny być dopasowane do średnicy elektrody oraz metody (najczęściej MMA bądź TIG), a także rodzaju stopu. Na końcu należy wspomnieć o błędnym doborze – stosowanie zwykłych elektrod rutylowych do spawania żeliwa to powszechny błąd, prowadzący do kruchej, nietrwałej spoiny. Tylko dobrze dopasowane elektrody żeliwne – dostosowane do konkretnej struktury materiału – gwarantują zachowanie właściwych właściwości mechanicznych połączenia.