«Сварочные работы. Практический справочник»

Сварочные работы. Практический справочник (fb2) - Сварочные работы. Практический справочник (Ваш домашний помощник) 3209K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Сергей Павлович Кашин

Ваш домашний помощник. Сварочные работы. Практический справочник Составитель Сергей Павлович Кашин

Введение

В настоящее время сварка относится к наиболее распространенным технологическим процессам в различных отраслях производства. Кроме того, она востребована в быту и малом строительстве, когда необходимо сварить, например, гараж или вольер для домашних животных.

Когда-то мир не знал сварки, а простейшие работы подобного типа проводили кузнецы, которые нагревали части изделия, собирали их и проковывали. Этот процесс используется и сейчас, а называется он кузнечной сваркой.

Открытие электрической дуги круто изменило способы соединения металлических изделий и конструкций. А с изобретением сварочного аппарата такие работы вышли на новый уровень.

На протяжении XX века усовершенствовались старые способы сварки и изобретались новые. В итоге сварка превратилась в универсальный способ соединения материалов. Поскольку далеко не каждый из них может быть использован домашним мастером, в этой книге основное внимание уделяется ручной дуговой и газовой сварке и резке, с помощью которых в быту выполняется большинство сварочных операций.

Теория сварки

Основные понятия

Прежде чем говорить о сварочных работах, необходимо ввести ряд наиболее важных понятий, которые непосредственно связаны с ними и без которых невозможно понимание тех или иных процессов. Причем они намеренно расположены не в алфавитном порядке, а в соответствии с логикой повествования.

Сварка представляет собой соединение металлических частей (деталей, конструкций и проч.) посредством локального нагревания и доведения их до пластичного или расплавленного состояния.

Сварным называется неразъемное соединение металлических частей (деталей, конструкций и др.), которое достигнуто в результате сварки.

Сварной шов – это часть сварного соединения, образованная в процессе сварки расплавленным, а затем кристаллизовавшимся металлом.

Основной металл – металл, из которого выполнены части, детали, изделия и конструкции, подвергающиеся сварке.

Сварочный флюс – неметаллический материал, защищающий зону сварки, пайки, наплавки от атмосферного воздуха, создающий условия для восстановления окислов, разжижения шлаков и понижения их температуры, способствующий получению сварного шва необходимого химического состава.

Сварочный электрод – это стержень, изготовленный из электропроводящего материала, с помощью которого электрический ток подводится к свариваемым деталям, частям и т. п.

Металл шва – материал, который получается в процессе смешивания расплавленного основного и присадочного или электродного металла.

Сварочная ванна – углубление, образованное сварочной дугой или пламенем горелки и заполненное расплавленным металлом.

Околошовная зона – это участок основного металла, структура которого подвергается изменению в результате воздействия высокой температуры, необходимой для выполнения сварки.

Легирующие компоненты – это вещества, которые вводят в состав металлов и сплавов и благодаря которым полученный материал приобретает определенные свойства.

Строение и свойства металлов

В твердых телах, к которым относятся и металлы, атомы по-разному располагаются в пространстве:

✓ беспорядочно, т. е. для каждого атома нет строго определенного места относительно других атомов. Такое строение типично для аморфных веществ, которые формально принадлежат к твердым телам, поскольку могут сохранять объем и форму, но у них отсутствует определенная температура плавления и кристаллизации;

✓ упорядоченно, когда атомы находятся на конкретных местах. Такой принцип размещения атомов встречается у твердых веществ. Если центры атомов соединить гипотетическими прямыми линиями, можно образовать пространственную решетку, которая называется кристаллической. Несмотря на то что отдельные атомы в результате диффузии могут менять свое месторасположение, покидая узлы решетки, в целом упорядоченность кристаллического строения остается неизменной.

Для разных металлов характерен определенный тип кристаллической решетки, образуемой малоподвижными ионами с положительным зарядом, между которыми перемещаются отрицательно заряженные частицы – свободные электроны. Последние образуют явление, называемое электронным газом. Именно он обеспечивает пластичность, тепло– и электропроводность металлов.

Твердые кристаллические тела, в частности металлы, имеют структуру, состоящую из кристаллических зерен, которые называются кристаллитами. В расположенных рядом зернах кристаллические решетки находятся под некоторым углом друг к другу.

Для соединения двух металлов важно, чтобы между их кристаллическим строением и размером атомов наблюдалось определенное соответствие. Это означает, что для сварки наилучшими являются условия, при которых металлы будут иметь одинаковые или однотипные кристаллические решетки с примерно схожими параметрами и близкими по размеру атомами.

Металл, находясь в твердом состоянии, обладает энергетически стабильным кристаллическим строением, при этом атомы или их группировки обладают минимальным количеством свободной энергии. Перемена температурных условий (нагрев или охлаждение) влечет за собой энергетические изменения в состоянии атомов, что, в свою очередь, приводит к перестройке их расположения относительно друг друга и изменению свободной энергии. Такое положение возможно до определенных температур, при которых металл сохраняет свою кристаллическую структуру. Дальнейший подъем температуры доводит энергетическое состояние атомов до состояния, характерного для жидкости. Продолжающееся ее повышение заканчивается тем, что кристаллическая решетка начинает разрушаться, хотя при этом могут оставаться отдельные комбинации атомов относительно тех атомов, которые расположены в соответствии с прежними закономерностями. Но они не отличаются стабильностью, поскольку одновременно идет процесс разрушения одних группировок и образование других. Именно они при охлаждении металла превращаются в центры кристаллизации. От их количества зависит, насколько крупными будут кристаллы, возникающие при изменении состояния металла, т. е. при переходе его из жидкого состояния в твердое (этот процесс называется перекристаллизацией).

Нагревание или охлаждение металла, находящегося в твердом состоянии, может приводить к смене одного вида кристаллической решетки другим. Это явление называется аллотропическим превращением и осуществляется по законам кристаллизации.

Такие металлы, как железо, олово и др., при нагревании до определенной температуры, которая называется критической точкой, после охлаждения и затвердевания способны образовывать кристаллические решетки разной формы.

Например, критической температурой для чистого железа (так называемое ά-железо) является 910 °C (температура плавления – 1500 °C), по достижении которой атомы в пределах кристаллической решетки перестраиваются.

В результате образуется другая модификация – γ-железо, которое по своим свойствам отличается от первого, в частности оно лишено магнитных свойств и может растворять углерод.

При перекристаллизации строение металла тоже изменяется. Данный процесс относится к тем факторам, от которых зависят кристаллическая структура, зернистость и свойства металлов. Кроме того, он может исправить неблагоприятное строение, сформировав более мелкозернистую структуру.

Таким образом, условия плавления металла имеют большое значение для процесса кристаллизации и определяют свойства металла сварного шва.

Металлы обладают рядом свойств, которые отличают их от других материалов и веществ. На основании этого они подразделяются на четыре основные группы:

✓ физические (цвет, плотность, плавкость, а также тепло– и электропроводность, теплоемкость, способность намагничиваться);

✓ химические (жаропрочность, окалиностойкость, жароупорность, коррозионная устойчивость);

✓ механические (упругость, прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость);

✓ технологические (свариваемость, ковкость, текучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость).

Для сварочной практики наиболее важными являются механические и технологические характеристики металлов, поэтому на них следует остановиться более подробно.

Прочность представляет собой способность металла сопротивляться внешнему воздействию и при этом не разрушаться.

Для определения прочности металла имеются специальные средства, в частности разрывные машины, обладающие различной мощностью. При испытании того или иного образца на разрыв наступает момент, когда металл продолжает удлиняться, хотя нагрузка на него не возрастает. Отношение такой нагрузки к поперечному сечению образца – предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки образец разрывается. Напряжение, при котором это происходит, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала.

Свойство металла под воздействием нагрузки изменять свою форму, а после прекращения воздействия восстанавливать ее называется упругостью. А если он изменяет форму под влиянием на него той или иной нагрузки, но при этом не разрушается, а после ее устранения сохраняет приданную форму, то такая его способность называется пластичностью. Этот параметр важен для металла сварного шва, который проходит испытание на загиб. По величине угла загиба судят о пластичности шва: чем он больше, тем выше пластичность.

Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела называется твердостью. Она проверяется в процессе различных испытаний, каждое из которых имеет определенное название, в частности:

✓ твердость по Бринеллю;

✓ твердость по Виккерсу;

✓ твердость по Роквеллу.

В ходе проверки металл испытывается вдавливанием шарика (диаметром 2,5, 5 или 10 мм), изготовленного из твердой стали, вершины алмазной пирамиды и вершины алмазного конуса (угол – 120°) соответственно.

По тому, насколько металл способен сопротивляться ударным нагрузкам, судят о его ударной вязкости. В сварочном производстве это основной параметр наплавленного металла и сварного соединения. Чем выше ударная вязкость металла сварного шва, тем он работоспособнее, тем большую нагрузку он состоянии выдержать.

Помимо названных параметров, металл тестируют на усталость и истирание. Первый показатель важен для установления выносливости материала в условиях многократно сменяющихся нагрузок, а второй – для металлов тех деталей и изделий (например, подшипников и др.), которые в процессе эксплуатации подвергаются трению.

Технологические свойства металла важны в тех случаях, когда стоит задача – решить, является ли данный металл пригодным для изготовления из него той или иной детали, конструкции и проч. Для этого берут технологические пробы, некоторые из которых имеют определенные стандарты, например пробы на осадку в холодном состоянии, на загиб и т. д.

По своему составу металлы бывают черными (в эту группу входят железо и сплавы, полученные на его основе, т. е. чугун и сталь) и цветными (остальные металлы и сплавы).

В промышленности находят применение не только металлы в чистом виде (они называются простыми, если не имеют в своем составе легирующих компонентов), но и сложные вещества, полученные в процессе сплавления. Они называются сплавами и классифицируются на основе разных признаков:

✓ по составу (содержанию легирующих веществ). Сплавы бывают низко-, средне– и высоколегированными, если содержат менее 2 %, от 2,5 до 10 % или более 10 % легирующих веществ соответственно;

✓ по количеству компонентов (химических элементов в составе сплава). На основании этого параметра различаются двух-, трех-и более компонентные сплавы;

✓ по степени чистоты (это относится и к металлам). Различаются сплавы от пониженной, средней, повышенной и высокой чистоты до особо чистых.

Качественное выполнение сварочных работ невозможно без учета свойств металлов и сплавов.

Свариваемость металлов

Свариваемость – это свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, которое отвечает всем требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия, т. е. она представляет собой способность одно– и разнородных металлов и сплавов давать такое сварное соединение, которое при определенных условиях (нагрузки, температура, воздействие внешней среды и проч.) не будет разрушаться.

Если металлы и сплавы содержат в своем составе элементы, которые отличаются неограниченной взаимной растворимостью, то они хорошо свариваются и не дают соединений, которые негативно влияют на свойства сварного шва. Это можно сказать, например, о таких парах, как железо и хром, железо и ванадий, молибден и тантал, никель и медь, хром и титан и др. Прекрасно свариваются однородные металлы и сплавы, например медь с медью, чугун с чугуном, сталь со сталью и др.

Если металлы (например, свинец и медь) и сплавы в жидком состоянии дают несмешивающиеся слои, т. е. о них нельзя сказать, что им свойственна высокая взаимная растворимость, то их сварка неосуществима. Это означает, что они настолько разнородны, что взаимная кристаллизация невозможна. С трудом свариваются железо и магний, алюминий и висмут и др.

Для облегчения этого процесса в смесь вводятся такие металлы, которые способны взаимно растворяться и с тем, и с другим соединяемым компонентом.

Таким образом, свариваемость металлов и сплавов во многом определяется их химическим составом. В качестве примера рассмотрим железоуглеродистые сплавы, которые в этом плане очень показательны. Свариваемость углеродистой стали определяется содержанием присутствующих в ней примесей. Углерод – один из главных элементов в стали, от которого во многом зависят свойства данного материала в процессе обработки. Это относится и к свариваемости: с повышением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Например, хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, в которых количество углерода не превышает 0,25 %; среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35 % тоже свариваются неплохо. При дальнейшем повышении данного параметра свариваемость сталей заметно ухудшается. Это проявляется в том, что в околошовной зоне образуются закалочные структуры, трещины, а сам шов приобретает пористость.

Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).

Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:

✓ вид и режим сварки;

✓ состав присадок и флюса;

✓ вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).

Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.

Металлургия сварки

Процессы расплавления и затвердевания металла, в ходе которых его химический состав претерпевает изменения, а кристаллическая решетка – трансформацию, называются металлургическими. Сварка также относится к ним, но по сравнению с другими подобными процессами имеет ряд особенностей, поскольку:

✓ осуществляется при значительной температуре нагрева. Благодаря этому повышается скорость плавления всех составляющих процесса – основного и электродного металла, электродного покрытия и флюса. Это сопровождается испарением, окислением и разбрызгиванием веществ, которые принимают участие в протекающих в сварочной ванне химических реакциях. Кроме того, при высокой температуре дуги молекулы азота, водорода и кислорода частично диссоциируются (так называется процесс, при котором молекулы расщепляются на более простые составные частицы – молекулы, атомы и др.). Данные элементы (газы), будучи в атомарном состоянии, становятся химически более активными, поэтому интенсифицируются процессы их окисления, насыщения металла азотом и поглощения водорода, что выделяет сварку среди других металлургических процессов. При высокой температуре имеющиеся примеси выгорают, что в конечном итоге отражается на химическом составе свариваемого металла (он изменяется);

✓ течет с высокой скоростью. Это относится как к нагреванию, так и к охлаждению, что, естественно, сказывается на процессе крис таллизации и может приводить к появлению каких-либо дефектов (на при мер, к формированию закалочных структур, трещинообразованию и др.);

✓ отличается минимальными объемами нагретого и расплавленного металла. Объем сварочной ванны при ручной сварке составляет 0,5–1,5 см3 (при автоматической он больше – 24–300 см3);

✓ характеризуется быстрым отводом тепла от расплавленного металла сварочной ванны в близлежащие участки основного металла, находящегося в твердом состоянии, что наряду с малыми объемами расплавленного металла приводит к кратковременности химических реакций, которые протекают при высокой температуре процесса, следствием чего может быть их незавершенность, что, в свою очередь, отражается на структуре металла шва, который образуется по окончании сварки, и основного металла околошовной зоны (зоны термического влияния). Результатом этого может быть ослабление сварного шва.

К другим особенностям сварки относится то, что в зоне соединения происходит активное воздействие газов и шлаков на расплавленный металл. Кроме того, может применяться присадочный материал, необходимый для формирования металла шва, причем не исключаются значительные различия между химическим составом присадок и основного металла.

Таким образом, при сварке за небольшой промежуток времени наблюдаются сложные процессы, во время которых разные химические элементы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим эти явления, чтобы лучше представлять себе, что стоит за сварочными процессами.

Наиболее важен процесс кристаллизации металла шва. Во время сварки вместе с перемещением дуги передвигается и сварочная ванна, а расплавленный металл, оставшийся в ее тылу, постепенно охлаждается и затвердевает. Так образуется сварной шов. Величина и протяженность сварочной ванны определяются различными факторами, в частности типом источника тепла, его мощностью, режимом сварки, характеристиками металла, подвергающегося сварке, и др. Первыми кристаллизуются частично сплавленные зерна основного металла, находящегося на границе расплавления, к решетке которых прикрепляются атомы кристаллизующейся фазы. По окончании затвердения в зоне расплавления формируются зерна, которые состоят из основного металла и металла сварного шва, благодаря чему и обеспечивается соединение, т. е. непрерывная металлическая связь «основной металл – шов – основной металл».

Для процесса кристаллизации характерна высокая скорость, поскольку интенсивный нагрев сварочной дугой сменяется таким же энергичным отводом тепла в свариваемое изделие. Металл сварного шва может за секунду остывать на десятки или даже сотни градусов.

Изучение кристаллизации сварного шва методами металлографии показывает, что в различных его частях формируются кристаллы разного размера: в верхних – более крупные, а в нижних – более мелкие.

Кристаллы в зависимости от своего месторасположения различаются и формой: в средней зоне они имеют транскристаллитное строение, т. е. удлиненную форму, а в верхней – дендритное строение, т. е. ветвистую форму.

Кристаллизация как процесс протекает неравномерно, поскольку периодически изменяется теплообмен и т. д. В результате этого сварной шов неоднороден, в нем четко выделяется слоистая структура. Кристаллизационные слои, в свою очередь, состоят из трех участков:

✓ нижнего, содержащего незначительное количество серы, фосфора и углерода. Этот участок, отличающийся наиболее выраженным почернением при травлении, образуется в процессе кристаллизации тонкого слоя жидкого металла, прилегающего к оплавленной поверхности, в который названные элементы проникли из соседних участков основного металла;

✓ среднего, в котором содержится примерно такое же количество серы, фосфора и углерода, как и в металле шва. Он кристаллизуется из расплавленного металла исходного состава, бывает самым широким и характеризуется достаточно однородным почернением при травлении;

✓ верхнего, содержащего наименьшее количество серы, углерода и фосфора и дающего ослабленное почернение при травлении.

Последующие кристаллизационные слои формируются таким же образом.

Не менее важное явление, которое сопровождает процесс сварки, – это диссоциация газов, при которой молекулы газа переходят в атомарное состояние (H2 → 2H, O2 → 2O, N2 → 2N). При этом активность атомов кислорода, водорода и азота значительно возрастает, они легче растворяются в расплавленном металле, увеличивая его хрупкость, уменьшая пластичность и т. д.

Разложению подвергаются молекулы и других веществ, например плавиковый шпат, имеющийся в составе электродных покрытий, под воздействием высокой температуры распадается на фтористый кальций и свободный фтор (CaF2 → CaF + F), причем последний при достижении температуры 6000 °C активно диссоциируется. Наряду с минусами, которые несет свободный фтор (в его присутствии условия горения сварочной дуги изменяются в худшую сторону), есть и положительный момент: он образует с водородом устойчивое соединение, т. е. риск образования газовых пор снижается, что улучшает свойства металла шва.

Для понимания особенностей сваривания металлов необходимо иметь представление об основных химических реакциях, которые протекают в зоне сварки.

Сам процесс в упрощенной форме выглядит так: под воздействием высокой температуры электрической дуги кромки сваривающихся металлов, электродного металла и флюса расплавляются. В ходе этого формируется сварочная ванна, вокруг которой находится относительно холодный металл, причем его толщина может быть значительной, и которая покрыта расплавленным шлаком. В результате при сварке наблюдается взаимодействие между расплавленным металлом с одной стороны и шлаком, атмосферным воздухом и выделяющимися в процессе плавления газами – с другой. Начало этого процесса отмечается с того момента, как только появляются первые капли металла электрода, а его завершение знаменуется полным охлаждением металла шва.

Основными составляющими газовой среды, в которой протекает процесс сварки, являются CO2, CO, H2O, H2, O2, N2 и продукты их диссоциации – OH, H, N, O.

Кроме того, здесь присутствуют пары металла и шлака.

Источники кислорода – окружающий воздух и электродное покрытие. При взаимодействии кислорода с расплавленным металлом железо окисляется, образуя оксиды – закись железа FeO (II), окись железа Fe2O3 (III), закись-окись железа Fe3O4 (с содержанием O2 22,27, 30,06 и 27,64 % соответственно), что иллюстрируется следующими реакциями:

2Fe + O2 ↔ 2FeO;

Fe + O ↔ FeO;

4Fe + 3 O2 ↔ 2Fe2O3;

3Fe + 2 О2 ↔ Fe2O4.

Из оксидов в железе растворяется лишь закись. Окись и закись-окись практически не растворимы, вследствие чего их влияние на свойства железа не отмечается, но при определенных условиях они, присутствуя на неподготовленных кромках свариваемых металлов (в ржавчине, окалине), превращаются в закись согласно реакциям:

Fe2O3 + Fe = 3FeO;

Fe3O4 + Fe = 4FeO.

В этом случае закись железа растворяется в расплавленном металле и шлаке, что в сводных швах проявляется в виде пор (при охлаждении металла закись железа выпадает из раствора, но если скорость этого процесса высока, то закись сохраняется в растворе и формирует прослойки шлака между зернами металла), которые снижают качество сварки. Для уменьшения растворимости закиси (она зависит от содержания углерода в стали и температуры: при повышении первого снижается, при возрастании второй – увеличивается) в металле важно, чтобы ее концентрация в шлаке была низкой. Тогда закись будет переходить в шлак.

В зоне так называемой дуги имеются углекислый газ CO2 и пары воды H2O, которые тоже принимают участие в окислении железа, поскольку при их диссоциации выделяется активный кислород:

Fe + CO2 ↔ FeO + CO;

Fe + H2O ↔ FeO + H2.

Кроме того, металл окисляется под воздействием окислов кремния (SiO2) и марганца (MnO).

Чтобы снизить концентрацию кислорода в расплавленном металле сварочной ванны, прибегают к введению раскислителей, степень сродства которых к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом) больше, чем у металла сварочной ванны.

Из воздуха в зону сварки поступает азот, который в зоне сварочной дуги присутствует и в атомарном, и в молекулярном, и в ионизированном состояниях. Его растворимость в железе определяется температурой. В процессе охлаждения шва азот выделяется из раствора, вступает в реакцию с металлом шва, в результате чего образуются такие химические соединения, как нитриды железа, марганца и кремния (Fe2 N, Fe4 N, MnN, SiN). Если охлаждение проходит с большой скоростью, то азот, не успевая полностью выделиться, вместе с металлом входит в перенасыщенный твердый раствор, что, с одной стороны, резко повышает прочность шва, а с другой – становится причиной постепенного старения металла шва и негативно сказывается на его механических свойствах (он утрачивает пластичность). Поэтому необходимо принимать меры по недопущению проникновения азота в зону сварочной ванны, что возможно, например, при осуществлении сварки в среде защитного газа.

При диссоциации водяных паров (они проникают в зону дуги из воздуха, флюса и др.), которая развивается в зоне сварки под воздействием высокой температуры, образуется еще один газ – водород. Он может быть и молекулярным, и атомарным, причем последний хорошо растворяется в расплавленном металле, особенно при повышении температуры. Когда она поднимается до 2400 °C, количество водорода составляет 43 см3 на 100 г металла (это максимальное значение).

По способности растворять водород металлы делятся на две группы:

✓ металлы, не вступающие в соединения с водородом (железо, никель, медь и др.);

✓ металлы, образующие при взаимодействии с водородом гидриды (ванадий, титан, редкоземельные элементы и др.).

Присутствующие в металле легирующие элементы по-разному воздействуют на растворимость водорода – могут либо повышать ее, либо понижать. К первым относятся титан и ниобий, а ко вторым – хром, алюминий, а также кремний и углерод.

При охлаждении металла атомарный кислород переходит в молекулярное состояние. Но, если кристаллизация протекает с высокой скоростью, водород не может полностью выделиться из металла, что негативно отражается на качестве шва, металл которого приобретает пористость, становится менее пластичным, усиливается трещинообразование и т. п.

Чтобы минимизировать концентрацию водорода в сварочной ванне, вводят элементы, которые вступают в реакцию с ним и образуют нерастворимые соединения (например, фтористый водород), либо применяют окисление сварочной ванны.

Из всего сказанного следует вывод: физико-химические процессы, которые наблюдаются в зоне дуги, существенно влияют на качество металла сварного шва и, следовательно, всего соединения. Поэтому требуется принимать меры, защищающие расплавленный металл сварочной ванны от нежелательного воздействия на него перечисленных газов. Названный способ, предполагающий осуществление сварки в среде защитных газов, а также создание шлаковой оболочки над ванной расплавленного металла, оказывает положительное влияние, но полностью защитить металл от проникновения кислорода и образования в нем соединений с ним это не может. Более эффективным оказывается раскисление металла и извлечение из сварочной ванны оксидов.

В качестве раскислителей металла сварочной ванны используют алюминий, углерод, титан, кремний и марганец, поскольку они имеют значительное сродство к кислороду. Данные элементы вводят в расплавленный металл одним из трех способов – в виде:

✓ электродной проволоки или присадки;

✓ флюса;

✓ электродного покрытия.

Они взаимодействуют с окислами металла. Раскислители вводят в сварочную ванну в виде ферросплавов (ферротитана, ферромарганца и др.), входящих в состав электродного покрытия или флюса. Расплавляясь, они практически целиком переходят в шлак.

Перечисленные выше раскислители ведут себя совершенно по-разному, поэтому одним из них отдают предпочтение чаще, а другие применяют реже. К последним относится алюминий, поскольку он образует тугоплавкие соединения с кислородом, которые придают стали нежелательные качества, в частности склонность к трещинообразованию. Тем не менее при его использовании взаимодействие протекает в соответствии с реакцией:

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3.

Очень активным раскислителем является титан, поэтому его применяют довольно часто. Он вводится в жидкий металл в составе электродных покрытий и взаимодействует с кислородом согласно реакции:

2FeO + Ti = 2Fe + TiO2.

Кроме того, титан уменьшает содержание азота в расплавленном металле, так как образует нитриды.

Хорошим раскислителем является кремний, который присутствует в электродных покрытиях и флюсах и взаимодействует с кислородом по следующей реакции:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2.

Одновременно с этим в жидком металле идет реакция образования силикатов (SiO2 + FeO = FeO SiO2), которые вместе с оксидом двухвалентного железа не растворяются в железе и переходят в шлак.

Раскисление углеродом протекает по реакции:

FeO + C = Fe + CO.

Оксид углерода – это газообразное соединение, в стали оно не растворяется, выделяясь из нее в виде пузырьков. До начала кристаллизации это выглядит как кипение вещества, сопровождающееся разбрызгиванием металла, который при этом очищается от различных металлических включений. Кипение металла во время охлаждения – явление негативное, так как при высокой скорости кристаллизации часть оксида остается в металле шва, образуя поры. Чтобы предотвратить возникновение газовых пор, в сварочную ванну вводят кремний, причем его количество должно быть достаточным для подавления раскисляющего действия углерода.

Самый широко применяемый раскислитель – марганец, входящий в качестве компонента во флюсы и электродные покрытия и действующий по реакции:

FeO + Mn = Fe + MnO.

Как и оксид железа (FeO), оксид марганца вступает во взаимодействие с оксидом кремния, образуя не растворяющийся в стали силикат (MnO + SiO2 = MnO SiO2). Помимо этого, результатом реакции с сульфидом железа (FeS + Mn = MnS + Fe) является сернистый марганец, который, будучи не растворимым в стали, переходит в шлак и освобождает металл от примесей серы (она попадает в сварочную ванну из разных источников – основного металла, сварочной проволоки, флюса и др.).

Виды сварки

Напомним, что получение неразъемного соединения твердых материалов в процессе их местного плавления или пластического деформирования называется сваркой. Металлы и сплавы, как уже было сказано, являются твердыми кристаллическими телами, состоящими из кристаллитов, между которыми существуют межатомные и межмолекулярные силы взаимодействия. При обычных условиях между силами отталкивания и притяжения наблюдается равновесие. Под воздействием энергии, направленной извне (это энергия активации), оно нарушается. В зависимости от того, как именно активируются межатомные связи для формирования неразъемного соединения, сварка подразделяется на:

✓ сварку плавлением. В соответствии со способом нагрева электросварка плавлением представлена таким видами, как электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная, электронно-лучевая. При этом жидкий металл расплавленных кромок перемешивается с образованием общего объема (сварочной ванны), из которого образуется металл шва. Это происходит и в результате использования присадочного металла. Источники локального нагрева бывают различными. Например, это могут быть электрическая дуга, плазма, горелка, энергия электронного или плазменного излучения, печь и др.;

✓ сварку давлением, при которой сварное соединение образуется благодаря исключительно деформированию свариваемых частей (в некоторых случаях нагрузка может сочетаться с местным нагреванием). Это возможно за счет применения статической или ударной нагрузки, например при сварке взрывом, ультразвуком или в процессе холодной сварки. В ходе пластической деформации на участке свариваемых кромок (он называется зоной соединения) возникает трение, которое способствует формированию межатомных связей между частями.

Для соединения двух металлов в единое целое необходимо, чтобы расстояние между их атомами сократилось настолько, чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Это достижимо при условии, что промежуток между атомами составляет 4 × 10–8 см, что возможно, если:

✓ не нагревая детали, сжать их с приложением больших усилий, что характерно исключительно для пластичных металлов, например для алюминия;

✓ одновременно нагреть и сжать детали, прикладывая умеренное усилие;

✓ в зоне соединения нагреть детали до расплавления, не прибегая к сжатию, что и происходит при сварке металлов и сплавов.

В соответствии с этим сварка металлов классифицируется на основе различных признаков:

✓ физических;

✓ технических;

✓ технологических. В основе классификации по физическим признакам лежит форма энергии, которая применяется для создания сварного соединения.

Согласно ГОСТу 19521–74 можно выделить 3 класса сварочных процессов:

1. Термический, при котором в зоне сварки под воздействием тепловой энергии рабочие части металла соединяются посредством плавления. Сюда входят следующие разновидности сварки: а) дуговая. Этот вид сварки классифицируется по различным признакам (Ручная дуговая сварка. М.: Высшая школа, 1981), представленным на рис. 1.

С применением электродуговой сварки осуществляется примерно 65 % сварочных работ, при которых могут использоваться как плавящиеся (металлические), так и неплавящиеся (угольные) электроды (рис. 2).

Первый способ был разработан Н. Г. Славяновым, а второй – Н. Н. Бенардосом.

Участок на границе расплавленной кромки называется зоной плавления. Ее ширина измеряется микрометрами, но несмотря на такие размеры прочность сварного соединения во многом зависит от нее.

По Славянову, кромки и электрод под воздействием сварочной дуги расплавляются одновременно. Образующаяся при этом сварочная ванна заполняет зазор между соединяемыми деталями, а после кристаллизации превращается в сварной шов.

Рис. 1. Классификация дуговой сварки

Чтобы улучшить качество наплавляемого металла, на электрод наносится особое покрытие, которое, расплавившись, превращается в слой шлака, покрывающий жидкий металл. В результате этого, во-первых, в шлак переходят вредные примеси, присутствующие в расплавленном металле, а во-вторых, шлак защищает сварочную ванну от проникновения в нее кислорода и азота из атмосферного воздуха.

К электроду, зафиксированному в электродержателе, ток (при этом способе дуговой сварки он может быть как постоянным, так и переменным) поступает по электрическому проводу, а к деталям – через второй провод, закрепленный зажимом.

Рис. 2. Электродуговая сварка: а – плавящимся электродом: 1 – деталь; 2 – сварочная дуга; 3 – зажим; 4 – электрод; 5 – электродержатель; 6 – провод; 7 – кромка; б – неплавящимся электродом: 1 – деталь; 2 – присадочный материал; 3 – электрод; 4 – электродержатель; 5, 6 – провод; 7 – сварочная дуга

В методе, разработанном Бенардосом, используется неплавящийся электрод, сварочная ванная создается за счет металлического прутка, расплавляющегося под воздействием сварочной дуги. В отличие от первого способа здесь используется постоянный ток. При сварке стали он не всегда дает результат нужного качества, поэтому в основном находит применение при сварке алюминия, меди, тонколистовой стали и наплавке твердых сплавов;

б) электронно-лучевая. Для ее осуществления необходима особая камера, в которой создается вакуум. Кромки свариваемых деталей расплавляются сфокусированным пучком электронов, которые ударяются в так называемое пятно нагрева, в результате чего кинетическая энергия их торможения переходит в теплоту. При этом температура в фокусе достигает 10 000 °C;

в) электрошлаковая, при которой основной и присадочный материалы расплавляются теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока через расплавленный шлак на протяжении всего процесса. Этот вид сварки различается по виду и количеству электродов, наличию его колебаний и т. д. Данный способ используется для сварки крупногабаритных заготовок;

г) плазменная. При сварке в столб дуги постоянно поступает неионизированный газ. Под ее воздействием он последовательно нагревается, ионизируется и трансформируется в плазменную струю, которая уплотняется вихревым потоком газа. Образуется источник тепловой энергии, концентрация которого такова, что достаточна для сваривания металла;

д) световая, при которой сваривание деталей (металлов и отдельных неметаллических материалов) обеспечивает концентрированный луч – монохроматический (при лазерной сварке), солнечный (при гелиосварке) или искусственный полихроматический;

е) индукционная, при которой металл, нагретый токами высокой частоты, сдавливается. Данный способ практикуется при сварке труб;

ж) термитная. Для ее осуществления свариваемые части кладут в огнеупорную форму, на них ставят тигель, в который помещают термит (порошок из смеси алюминия с железной окалиной). В процессе реакции восстановления выделяется большое количество тепла (реакция относится к экзотермическим), а температура металла достигает 2000 °C. В результате этого жидкий металл оплавляет кромки частей и затекает в промежуток между ними. Кристаллизовавшись, он дает сварочный шов;

з) газовая, основанная на том, что основной и присадочный металлы свариваются с помощью высокотемпературного газокислородного пламени. Для этой цели используются различные газы – ацетилен, природный газ, водород и др. Чаще всего применяется ацетиленокислородная сварка, в которой используется пламя инжекционной горелки. Роль присадочного материала играют прутки или проволока из металла, схожего по составу с основным. По качеству этот вид сварки уступает электродуговой;

и) литейная. Этим способом сваривают изделия из благородных металлов и проч. В современном производстве к такому виду сварки прибегают редко – только для исправления чугунных отливок. Суть сварки состоит в следующем: зону сварки заливают расплавленным в тигле металлом, после чего формуют шов.

2. Термомеханический, который включает сварку и с использованием тепловой энергии, и с применением давления. Это такие виды сварки, как: а) контактная, осуществляемая тремя способами, например встык, что практикуется для соединения частей с малыми сечениями. Сначала гидравлический пресс сжимает кромки, потом с помощью электрического тока металл на кромках нагревается до пластического состояния и сваривается;

б) индукционно-прессовая, при которой под воздействием токов высокой частоты соединяемые части или детали, расположенные под определенным углом друг к другу и контактирующие на участке сварки, нагреваются, расплавляются, стягиваются обжимными роликами и осаживаются. Результат – прочное соединение;

в) диффузионная, основанная на способности атомов контактирующий деталей к диффузии. Их устанавливают встык, нагревают с помощью индуктора и сжимают. Процесс проходит либо в вакууме, либо в газовой среде (для этого используются инертные газы). При этом способе достаточно довести температуру до 750–800 °C;

г) газопрессовая, при которой кромки свариваемых частей нагревают с помощью ацетиленокислородной горелки и сжимают, применяя специальный осадочный механизм;

д) термокомпрессионная, для осуществления которой необходимость расплавления материалов отсутствует. Компонент, например проволочные выводы, и подложку покрывают ковким материалом (золотом), нагревают до 300 °C и сжимают примерно на полсекунды. В результате образуется соединение по типу диффузной сварки;

е) дугопрессовая, которая находит применение при необходимости присоединить к пластине детали вроде болтов или шпилек. Когда шпилька или болт отводится от пластины, между ними возникает дуговой разряд, из-за которого температура их торцов и металла пластины повышается, они нагреваются и расплавляются. В тот момент, когда при отключенном токе шпилька или болт ударяются о пластину, они свариваются;

ж) печная, практикующаяся, например, для приваривания фланцев к трубам. Для этого стыки покрывают специальным составом (вставка между ними латунного или бронзового кольца – еще один вариант). В таком виде все помещают в электропечь, в которой при температуре 1100–1500 °C происходит сваривание;

и) термитно-прессовая, при которой соединяемые части или детали нагревают газовым пламенем и сжимают.

3. Механический, в него входят виды сварки, для осуществления которых используется комбинация механической энергии и давления. Эту группу составляют следующие виды сварки: а) холодная, в основе которой лежит способность кристаллитов металла срастаться под воздействием высокого давления. Таким способом соединяют исключительно пластичные материалы, такие как алюминий, свинец и др.;

б) ультразвуковая, при которой свариваемые части сближают и стягивают вибрирующим зажимом, через который поступают высокочастотные колебания от магнитострикционного генератора. Благодаря колебаниям состыкованные части нагреваются, после чего свариваются в процессе диффузии атомов контактирующих материалов;

в) магнитно-импульсная, для проведения которой под воздействием импульсного тока индуктора и наведенных им вихревыми токами в соединяемых частях, деталях и ином свариваемые поверхности соударяются;

г) сварка взрывом, которая используется для соединения тонких листов с более массивными (процесс называется «плакирование»), например стали с латунью. Детали укладывают друг на друга, на поверхность помещают взрывчатое вещество, которое при детонировании взрывается и соединяет их в результате соударения;

д) сварка трением, практикуемая для соединения мелких деталей, одна из которых неподвижна, а другая вращается вокруг нее (или они вращаются в разные стороны). При трении выделяется тепло, которое нагревает и сваривает детали.

Техническими признаками, на которые опирается классификация сварки металлов, являются:

✓ способы защиты металла на участке сварки. Среди используемых представлена сварка в вакууме, защитных газах (в углекислом газе, водяных парах, инертных газах и др.), воздухе, пене, по флюсу и под ним. Кроме того, возможно комбинирование способов;

✓ степень непрерывности сварочных работ. По этому признаку различаются как прерывистые, так и непрерывные способы сварки;

✓ наличие механизации процесса сварки. Сюда входят ручные, автоматизированные, механизированные и автоматические способы сварки.

О технологических признаках следует сказать, что для каждого вида сварки они разрабатываются отдельно.

Деформации и напряжения при сварке

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией.

Различаются следующие ее виды:

✓ упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.

✓ остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.

Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.

Силы, которые действуют на изделие, делятся на:

✓ внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление

газа на стенки сосуда и проч. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;

✓ внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.

Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.

Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.

Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб

К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:

1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).

Таблица 1

Линейная усадка некоторых металлов и сплавов

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.

При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:

а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ΔL – деформация; b – ширина зоны нагрева; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.

Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)

Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.

В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.

2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;

3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.

Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:

✓ ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;

✓ несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;

✓ низкая квалификация исполнителя.

Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва – остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпучины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом – общими.

Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее (рис. 6).

Рис. 6. Некоторые виды деформации: а – в плоскости сварного соединения; б – вне плоскости сварного соединения; 1 – форма изделия до сварки; 2 – форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:

1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.

2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.

3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации (рис. 7), т. е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Рис. 7. Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций (рис. 8). Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.

4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.

5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.

6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.

Рис. 8. Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.

8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность (рис. 9) выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.

Рис. 9. Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а – настила; б – двутавровой балки

Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве (рис. 10).

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20–25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом (рис. 11). Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200–300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200–300 мм и т. д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке (– напряжение сжатия; + – напряжение растяжения): а – на проход; б – от концов к центру

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратно-ступенчатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят на части длиной 150–200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Рис. 11. Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а – горкой; 1 – ось «горки»; 2 – толщина металла; б – каскадом

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300–400 °C для бронзы, 250–270 °C для алюминия, 500–600 °C для стали, 700–800 °C для чугуна и т. д.

Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.

13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820–930 °C, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50–75 °C в час), доводя температуру до 300 °C. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.

Основные отличия нормализации от полного отжига – более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20–30 °C превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.

14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.

15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.

16. Уменьшают число прихваток и их сечения.

17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции.

Газовая сварка

Общие сведения

Газопламенная обработка металлов (ГОМ), к которой относятся газовая сварка, резка и газотермическое напыление, широко распространена в промышленности. На долю этих процессов приходится примерно 80 % различных видов ГОМ. Особое место среди них занимает газовая сварка металлов, к достоинствам которой относятся следующие факторы:

1) достаточная простота работы;

2) отсутствие потребности в дорогостоящем оборудовании и источнике электрической энергии;

3) широкий диапазон выбора режимов сварки;

4) разнообразнейший спектр применения, поскольку газовая сварка находит применение:

✓ при изготовлении и ремонте конструкций и изделий из тонколистовой стали, чугуна, бронзы, силумина;

✓ при монтаже и ремонте трубо-, водо– и газопроводов из труб диаметром до 50 мм;

✓ при сварке изделий из цветных металлов (меди, алюминия, свинца, латуни);

✓ при наплавке на детали из стали и чугуна.

Из недостатков необходимо отметить следующие факторы:

✓ сравнительно небольшая скорость нагрева металла;

✓ значительная зона термического влияния, состояние и ширина которой определяют механические характеристики сварного соединения;

✓ большой участок, подвергающийся разогреву, что увеличивает риск коробления металла;

✓ замедленный нагрев металла и довольно невысокая концентрация тепла, снижающие производительность сварки при увеличении толщины металла. По этой причине газовая сварка стали толщиной более 4 мм не используется;

✓ достаточно высокая стоимость расходных материалов, в частности ацетилена и кислорода, что делает газовую сварку более затратной, чем дуговая;

✓ невозможность механизации и автоматизации процесса.

Несмотря на достаточно внушительный список недостатков, газовая сварка является процессом, который достоин изучения, тем более что с ее помощью можно сваривать практически все применяемые в технике металлы.

Оборудование и материалы

Газовая сварка и резка металлов осуществляются с помощью различных газов, их смесей, паров бензина и керосина.

Кислород при обычных температуре и давлении – это прозрачный газ, имеющий следующие физические характеристики:

✓ без вкуса, запаха, цвета;

✓ масса 1 м3 при 20 °C и атмосферном давлении составляет 1,33 кг;

✓ при нормальном давлении горит при температуре 182,9 °C.

Химическая активность кислорода очень высока: он взаимодействует со всеми химическими элементами, за исключением инертных газов, причем эти реакции относятся к экзотермическим.

Для сварки и резки применяют технический кислород, который в зависимости от содержания чистого кислорода (остальное приходится на азот и аргон) различается по сортам:

✓ I сорт – содержание чистого кислорода составляет 99,7 %;

✓ II сорт – не менее 99,5 %; ✓ III сорт – 99,2 %. Чистота кислорода – это очень важный показатель, особенно для резки металлов. При его повышении улучшается качество обработки металла и снижается расход самого газа.

Кислород требует осторожного обращения, поскольку при контакте с органическими веществами (маслами, угольной пылью и проч.) он склонен к самовоспламенению и взрыву в результате их быстрого окисления. Кроме того, он может взаимодействовать с горючими газами и парами, что тоже может закончиться взрывом.

Ацетилен (C2H2) относится к горючим газам и чаще всего используется при газовой сварке. При горении в кислороде его температура повышается до 3050–3150 °C. Физические характеристики ацетилена:

✓ бесцветный газ с резким запахом;

✓ легче воздуха (масса 1 м3–1,09 кг);

✓ сжижается при температуре –82 °C;

✓ переходит в твердое состояние при температуре –85 °C;

✓ взрывоопасен (температура самовоспламенения – 240–630 °C; при повышении давления она может быть и ниже, если, например, при давлении 0,3 МПа температура воспламенения составляет 530 °C, то при давлении 2,2 МПа – 350 °C), особенно в смеси с кислородом или воздухом.

Технический ацетилен производят двумя способами – из карбида кальция либо из природного газа, нефти или угля. Причем второй вариант обходится гораздо дешевле (примерно на 30–40 %).

3. Пропан-бутановая смесь, или технический пропан (бесцветный газ, с резким неприятным запахом, несколько тяжелее воздуха), количество бутана в котором составляет 5–30 %. Эту смесь получают в процессе газодобычи или переработки нефти.

Температура, которую дает пропан-бутановая смесь, составляет 2400 °C, поэтому ее применяют при сварке стали толщиной не более 3 мм (в этом отношении она не уступает по результативности ацетилену), в противном случае металл не удается прогреть до такой степени, чтобы получить прочное соединение. Но низкотемпературное пламя применяют при резке, правке и очистке металла. Для сварочных работ пропан-бутановая смесь доставляется в баллонах в жидком состоянии. В верхней части емкости он самопроизвольно меняет свое агрегатное состояние на газообразное.

4. Природный газ, 77–98 % которого составляет метан (газ без цвета и запаха), остальное количество приходится на бутан, пропилен, пропан и др. Так как температура метан-кислородной смеси составляет 2100–2200 °C, сфера ее применения достаточно узкая.

5. Водород (H2) – самый легкий газ, горючий, не имеет ни цвета, ни запаха. В смеси с кислородом становится взрывоопасным, поэтому его применение при сварочных работах требует строжайшего соблюдения техники безопасности.

Кроме перечисленных веществ, в сварке находят применение и другие горючие газы, например коксовый газ, городской газ, нефтяной газ, пары бензина и керосина.

Для осуществления газовой сварки необходимо специальное оборудование.

Ацетиленовый генератор, предназначенный для получения ацетилена в процессе взаимодействия карбида кальция с водой. Согласно ГОСТу 5190–78 такие устройства различаются по следующим параметрам:

✓ давление получаемого газа (генераторы низкого и среднего давления – до 0,02 МПа и 0,02– 0,15 МПа соответственно);

✓ способ установки (стационарные и передвижные);

✓ производительность (стационарные – 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320 или 640 м3/ч, а передвижные – 1,25 и 3 м3/ч). Чаще всего используют генераторы производительностью 1,25 м3/ч;

✓ характер взаимодействия карбида с водой. Различаются генератора типов КК («карбид в воду»), ВК («вода на карбид»), К (контактный), ВВ («вытеснение воды»), ВК + ВВ (комбинированный).

Независимо от системы функционирования все генераторы состоят из газообразователя, газосборника, предохранительного затвора и автомата для регулировки вырабатываемого ацетилена. В качестве примера можно привести ацетиленовый генератор ГВР-1,25 М, конструкция которого представлена на рис. 13.

Технические характеристики передвижных ацетиленовых генераторов наиболее распространенных марок представлены в табл. 2.

2. Предохранительные затворы, устанавливаемые на ацетиленовые генераторы для предупреждения обратного удара, возникающего при попадании в трубопроводы и шланги, через которые поступают горючие газы, взрывной волны и пламени. Если это происходит с высокой скоростью, то удар может дойти до генератора и вызвать его взрыв.

Таблица 2

Технические параметры некоторых передвижных ацетиленовых генераторов производительностью 1,25 м3/ч 

Предохранительные затворы бывают сухими и жидкостными (обычно водяными) (рис. 14). Последние распространены в большей степени.

Для генераторов низкого давления предназначены затворы открытого типа, для генераторов среднего давления – закрытого типа. Принцип действия такого устройства заключается в том, что взрывная волна и пламя, не доходя до потока горючего газа, либо стравливаются в атмосферу, либо гасятся внутри затвора.

3. Баллоны для сжатых газов. Принципиальное отличие баллонов для ацетилена от баллонов для других горючих газов состоит в том, что этот газ содержится в ацетилен-ацетоновом растворе, поглощенном специальной пористой массой (активированным углем марки БАУ-А (ГОСТ 6217–74)), которой и заполнен весь баллон. Это позволяет безопасно хранить, транспортировать и использовать ацетилен. Сейчас все чаще применяют литую пористую массу на основе силикатов.

Рис. 14. Предохранительные затворы: а – жидкостного типа ЗСГ-1,25–4: 1 – корпус; 2 – колпачок обратного клапана; 3 – гуммированный клапан; 4 – корпус обратного клапана; 5 – сетка; 6 – пробка для слива воды из обратного клапана; 7 – ниппель для ввода ацетилена в затвор; 8 – пробка; 9 – контрольная пробка; 10 – пламяпреградитель; 11 – штуцер; 12 – накидная гайка; 13 – ниппель; б – сухого типа ЗСН-1,25: 1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – крышка; 4 – отсечный сферический клапан; 5 – стакан; 6 – уплотнитель; 7 – обратный клапан

Вентиль для баллона под ацетилен сделан из стали и выдерживает давление 25 кгс/см2. Маховик у него отсутствует (с ним нельзя было бы надеть присоединительный хомут с натяжным винтом). Для открывания и закрывания вентиля используется специальный ключ, надевающийся на шпиндель. На седле в корпусе вентиля имеется эбонитовый уплотнитель, который открывает и блокирует выход ацетилена.

Баллоны для ацетилена бывают разного объема, но, как правило, используют баллоны емкостью 40 л (5,5 м3 ацетилена, с пористой массой – 7 м3). Баллон для пропан-бутановой смеси сваривается из листовой стали толщиной 3 мм и имеет один продольный и два кольцевых шва. Сверху приварена горловина, внизу – башмак, обеспечивающий устойчивость. Баллон заполняется смесью примерно на 85 %.

Вентиль для пропанового баллона изготовлен из стали и, в отличие от других конструкций, имеет запорное устройство в виде мембраны, выполненной из пружинной стали. Если стоит неметаллический уплотнитель, то вся шпиндельная система вентиля уплотняется ниппелем.

Кислородный баллон – это цилиндр с выпуклым днищем и сферической горловиной, в которой имеется сквозное отверстие с конической резьбой, куда вкручивается запорный вентиль. Производятся баллоны малой (до 12 л) и средней (12–40 л) вместимости с условным давлением 200 кгс/м2.

Корпус кислородного вентиля сделан из латуни. Его герметичность обеспечивают сальник и прокладка (сейчас чаще всего используют капроновую).

Основные характеристики баллонов для горючих и сжатых газов представлены в табл. 3.

4. Редуктор. Это прибор, функции которого заключаются в понижении давления газа из баллона (газопровода) до рабочего и поддержании его на таком уровне. Редукторы бывают одно-и двухкамерными. В последних давление понижается сначала до промежуточного значения (с 15 до 4 МПа), потом до рабочего – 0,3–1,5 МПа. Двухкамерные редукторы имеют более сложную конструкцию, стоят дороже, но способны поддерживать давление практически на постоянном уровне.

Таблица 3

Основные характеристики баллонов под горючие и сжатые газы 

В настоящее время производят семнадцать типов редукторов. Обозначение марок редукторов включает в себя:

✓ буквы: Б (баллонный), С (сетевой), Р (рамповый), А (ацетилен), В (водород), К (кислород), М (метан), П (пропан), О (одна ступень с пружинным заданием), Д (две ступени с пружинным заданием), З (одна ступень с пневматическим задатчиком);

✓ цифры, по которым судят о максимальной пропускной способности редуктора.

Параметры некоторых наиболее часто применяемых редукторов приведены в табл. 4.

Корпус редуктора имеет такой же цвет, что и баллоны, т. е. для кислорода – голубой, для ацетилена – белый, для пропана – красный.

Таблица 4

Основные технические характеристики некоторых типов редукторов 

5. Сварочная горелка с комплектом сменных наконечников, которые по ГОСТу 1077–79 классифицируются:

1) по роду используемого газа или жидкости:

✓ для ацетилена;

✓ для газов-заменителей;

✓ для водорода;

✓ для горючих жидкостей;

2) по назначению:

✓ универсальные (для сварки, резки и проч.);

✓ специализированные;

3) по способу подачи газа и кислорода в смеситель:

✓ инжекторные;

✓ безынжекторные (в нашей стране производятся только горелки микромощности);

4) по количеству пламени:

✓ однопламенные;

✓ многопламенные;

5) по мощности пламени:

✓ микромощные (расход ацетилена 5–50 л/ч) Г1;

✓ малой мощности (25–600 л/ч) Г2;

✓ средней мощности (50–2200 л/ч) Г3;

✓ большой мощности (2200–7000 л/ч) Г4;

6) по способу использования:

✓ ручные;

✓ машинные. Горелки выпускают с набором наконечников от 0 до

7. Горелки Г1 и Г4 используются редко, поэтому наконечники к ним поставляются по специальному заказу. Наибольшим спросом пользуются малые и средние горелки. В комплект входят наконечники:

✓ Г2 – № 1, 2, 3 (№ 0 – по заказу);

✓ Г3 – № 3, 4, 6 (№ 1, 2, 5, 7 – по заказу).

Конструкция инжекторной горелки наглядно представлена на рис. 15.

6. Шланги (рукава) для подачи газа в горелку или резак. Рукава с нитяным каркасом изготавливаются по ТУ и в соответствии с назначением делятся на следующие классы:

✓ для подачи ацетилена, пропана, бутана или городского газа под давлением 0,63 МПа;

✓ для подачи жидкого топлива (керосина, бензина А-72 и др.) под давлением 0,63 МПа;

✓ для подачи кислорода под давлением 2 МПа.

Рис. 15. Устройство инжекторной горелки: 1 – мундштук; 2 – наконечник; 3 – смесительная камера; 4 – инжектор;

5 – кислородный вентиль; 6 – ниппель; 7 – ацетиленовый вентиль

Таблица 5

Основные параметры резиновых рукавов 

Условное обозначение «Рукав I-16–0,63 ГОСТ 9356–74» расшифровывается следующим образом:

✓ I – класс;

✓ 16 – внутренний диаметр (выражен в мм);

✓ 0,63 – рабочее давление (МПа);

Отсутствие какой-либо буквы перед обозначением ГОСТа указывает на то, что рукав предназначен для использования в умеренном климате; если перед ним стоит буква Т – в тропическом; если буквы ХЛ – в холодном.

Рукав, так же как баллоны и редукторы, окрашивают в определенный цвет:

✓ красный – для рукавов I класса для ацетилена, пропана, бутана и городского газа;

✓ желтый – для рукавов II класса для жидкого топлива;

✓ синий – для рукавов III класса для кислорода.

Допускается использование черного цвета (для резиновых рукавов любого класса, предназначенных для работы в названных выше климатических условиях) или двух резиновых цветных полосок (для работы в любых климатических поясах).

7. Присадочный материал. Проволоку поставляют в мотках, поэтому ее разрезают на части необходимой длины. Как правило, присадочная проволока и свариваемый металл близки по химическому составу. Ее поверхность должна быть свободна от различных загрязнений (ржавчины и т. п.), расплавляться равномерно, с минимальным разбрызгиванием и давать однородный наплавленный металл без посторонних включений.

8. Флюсы (порошки, пасты). Чаще всего применяют буру, борный шлак, борную кислоту и т. д. При газовой сварке флюсом покрывают присадочную проволоку или пруток и вводят его в сварочную ванну. Состав флюса определяется видом и свойствами металла и подбирается так, чтобы он расплавлялся раньше металла, растекался, не воздействовал негативно на шов и качественно очищал металл от окислов.

По отраслевым стандартам каждому флюсу присваивается определенный номер, по которому становится понятным состав данного материала (табл. 6).

9. Сварочный стол.

10. Приспособления для сборки изделий.

11. Инструменты и принадлежности (очки и проч.).

Таблица 6

Флюсы, используемые при газовой сварке сталей 

Сварочное пламя

При сгорании смеси горючего газа (это могут быть и пары горючей жидкости) с кислородом образуется так называемое сварочное пламя, свойства которого определяются двумя факторами:

✓ что используется в качестве горю чего;

✓ в каком соотношении находятся горючая смесь и кислород.

При варьировании количества кислорода, поступающего в горелку, получают пламя разного характера:

✓ нормальное;

✓ окислительное;

✓ науглероживающее.

Количественное соотношение между кислородом и ацетиленом выражается следующими формулами:

✓ для нормального пламени —

✓ для окислительного —

✓ для науглероживающего —

В каждом из них отчетливо различаются (рис. 16):

✓ зона ядра пламени. Его длина зависит от скорости истечения газовой смеси, она же определяет и устойчивость горения пламени (при недостаточной скорости оно сопровождается хлопками, а при чрезмерной – выталкивает металл из сварочной ванны);

Рис. 16. Разновидности ацетиленокислородного сварочного пламени: а – окислительное; б – нормальное; в – науглероживающее; 1 – зона ядра; 2 – восстановительная зона; 3 – окислительная зона

✓ восстановительная зона, которая, в отличие от других зон, окрашена в более темный цвет. Она простирается примерно на 20 мм от конца ядра. За счет этой зоны происходит нагревание и расплавление металла при сварке. Максимальная температура в ней сосредоточена в 2–6 мм от конца ядра;

✓ окислительная зона (факел), состоящая из углекислого газа, азота и водяных паров. Температура этой зоны более низкая, чем предыдущая.

В восстановительной зоне нормального пламени нет свободного углерода и кислорода; все зоны отчетливо выражены; ядро резко очерчено, на конце закругляется и имеет ярко светящуюся оболочку. Размер ядра может быть различным, что определяется рядом факторов: составом горючей смеси, ее расходом и скоростью истечения.

Для окислительного пламени характерен избыток кислорода, т. е. оно возникает, когда объем этого газа, поступающего в горелку, более чем в 1,3 раза превышает объем ацетилена.

Ядро окислительного пламени бывает более бледным, коротким и отличается конусовидной формой. Все пламя окрашено в синевато-фиолетовый цвет и сопровождается характерным звуком. Несмотря на то что его температура выше, чем у нормального пламени, для сварки сталей оно не подходит, поскольку вследствие окисления делает шов пористым и хрупким. Сфера его применения – сварка латуни и пайка твердыми припоями.

Если количество ацетилена превосходит количество кислорода, возникает науглероживающее пламя. Четкость очертаний для его ядра не свойственна, кончик ядра окрашен в зеленый цвет. Восстановительная зона настолько светлая, что практически сливается с ядром и имеет желтоватую окраску. Науглероживающее пламя коптит – сказывается избыток углерода. Это негативно сказывается на качестве металла шва.

Различные материалы свариваются конкретным видом пламени (окислительным, восстановительным или науглероживающим), который сварщик должен устанавливать на глаз.

Для выполнения газовой сварки требуется, чтобы пламя обладало необходимой тепловой мощностью, выбор которой определяется толщиной свариваемого металла и его физическими характеристиками. Мощность теплового пламени зависит от количества ацетилена, которое проходит через горелку. Для его регулировки используются наконечники.

Техника газовой сварки

Газовая сварка – способ универсальный, но при ее выполнении необходимо помнить, что нагреванию подвергается достаточно большой участок вокруг сварного соединения. Поэтому нельзя исключить возникновение коробления и развитие внутренних напряжений в конструкциях, причем они более значительные, чем при других способах сварки. В связи с этим газовая сварка в большей степени подходит для таких соединений, для которых достаточно небольшого количества наплавленного металла и малого нагрева основного металла. Прежде всего речь идет о стыковых, угловых и торцовых соединениях (независимо от их пространственного положения – нижнего, горизонтального, вертикального или потолочного), в то время как тавровых и нахлесточных следует избегать (хотя они тоже могут осуществляться).

Чтобы сварной шов отличался высокими механическими свойствами, требуется выполнить следующие действия:

✓ подготовить кромки металла;

✓ подобрать соответствующую мощность горелки;

✓ отрегулировать пламя горелки;

✓ взять необходимый присадочный материал;

✓ правильно сориентировать горелку и определить траекторию ее перемещения по выполняемому шву.

Как и при дуговой сварке, при газовой кромки свариваемого металла нужно подготовить. Их очищают (на 20–30 мм с каждой стороны) от ржавчины, влаги, масла и проч. Для этого достаточно прогреть кромки. В случае сварки цветных металлов используют механические и химические способы очистки.

При осуществлении стыковых соединений (табл. 7) следует помнить о некоторых правилах разделки кромок:

✓ при сваривании тонколистового металла (до 2 мм) присадки не используют – достаточно выполнить отбортовку кромок, которые потом расплавляются и дают валик сварного шва. Возможен и такой вариант: сварить кромки встык без разделки и зазора, но с применением присадочного материала;

Таблица 7

Предварительная подготовка кромок свариваемого металла при выполнении стыковых соединений 

Примечание: a – величина зазора; a1 – величина притупления; S и S1 – толщина металла.

✓ при сваривании металла толщиной менее 5 мм можно обойтись без скоса кромок и вести одностороннюю газовую сварку;

✓ при соединении металла толщиной более 5 мм кромки скашивают под углом в 35–40°, чтобы общий угол раскрытия шва составлял 70–90°. Это позволит проварить металл на всю толщину.

При выполнении угловых соединений присадочный материал не используют, а шов формируют расплавлением кромок металла.

Нахлесточные и тавровые соединения допускаются исключительно при сварке металла толщиной до 3 мм, поскольку при большей толщине локальный нагрев металла бывает неравномерным, что приводит к развитию значительных внутренних напряжений и деформаций, а также к появлению трещин как в металле шва, так и в основном металле.

Чтобы в процессе сварки детали не сдвигались и зазор между ними не изменялся, их фиксируют либо специальными приспособлениями, либо прихватками. Длина, количество и промежуток между последними зависят от толщины металла, длины и конфигурации шва:

✓ если металл тонкий, а швы короткие, длина прихваток составляет 5–7 мм при интервале между ними в 70–100 мм;

✓ если металл толстый, а швы длинные, то длину прихваток увеличивают до 20–30 мм, а расстояние между ними – до 300–500 мм.

В процессе сварки пламя горелки направляют на металл таким образом, чтобы он попадал в восстановительную зону и находился в 2–6 мм от ядра. При сварке легкоплавких металлов пламя горелки в основном ориентируют на присадочный материал, а зону ядра отодвигают на еще большее расстояние от сварочной ванны.

Рис. 17. Способы регулировки скорости нагрева и плавления металла путем изменения: а – угла наклона мундштука; б – траектории движения мундштука и проволоки; 1 – при сварке тонколистового металла;2, 3 – при сварке толстолистового металла

При сварке необходимо регулировать скорость нагрева и плавления металла. Для этого прибегают к таким действиям (рис. 17):

✓ изменяют угол наклона мундштука;

✓ манипулируют самим мундштуком.

При сварке необходимо следить за тем, чтобы:

✓ ядро пламени не контактировало с расплавленным металлом, поскольку последний может от этого науглероживаться;

✓ сварочная ванна была защищена зоной факела и восстановительной зоной, иначе металл будет окисляться атмосферным кислородом.

В процессе использования газовой горелки необходимо соблюдать правила обращения с ней:

1. Если горелка находится в исправном состоянии, то пламя, которое она дает, бывает устойчивым. В том случае, если наблюдаются какие-либо отклонения (горение нестабильное, пламя отрывается или гаснет, случаются обратные удары), надо обратить особое внимание на узлы горелки и отрегулировать ее.

2. Чтобы проверить инжекторную горелку, подсоединяют кислородный рукав, к корпусу крепят наконечник. После затягивания накидной гайки аккуратно откручивают ацетиленовый вентиль, кислородным редуктором устанавливают соответствующее давление кислорода, после чего открывают кислородный вентиль.

3. Если приставленный к ацетиленовому ниппелю палец присасывается, это означает, что кислород создает разряжение. Если этого не происходит, возможно, засорились инжектор, смесительная камера или мундштук. Их следует прочистить.

4. Повторить проверку на разряжение (подсос). Его величина определяется зазором между концом инжектора и входом в смесительную камеру. Выкручивая инжектор, зазор регулируют.

5. Категорически запрещено использовать неисправные горелки.

 Рис. 18. Способы газовой сварки (стрелкой указано направление сварки): а – левый; б – правый; 1 – присадочная проволока; 2 – сварочная горелка

Различают два способа газовой сварки (рис. 18):

✓ левую сварку, при которой горелку перемещают справа налево и держат позади присадочной проволоки. При этом сварочное пламя ориентировано на еще не сваренный шов. Этот способ не позволяет в достаточной степени защитить металл от окисления, сопровождается частичной потерей тепла и дает низкую производительность сварки;

✓ правую сварку, при которой горелку перемещают слева направо и держат впереди присадочной проволоки. В этом случае пламя ориентировано на законченный шов и конец присадочной проволоки. Такой способ дает возможность направить на расплавление металла сварочной ванны большее количество теплоты, а колебательные поперечные движения мундштука и проволоки осуществляются реже, чем при левом способе. Кроме того, конец присадочной проволоки оказывается постоянно погруженным в сварочную ванну, поэтому им можно перемешивать ее, что способствует переходу окислов в шлак.

Правый способ обычно применяют, если толщина свариваемого металла превышает 5 мм, тем более что при этом сварочное пламя по бокам ограничено кромками изделия, а сзади – валиком наплавленного металла. Благодаря этому потери теплоты снижаются, и она используется более эффективно.

Левый способ имеет свои преимущества, поскольку, во-первых, шов все время находится в поле зрения сварщика и он может регулировать его высоту и ширину, что имеет особое значение при сварке тонколистового металла; во-вторых, при сварке пламя может растекаться по поверхности металла, снижая риск пережога.

При выборе того или иного способа сварки нужно руководствоваться и пространственным положением сварного шва:

✓ при выполнении нижнего шва следует учитывать толщину металла. Его можно накладывать и правым, и левым способом. Данный шов наиболее легкий, поскольку сварщик может наблюдать за процессом. Кроме того, жидкий присадочный материал стекает в кратер и не выливается из сварочной ванны;

✓ для горизонтального шва предпочтителен правый способ. Чтобы не допустить вытекания жидкого металла, стенки сварочной ванны делают с некоторым перекосом;

✓ для вертикального шва на подъем – и левый, и правый, а для вертикального шва на спуск – только правый способ;

✓ потолочный шов легче накладывать правым способом, поскольку поток пламени направлен на шов и не дает жидкому металлу вытечь из сварочной ванны.

Способом, гарантирующим высокое качества сварного шва, является сварка ванночками (рис. 19).

Данный метод применяют для сварки тонколистового металла и труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей облегченными швами. Им можно воспользоваться и при сварке стыковых и угловых соединений при толщине металла до 3 мм.

Рис. 19. Сварка ванночками: 1 – направление сварки; 2 – траектория движения присадочной проволоки; 3 – траектория движения мундштука

Процесс сварки ванночками протекает следующим образом:

1. Расплавив металл диаметром 4–5 мм, сварщик помещает в него конец присадочной проволоки. Когда ее конец расплавится, он вводит его в восстановительную зону пламени.

2. Одновременно с этим сварщик, чуть сместив мундштук, совершает им круговые движения, чтобы образовать очередную ванночку, которая должна несколько (примерно на треть диаметра) перекрывать предыдущую. При этом проволоку надо продолжать держать в восстановительной зоне, чтобы не допустить ее окисления. Ядро пламени нельзя погружать в сварочную ванну, иначе произойдет науглероживание металла шва.

При газовой сварке швы бывают одно– или многослойными. Если толщина металла составляет 8–10 мм, швы наваривают в два слоя, при толщине более 10 мм – три слоя и более, причем каждый предыдущий шов предварительно очищают от шлака и окалины.

Многопроходные швы при газовой сварке не практикуют, поскольку наложить узкие валики очень тяжело.

При газовой сварке возникают внутренние напряжения и деформации, поскольку участок нагрева оказывается более обширным, чем, например, при дуговой сварке. Для уменьшения деформаций необходимо принимать соответствующие меры. Для этого рекомендуют:

✓ равномерно нагревать изделие;

✓ подбирать адекватный режим сварки;

✓ равномерно распределять наплавленный металл по поверхности;

✓ придерживаться определенного порядка наложения швов;

✓ не увлекаться выполнением прихваток.

Для борьбы с деформациями применяют разные способы:

1. При выполнении стыковых соединений сварной шов накладывают обратноступенчатым или комбинированным способом, разделив его на участки длиной 100–250 мм (рис. 20). Поскольку теплота равномерно распределяется по поверхности шва, основной металл практически не подвержен короблению.

2. Уменьшению деформаций способствует их уравновешивание, когда последующий шов вызывает деформации, обратные тем, которые вызвал предыдущий шов.

3. Находит применение и способ обратных деформаций, когда перед сваркой детали укладывают так, чтобы после нее в результате действия деформаций они заняли нужное положение.

Рис. 20. Последовательность наложения шва при сварке стыковых соединений: а – от кромки; б – от середины шва

4. Бороться с деформациями помогает и предварительный нагрев соединяемых изделий, в результате чего достигается меньшая разность температур между сварочной ванной и изделием.

Этот способ хорошо работает при ремонте чугунных, бронзовых и алюминиевых изделий, а также в том случае, если они изготовлены из высокоуглеродистых и легированных сталей.

5. В ряде случаев прибегают к проковке сварного шва (в холодном или горячем состоянии), что улучшает механические характеристики шва и снижает усадку.

6. Термическая обработка – еще один способ устранения развившихся напряжений. Она бывает предварительной, проводится одновременно со сваркой или ей подвергают уже готовое изделие. Режим термической обработки определяют форма деталей, свойства свариваемых металлов, условия и проч.

Особенности сварки различных материалов

Газовая сварка может быть применена для сваривания различных материалов.

1. Сварка легированной стали. В ее состав входят титан, молибден, хром, никель и др. От присутствия тех или иных легирующих компонентов зависят особенности газовой сварки этого материала.

Горючим газом для хромоникелевой стали является ацетилен (заменитель использовать нельзя). Сварка осуществляется с обязательным применением специальных флюсов. Толщина изделий может быть не более 2 мм.

Готовое изделие следует подвергнуть термической обработке.

Поскольку хромистая сталь подвержена закалке на воздухе, что чревато образованием трещин, при сварке необходимо замедлить остывание сварного шва, для чего готовое изделие продолжают нагревать после завершения сварки.

Высокохромистую сталь не рекомендуют сваривать газовой сваркой, поскольку из-за содержания хрома (более 15 %) усиливается зернистость сварного шва.

Сталь, содержащую молибден, как и хромистую, советуют нагревать перед сваркой (до 300 °C) и после ее окончания.

Особенности газовой сварки легированной стали представлены в табл. 8.

2. Сварка углеродистой стали имеет свои особенности, в частности высокоуглеродистую сталь газовой сварке не подвергают.

Таблица 8

Рекомендации по газовой сварке легированной стали 

При сварке среднеуглеродистой стали важно в точности придерживаться температурного режима, а в качестве горючего газа используется только ацетилен. Для газовой сварки низкоуглеродистой стали толщиной до 5 мм флюсы не применяют; используют смесь ацетилена с кислородом; готовое изделие проковывают и постепенно охлаждают; содержание углерода в применяемых присадках должно быть меньше, чем в основном металле.

Режимы газовой сварки данного материала наглядно представлены в табл. 9.

Таблица 9

Примерные режимы для газовой сварки углеродистых сталей 

3. Сварка чугуна. Есть несколько разновидностей чугуна, которые в той или иной степени поддаются газовой сварке (белый варится плохо, ковкий – хорошо). Газовая сварка чугуна представлена тремя разновидностями:

✓ с латунным припоем, для осуществления которой требуется доведение температуры материала до 700 °C. При этом применяют ацетилен или пропан-бута-новую смесь;

✓ высокотемпературной, которая предполагает фиксацию детали и предварительный ее подогрев (за 5 минут до сварки) до 400 или 700 °C в зависимости от размера. Применение флюсов является обязательным. Рекомендуется накладывать нижние швы. Сварку ведут нормальным пламенем мощностью примерно 100 л/ч на 1 мм толщины изделия. После сварки металл нагревают с расстояния 50 мм в течение 1 минуты, а потом постепенно охлаждают, накрыв асбестом;

✓ холодной, при которой кромки подготавливают механическим или термическим способом. Топливо – смесь ацетилена с кислородом или заменители ацетилена. При сварке поддерживают нормальное пламя.

Номера и состав флюсов, используемых при сварке чугуна:

№ 1 – плавленая бура (100 %);

№ 2 – прокаленная бура (100 %);

№ 3 – техническая бура (100 %);

№ 4 – прокаленная бура (56 %), углекислый калий и углекислый натрий (по 22 %);

№ 5 – углекислый натрий (50 %), техническая бура (50 %);

№ 6 – натриевая селитра (50 %), углекислый натрий (27 %), плавленая бура (23 %).

4. Сварка меди. Медь при сваривании склонна к сильному окислению, что делает шов недостаточно прочным. Это диктует применение при газовой сварке флюсов, которые предотвращают образование различных дефектов. Состав некоторых флюсов:

№ 1 – прокаленная бура (100 %);

№ 2 – борная кислота (100 %);

№ 3 – прокаленная бура (50 %), борная кислота (50 %);

№ 4 – прокаленная бура (75 %), борная кислота (25 %);

№ 5 – прокаленная бура (50 %), борная кислота (35 %), фосфорный калий (15 %) и др.

При газовой сварке меди необходимо соблюдать следующие условия:

✓ придерживаться определенного порядка при осуществлении технических операций (зачистить кромки, собрать детали под углом в 10° к горизонтали), зафиксировать элементы конструкции, выполнить прихватки;

✓ накладывать однослойные швы; ✓ ограничиваться угловыми и стыковыми соединениями (при сваривании деталей) и в кромку (при ремонте);

✓ готовый шов подвергать проварке;

✓ осуществлять сварку на высокой скорости, чтобы уменьшить время контакта пламени и меди;

✓ применять наконечник на 1–2 размера больше, чем при сварке стали.

5. Сварка бронзы. Газовая сварка применима только к оловянной бронзе (БрАМ, БрОЦ, БрОЦС). Перед сваркой кромки очищают металлической щеткой, после чего V-образно разделывают их под углом в 70–90°. Сварку предпочтительнее вести в нижнем положении. В качестве топлива подходят ацетилен, пропан, бутан и пропан-бутановая смесь. При сварке обязательны обработка кромок и присадки флюсом (БрОЦ, БрОФ).

Температуру детали доводят до 300 °C. Горелку держат под прямым углом к поверхности металла, расплавляя кромки и присадку. Пламя горелки размещают на расстоянии 10 мм от жидкого металла сварочной ванны, которую перемешивают присадочным прутком и вводят флюс. По окончании сварки проводят термообработку изделия.

Технология кислородной резки

Суть кислородной резки заключается в сгорании разрезаемого металла под воздействием струи кислорода и удалении из разреза шлаков, образованием которых неизбежно сопровождается этот процесс (рис. 21).

Углеродистые, а также низколегированные стали режут с помощью исключительно чистого кислорода, а высоколегированные стали, чугун и сплавы меди, помимо кислорода, требуют применения специальных флюсов.

 Рис. 21. Схема выполнения газовой резки: 1 – рез; 2 – газовая смесь; 3 – внутренний мундштук; 4 – наружный мундштук; 5 – струя режущего кислорода; 6 – грат (излишек металла)

Резка осуществляется вручную или машинным способом. При этом необходимо обеспечить соблюдение определенных условий:

✓ температура плавления металла должна быть выше температуры, при которой он воспламеняется в кислороде. При нарушении этого условия металл будет расплавляться еще до того, как он начнет гореть в струе кислорода. Низко-и среднеуглеродистые стали удовлетворяют данному условию, поскольку имеют температуру плавления 1500 °C, а для горения в кислороде достаточно довести их до 1300–1350 °C. Повышенное содержание углерода в стали снижает температуру ее плавления и затрудняет резку. То же самое относится к сталям, в которых имеются такие трудно окисляющиеся легирующие элементы, как хром и никель;

✓ температура плавления шлаков должна быть ниже температуры горения металла в кислороде. Кроме того, шлаки должны быть жидкотекучими и без проблем удаляться при воздействии на них давления режущей струи;

✓ в процессе сгорания металла выделяющейся теплоты должно быть достаточно для поддержания горения металла в кислороде;

✓ теплопроводность металла не должна быть чересчур высокой, чтобы не препятствовать поддержанию высокой температуры на кромке разреза.

Перечисленным условиям соответствуют стали, в которых содержание углерода не превышает 0,5 %, хрома – 5 %, марганца – 4 %. Что касается остальных примесей, они не оказывают существенного влияния на процесс резки.

До начала резки сталь нагревают до температуры ее воспламенения в кислороде. От общего количества тепла, необходимого для выполнения резки, приблизительно 54 % идет на доведение температуры стали до температуры воспламенения; 22 % – на нагрев шлака; 24 % – на покрытие потерь.

Для осуществления резки требуется кислород, причем максимально возможной чистоты, поскольку от этого зависит его расход: чем качественнее газ, тем меньше его потребуется. Как правило, для резки используют кислород чистотой 98,5–99,5 %. При снижении этого показателя даже на 1 % падает скорость резки и возрастает расход кислорода.

Кислородная резка бывает двух типов (рис. 22):

Рис. 22. Схема выполнения различных видов резки: а – разделительной; б – поверхностной

✓ разделительная, посредством которой вырезают различные заготовки, раскраивают листовой металл и осуществляют разделку кромок под сварку. Собственно процесс резки состоит в том, что материал вдоль линии предполагаемого реза доводят до температуры его воспламенения в кислороде. Металл сгорает в режущей струе, которая одновременно вытесняет из зоны разреза образующиеся оксиды.

✓ поверхностная. Для этого предназначаются специальные резаки, с помощью которых с металла снимают поверхностный слой. При небольшом угле наклона резака к металлу (15–20°) его поверхностный слой сгорает в кислородной струе, оставляя после себя углубление овального сечения. Для выполнения такой резки скорость истечения кислорода должна быть меньше, а скорость перемещения резака выше, чем при осуществлении разделительной резки. Этот вариант резки используют для удаления трещин, различных пороков сварных швов, литья и проч. Например, резак РАП-62 делает канавку шириной 6–20 мм и глубиной 2–6 мм со скоростью 1–6 пог. м/мин.

При резке изделие подогревается горючими газами – заменителями ацетилена. Обычно это природный, коксовый, нефтяной, пиролизный газ, пропан или пары керосина.

Резка невозможна без специального инструмента – универсального инжекторного резака (рис. 23), основные технические характеристики которого представлены в таб. 9.

Таблица 9

Параметры универсального резака 

Рис. 23. Схема устройства инжекторного резака: 1 – головка; 2 – трубка; 3, 4 – вентиль; 5 – кислородный ниппель; 6 – ацетиленовый ниппель; 7 – наружный мундштук; 8 – внутренний мундштук; 9 – инжектор; 10 – кислород; 11 – ацетилен; 12 – горючая смесь; 13 – режущий кислород

В отличие от инжекторной горелки в резаке имеется дополнительная трубка с вентилем, через которую подается режущий кислород.

Рис. 24. Схема устройства мундштуков для кислородной резки: а – щелевой; б – многосопловый; 1 – внутренний; 2 – наружный

Мундштуки резаков бывают двух типов (рис. 24):

✓ щелевыми, состоящими из наружного и внутреннего мундштуков, при смене которых можно регулировать расход газов и мощность подогревающего пламени. В промежуток между ними поступает смесь газов подогревающего металл пламени, а режущий кислород проходит по центральному каналу.

✓ многосопловыми, в которых выход отверстий подогревательного пламени не параллельный, а фокусируется в точке, которая находится примерно в 12 мм от торца. При этом пламя всех выходов ориентировано на одну зону, благодаря чему скорость резки возрастает.

Мундштук – самая главная деталь резака. Для качественной резки необходимо заботиться о герметичности соединений и не допускать прилипания к нему металлических брызг. В связи с этим лучшим материалом для изготовления мундштуков является бронза БрХ0,5. Наличие в ней хрома препятствует оседанию капель металла на поверхности мундштука.

При необходимости переходить от сварки к резке, что нередко требуется при монтажных или ремонтных работах, применяют вставные резаки. По своей конструкции они однотипны, основное отличие заключается в устройстве мундштуков. Вставные резаки подключают к стволу газовой горелки, предварительно сняв сменный наконечник. Вставной универсальный инжекторный резак РГС-70 массой 600 г используют для ручной раздельной резки стали толщиной от 3 до 70 мм.

Резаки бывают малой, средней, а также большой мощности, которые предназначаются для резки металла толщиной 3–100, 100–200 и 200–300 мм соответственно. Последние используют исключительно газы – заменители ацетилена, поскольку имеют большие проходные каналы для них. К каждому резаку прилагается набор мундштуков с номерами от 0 до 6.

При отсутствии горючего газа для кислородной резки применяют пары керосина, и такие устройства называются керосинорезами (рис. 25). В комплект к нему входит бачок для керосина, работающий по тому же принципу, что и садовый опрыскиватель

 Рис. 25. Устройство керосинореза РК-71: 1 – гайка крепления головки; 2 – асбестовая набивка; 3 – гайка; 4 – кожух-экран; 5 – трубка-испаритель; 6 – инжекторная трубка; 7 – вентиль

При работе с резаками необходимо соблюдать несколько правил:

1. Перед использованием резака, следует внимательно прочитать прилагающуюся инструкцию.

2. Проверить исправность инструмента, правильность подсоединения всех шлангов, инжекцию в каналах горючих газов и герметичность соединений (при необходимости подтянуть их).

3. Установить рабочее давление ацетилена и кислорода согласно инструкции.

4. Зажечь резак, для чего на четверть оборота открутить кислородный вентиль и создать разряжение в газовых каналах, после чего открыть вентиль подачи газа и зажечь горючую смесь.

5. Прогреть металл (он должен окраситься в соломенный цвет), открыть кислородный вентиль и выполнить рез.

6. В процессе работы надо поддерживать нормальное подогревающее пламя. Для охлаждения мундштука можно использовать воду, при этом следует закрыть только газовый вентиль (кислородный должен быть открыт).

7. Чтобы прекратить резку, надо перекрыть сначала вентиль горючего газа, а потом кислородный.

То, насколько качественным получится рез, зависит от положения резака. При резке стали толщиной 50 мм действуют следующим образом:

1. Разогревают кромку до температуры плавления, направив на нее подогревающее пламя горелки.

2. Держат мундштук строго под прямым углом к поверхности металла, чтобы подогревающее пламя, а потом и струя режущего кислорода были направлены вдоль вертикальной оси листа. Только прогрев металл, открывают кислородную струю.

3. Прорезав металл сначала на всю толщину, резак перемещают вдоль линии реза. При этом угол наклона устройства изменяют на 30° (10–15°, если режут сталь толщиной 100–200 мм) в сторону, противоположную направлению движения, а скорость движения уменьшают.

При резке важно выдерживать ширину разреза, что также свидетельствует о качестве работы. Каждой толщине металла соответствует определенная ширина реза: 5–50 мм – 3–5 мм; 50– 100 мм – 5–6 мм; 100–200 мм – 6–8 мм; 200–300 мм – 8–10 мм.

Если требуется разрезать несколько листов, прибегают к пакетированию (рис. 26), уложив их таким образом, чтобы кромки располагались под углом.

Рис. 26. Газовая резка пакетированных листов стали

Техника безопасности при газовой сварке и резке

Газовая сварка и резка связаны с определенным риском, поэтому при их осуществлении необходимо строго соблюдать правила техники безопасности:

1. До проведения работ надо внимательно прочитать инструкцию по применению оборудования.

2. Эксплуатировать газосварочное и газорезательное оборудование исключительно в течение гарантийного срока, после чего требуется контроль наладчика.

3. Не производить работы рядом с легковоспламеняющимися и огнеопасными материалами.

4. Не оставлять оборудование без присмотра и не передвигать заряженный генератор.

5. Мобильные генераторы ацетилена переставлять, удерживая их в вертикальном положении.

6. Соблюдать грануляцию карбида кальция, рекомендованную инструкцией.

7. По завершении работы сливать воду из ацетиленового генератора.

8. Не применять открытое пламя для отогревания замерзшего ацетиленового генератора.

9. Извлекать остатки карбида только после его полного разложения.

10. Следить за исправностью водяного затвора ацетиленового генератора.

11. Хранить карбид в герметичном виде в емкостях, предназначенных специально для этого.

12. Устанавливать редуктор на газовый баллон осторожно, но плотно.

13. При подаче кислорода вентиль поворачивать медленно.

14. Не снижать давление кислорода на входе в газовую горелку ниже уровня давления горючей смеси.

15. Не работать газовой горелкой без предохранительного клапана.

16. В случае возникновения обратного удара прекратить работу.

17. При осуществлении сварки внутри емкости сварщик должен быть одет соответствующим образом, а также иметь индивидуальные средства защиты и страховочный канат.

Сварочные материалы и оборудование для дуговой сварки

Сварочная проволока

Чтобы заполнить зазор между свариваемыми частями, применяют присадочный материал, который имеет вид прутка или проволоки и вводится в зону сварочной дуги.

Если осуществляется ручная дуговая сварка, то используют плавящиеся электроды, которые представляют собой прутки или стержни с нанесенным на них специальным покрытием (обмазкой). При механизированном процессе электрод имеет вид проволоки, которая намотана на кассету (катушку). Для плавящихся электродов и наплавочных работ применяются различные марки проволоки (табл. 10).

Таблица 10

Марки проволоки, предназначенной для сварки плавящимися электродами и наплавочных работ 

Для маркировки сварочной проволоки существует специальное обозначение – индекс «Св», после которого идут цифры и буквы. За каждой из них стоит определенное значение:

✓ индекс «Св» обозначает «сварочная»;

✓ две цифры после индекса – среднее содержание в материале углерода, составляющее сотые доли процента;

✓ буквы – легирующие химические элементы: азот (А), который встречается исключительно в высоколегированной проволоке, марганец (Г), кремний (С), хром (Х), никель (Н), титан (Т), алюминий (Ю), молибден (М), ниобий (Б), цирконий (Ц), бор (Р), вольфрам (В), ванадий (Ф), медь (Д), кобальт (К);

✓ цифры после букв – содержание указанного элемента, составляющее проценты; отсутствие цифры после букв показывает, что содержание данного элемента составляет менее 1 %;

✓ буква А, завершающая маркировку низкоуглеродистой и легированной проволоки, свидетельствует о повышенной чистоте материала по содержанию серы и фосфора; удвоенная буква А в проволоке марки Св-08 АА – о пониженном содержании серы и фосфора относительно проволоки марки Св-08 А.

Например, проволока, имеющая маркировку Св-08 ХГ2 С, расшифровывается так: в состав сварочной проволоки входят углерод (0,08 %), хром (менее 1 %), марганец (до 2 %), кремний (менее 1 %); Св-02 Х19 Н9 – углерод (не более 0,02 %), хром (19 %), никель (9 %).

При всех видах сварки плавлением и для электродов используется стальная сварочная проволока различного диаметра – 0,3, 0,5, 0,8, 1, 1,2, 1,6 2, 2,5, 3, 4, 5, 6, 8, 10 или 12 мм, причем для изготовления электродов для ручной дуговой сварки применяется проволока диаметром 2–6 мм; для автоматизированной и механизированной сварки в среде защитных газов и под флюсом – 0,8–5 мм; для наплавочных работ – от 5 мм.

Стальная наплавочная проволока диаметром 0,3–8 мм изготавливается из стали различных марок – углеродистой (Нп-25, Нп-40 и т. д.); легированной (Нп-40 Г, Нп-30 ХГСА и др.); высоколегированной (Нп-30 Х13 и др.).

Стальная и алюминиевая сварочная проволока отличается от обычной товарной тем, что должна отвечать специальным требованиям, которые изложены в ГОСТах и касаются следующего:

1. Химический состав. По этому признаку марки стальной проволоки подразделяются на три основные группы:

✓ углеродистые. Они используются для сварки низко-, среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей, например Св-08; Св-08 А; Св-08 АА и др.;

✓ легированные такими элементами, как хром, никель, марганец, титан и др. Допускается 2,5– 10 %-ное данных компонентов. Они предназначаются для сварки низколегированных сталей. В эту группу входит проволока марок Св-08 ГС; Св-08 Г2 С и др.;

✓ высоколегированные (содержание легирующих элементов составляет более 10 %), например Св-06 Х14; Св-02 Х19 Н9 и др.

Всего ГОСТ 2246–70 предусматривает применение 77 марок стальной сварочной проволоки, химический состав некоторых из них представлен в табл. 11.

Таблица 11

Химический состав сварочной проволоки некоторых марок по госту 2246–70 

2. Способ и точность изготовления.

3. Упаковка.

4. Транспортировка.

5. Хранение. Проволока реализуется в виде мотков, внутренний диаметр которых составляет 150–750 мм, а масса – 1,5– 40 кг, и бухт, имеющих бирку с указанием выходных данных, в частности завода-изготовителя, маркировки, номера партии, клейма техконтроля. Кроме того, прилагается так называемый сертификат соответствия.

В последние годы для сварки и наплавки стали шире применять порошковую проволоку, имеющую вид свернутой из стальной ленты (20 × 0,2 мм) трубки (для этого используется лента из низкоуглеродистой стали марки 08 КП холодного проката мягкая или особо мягкая), в которую засыпана шихта (порошок) из газо– и шлакообразующих компонентов, благодаря которым значительно улучшаются сварочный процесс и его результат. Сварной шов отличается высокими механическим свойствами, визуально выглядит более аккуратно. Кроме того, снижаются деформации, возрастает глубина проплавления и устраняется разбрызгивание металла при сварке.

Для придания проволоке необходимой жесткости и защиты от смятия подающими роликами при наплавке ее сечение специально делают сложным (рис. 27).

Шихта может иметь различный состав, в частности:

✓ рутиловый;

✓ рутилово-целлюлозный;

✓ рутилово-флюоритный;

✓ карбонатно-флюоритный;

✓ флюоритный (флюорит – это плавиковый шпат CaF2, о котором упоминалось выше).

Рис. 27. Сечение оболочек порошковой проволоки: а – трубчатое; б – трубчатое с нахлестом; в, г – с загибом в оболочке; д – двухслойное

Но при этом она должна быть такой, чтобы сплав, который получится после расплавления оболочки проволоки и порошка и их затвердения, имел бы химический состав и характеристики, требуемые от металла шва.

Порошковая проволока находит применение в следующих случаях:

✓ для сварки открытой дугой;

✓ для сварки под флюсом;

✓ для сварки в защитных газах (в углекислом, инертных);

✓ для наплавки с целью образования твердосплавного слоя.

В строительно-монтажных работах используется порошковая проволока марок ПП-АН1, ПП-АН2 и др.

Порошковая проволока различается диаметром, который может составлять 2,3, 2,5 или 3,2 мм. Как и сварочная проволока, она имеет специальную маркировку, которая расшифровывается следующим образом:

✓ тип проволоки обозначается буквами ПГ (нуждающаяся в дополнительной защите) или ПС (самозащитная);

✓ цифры, следующие за буквами, указывают характеристику прочности металла шва или сварного соединения по гарантируемому пределу прочности;

✓ буквы Н, В, Вх, Ву, Т обозначают допускаемое пространственное положение при выполнении сварки (нижнее и горизонтальное на вертикальной поверхности; вертикальное, нижнее и горизонтальное; горизонтальные швы; вертикальные швы; любые положения, в том числе и кольцевые швы без вращения);

✓ последние цифры указывают на критическую температуру перехода к хрупкому состоянию металла шва, характеризующемуся значениями ударной вязкости менее 35 Дж/см2: 0 – +20 °C; 1–0 °C; 2 —20 °C; 3 —30 °C; 4 —40 °C; <5 —50 °C;

✓ буква Д, присутствующая в обозначении, говорит о том, что требования по температуре не регламентированы, т. е. применение проволоки ограничено исключительно сваркой наиболее неответственных изделий и конструкций, которые предполагается эксплуатировать при положительной температуре окружающего воздуха.

Например, маркировку порошковой проволоки ПС-50-Н2 следует понимать так:

✓ ПС – «проволока самозащитная»;

✓ 50 – минимально гарантируемый предел прочности металла шва или сварного соединения составляет 50 кгс/мм2;

✓ Н – проволока используется для сварки в нижнем положении;

✓ критическая температура —20 °C.

Порошковая проволока должна соответствовать определенным требованиям:

✓ обеспечивать легкое возбуждение сварочной дуги и ее стабильное горение;

✓ плавиться равномерно, с минимальным разбрызгиванием;

✓ образовывать шлак, равномерно покрывающий сварочную ванну и не создающий проблем при отделении его после охлаждения сварного шва;

✓ формировать качественный и прочный сварной шов, т. е. такой, который не имеет пор, трещин и других повреждений и дефектов.

Порошковую проволоку используют при сварке конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, которые рассчитаны на средние и тяжелые режимы эксплуатации.

Электроды

Сварочный электрод представляет собой металлический либо неметаллический электропроводный стержень длиной 250–450 мм со специальным покрытием или без него, через который к свариваемым изделиям или конструкциям подводится электрический ток. Современная промышленность производит более 200 марок электродов, и большая часть из них – это плавящиеся сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки. Все типы сварочных электродов должны соответствовать определенным требованиям:

1) обеспечивать:

✓ устойчивое горение сварочной дуги;

✓ качественное формирование сварного шва и его прочность;

✓ повсеместно равномерное расплавление стержня и покрытия с минимальным разбрызгиванием металла электрода;

✓ беспрепятственное удаление шлаков;

✓ высокопроизводительную сварку;

2) давать металл сварного шва необходимого химического состава;

3) сохранять свои физико-химические и технологические свойства на протяжении заданного количества времени;

4) обладать минимальной токсичностью.

Кроме того, имеются специальные технические требования, например:

✓ получение металла шва с особыми свойствами, к которым относятся окалино– и износостойкость, коррозионная устойчивость, повышенная прочность;

✓ формирование шва заранее определенной формы (с глубоким проваром, вогнутой поверхностью);

✓ осуществление сварки конкретным способом (с опиранием вертикальных швов сверху вниз, в любых пространственных положениях).

Разнообразие сварочных электродов и различные принципы, которые могут быть положены в основу их классификации, делают разработку единой системы достаточно затруднительной. Кроме того, марки электродов не стандартизированы, их деление осуществляется по техническим условиям и паспортам, причем каждый тип электродов может соотноситься как с одной, так и с несколькими марками. Однако электроды можно разделить по наличию тех или иных признаков на группы и подгруппы, что позволит в значительной степени облегчить их применение:

1. По материалу, из которого они изготовлены:

1) металлические, которые подразделяются на: а) плавящиеся, которые по наличию или отсутствию покрытия бывают:

✓ покрытыми (стальными, медными, чугунными, бронзовыми, алюминиевыми и др.) (рис. 28);

✓ непокрытыми, которые в настоящее время используются в виде проволоки для проведения сварочных работ в среде защитных газов (по этой причине дальнейший разговор будет вестись исключительно о покрытых электродах);

Рис. 28 (14). Покрытый сварочный электрод: 1 – стержень; 2 – покрытие; 3 – контактный торец, свободный от покрытия

б) неплавящиеся. К ним относятся вольфрамовые электроды, для облегчения возбуждения сварочной дуги, повышения устойчивости дугового разряда и электропроводности дугового промежутка которых вводятся добавки из оксидов тория (марка ЭВТ), иттрия (ЭВИ-10, ЭВИ-2) или лантана (ЭВЛ-10, ЭВЛ-20). Используются электроды и из чистого вольфрама (ЭВ4). Диаметр вольфрамовых электродов подбирается в зависимости от величины тока и может составлять 0,2–12 мм, а длина – 75, 140, 170 мм.

Вольфрамовые электроды находят применение при дуговой сварке в среде инертных газов, при атомно-водородной или плазменной сварке. Кроме того, они используются для резки и наплавки. Сварку вольфрамовыми электродами ведут от источника переменного тока, электродами с присадками – от источника постоянного и переменного тока прямой и обратной полярности.

Наилучшими сварочными свойствами обладают итерированные электроды, которые позволяют повышать плотность тока и уменьшать расход вольфрама;

2) неметаллические. Они не плавятся в процессе сварки и представлены следующими электродами:

а) угольные, произведенные из электротехнического угля в соответствии с ГОСТом 4425–72. Их диаметр – 5–25 мм, длина – 200–300 мм. В зависимости от того, какой материал предполагается сваривать, конец электрода затачивается под углом 60–70° (для стали) или 20–40° (для цветных металлов);

б) графитовые, изготовленные из синтетического прессованного графита по ГОСТу 4426–71. Их эффективность выше, чем угольных, они отличаются мягкостью, поэтому легко режутся. Поскольку такие электроды имеют высокую электропроводность и повышенную стойкость к окислению на воздухе, возможно увеличение плотности тока примерно в 2,5–3 раза, что дополнительно снижает расход материала.

Угольные и графитовые электроды характеризуются высокой температурой плавления и кипения и низкой теплопроводностью.

Качественными считаются те электроды, которые имеют правильную форму, ровную поверхность, не оставляют следов на бумаге и издают металлический звук при ударе. Для повышения стойкости данных видов электродов на них наносят слой меди толщиной 0,06–0,07 мм.

Для подведения тока к угольным и графитовым электродам используют электродержатели.

2. По качеству (точности) изготовления, состоянию поверхности покрытия и количеству вредных примесей (серы и фосфора) сварочные электроды делят на три группы, которые обозначаются 1, 2 или 3 (чем больше число, тем выше качество изделия).

3. По назначению сварочные электроды (обозначение указано в скобках) согласно ГОСТу делятся на:

1) предназначенные для сварки:

✓ легированных теплоустойчивых сталей (Т);

✓ легированных сталей, имеющих временное сопротивление разрыву более 60 кгс/мм2 (Л);

✓ углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, имеющих временное сопротивление разрыву менее 60 кгс/мм2 (У);

✓ высоколегированных сталей со специальными свойствами (В);

✓ чугуна;

✓ цветных металлов;

2) применяемые для наплавки поверхностных слоев, характеризующихся специальными свойствами (Н).

4. По толщине покрытия (оно зависит от соотношения диаметра покрытого электрода с диаметром стержня, которые обозначаются буквами «D» и «d» соответственно) сварочные электроды подразделяются на изделия с покрытием (в скобках указана маркировка):

✓ тонким (М) – D/d ≤ 1,2;

✓ средним (С) – D/d ≤ 1,45;

✓ толстым (Д) – D/d ≤ 1,8;

✓ особо толстым (Г) – D/d > 1,8.

5. По виду покрытия (состав наиболее распространенных обмазок представлен в табл. 12) сварочные электроды классифицируются на те, которые имеют покрытие (в скобках указано буквенное обозначение):

Таблица 12

Состав наиболее часто применяющихся электродных обмазок 

1) кислое (А). Такое покрытие содержит окислы марганца и железа, титановый концентрат, кремнезем и ферромарганец. Защитную газовую среду создают органические компоненты. Наплавленный металл содержит 0,12 % углерода, 0,10 % кремния, 0,6–0,9 % марганца и по 0,05 % серы и фосфора, что соответствует составу кипящей стали.

Электроды с кислым покрытием имеют довольно высокую скорость расплавления, их применяют для выполнения сварных швов в любом пространственном положении и от источников как постоянного, так и переменного тока. Они подходят для сваривания металлических деталей, кромки которых покрыты окалиной или ржавчиной. Но от сваривания сталей с повышенным содержанием серы и углерода следует воздержаться, поскольку полученный металл шва склонен к трещинообразованию при кристаллизации.

В сварных швах, выполненных электродами с кислым покрытием, могут образовываться так называемые газовые поры, если:

✓ в обмазке содержится много марганца;

✓ в применяющемся ферромарганце повышено содержание кремния и углерода;

✓ в свариваемом металле много кремния.

Наплавленный металл имеет временное сопротивление более 420 Н/м2, относительное удлинение – не менее 18 %, ударную вязкость – 8 × 10 Н·м/м2.

Электроды с кислым покрытием по механическим свойствам сварного соединения и металла шва принадлежат к типу Э42 (ГОСТ 9467–75).

Из недостатков электродов данной группы следует назвать следующие факторы:

✓ повышенное разбрызгивание металла;

✓ выделение марганцовистых соединений, вредных для здоровья сварщика;

✓ склонность к частому образованию кристаллизационных трещин;

2) основное (Б), в состав которого входят карбонаты кальция, магния, плавиковый шпат и ферросплавы (ферротитан, ферросилиций и др.). При разложении карбонатов выделяются углекислый газ и окись углерода, которые обеспечивают защитную среду для расплавленного металла.

Наплавленный металл по своему составу соответствует спокойной стали с небольшим содержанием кислорода, азота и водорода. Количество серы и фосфора невелико (по 0,035 %), содержание марганца составляет 0,5–1,5 %, а кремния – 0,3–0,6 %.

Полученный металл сварного шва устойчив к образованию кристаллизационных трещин и обладает высокими показателями ударной вязкости при плюсовых и минусовых температурах.

Электроды такого типа находят применение в следующих случаях:

✓ для сваривания металлов большой толщины;

✓ для изготовления конструкций, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях или для транспортировки газов;

✓ для сварки таких сталей, как литые углеродистые, низколегированные высокопрочные или с повышенным содержанием серы и углерода.

При использовании электродов с основным покрытием необходимо:

✓ тщательно подготавливать кромки (очищать от окалины, ржавчины, масла и проч.) свариваемых частей, изделий, конструкций;

✓ избегать увлажнения электродной обмазки;

✓ вести работу длинной дугой, в противном случае могут образоваться газовые поры.

Для получения заданных механических свойств сварного шва в покрытие добавляют хром, молибден, ферромарганец и ферросилиций;

3) рутиловое (Р), компонентами которого являются концентрат рутила (природный минерал, состоящий по большей части из двуокиси титана), карбонаты магния и кальция, кремнезем (добавляется в виде полевого шпата, слюды и гранита) и ферромарганец. К плюсам этого покрытия относится следующее:

✓ металл сварного шва, получающийся при сварке, по стойкости не отличается от того, который образуется при работе с электродами с кислой обмазкой;

✓ данные электроды не склонны к образованию газовых пор даже в условиях сварки по окисленным поверхностям или металлу, который был ранее наплавлен электродами со стабилизирующим покрытием, при перемене длины сварочной дуги;

✓ обмазка обеспечивает устойчивое горение сварочной дуги, дает качественный шов и сопровождается минимальным разбрызгиванием металла;

✓ выделение вредных газов при осуществлении сварки довольно небольшое;

✓ при использовании данных электродов сварка может вестись в любом пространственном положении и от любого источника тока (как постоянного, так и переменного).

Металл шва содержит около 0,12 % углерода, 0,4–0,7 % марганца, 0,1–0,3 % кремния, по 0,04 % серы и фосфора, а уровень водорода определяется наличием в обмазке органических компонентов;

4) целлюлозное (Ц), состоящее в основном из горючих органических веществ, например крахмала, оксицеллюлозы, при сгорании которых создается газовая среда, защищающая расплавленный металл. В качестве шлакообразующих материалов выступают марганцевая руда, силикаты, рутил, титановый концентрат, а функцию раскислителя выполняет ферромарганец. При сварке электроды с таким покрытием дают небольшое количество шлака и характеризуются незначительным разбрызгиванием металла.

Как и электроды с рутиловым покрытием, их применяют при сварке в любом пространственном положении и от любого источника тока;

5) смешанного типа (двухбуквенное обозначение), к которому относятся следующие разновидности: а) рутилово-карбонатное (электроды АНО-3, АНО-4, АНО-5). Электроды с таким покрытием выгодно отличаются тем, что:

✓ формируют качественный металл шва независимо от пространственного положения, в котором ведется сварка;

✓ обеспечивают стабильное горение сварочной дуги при работе от источника постоянного и переменного тока любой полярности;

✓ образуют легко удаляющуюся шлаковую корку;

✓ характеризуются незначительной потерей металла от разбрызгивания;

✓ обеспечивают высокую ударную вязкость металла сварного шва при плюсовых и минусовых температурах как непосредственно после сварки, так и после старения;

б) рутилово-карбонатно-фтористое (электроды ОЗЛ-9 А), которое востребовано для сварки жаростойких сталей, эксплуатируемых при температуре до 1050 °C, а также в тех случаях, когда от металла шва требуется повышенная стойкость к охрупчиванию;

в) ильменитовое (электроды АНО-6), для которого характерно легкое возбуждение сварочной дуги. При работе с электродами с таким покрытием отмечено незначительное выделение дыма, газов и проч.;

г) рутиловое с железным порошком (электроды АНО-1). Наличие последнего в обмазке делает электроды с таким покрытием довольно высокопроизводительными. Основное положение, при котором осуществляются сварочные работы, – нижнее. При этом выделение вредных газов небольшое, а металл шва мало склонен к образованию газовых пор;

д) пластмассовое (электроды ВСП-1). В него тоже входит железный порошок. Такие электроды хорошо показали себя при заваривании зазоров, ими можно работать в любом пространственном положении и от источников постоянного и переменного тока. Кроме того, данное покрытие не впитывает влагу.

Необходимо также иметь в виду, что отечественной маркировке электродов по типу покрытия соответствуют международные обозначения (ISO) (табл. 13).

6. По виду пространственного положения, в котором могут быть использованы электроды, они предназначаются для сварки (каждому соответствует цифровое обозначение, представленное в скобках):

Таблица 13

Соответствие маркировок электродов в зависимости от типа покрытия 

✓ могут использоваться во всех пространственных положениях (1);

✓ во всех пространственных положениях, за исключением вертикального в направлении сверху вниз (2);

✓ можно применять в нижнем, горизонтальном положении на вертикальной плоскости и в вертикальном направлении снизу вверх (3);

✓ в нижнем положении и положении «в лодочку».

Приняты международные обозначения пространственных положений швов (рис. 29), в которых могут использоваться те или иные типы электродов.

Рис. 29. Обозначение пространственных положений швов: 1 – потолочное; 2 – горизонтальное; 3 – вертикальное сверху вниз; 4 – нижнее; 5 – наклонное для угловых и тавровых соединений; 6 – вертикальное снизу вверх

7. По роду тока, его полярности и номинальному напряжению холостого хода источника переменного тока, что отображено в табл. 14.

Таблица 14

Классификация сварочных электродов по роду тока и связанным с ним характеристикам 

Для работы с разными материалами предназначаются определенные типы электродов (табл. 15).

Таблица 15

Область применения некоторых марок электродов 

Электродные покрытия многофункциональны, поскольку:

✓ делают горение сварочной дуги стабильным;

✓ защищают сварочную ванну от кислорода и азота, содержащихся в атмосферном воздухе;

✓ нейтрализуют некоторые примеси;

✓ улучшают свойства металла шва, вводя в него легирующие вещества;

✓ дают такие виды шлаков, физические свойства которых должны способствовать нормальному образованию сварного шва и обеспечивать комфортное манипулирование электродом.

К покрытию предъявляются определенные требования, в частности:

✓ металл, газы и шлаки не должны вступать в реакции, которые могут привести к появлению в сварном шве пор;

✓ материалы, из которого как правило состоят покрытия, должны поддаваться измельчению и не должны взаимодействовать с жидким стеклом или друг с другом в замесе;

✓ состав покрытий должен быть таким, чтобы не нарушать санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении электродов и в процессе сварки.

Нанесение покрытия на электрод возможно двумя способами – опрессовкой и окунанием (в последние годы чаще всего применяется первый вариант).

Обмазка, которая наносится на электроды, содержит целый ряд компонентов, а именно:

1) шлакообразующие, к которым относятся марганцевая руда, каолин, мел, титановый концентрат, полевой шпат, рутил, кварцевый песок, доломит, мрамор.

Их функции:

✓ защита металла сварочной ванны и капель электродного металла от воздействия содержащихся в атмосферном воздухе кислорода и азота;

✓ снижение скорости охлаждения металла шва;

✓ рафинирование и удаление неметаллических примесей и включений;

2) раскисляющие, среди которых представлены марганец, алюминий, титан, кремний, графит и другие элементы, отличающиеся большим сродством к кислороду, чем железо. Их функция – раскисление (восстановление) металла сварного шва. Данные вещества включаются в электродное покрытие в составе ферросплавов;

3) газообразующие, в задачу которых входит создание защитной газовой оболочки вокруг дуги. В процессе сгорания они выделяют большое количество газов, которые и создают необходимую среду. Это органические вещества – древесная мука, целлюлоза, декстрин, крахмал;

4) легирующие, которые должны придать металлу шва заданные физико-механические свойства (повышенную сопротивляемость коррозии, износо– и жаростойкость, особую механическую прочность). Легирующими элементами являются хром, молибден, марганец, никель, титан и др.;

5) стабилизирующие (или ионизирующие), т. е. элементы с невысоким потенциалом ионизации, благодаря которому поддерживается устойчивое горение сварочной дуги и облегчается ее возбуждение. Данную группу элементов составляют калий, натрий и кальций;

6) связующие (клеящие), которые в соответствии с собственным названием связывают компоненты покрытия как друг с другом, так и со стержнем электрода. Чаще всего используется жидкое стекло (калиевое или натриевое), хотя с этой целью также применяются декстрин, желатин и др.

Электрод при сварке расплавляется с образованием металла и шлака. Последний должен обладать определенными свойствами:

1) физическими, к которым относятся:

✓ температура плавления;

✓ температурный интервал затвердевания;

✓ теплоемкость;

✓ теплосодержание;

✓ способность растворять окислы, сульфиды и др.;

✓ вязкость;

✓ плотность;

✓ газопроницаемость;

✓ коэффициенты линейного и объемного расширения;

2) химическими, а именно способностью:

✓ раскислять и легировать металл сварочной ванны;

✓ связывать окислы в легкоплавкие соединения.

От физических свойств шлаков во многом зависят сам процесс сварки и образование сварного шва.

Электродные покрытия дают шлаки такой плотности, которая ниже плотности металла сварочной ванны. Благодаря этому шлаки всплывают и ровным слоем покрывают поверхность шва.

Кроме того, поскольку температурный интервал их затвердевания ниже температуры кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны, это позволяет газам свободно выделяться из нее.

Электродные покрытия, расплавляясь, дают шлаки двух видов:

✓ «длинные», в состав которых входит большое количество кремнезема. Поскольку при охлаждении их вязкость возрастает медленно, электроды с таким покрытием не применяются для выполнения вертикальных и потолочных швов, так как на этих плоскостях сварочная ванна долго сохраняет жидкое состояние;

✓ «короткие», вязкость которых при охлаждении нарастает быстро, что не позволяет жидкому металлу шва стекать. Они, в отличие от предыдущих, пригодны для сварки в любых пространственных положениях. Электроды с рутиловым и основным покрытием образуют шлаки именно такого типа.

Шлаковая корка, которая появляется на поверхности сварного шва, будет хорошо отделяться от металла, если коэффициенты линейного расширения шлака и металла будут различны.

В технической документации согласно ГОСТу 9466–75 указаны марка, диаметр и группа электрода (например, УОНИ-13/45–3,0–2 ГОСТ 9466–75), на упаковочной таре сведения о материале представлены более подробно.

Структура условного обозначения электродов имеет вид дроби (в числителе – паспортные данные, в знаменателе – код) и включает одиннадцать обозначений (рис. 30).

Рис. 30. Схема условного обозначения электродов: 1 – тип электрода; 2 – марка электрода; 3 – диаметр электрода; 4 – назначение электрода; 5 – коэффициент толщины покрытия; 6 – группа индексов, характеризующих металл; 7 – вид покрытия; 8 – допустимые пространственные положения; 9 – род тока; 10 – стандарт на структуру условного обозначения (ГОСТ 9466–75); 11 – стандарт на тип электрода (ГОСТ 9476–75, ГОСТ 10051–75, ГОСТ 10052–75)

Например,

Данная надпись расшифровывается так:

✓ Э46 А – тип электрода (отличительные особенности: улучшенная пластичность, повышенная вязкость металла шва, прочностная характеристика – 460 МПа);

✓ УОНИ-13/45 – марка электрода;

✓ 3,0 мм – диаметр электрода;

✓ У – назначение электрода (для сварки углеродистых и низколегированных сталей);

✓ Д – толщина покрытия (толстое);

✓ 2 – номер группы;

✓ Е43 2 (5) – группа индексов (характеристика металла шва по ГОСТу 9467–75);

✓ Б – вид покрытия (основное);

✓ 1 – допустимые пространственные положения (в любых положениях);

✓ 0 – род тока (постоянный обратной полярности).

Флюсы

Сварочный флюс представляет собой сложное по химическому составу вещество, которое может иметь форму порошка, гранул или жидкой пасты. Необходимость его применения продиктована тем, что при расплавлении он начинает выделять газы, которые, как в оболочку, заключают фронт работ (зону действия электрода, сварочной дуги и свариваемого металла), защищая его от атмосферного воздуха.

Подобная изоляция дает возможность получить наилучший по своим характеристикам сварной шов и делает его более эргономичным (гладким, с правильными ровными краями), не требующим дополнительной обработки. Кроме того, флюс, предупреждая разбрызгивание металла, защищает сварщика, что важно с точки зрения соблюдения требований техники безопасности.

Наименование марки флюса обязательно включает в себя буквенное обозначение, указывающее создателя данного материала, и цифровое – порядковый номер. Например, флюсы, в названии которых имеется аббревиатура «АН» – «Академия наук» (АН-348 А, АН-20 и др.), указывают на то, что они разработаны в Институте электросварки им. Е. О. Патона; аббревиатура «ФЦ» принадлежит НПО ЦНИИТМАШ.

Буквы «А» и «Ш» на конце указывают на крупную или мелкую грануляцию флюса соответственно. Предпринимались также попытки представить в названии флюса с помощью соответствующего индекса его состав (например, для основных флюсов – ОФб, ОФ10, для кислого – КФ16, для нейтрального – НФ17 и др.), но они не были поддержаны разработчиками флюсов.

Применение флюсов представлено в табл. 16.

Таблица 16

Сфера применения некоторых сварочных флюсов 

Как и другие сварочные материалы, флюсы можно классифицировать по различным признакам.

1. По функциям. Флюсы должны:

✓ способствовать устойчивому горению сварочной дуги;

✓ предохранять металл сварочной ванны от воздействия атмосферного воздуха;

✓ снижать скорость охлаждения металла сварного шва, участвовать в его формировании, обеспечивать необходимое его качество за счет легирующих веществ, выполнять металлургические функции, т. е. давать шов соответствующего химического состава;

✓ восстанавливать окислы;

✓ разжижать и уменьшать температуру шлаков;

✓ снижать потери электродного металла.

2. По назначению. Флюсы используются для сварки:

✓ углеродистых и низколегированных сталей;

✓ высоколегированных сталей;

✓ цветных металлов и их сплавов.

3. По способу изготовления. Флюсы делятся на:

✓ плавленые (табл. 17). Для производства флюсов данной группы составляющие его компоненты (марганцевую руду, доломит, мел и др.) измельчают, смешивают в определенной пропорции и помещают в печь. Как только они расплавятся, массу выпускают в проточную воду, где та охлаждается и распадается на мелкие частицы. В заключение флюс сушат при температуре 300–350 °C и просеивают;

Таблица 17

Химический состав некоторых плавленых флюсов 

✓ неплавленые (керамические) (табл. 18). Такие флюсы получают следующим образом: тщательно измельченные вещества соединяют в определенном соотношении и перемешивают с раствором жидкого стекла. Тестообразную массу, образовавшуюся после этого, пропускают сквозь сито с необходимым размером ячеек, затем полученные гранулы сначала высушивают в течение 15–20 минут при температуре 150 °C, а потом прокаливают при 300–350 °C.

Таблица 18

Химический состав некоторых неплавленых флюсов 

Неплавлеными керамическими флюсами легче легировать металл шва – достаточно добавить в их состав определенное количество легирующих компонентов в виде минеральных веществ, ферросплава.

Керамические флюсы, в отличие от плавленых, не столь требовательны к кромке свариваемых деталей и конструкций, т. е. они не слишком чувствительны к ржавчине, окалине и влаге, что важно при осуществлении работ под открытым небом.

4. По строению частиц. Различаются флюсы:

✓ стекловидные;

✓ пемзовидные;

✓ цементированные.

5. По степени легирования металла шва.

По этому признаку флюсы делятся на:

✓ активные, которые, в свою очередь, подразделяются на слабо и сильно легирующие металл шва;

✓ пассивные, т. е. не взаимодействующие с металлом сварочной ванны.

6. По химическому составу. Флюсы бывают:

1) оксидными, в состав которых входят оксиды металлов. Кроме того, содержание фторидных соединений в них может достигать 10 %. По содержанию кремния и марганца флюсы подразделяются на:

✓ бескремнистые (количество кремнезема не превышает 5 %);

✓ низкокремнистые (менее 35 % кремнезема);

✓ высококремнистые (содержание кремнезема составляет 35–50 %);

✓ безмарганцевые (они имеют в составе менее 1 % марганца);

✓ марганцевые (на марганец приходится более 1 %), а именно: низко– (менее 10 %), средне– (10–30 %) и высокомарганцевые (более 30 %);

✓ легированные, которые включают чистые легирующие металлы или ферросплавы;

2) солеоксидными (смешанными), в которых преобладают соли, а не оксиды, как в предыдущей группе. Содержание кремния в них достигает 15–30 %, марганца – 1–9 %, фторида кальция – 12–30 %;

3) солевыми, основную часть в составе которых составляют хлориды и фториды кальция, натрия, бария и др. Они предназначаются для сварки активных металлов.

7. По химической активности. Это важная характеристика флюса, которая определяется по его суммарной окислительной способности. Показатель активности флюса – относительная величина Аф, значение которой варьируется от 0 до 1. По данному признаку различаются флюсы:

✓ высокоактивные (Аф больше 0,6);

✓ активные (Аф от 0,3 до 0,6);

✓ малоактивные (Аф от 0,1 до 0,3);

✓ пассивные (Аф меньше 0,1).

Для автоматической наплавки под флюсом используются те же составы, что и для сварки. Наибольшее распространение получили плавленые флюсы АН-348 А, АН-20, АН-60, 48-ОФ-6, АН-15 М, АН-25, ОСЦ-45, АН-22, АНФ-6 в комбинации с легированными проволоками.

Защитные газы

Чтобы получить качественный сварной шов при дуговой сварке, необходимо обеспечить защиту расплавленного металла сварочной ванны. Именно с такой целью используются защитные газы. Эта идея была высказана Н. Н. Бенардосом еще в 1883 г. и состояла в том, чтобы направить из сопла горелки на зону сварки струю газа, которая, как будто в оболочку, заключит зону сварки и предохранит ее от постороннего воздействия. Защита осуществляется тремя группами газов:

✓ инертными;

✓ активными;

✓ смесями активных газов с инертными или инертных с инертными.

Инертными называются газы, которые не вступают в химические реакции взаимодействия с металлом и неспособны растворяться в нем.

К этой группе относятся аргон, гелий и их смеси, а для меди используется азот.

В среде инертных газов сваривают активные металлы, например титан, алюминий и др. Применяют их и в тех случаях, когда хотят добиться высококачественного шва при соединении изделий и конструкций из хромоникелевых сталей.

Аргон представляет собой газ со следующими физическими характеристиками:

✓ бесцветный;

✓ без запаха и вкуса;

✓ неядовитый;

✓ невзрывоопасный.

Поскольку аргон примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, если производить сварочные работы в закрытом и непроветриваемом помещении, тогда возникает опасность удушья. В природе он встречается исключительно в свободном виде, его объемная концентрация в воздухе составляет приблизительно 0,93 %.

В промышленности в соответствии с ГОСТом 10157–79 производится аргон трех сортов:

✓ высшего (доля аргона – 99,993 %);

✓ первого (99,987 %);

✓ второго (99,95 %).

Аргон транспортируется в жидком (плотность – 1392 кг/м3) или газообразном (плотность – 1,662 кг/м3) состоянии в специальных стальных баллонах объемом 40 л под давлением 15 МПа. Емкости окрашены в серый цвет с зеленой полосой. На них зеленой краской нанесена надпись «Аргон чистый».

Расход газа при сварке определяется диаметром электрода и, как правило, составляет 100–500 л/ч.

Гелий в качестве защитного газа применяется редко, поскольку, будучи дефицитным, имеет высокую стоимость. Поэтому чаще всего его вводят в виде добавки к аргону или используют для сварки:

✓ химически чистых и активных материалов и сплавов;

✓ сплавов на основе магния и алюминия;

✓ при необходимости обеспечить значительную глубину проплавления (это возможно за счет высокого значения потенциала ионизации газа) или особую форма сварного шва.

Физические свойства гелия:

✓ бесцветный;

✓ без запаха;

✓ неядовитый

✓ плотность – 0,18 кг/м3.

Гелий в 10 раз легче аргона, а объемное содержание этого газа в воздухе составляет 0,00052 %.

Промышленность поставляет гелий согласно ТУ 51–689–75 трех марок – А, Б и В. Его транспортировка осуществляется в соответствии с ГОСТом 20461–75. При этом газ находится в стальных баллонах под давлением 15 МПа, которые окрашены в коричневый цвет, а на них нанесена белая надпись «Гелий».

Расход гелия в процессе сварки – 200–900 л/ч, потому что легкий гелий быстро улетучивается, а для создания надежной защиты сварочной ванны приходится увеличивать его подачу.

Азот не является инертным газом (в природе это самый распространенный газ, в частности его содержание в воздухе составляет 78,09 %), но он так ведет себя по отношению к меди и ее сплавам (относительно других металлов и стали азот рассматривается как активный и часто вредный газ, поступление которого в сварочную ванну необходимо ограничивать). Поэтому его используют для сварки, наплавки и плазменной резки таких материалов.

Физические свойства азота:

✓ бесцветный;

✓ без запаха и вкуса;

✓ неядовитый;

✓ невзрывоопасный;

✓ плотность – 1,2506 кг/м3.

По ГОСТу 9293–74 агрегатное состояние азота при транспортировке – газ. Его перевозят в стальных емкостях объемом 40 л под давлением 15 МПа. Он поставляется четырех сортов, различающихся процентным содержанием азота:

✓ высший (99,9 %);

✓ I сорт (99,5 %);

✓ II сорт (99 %);

✓ III сорт (97 %).

Стальные емкости объемом 40 л содержат азот под давлением 15 МПа.

Из активных газов, т. е. взаимодействующих с металлом сварочной ванны и растворяющихся в нем, следует назвать углекислый газ, который применятся для защиты сварки в чис том виде или в смеси с аргоном. Помимо жидкого и газообразного состояния, углекислый газ бывает и твердым (сухой лед).

Физические свойства двуокиси углерода:

✓ бесцветная;

✓ неядовитая;

✓ с кисловатым запахом и вкусом;

✓ плотность – 1,98 кг/м3;

✓ температура сжижения – 78,5 °C.

Углекислый газ в 1,6 раза тяжелее воздуха, в котором на его долю приходится 0,03 %.

По ГОСТу 8050–85 двуокись углерода содержит водяные пары, количество которых зависит от сорта газа:

✓ в высшем – 0,037 г/см3;

✓ в I сорте – 0,184 г/см3.

Углекислый газ транспортируется и поставляется в сжиженном состоянии в емкостях объемом 40 л при максимальном давлении 20 МПа. Баллон покрыт черной краской и снабжен надписью желтого цвета «CO2 сварочный».

Углекислота производится двух сортов: высшего, чистота которого составляет 99,8 %, и I сорта чистотой 99,5 %.

Поступающий в зону сварки углекислый газ не относится к нейтральным и под воздействием высоких температур распадается на оксид углерода и кислород. Одновременно с этим происходит окисление расплавленного металла, который после кристаллизации дает достаточно пористый шов с низкими механическими характеристиками. Чтобы снизить окислительные свойства свободного кислорода и добиться качественного шва, используют электродную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые действуют как раскислители.

Для удаления водяных паров, которые присутствуют в баллоне с газом, емкость следует поставить вентилем вниз и через 10–15 минут осторожно его открыть. А перед сваркой из установленного как положено баллона надо выпустить воздух.

На производстве часто применяют смеси газов, что значительно повышает качество сварного шва, и нередко технологические свойства смеси превосходят показатели чистых газов. Например, используются следующие смеси:

1. Углекислый газ с 2–5 % кислорода. Эта смесь, во-первых, способствует мелкокапельному переносу металла; во-вторых, примерно на 30 % снижает разбрызгивание и потери металла; в-третьих, обеспечивает формирование качественного сварного шва.

2. 70 % гелия и 30 % аргона. Данная смесь, во-первых, значительно повышает производительность при сварке алюминия; во-вторых, увеличивает необходимую в определенных случаях глубину проплавления; в-третьих, дает сварной шов хорошего качества;

3. 88 % аргона и 12 % углекислого газа. Эта смесь, во-первых, при сварке стали делает горение сварочной дуги стабильным; во-вторых, снижает разбрызгивание расплавленного металла; в-третьих, позволяет получить качественный шов, поскольку значительно уменьшает поверхностное натяжение расплавленной электродной проволоки.

Резюмируя сказанное, следует подчеркнуть достоинства сварки в среде защитных газов:

✓ наличие визуального контроля сварочного процесса;

✓ широкий выбор рабочих режимов;

✓ расширение номенклатуры свариваемых металлов;

✓ возможность механизировать процесс;

✓ создание лучших условий труда для сварщиков.

Источники питания

Качественного сварного шва невозможно добиться без обеспечения стабильного горения сварочной дуги, т. е. без устойчивого протекания сварочного процесса. В значительной степени это зависит от источника питания дуги, которая загорается при коротком замыкании – в момент контакта электрода с изделием. Это сопровождается выделением теп лоты и быстрым повышением температуры в зоне контакта.

Для начала сварочного процесса требуется повышенное напряжение сварочного тока, но потом в результате эмиссии электронов с катода и развития объемной ионизации газов в сварочной дуге наблюдаются снижение сопротивления дугового промежутка и, как следствие, падение напряжения до того минимума, который необходим для устойчивого горения сварочной дуги.

Сварочная цепь переживает многократные и частые короткие замыкания, которыми сопровождается переход капель металла электрода в сварочную ванну. И в каждый такой момент напряжение достигает нулевой отметки. Одновременно с этим колеблется длина сварочной дуги. Чтобы она восстановилась, надо, чтобы напряжение поднялось до рабочего, т. е. до 25–30 В, причем в минимальный промежуток времени, иначе поддерживать горение сварочной дуги будет невозможно. Кроме того, надо иметь в виду, что при коротких замыканиях возникают большие токи, которые могут привести к перегреву проводки и обмотки источников тока. Таковы в общих чертах сварочный процесс и явления, которые ему сопутствуют.

Итак, электрическая сварочная дуга, по сравнению с другими потребителями электроэнергии, имеет ряд отличительных черт:

✓ необходимость более высокого напряжения для возбуждения сварочной дуги по сравнению с тем, которое требуется для ее поддержания;

✓ наличие в процессе горения сварочной дуги особого состоянии электрической цепи, которая претерпевает разрыв или короткое замыкание;

✓ колебания напряжения сварочной дуги и, соответственно, силы сварочного тока в связи с изменением длины дуги;

✓ падение напряжения между электродом и свариваемым изделиями до нуля при коротком замыкании, в момент которого происходит возбуждение сварочной дуги.

Специфическими особенностями сварочной дуги при ручной дуговой сварке (при других видах дуговой сварки они могут быть иными) обусловлены те требования, которые предъявляются к источникам питания, в частности:

✓ для возбуждения сварочной дуги нужно, чтобы напряжение холостого хода превосходило напряжение сварочной дуги в 2–3 раза (максимум напряжения холостого хода должен быть не более 80 и 90 В для источников питания постоянного и переменного тока соответственно), но при этом оставалось безопасным для сварщика (разумеется, при соблюдении им техники безопасности);

✓ изменение напряжения устойчивого горения дуги (рабочее напряжение), наблюдающееся при изменении ее длины (при увеличении последней напряжение должно возрастать, а при уменьшении – быстро снижаться), не должно приводить к большим изменениям силы сварочного тока и связанного с этим теплового режима сварки;

✓ в момент короткого замыкания сила тока должна быть ограничена определенным пределом, предотвращающим возгорание проводов. Достаточно, чтобы ток короткого замыкания превышал сварочный примерно в 1,1–1,5 раза, т. е. не более чем на 40–50 %. Источник тока должен быть рассчитан и выдерживать длительные короткие замыкания, иначе он не сможет защищать обмотку от перегрева и разрушения;

✓ промежуток, в течение которого напряжение после короткого замыкания восстанавливается, не должен быть длительным. Необходимо, чтобы после каждого короткого замыкания, т. е. при переносе капель расплавленного металла электрода на свариваемое изделие, на подъем напряжения от нуля до рабочего (25 В) затрачивалось не более 0,05 секунды, более длительный промежуток негативно сказывается на устойчивости сварочной дуги;

✓ источник тока должен быть мощным, чтобы обеспечивать выполнение сварочных работ и иметь соответствующую внешнюю характеристику;

✓ источник питания дуги должен быть оснащен устройством, регулирующим сварочный ток (предел регулирования должен составлять приблизительно 30– 130 % от номинального сварочного тока), тем более что это требуется для осуществления сварки электродами различного диаметра.

Источники питания отличаются своими свойствами, для описания которых введены следующие параметры:

1. Внешняя статическая характеристика. Это зависимость между напряжением на выходных зажимах источника питания и величиной сварочного тока. Различаются несколько типов внешних вольт-амперных характеристик источников питания (рис. 31), в частности:

✓ крутопадающая;

✓ пологопадающая;

✓ жесткая;

✓ возрастающая.

Каждому способу сварки должен соответствовать тип внешней характеристики. Для ручной дуговой сварки подходят источники с крутопадающей внешней характеристикой, поскольку у них при коротком замыкании напряжение падает до нуля, благодаря чему сила тока короткого замыкания не растет. Но при возбуждении сварочной дуги, когда ток минимален, мгновенно возникает повышенное напряжение. Источники питания с такой внешней характеристикой позволяет удлинять дугу, не опасаясь при этом, что она быстро оборвется, и сокращать ее без риска значительного увеличения тока.

Рис. 31. Типы внешних вольт-амперных характеристик: 1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

Оставшиеся типы внешней характеристики источников питания (пологопадающая, жесткая и возрастающая) позволяют обеспечить существенное изменение величины сварочного тока при изменении длины дуги, что приводит к быстрому возрастанию или снижению скорости плавления электродной проволоки.

Источники питания с пологопадающей вольт-амперной характеристикой предназначаются для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, а с жесткой и возрастающей внешней характеристикой – для сварки в среде защитных газов.

Необходимая характеристика источника питания задается при его изготовлении и обеспечивается конструкцией, а при сварке ее тип не изменяется.

Велико значение и динамических свойств источника питания, а именно быстрота, с которой напряжение при коротком замыкании восстанавливается с нулевой отметки до напряжения повторного возбуждения сварочной дуги. Это определяется индуктивностью источника питания: чем она больше, тем выше динамические свойства, при которых происходят равномерный перенос капель электродного металла и незначительное разбрызгивание.

2. Напряжение холостого хода. Так называется напряжение на выходных клеммах, когда нагрузка в сварочной цепи отсутствует, т. е. при разомкнутой сварочной цепи. Напряжение холостого хода источника питания с падающей вольт-амперной характеристикой всегда выше рабочего напряжения дуги, поэтому облегчаются возбуждение и повторное зажигание сварочной дуги. Если номинальное рабочее напряжение составляет 30 В, то напряжение холостого хода не должно быть более 75 В (чем оно выше, тем легче загорается сварочная дуга, но одновременно возрастает риск поражения сварщика током). Напряжение зажигания различно для источников постоянного и переменного тока и составляет не менее 30–35 В для первых и 50–55 В для вторых. В ГОСТе 7012–77 Е указано, что для трансформаторов, которые рассчитаны и выдерживают сварочный ток силой 2000 А, напряжение холостого хода не должно быть более 80 В. Увеличение напряжения холостого хода источника переменного тока влечет за собой снижение cos φ (напомним формулу мощности переменного тока: P = U × I × cos φ), т. е. снижение КПД источника питания.

3. Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения в прерывистом режиме (ПВ). Источник питания сварочной дуги функционирует в таком режиме, когда включения периодически сменяются выключениями, которые необходимы для удаления шлака со сварного шва, замены электрода и проч. Можно сказать, что данные показатели характеризуют повторно-кратковременный режим работы источника питания сварочной дуги. Разница между ПР и ПВ заключается в том, что при ПР источник питания в момент паузы не отключается от сети и продолжает функционировать в холостом режиме при разомкнутой цепи, а при ПВ источник питания во время паузы отключается от сети.

Величины ПР и ПВ выражаются в процентах и определяют возможную степень эксплуатации источника сварочной дуги:

где tсв – время сварки, т. е. работы под нагрузкой;

tхх – время холостого хода;

tп – время паузы.

Для расчетов условно принимается время сварки (tсв), равное 3 минутам, паузы (tп) – 2 минутам. Подставив значения в формулу, можно установить, что оптимальная величина ПР составляет 60 %. Если ПР равняется 20 %, то время сварки составит 1 минуту, а продолжительность паузы – 4 минуты.

Современная промышленность изготавливает различные источники питания для дуговой сварки и наплавки.

1. Источник питания, работающий от переменного тока и предназначенный для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и электрошлаковой сварки, называется сварочным трансформатором. Это устройство представляет собой статический электромагнитный аппарат, основная функция которого – преобразование имеющегося в электрической цепи напряжения (220 или 380 В) в более низкое напряжение вторичной электрической цепи, необходимое для возбуждения сварочной дуги и обеспечения ее горения. Энергия в трансформаторе преобразуется за счет переменного магнитного поля и использования необходимого количества витков в первичной и вторичной обмотках, расположенных на магнитопроводе. Так называется сердечник, выполненный из трансформаторной стали (из нее изготавливаются различные электрические изделия, которые в процессе эксплуатации попеременно на– и размагничиваются), которая является тонколистовой, низкоуглеродистой и отличается повышенным содержанием кремния (не более 4 %) и малым количеством вредных примесей – фосфора и серы (не более 0,02 %). Ее магнитопроницаемость определяет и вес устройства. Если магнитные свойства стали максимальны и магнитный поток протекает через нее с наименьшими потерями, то количество стали, необходимое для аппарата, значительно снижается.

В основе действия всех трансформаторов, применяемых для сварочных работ, лежит принцип электромагнитной индукции, т. е. переменный по направлению (с частотой тока) магнитный поток на магнитопроводе, образовавшийся от действия переменного тока первичной обмотки, пересекает витки вторичной обмотки трансформатора, после чего согласно закону электромагнитной индукции возбуждает в ней напряжение (ЭДС). Пока вторичная (сварочная) цепь не будет замкнута, тока в ней (кроме напряжения) не будет.

Сварочный ток регулируется благодаря изменению величины либо индуктивного сопротивления, либо вторичного напряжения холостого хода трансформатора, что осуществляется посредством секционирования числа витков первичной или вторичной обмотки.

Это обеспечивает ступенчатое регулирование тока.

Главный минус всех сварочных трансформаторов – низкий коэффициент мощности cos φ, что объясняется конструкцией трансформатора, в котором падающая вольт-амперная характеристика порождается высокой индуктивностью сварочной цепи.

Для стабильного возбуждения сварочной дуги требуется напряжение холостого хода трансформатора на уровне 65 В, в то время как напряжение сварочной цепи составляет 20–30 В. Вследствие возникшего индуктивного сопротивления потери мощности возрастают. Поэтому коэффициент мощности cos φ сварочных трансформаторов должен составлять 0,4–0,5.

Сварочные трансформаторы на основании различных показателей классифицируются следующим образом:

1) по количеству обслуживаемых рабочих мест на:

✓ однопостовые, рассчитанные на одно рабочее место, поэтому обладают соответствующей вольт-амперной характеристикой;

✓ многопостовые, предназначенные для одновременного обслуживания нескольких рабочих мест. Они имеют жесткую характеристику, но благодаря включению в электрическую цепь дросселя создается падающая внешняя характеристика, обеспечивающая стабильное горение сварочной дуги;

2) по фазности на:

✓ однофазные.

✓ трехфазные.

3) по конструкции на устройства: а) с нормальным магнитным рассеянием и отдельной реактивной (дроссельной) обмоткой, которая последовательно включается в сварочную цепь. Дроссель может заключаться в отдельный корпус или выполняться на общем сердечнике (рис. 32).

Рис. 32 (18). Электрическая схема трансформатора с дросселем: а – в отдельном корпусе; 1 – реактивная катушка; 2 – зазор в регуляторе; б – на общем сердечнике; 1 – реактивная катушка; 2 – зазор в регуляторе

Падающая характеристика и регулировка сварочного тока происходят за счет электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции, которая возникает в обмотке дросселя исключительно при наличии в ней сварочного тока. Составная часть магнитопровода дроссельной катушки – подвижной пакет, который, в свою очередь, является частью магнитопровода дросселя. От величины зазора в магнитном пакете зависит величина магнитного потока в данном магнитопроводе: он тем больше, чем меньше зазор, и наоборот. Величина магнитного потока определяет величину индуктированной ЭДС самоиндукции. Последняя постоянно направлена навстречу движению сварочного тока в цепи, который бывает тем меньше, чем больше ЭДС. Максимальная же величина ЭДС самоиндукции наблюдается при минимальном зазоре в подвижном пакете магнитопровода. Если зазор большой, то магнитный поток и ЭДС будут наименьшими, поэтому сварочный ток будет максимальным, ведь при прохождении по провод нику на его пути нет препятствий.

Благодаря описанным явлениям величина тока плавно регулируется, что и обеспечивает падающую характеристику источника тока и точно настроенный режим сварки.

Подобная схема была распространена приблизительно до 1967 года и хорошо работала, хотя не была лишена недостатков: трансформаторы, например, весили достаточно много, вследствие потерь отмечалось падение КПД, а также увеличивался расход цветных металлов.

Сейчас трансформаторы с дросселем в отдельном корпусе сняты с производства и заменены устройствами в однокорпусном варианте, например трансформаторы типа ТСД и СТН (рис. 33) с аналогичным принципом действия;

б) с развитым магнитным рассеянием. При увеличенных магнитных потоках во вторичной обмотке трансформатора возникает реактивная ЭДС.

Рис. 33. Электрическая схема трансформатора типа СТН: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – обмотка дросселя; 4 – подвижной пакет магнитопровода; 5 – рукоятка; 6 – магнитопровод

Трансформаторы данной группы неоднородны и подразделяются на конструкции:

✓ с магнитными шунтами, например СТАН-0, ОСТА-350 и др. Несмотря на то что они надежны и удобны в применении, они уже не выпускаются, так как весьма неэкономичны (приводят к повышенному расходованию металла и электроэнергии);

✓ с подвижной катушкой (марок ТД, ТДМ и др.) (рис. 34), производство которых поставлено на поток. Они отличаются хорошей динамикой, плавным регулированием и способностью удерживать ток на заданном уровне.

Данные трансформаторы бывают однофазными, стержневого типа, отличаются увеличенной индуктивностью рассеяния.

Рис. 34. Электрическая схема трансформатора с подвижными катушками: 1 – магнитопровод; 2 – вторичная обмотка; 3 – первичная обмотка; 4 – конденсатор

Конструктивно они устроены следующим образом: катушки первичной обмотки зафиксированы, а катушки вторичной обмотки, напротив, являются подвижными. Регулирование сварочного тока осуществляется путем изменения промежутка (для этого предназначается рукоятка) между обмотками: при минимальном расстоянии ток возрастает (рукоятка поворачивается по часовой стрелке), а при максимальном расстоянии он снижается. У трансформатора имеется специальный конденсатор (фильтр), который устраняет радиопомехи, неизбежные при сварочных работах. Сварочный трансформатор типа ТСК-500 показан на рис. 35;

в) с жесткой характеристикой. Такие трансформаторы используются при электрошлаковой сварки (при ней дугового процесса практически нет, а сварка возможна за счет высокой температуры расплавленного шлака, которая доходит до 2000 °C, и прохождения через него тока) и рассчитаны на ток 1000–3000 А.

Рис. 35. Схема сварочного трансформатора ТСК-500: а – конструктивная; б – электрическая; 1 – зажимы для сетевых проводов; 2 – магнитопровод; 3 – рукоятка регулировки тока; 4 – зажимы для сварочных проводов; 5 – ходовой винт; 6 – катушка вторичной обмотки; 7 – катушка первичной обмотки; 8 – конденсатор

Модели бывают одно– (ТШС-1000–1, ТШС-3000–1) и трехфазными (ТШС-1000–3, ТШС-3000–3, ТШС-600–3). Для регулирования напряжения во вторичной электрической цепи предназначаются секционные первичные и вторичные обмотки. С помощью контроллера, работа ющего от электродвигателя и управляющегося дистанционно, осуществляется переключение витков первичной обмотки, за которым следует изменение вторичного напряжения в сварочной цепи. Для переключения витков вторичной обмотки производится перестановка перемычек.

Для сравнения трансформаторы различных марок представлены в табл. 19.

Таблица 19

Технические характеристики сварочных трансформаторов различных марок 

Для автоматической сварки под флюсом применяются трансформаторы марок ТДФ-1001 и ТДФ-1601, характеристика параметров одного из которых представлена в табл. 20.

Таблица 20

Техническая характеристика сварочного трансформатора тдф-1001 

Для обеспечения эффективной и бесперебойной работы трансформаторов их необходимо правильно эксплуатировать. Перед этим надо внимательно осмотреть и заземлить устройство, проконтролировать обмотки на предмет обрыва и проверить изоляцию обмоток от корпуса, а при обнаружении механических повреждений устранить их.

Если предполагается вести работы на открытом воздухе, следует позаботиться о защите трансформатора от осадков, поскольку отсыревшая изоляция может быть пробита. Тогда замыкания между витками не избежать.

Во время работы нельзя допускать перегрева трансформатора, что негативно отразится на состоянии изоляции обмоток. Для недопущения этого не следует размещать трансформатор рядом с источниками тепла. Кроме того, надо регулярно очищать контакты от грязи, которая может препятствовать охлаждению рабочих частей устройства.

2. От источников постоянного тока работают сварочные преобразователи, составляющими которых являются сварочный генератор и привод (электродвигатель), смонтированные на одном валу. Электрическая энергия, вырабатываемая двигателем (на них обычно устанавливают асинхронные трехфазные двигатели), преобразуется в механическую, под воздействием которой якорь генератора вращается и вырабатывает сварочный ток с соответствующими параметрами. Сварочные преобразователи бывают стационарными и мобильными.

Если вместо электродвигателя устанавливают двигатель внутреннего сгорания (ДВС), тогда такой преобразователь называется агрегатом. При этом двигатель должен иметь мощность, как минимум, 30 л. с.

В среднем для осуществления сварки требуется 5–6 кг горючего в час.

Сварочные агрегаты используются для работы в полевых условиях или в том случае, когда в электрической сети наблюдаются резкие колебания напряжения.

Генератор и ДВС монтируются на общей раме (например, ПАС-400-VIII), которая может снабжаться снабжается колесами. Его можно установить, например, в кузове машины, на тракторе (например, сварочный агрегат СДУ-2). Ток, полученный от сварочного генератора, обходится дороже (например, расход электроэнергии при ручной дуговой сварке от сварочного преобразователя или агрегата составляет 7–8 кВт/ч на 1 кг наплавленного металла, а КПД в среднем равен 0,4–0,5 % из-за значительных потерь на холостом ходу; расход энергии у сварочных трансформаторов – 3,5–4,25 кВт на 1 кг наплавленного металла, а КПД – 0,6–0,7 %), чем тот, что дают сварочные трансформаторы, выпрямители. Поэтому целесообразно и экономически более выгодно применять агрегат в тех случаях, когда нет электрической сети.

Именно поэтому до сих пор разработчики совершенствуют бензиновые (АДБ) и дизельные (АДД) сварочные агрегаты.

Преобразовали и агрегаты имеют конструктивно схожие генераторы. Сварочный генератор – это прибор, вырабатывающий за счет собственной внешней характеристики (для этого в зависимости от сварочного тока в генераторе меняется магнитный поток) постоянный ток, необходимый для стабильного горения сварочной дуги. Чаще всего встречаются генераторы с падающей внешней характеристикой, которые применяются для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом. Для регулировки сварочного тока генератор оснащается специальным устройством.

В основу конструкции сварочных генераторов положена одна из двух систем (ранее было большое количество конструктивно различных электромагнитных систем) (рис. 36):

✓ с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой в сварочной цепи. Независимая обмотка работает от сети переменного тока и подключена через понижающий трансформатор. Благодаря выпрямителю возникает магнитный поток, который возбуждает требующееся для загорания сварочной дуги напряжение на щетках. Регулировка тока осуществляется путем переключения перемычки числа витков обмотки. В пределах диапазонов малых и больших токов сварочный ток корректируется реостатом. Представленная на рис. 36 схема реализовывалась в генераторе ГСО-500, который устанавливался на преобразователе ПСО-500. В последнее время генераторы данной конструкции почти не производятся;

✓ с самовозбуждением с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками, например ПСО-300 М, С-300–1 и др. На полюсах генератора находятся две обмотки – намагничивающая и размагничивающая. В первой ток создает генератор с помощью третьей щетки (на рис. 36 она обозначена цифрой 6), которая устанавливается на коллекторе между основными щетками (цифры 5 и 7). Падающая внешняя характеристика возникает благодаря встречному включению обмоток. Для регулировки тока используется реостат со ступенчатым переключателем.

Рис. 36. Электрическая схема генератора: а – с независимым возбуждением: 1 – сеть; 2 – стабилизатор напряжения; 3 – понижающий трансформатор; 4 – селеновый выпрямитель; 5 – реостат; 6 – намагничивающий магнитный поток; 7 – диапазон больших токов; 8 – диапазон малых токов; 9 – перемычка

Рис. 36 (окончание). Электрическая схема генератора: б – с самовозбуждением: 1 – намагничивающий магнитный поток; 2 – размагничивающий магнитный поток; 3 – ток намагничивающей обмотки; 4 – реостат; 5, 6, 7 – щетки на коллекторе якоря генератора; 8 – перемычка

Основные технические данные преобразователей различных типов представлены в табл. 21.

Как и за трансформаторами, за сварочными преобразователями необходимо правильно ухаживать, чтобы продлить срок их службы. Их следует защищать от атмосферных осадков, но при этом следить за тем, чтобы охлаждение устройства не страдало, иначе не избежать перегрева обмоток. Особое внимание уделяют таким его частям, как коллектор, щетки, щеткодержатели и подшипники. Их содержат в чистоте, систематически удаляют нагар и осматривают, а изношенные детали заменяют.

Таблица 21

Технические параметры преобразователей некоторых типов 

3. Сварочные преобразователи в последние годы были потеснены более совершенными устройствами – сварочными выпрямителями. Эти приборы преобразуют переменный ток в постоянный и применяются в качестве источника питания сварочной дуги. Они комплектуются понижающим трансформатором с регулирующим ток устройством, выпрямительным блоком с полупроводниковыми вентилями и вентилятором для охлаждения. Как правило, для выпрямителей применяют селеновые и кремниевые вентили. В некоторых случаях такое устройство оснащают дросселем, который подключают в цепь постоянного тока, чтобы получить падающую внешнюю характеристику.

Существуют две типовые схемы выпрямления (рис. 37):

✓ однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления;

✓ трехфазная мостовая схема.

Чаще всего используется трехфазная мостовая схема, поскольку она обладает рядом преимуществ, в частности обеспечивает меньшие колебания напряжения, оптимизирует применения трансформатора и равномерно загружает трехфазную сеть.

Рис. 37. Электрическая схема сварочного выпрямителя: а – однофазная мостовая; б – трехфазная мостовая; 1–6 – полупроводниковые вентили

Полупроводниковые вентили пропускают ток лишь в одном направлении и преобразуют переменный ток в пульсирующий постоянный. Материалом для них служат кремний, германий и селен, причем последний предпочтительнее. Селеновый вентиль (рис. 38) представляет собой тонкое металлическое основание с нанесенным на него слоем кристаллического селена, на котором находится электрод из специального сплава. Между селеном и электродом образуется тонкий запирающий слой из селенистого кадмия, который и выполняет выпрямляющие функции.

Селеновые вентили используют для выпрямителей с падающей и жесткой внешней характеристикой, кремниевые – в основном в устройствах с падающей внешней характеристикой. Поскольку кремниевые вентили нуждаются в активном охлаждении, с этой целью в выпрямитель вставляют вентилятор. Технические параметры выпрямителей разных типов представлены в табл. 22.

Рис. 38. Полупроводниковый вентиль: 1 – основание; 2 – селен; 3 – селенистый кадмий; 4 – электрод

Выпрямители бывают как одно-, так и многопостовыми. Поскольку каждый отдельный пост должен работать независимо от других, источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику. Хорошо показали себя многопостовые выпрямители серий ВКСМ и ВДМ. Параметры одного из них представлены в табл. 23.

Таблица 22

Технические характеристики некоторых сварочных выпрямителей различных типов 

Таблица 23

Технические характеристики многопостового выпрямителя вдм-1201 

4. Самые современные и конструктивно сложные источники сварочного тока – это сварочные инверторы (рис. 39).

Если сравнивать его устройство с классическими преобразователями, оно гораздо сложнее. Прежде всего у инвертора нет силового трансформатора. Его работа основана на принципе инверсии (фазового сдвига) напряжения, для реализации которого прибор оснащен электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока. Это позволяет расширить спектр внешних (вольт-амперных) характеристик – от крутопадающей до возрастающей, при этом отклонения тока доведены до уровня десятых долей процента, т. е. практически отсутствуют, благодаря чему качество сварки значительно улучшилось.

Рис. 39. Принципиальная схема сварочного инвертора: 1 – питающая сеть; 2 – сетевой выпрямитель; 3 – сетевой фильтр; 4 – преобразователь частоты; 5 – сварочный трансформатор; 6 – силовой выпрямитель; 7 – блок управления; 8 – сварочная дуга

Инвертор работает на больших токах, высоких частотах и напряжениях, причем входное напряжение проходит два этапа преобразования: во-первых, переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное, во-вторых, постоянное трансформируется в высокочастотное переменное (частота достигает 200 кГц, что позволило уменьшить вес и габариты инвертора), которое опять выпрямляется и доставляется в сварочную дугу. Для преобразования и регулирования электрической энергии предусмотрен широтно-импульсный модулятор, основой которого являются либо биполярный транзистор с изолированным затвором (модуль IGBT), либо полевой транзистор на основе перехода «металл – оксид – полупроводник» (модуль MOSFET). Работу всей электроники, контроль параметров, обратную связь с дугой координирует микропроцессор.

Наличие высокочастотного генератора дает возможность применять инвертор для любого способа дуговой сварки и плазменной резки.

Разумеется, сложная и дорогостоящая электроника, установленная на инвертор и нуждающаяся в специальных условиях охлаждения, увеличивает стоимость данного источника питания, но достоинства, которыми обладает такой аппарат, и перспективы, открывающиеся благодаря его применению, делают его выгодным приоб ретением. Ниже перечислены основные преимущества инвертора:

✓ по сравнению с трансформаторами и выпрямителями инвертор потребляет примерно в 2 раза меньше электроэнергии, а в режиме холостого хода – приблизительно в 10 раз (это возможно за счет того, что нет внутренних индуктивных потерь). Поэтому он может работать от бытовой электросети и генератора;

✓ КПД инвертора составляет более 90 %, т. е. коэффициент мощности cos φ = 1, благодаря чему вся энергия, которую потребляет аппарат, идет на возбуждение и поддержание горения сварочной дуги;

✓ постоянный ток, который дает инвертор, имеет такие внешние характеристики, которые являются идеальными для сварки, тем более что их можно подстроить под каждый вид сварки плавлением (под ручную дуговую, аргонно-дуговую, полуавтоматическую) и тип сварного соединения;

✓ инвертор, обладающий плавной регулировкой тока с точностью до 10–15 А, позволяет варить все металлы (углеродистые и легированные стали, чугун, цветные металлы) и электродом любой марки, в том числе и диаметром 1,6 мм;

✓ инвертор экономно расходует не только энергию, но и электроды, поскольку разбрызгивание электродного металла довольно незначительное;

✓ благодаря микропроцессорному управлению инвертор постоянно отслеживает ситуацию на дуге и, опережая сварщика, вносит необходимые коррективы, например отключает напряжение на дуге через 0,5 секунды после короткого замыкания, поэтому электрод не прилипает, а аппарат не перегревается; при незначительных локальных коротких замыканиях инвертор вырабатывает серию коротких мощных импульсов тока, разрушающих перемычки жидкого металла, что имеет большое значение при сварке короткой дугой;

✓ высокочастотная составляющая обеспечивает высокое качество сварного шва, поскольку осуществляются обжатие и стабилизация сварочной дуги, а также предупреждается возникновение магнитного дутья;

✓ данный источник питания весит в 5–10 раз меньше (10–12 кг), чем обычные сварочные аппараты такой же мощности. Инвертор снабжен ремнем, поэтому его можно повесить на плечо и работать на любом участке (при сварке особо ответственных конструкций из разных материалов, труб и сварных соединений, когда из-за условий работы нельзя подвести громоздкое промышленное оборудование).

При эксплуатации инвертора необходимо иметь представление о некоторых специфических особенностях, в частности:

✓ надо четко различать условия производства и обычные бытовые и не пытаться применять инвертор для работ, на которые он не рассчитан, например перерезать рельсы, – модуль IGBT просто выйдет из строя (это самая дорогая деталь аппарата);

✓ исключается небрежное обращение с инвертором и его эксплуатация при наличии явных неисправностей;

✓ инвертор нуждается в защите от проникновения пыли, поэтому следует обеспечить ему хорошие условия содержания и хранения;

✓ не стоит доверять такого рода технику некомпетентным людям.

Инструмент и спецодежда сварщика

Как и для любого другого вида деятельности, для сварки необходимо иметь набор определенных инструментов.

1. Электродержатель, который используют при ручной дуговой сварке. С его помощью зажимают электрод и подводят к нему электрический ток. Конструкция держателя должна быть такой, чтобы:

✓ иметь возможность легко, не прикасаясь к токопроводящим деталям, с минимальными временными затратами (за 4 секунды) заменить электрод;

✓ давать минимальный по длине огарок электрода;

✓ быть удобной в обращении;

✓ не мешать движениям сварщика и не утомлять его руку.

Для фиксации электрода в электродержателе были разработаны разные устройства (рис. 40, 41), например специальные пружины, зажимные устройства наподобие клещей, винтовые зажимы и др.

Рис. 40. Разновидности электродержателей с разжимными губками: а – конструкции завода «Электрик»; б – конструкции В. А. Шебеко; в – конструкции В. Ф. Сидорова

Рис. 41. Разновидности электродержателей с пружинящими губками: а – вилочного типа; б – пластинчатые конструкции Л. Д. Гурвица; в – конструкции Б. Г. Филиппова; 1 – электрод; 2 – головка; 3 – маховичок; 4 – рукоятка; 5 – винт; 6 – провод

Контактные губки, которые должны удерживать электрод, изготавливают из меди. Лучшими считаются конструкции с плоскими губками, которые благодаря своей упругости или усилию особой пружины обеспечивают прочное зажатие электрода.

В этом плане конструкции с винтовым зажимом представляются менее удачными, поскольку из-за перегрева и заклинивания винтового устройства они имеют короткий срок службы. Ручка электродержателя должна быть электроизолированной, т. е. иметь резиновую или пластмассовую оболочку. Кроме того, некоторые электродержатели оснащены специальным устройством, выключающим напряжение в момент замены электрода.

Электродержатели могут быть рассчитаны на разную величину сварочного тока. По этому параметру они делятся на три типа:

✓ I – для тока до 125 А;

✓ II – для тока до 315 А;

✓ III – для тока до 500 А. Существуют специальные электродержатели для безогаркового электрода (рис. 42), в которых конец последнего приварен встык к торцу стержня электродержателя и при сварке расплавляется без остатка, чем дает экономию электродов примерно на 15–20 %.

Рис. 42. Электродержатель для безогарковых электродов: 1 – электрод; 2 – стальной пруток; 3 – ручка; 4 – стальной лист; 5 – провод

К способу фиксации кабеля к электродержателю также предъявляются определенные требования. Конец кабеля должен закрепляться легко и надежно. При этом обязателен хороший контакт в точке его зажима. Электродержатель должен без ремонта выдержать использование 8000 электродов.

2. Щиток или маска. В процессе сварки необходимо защищать голову и лицо от различных вредных факторов, среди которых:

✓ свечение сварочной дуги;

✓ ультрафиолетовое и инфракрасное излучение;

✓ брызги расплавленного металла;

✓ раскаленный шлак;

✓ ядовитые газы.

Для этой цели предназначены щитки и маски. Сварочный щиток – конструкция наиболее примитивная. Он оснащен затемненным светофильтром и ручкой, за которую сварщик его удерживает.

Последнее обстоятельство одновременно является его достоинством и недостатком, поскольку, с одной стороны, можно легко отодвинуть щиток от лица и осмотреть полученный сварной шов, с другой – одна из рук постоянно занята, поэтому нет возможности придержать изделие или ударить по шву.

Маска, в отличие от щитка, имеет специальные крепления, с помощью которых она держится на голове. Чтобы рассмотреть зону сварки, ее просто поднимают, а чтобы продолжить работу, достаточно кивком головы опустить ее. Маска лишена недостатка щитка, поскольку освобождает руку, но есть один минус – при откинутой маске глаза оказываются незащищенными (например, при работе «болгаркой»).

Более современная конструкция – маска с подъемным светофильтром, в которой пластмассовый щиток защищает глаза, когда фильтр поднят.

Еще более совершенная конструкция – маска со светофильтром «хамелеон», в основе работы которого лежит поляризация жидких кристаллов. При этом жидкокристаллический слой (их может быть несколько), помещенный между поляризационными пленками, изменяет пространственную ориентацию и задерживает некоторое количество света. Специально установленный фильтр предохраняет глаза от инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Весь защитный блок имеет толщину не более 10 мм, ширину – 90 мм, длину – 100 мм, вес – не более 100 г. Современные «хамелеоны» срабатывают за 1 миллисекунду (при минусовых температурах не столь быстро).

Существует особая маска для специфических работ, к которым относится сварка металлов с примесями вредных веществ или в условиях плохой вентиляции.

Для таких случаев она оснащается фильтрами и системой подачи воздуха типа противогаза, что надежно защищает органы дыхания от сварочного дыма.

Средства защиты лица, органов зрения и дыхания показаны на рис. 43.

Рис. 43. Виды сварочных масок: а – щиток; б – традиционная; в – с подъемным светофильтром; г – со светофильтром «хамелеон»; д – с блоком подачи воздуха

Конструкция сварочной маски должна соответствовать ГОСТу 12.4.035–78 и ТУ 3441–003– 07515055–97, согласно которым она изготавливается из токонепроводящего материала (обычно это электрокартон (фибра) или пластмасса), устойчивого к брызгам расплавленного металла и искрам, и должна защищать внутреннее пространство.

Большое значение имеют вес маски (не более 600 г), габариты и возможность подогнать ее под размер головы.

3. Молоток для отбивания шлака. 4. Стальная щетка для удаления загрязнений и шлака.

5. Зубило для вырубки шва при обнаружении дефектов.

6. Шаблоны для контроля размеров сварного шва.

7. Металлические клейма.

8. Измерительные инструменты (отвес, метр, стальной угольник, линейка, чертилка).

9. Ящик для хранения всевозможных принадлежностей для сварки.

Отдельного разговора заслуживают сварочные провода. Для подведения тока от сети используют провод марки КРПТ; от сварочного аппарата к электродержателю – марки ПРГД, ПРГДО с медными жилами, АПРГДО с алюминиевыми жилами. В любом случае провод должен иметь длину не менее 3 м и не более 30–40 м (при более длинном проводе напряжение в нем упадет и, соответственно, снизится напряжение сварочной дуги, что нежелательно). Если возникает необходимость нарастить провод, применяют муфты, пайку и медные наконечники. Сварочный провод должен иметь определенное сечение, которое определяется величиной сварочного тока (табл. 24).

Таблица 24

Соотношение между сечением сварочного провода и величиной сварочного тока

По требованиям техники безопасности сварщик должен быть одет в специальную одежду (комбинезон или куртку и брюки), иметь рукавицы, сшитые из плотного материала (брезента, асбестовой ткани и проч.), способного защитить его от ожогов. Необходимо правильно носить одежду:

✓ надевать брюки навыпуск (поверх обуви);

✓ застегивать куртку на все пуговицы и не заправлять ее в брюки (карманы должны быть с клапанами);

✓ ходить в обуви на резиновой подошве;

✓ головной убор не должен иметь козырька, который помешает защитить лицо маской или щитком.

Ручная дуговая сварка

Продолжительный электрический разряд, который наблюдается при атмосферном давлении в газовой среде между двумя электродами, называется сварочной дугой. Если она образуется между электродами, роль одного из которых играет металлический или угольный стержень (электрод), а другого – свариваемый металл, тогда такая дуга называется дугой прямого действия. В том случае, если два электрода находятся под некоторым углом относительно друг друга, она называется дугой косвенного действия. Первая применяется в большинстве наиболее распространенных видов сварки, а вторая, будучи менее удобной, – при некоторых специальных видах сварки, например при атомно-водородной. При сочетании обоих видов дуги образуется комбинированная дуга.

Схематическое изображение дуги прямого и косвенного действия показано на рис. 44.

Дуга прямого действия представлена столбом с основанием в углублении, которое возникает на поверхности сварочной ванны. Форма столба дуги бывает цилиндрической или чуть конической. Его верхняя часть контактирует с раскаленным концом электрода. Эта зона называется катодным пятном. Противоположным ему является анодное пятно, образованное основанием столба в зоне его соприкосновения со свариваемым металлом (напомним, что катод заряжен положительно, а анод – отрицательно). Если значение сварочного тока не превышает средних показателей, т. е. составляет примерно 200–300 А, то диаметр катодного пятна приблизительно в 1,5–2 раза меньше анодного.

Рис. 44. Схема сварочной дуги: а – прямого действия; б – косвенного действия; 1 – электрод; 2 – газовое облако; 3 – столб дуги; 4 – соединяемая часть; 5 – анодное пятно; 6 – сварочная ванна; 7 – кратер; 8 – катодное пятно

Столб дуги образует вещество, состоящее из раскаленных и сильно ионизированных газов, которое называется плазмой. В нем сконцентрировано основное количество энергии сварочной дуги, в связи с чем его осевая часть является зоной самой высокой температуры (5500–7800 °C), и она тем выше, чем больше плотность тока в сварочной дуге. Столб дуги окружает ореол пламени (факел дуги). Его образуют пары и газы, температура которых более низкая.

Для возбуждения и горения сварочной дуги необходимы определенные условия. Если рассматривать газы и пары в стандартных условиях, то они оказываются электрически нейтральными и практически не проводят электрический ток. Прохождение последнего через газовую среду возможно только в том случае, если в ней появляются электрически заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы, которые становятся переносчиками электрического тока. (Попутно заметим, что электрон представляет собой материальную частицу, масса которой в 1840 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода, которая несет один отрицательный электрический заряд. Ион – это атом или молекула вещества, может быть либо только положительным, либо только отрицательным.) Такой газ получил название ионизированного. От количества заряженных частиц зависит степень ионизации газа: чем их больше, тем выше степень ионизации, следовательно, и электропроводность газа тоже возрастает.

Процесс ионизации газа наглядно показан на рис. 45, на котором ясно видно, что в результате бомбардировки электрически нейтральных атомов газа (А, А') быстрыми электронами (Э1, Э2), испускаемыми катодом (это явление называется эмиссией электронов), первые теряют один или несколько электронов. При этом их скорость уменьшается, но они продолжают движение к аноду под воздействием его электрического поля. А атомы вместе с электронами, утратившими часть электричества, превращаются в положительно заряженные ионы (+И), которые начинают перемещаться к катоду. При столкновении с ним положительные ионы выбивают из него электроны и частично захватывают их, становясь нейтральными атомами, а остальные электроны движутся к аноду. Отрицательно заряженные ионы (—И) появляются тогда, когда атомы захватывают свободные электроны. Поскольку не все элементы способны на это, отрицательных ионов в ионизированном газе, как правило, меньше, чем положительных.

Рис. 45. Схема ионизации газа: 1 – катод; 2 – анод; 3 – катодное пятно; 4 – анодное пятно; 5 – столб сварочной дуги

Описанный процесс, в ходе которого в среде газа или пара образуются положительно и отрицательно заряженные частицы, называется объемной ионизацией. Кстати, она возможна не только от соударения частиц, ее причиной может быть энергия светового излучения. Кроме того, ионизация газа или пара происходит при их нагревании до температуры 2000 °C (термическая ионизация), когда повышается скорость движения частиц и возрастает число их столкновений.

В сварочной дуге тоже наблюдается процесс образования электрически нейтральных атомов из отрицательно или положительно заряженных частиц, что называется рекомбинацией, а отношение числа заряженных частиц в каком-либо объеме газа к общему их количеству до начала ионизации – степенью ионизации. Образование и распад заряженных частиц в газе при данной температуре сбалансированы, т. е. степень ионизации нагретого газа сохраняется постоянной. При степени ионизации, равной единице, каждая частица в данном объеме газа несет тот или иной заряд. Чем ниже температура, при которой это происходит, тем с большей легкостью в газовой среде образуется дуговой разряд (сварочная дуга).

Степень термической ионизации у различных элементов разная. Легче всего она достигается у калия, натрия и кальция, в связи с чем их наличие в столбе сварочной дуги способствует ее возбуждению и обеспечивает устойчивость ее горения. Поэтому данные вещества всегда добавляются в электродные покрытия.

Кроме того, все элементы обладают разным потенциалом ионизации, т. е. тем количеством энергии, которое требуется затратить, чтобы выбить один электрон из оболочки атома того или иного элемента. Например, потенциал калия, натрия и кальция ниже (приблизительно в 3,4, 2,8 и 2,4 раза соответственно), чем у азота или кислорода. Это дополнительно объясняет их положительное влияние на горение сварочной дуги.

Ионизация газа и образование в нем дугового разряда представляют собой сложные физические процессы, возникновение и протекание которых определяется различными факторами. В частности, для того чтобы катод стал испускать свободные электроны, должны осуществляться следующие процессы:

✓ термоэлектронная эмиссия, развившаяся под воздействием высокой температуры катода и позволившая электронам покидать его поверхность;

✓ автоэлектронная эмиссия, являющаяся следствием воздействия электрического поля, отрывающего свободные электроны от катода;

✓ эмиссия в результате ударов положительно заряженных ионов по поверхности катода;

✓ фотоэлектронная эмиссия как итог воздействия световых лучей дугового разряда на катод.

Источники пучков заряженных частиц, благодаря которым поддерживается устойчивое горение сварочной дуги, – это эмиссия электронов катодом и объемная ионизация газов.

Теперь необходимо понять, как именно образуется дуга. Весь процесс выглядит следующим образом (рис. 46):

Рис. 46. Схема образования дугового разряда: а – стадия короткого замыкания; б – стадия появления прослойки расплавленного металла; в – стадия формирования шейки; г – стадия возникновения сварочной дуги; 1 – электрод; 2 – основной металл; 3 – дуга

1) при прикосновении концом электрода к основному металлу в сварочной цепи возникает короткое замыкание;

2) электрический ток, отличающийся высокой плотностью в зонах контакта основного металла с электродом (из-за неровности поверхности электрода контакт происходит одновременно в нескольких точках), расплавляет последний, в результате чего появляется тонкая пленка жидкого металла;

3) при некотором отведении электрода из жидкой прослойки металла вытягивается шейка, в которой плотность и температура металла еще более увеличиваются;

4) вследствие испарения металла шейка рвется, а в создавшемся ионизированном облаке газов и паров, образовавшемся между электродом и металлом, загорается сварочная дуга.

В дальнейшем авто– и термоэлектронная эмиссия поддерживают устойчивое горение сварочной дуги при соответствующем токе и напряжении в сварочной цепи.

Напряжение сварочной дуги – это напряжение между электродом и металлом. Его величина определяется длиной дуги. При этом прослеживается такая закономерность: чем короче дуга, тем ниже напряжение, несмотря на то что ток может не меняться. Устойчивое горение сварочной дуги при использовании металлического электрода обеспечивается напряжением 18–28 В, а при применении угольного или графитового электрода необходимое напряжение возрастает до 30–35 В. Напряжение, при котором возникает дуговой разряд, должно быть выше чем то, при котором сварочная дуга поддерживается на соответствующем уровне. Это обусловлено тем, что на первой стадии температура воздушного промежутка недостаточна для того, чтобы сообщить электронам такую скорость, при которой может начаться ионизация атомов газа.

Сварочная дуга бывает:

✓ устойчивой. Это означает, что она горит равномерно, а произвольные обрывы дуги, для устранения которых необходимо повторное зажигание, отсутствуют;

✓ неустойчивой. Наличие того, чего нет при устойчивой дуге, изменяет ее характер с точностью до наоборот.

Устойчивость дуги в основном определяется следующими факторами:

✓ род электрического тока. Он может быть постоянным и переменным;

✓ состав электродного покрытия. Повысить устойчивость горения сварочной дуги можно с помощью введения в покрытие и флюсы элементов с низким потенциалом ионизации, о которых говорилось ранее;

✓ полярность. При постоянном токе она бывает прямой и обратной. В первом случае минус источника тока подсоединяется к электроду, а во втором – к изделию. При работе угольным электродом предпочтительнее ток прямой полярности, поскольку при нем дуга легко загорается и

отличается устойчивостью. Ток обратной полярности востребован при сварке тонких металлических листов и в других случаях, когда требуется уменьшить выделение тепла;

✓ длина дуги. Она равна расстоянию от торца электрода до поверхности сварочной ванны. Для стального электрода длина дуги составляет не более 2–4 мм. В этом случае она называется короткой. Для нее характерны такие качества, как устойчивое горение и оптимальное протекание сварочного процесса.

Дуга длиной 4–6 мм считается нормальной, более 6 мм – длинной. В последнем случае отмечается ряд негативных явлений: во-первых, плавление происходит неравномерно, дуга неустойчивая; во-вторых, капли металла, капающие с электрода, могут подвергаться окислению кислородом и насыщению азотом из атмосферного воздуха; в-третьих, наплавленный металл приобретает пористость, а шов – неровную поверхность; в-четвертых, падает производительность, возрастает разбрызгивание жидкого металла, возникают непроваренные участки.

Сварочную дугу можно классифицировать не только по принципу действия (прямого, косвенного и комбинированного), длине, роду тока, полярности постоянного тока или виду электрода, но и по таким признакам, как:

✓ длительность горения. Различаются стационарная и импульсная дуга;

✓ степень сжатия. Дуга может быть свободной и сжатой;

✓ характер среды, в которой происходит сварка. Дуга бывает открытой (горение происходит в атмосферном воздухе) или закрытой (если она возникает под флюсом либо в среде защитных газов);

✓ тип статической вольт-амперной характеристики (так называется зависимость падения напряжения в сварочной дуге от силы тока в условиях постоянной длины дуги).

По этому параметру выделяются дуги с жесткой (падение напряжение не зависит от силы тока), падающей (увеличение силы тока приводит к уменьшению падения напряжения) и возрастающей (напряжение возрастает при увеличении тока) характеристикой.

При сварке вокруг дуги и в металле изделия создаются магнитные поля. Если они несимметричны, тогда под их воздействием дуга отклоняется, затрудняя процесс. Действие магнитных полей, в результате которого дуговой разряд отклоняется, называется магнитным дутьем.

Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, что объясняет такое явление: магнитное дутье усиливается, если вести сварку с применением постоянного тока силой более 300–400 А, в то время как сварка переменным током протекает с менее выраженным магнитным дутьем. Имеют значение и другие факторы, в частности использование флюса, тонко– и толстопокрытых электродов.

Величина магнитного дутья зависит и от других условий, среди которых следующие:

✓ нахождение ферримагнитных масс в непосредственной близости от зоны сварки;

✓ тип сварного соединения;

✓ наличие зазора между кромками;

✓ точка подведения электрического тока к изделию (рис. 47) и др.

Поскольку магнитное дутье может создавать трудности при выполнении сварки, для нейтрализации или уменьшения влияния предпринимают соответствующие меры, в частности:

✓ ведут сварку короткой дугой;

✓ подводят сварочный ток как можно ближе к дуге;

✓ варят, наклоняя электрод в сторону действия магнитного дутья, и др.

Рис. 47. Отклонение сварочной дуги вследствие магнитного дутья в зависимости от места подведения тока: а – нормальное положение дуги; б – отклонение дуги в левую сторону; в – отклонение дуги в правую сторону

В процессе сварки плавящийся электродный металл постепенно перетекает в сварочную ванну. Это происходит следующим образом:

1) под воздействием высокой температуры сварочной дуги электродный металл расплавляется, например электроду длиной 450 мм для этого достаточно 1,5–2 минут;

2) в результате действия сил поверхностного натяжения и гравитации жидкий металл электрода принимает форму капли, в основании которой образуется тонкая шейка;

3) шейка капли постепенно утончается, что сопровождается увеличением плотности тока в шейке, и удлиняется вплоть до момента касания поверхности основного металла;

4) касание предшествует короткому замыканию, резкому увеличению тока, разрыву шейки капли и возбуждению дуги между электродом и каплей. В результате давления паров и газов она быстро погружается в расплавленный металл сварочной ванны, разбрызгивая некоторую часть материала, после чего весь процесс повторяется с начала (при ручной дуговой сварке каплями переносятся 95 % металла электрода, а 5 % разбрызгиваются). За 1 секунду с электрода на изделие переносится 20–50 капель приблизительно одинакового размера.

Плавление и перенос металла в сварочной дуге показаны на рис. 48.

Рис. 48. Капельный перенос электродного металла на изделие: а – образование слоя расплавленного металла на конце электрода; б – формирование капли; в – касание капли поверхности сварочной ванны; г – возбуждение новой дуги

Время, в течение которого происходят горение дуги и короткое замыкание, составляет приблизительно 0,02–0,05 секунды. Форма капель и их размер зависят от ряда факторов, к которым относятся:

✓ сила тяжести и сила поверхностного натяжения. При наложении нижнего шва сила тяжести помогает отрыву капли и переносу электродного металла в сварной шов, а при выполнении потолочного шва, напротив, препятствует;

✓ состав и толщина электродного покрытия, которое снижает поверхностное натяжение примерно на 20–30 %;

✓ величина сварочного тока;

✓ диаметр электрода;

✓ длина дуги и т. д.

При расплавлении покрытия электрода выделяется значительное количество газов, благодаря которым давление в зоне дуги повышается, что приводит к размельчению капель расплавленного металла. С повышением сварочного тока капли уменьшаются в размере. Перенос металла электрода в сварочную ванну крупными каплями наблюдается при сварке на малых токах с применением тонкопокрытых электродов. При увеличении плотности сварочного тока и применении толстопокрытых электродов перенос электродного металла в сварочную ванну напоминает поток мельчайших капель, которые следуют друг за другом. Поэтому данный процесс называется струйным переносом металла (рис. 49).

При этом снижается выгорание легирующих веществ в сварочной проволоке, а чистота металла шва возрастает. Это основное преимущество струйного переноса электродного металла по сравнению с капельным. Но при использовании штучных электродов это невозможно, поскольку плотность тока на электроде не превышает 10–20 А/мм2.

Рис. 49. Струйный процесс переноса электродного металла на изделие

Количество металла электрода, которое может быть расплавлено за конкретный промежуток времени, вычисляют по формуле:

Gр = Kр × I × t,

где Gр – количество расплавленного электродного металла;

Kр – коэффициент расплавления;

I – величина сварочного тока;

t – время горения сварочной дуги.

Между представленными величинами существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше величина тока, чем дольше горит сварочная дуга, тем больше электродного металла будет расплавлено и перенесено. Коэффициент расплавления – это количество расплавленного электродного металла в граммах за 1 час, приходящееся на 1 А сварочного тока. Для стальных электродов этот показатель составляет 8–14 г/А·ч и определяется следующими факторами:

✓ материал, из которого изготовлен электрод;

✓ состав электродного покрытия;

✓ род и полярность тока.

При сварке неизбежны потери жидкого металла, которые возникают в результате разбрызгивания, испарения и окисления кислородом расплавленного металла. Следовательно, в наплавленный металл сварного шва переносится лишь часть металла электрода.

Чтобы вычислить количество наплавленного металла, в формуле следует заменить коэффициент расплавления коэффициентом наплавки (Kн), который меньше первого на величину потерь металла электрода, которые составляют 1–3 г/А·ч.

Представленные коэффициенты необходимы для определения расхода электродов, а также для регламентации сварочных работ.

Техника дуговой сварки

Сварочные работы предполагают определенную подготовку деталей, которая включает в себя несколько операций:

✓ правку, которую осуществляют на станках или вручную. Например для правки листового и полосового металла применяют различные листоправильные вальцы (материал может быть в холодном состоянии или в горячем, если он сильно деформирован), а ручную правку проводят на чугунных или стальных правильных плитах, на которые помещают изделие и правят ударами кувалды или с помощью пресса;

✓ разметку, при которой с чертежа на металл переносят размеры деталей, т. е. таким образом намечают контуры будущего изделия. При этом основными являются измерительные инструменты и шаблоны. Размечая деталь, необходимо принимать во внимание, что при сварке происходит укорачивание деталей. Поэтому следует предусмотреть припуски – 1 мм на каждый поперечный стык и 0,1–0,2 мм на каждый погонный метр продольного шва;

✓ резку, которая бывает термической (для легированной стали, цветных металлов) или механической (роликовые ножницы с дисковыми ножами). Последний вариант целесообразнее, если детали или изделия, подготавливаемые к сварке, являются однотипными;

✓ очистку, которой подвергают и основной металл, и присадочный материал. Они должны быть полностью очищены от ржавчины, окалины, масляных и других загрязнений, поскольку наличие посторонних веществ приводит к образованию при сварке дефектов и снижению прочности шва и всего соединения. Особое внимание надо уделить кромке свариваемых элементов и изделий и прилегающей к ним полосы шириной 25–30 мм;

✓ тщательную подготовку кромок, форма которых бывает различной и определяется толщиной листов. Притупление кромок и зазор между ними должны быть равномерными по всей длине;

✓ сборку, на которую приходится примерно 30 % общей трудоемкости изготовления детали или конструкции. Для упрощения работы используют специальные приспособления, инструменты и шаблоны (рис. 50, 51).

Рис. 50. Шаблоны для контроля качества сборки: а – для проверки угла раскрытия кромки; б – для проверки прямого угла; в – для определения смещения листов; 1 – шаблон

Рис. 51. Щупы для контроля качества сборки: а – для проверки зазора между листами нахлесточного соединения; б – для определения зазора при тавровом соединении; в – для контроля зазора при стыковом соединении; 1 – щуп-шаблон; 2 – набор щупов

Сборочно-сварочные приспособления применяют для обеспечения доступа к местам установки деталей и рукояткам устройств, которые фиксируют и зажимают деталь, а также для выполнения прихваток и сварки.

К приспособлениям для этой работы предъявляются определенные требования. Они должны:

✓ быть прочными и достаточно жесткими;

✓ удерживать деталь в необходимом положении;

✓ не допускать деформации детали при сварке;

✓ создавать условия, при которых потребуется минимальное количество поворотов при выполнении прихваток и сварных швов;

✓ обеспечивать беспрепятственный доступ для контроля размеров изделия и позволять легко снимать их по окончании сварки;

✓ способствовать безопасности сварочных работ.

Сборочные работы должны вестись в такой последовательности, чтобы каждая предшествующая операция не затрудняла выполнение последующей. Каждая деталь, поступившая на сборку, должна быть проверена на предмет точности геометрических размеров и подготовленности кромок под сварку. Для недопущения деформаций для прихватки надо использовать качественные электроды и выдерживать промежуток между прихватками не более 500 мм, если длина одной прихватки составляет 50–80 мм. Для формирования качественного шва необходимо прихватывать планки в начале и конце изделия.

Чтобы от подготовки перейти непосредственно к выполнению сварки, необходимо понять, каким образом происходит возбуждение дуги на практике. Для этого есть два способа, разница между которыми состоит в том, что в первом случае сварщик дотрагивается концом электрода до поверхности металла, а во втором чиркает по поверхности металла концом электрода и быстро отводит его в сторону примерно на 2–4 мм. Так загорается дуга. При этом надо поддерживать ее длину постоянной, для чего рабочий постепенно опускает электрод по мере того, как тот расплавляется.

Длина дуги должна быть как можно короче, поскольку длинная дуга не дает нужной глубины проплавления основного металла, а электродный металл разбрызгивается, в конечном итоге образуется неровный сварной шов с многочисленными включениями окислов. Короткая дуга сопровождается образованием незначительного количества мелких капель металла, электрод плавится равномерно и дает достаточную глубину проплавления свариваемых частей.

Если в процессе сварки дуга обрывается, ее следует возбудить, переместив электрод от точки обрыва вперед, чтобы потом вернуться к месту обрыва, заварить кратер и продолжить шов.

При сварке надо правильно держать электрод. Обычно его располагают вертикально или наклонно по отношению ко шву – углом вперед или назад (рис. 52), причем сварка углом назад дает глубокий провар и аккуратный, не слишком широкий шов. При таком положении электрода выполняют угловые, тавровые и нахлесточные соединения, а высококвалифицированные мастера – и стыковые.

Для выполнения сварного шва следует подобрать соответствующий режим сварки, т. е. совокупность условий, обеспечивающих стабильное протекание процесса сварки.

Режим сварки включает параметры двух видов.

Первую группу составляют основные параметры:

✓ величина, род и полярность сварочного тока;

✓ диаметр электрода;

✓ напряжение дуги;

✓ скорость сварки;

✓ величина поперечного колебания торца электрода.

Рис. 52. Положение электрода в процессе сварки: а – вертикальное; б – углом вперед; в – углом назад (стрелка указывает на направление сварки)

Во вторую группу входят дополнительные параметры:

✓ величина вылета электрода;

✓ состав и толщина электродного покрытия;

✓ пространственное положение электрода;

✓ начальная температура основного металла;

✓ положение изделия при сварочных работах.

Рассмотрим далее основные параметры, а второстепенные прояснятся в процессе изложения.

Выбор сварочного тока зависит от разных факторов – диаметра электрода, типа его покрытия и пространственного положения шва. Величина сварочного тока определяет производительность сварки (количество металла, наплавленного за единицу времени) и глубину провара.

При малом токе количества тепла, поступившего в сварочную ванну, будет недостаточно, что может привести к непровару, который значительно ухудшит прочностные свойства соединения деталей.

При чрезмерной величине сварочного тока электрод сильно нагреется, будет быстро плавиться и стекать в шов, что тоже связано с негативными последствиями, в частности с появлением излишнего наплавленного металла в зоне шва и риском непровара, если расплавленный электродный металл ляжет на еще нерасплавленный основной металл.

На упаковке с электродами содержатся рекомендации по выбору сварочного тока, но можно воспользоваться и соответствующими формулами:

I = (40–50)dэ при dэ = 4–6 мм;

I = (20 + 6 dэ)dэ при dэ < 4 мм и dэ > 6 мм, где

I – сварочный ток,

dэ – диаметр электрода.

С учетом толщины металла и пространственного положения шва значение сварочного тока корректируют: если толщина кромок составляет (1,3–1,6)dэ, то расчетное значение тока должно быть ниже на 10–15 %; если толщина больше 3 dэ, то расчетное значение тока должно быть выше на 10–15 %; при сварке вертикальных и потолочных швов значение сварочного тока должно быть на 10–15 % ниже расчетного.

Форма и размер шва определяются родом и полярностью тока, которые подбирают в зависимости от типа электродного покрытия, марки и толщины основного металла. Здесь установлены такие закономерности:

✓ при использовании постоянного тока обратной полярности глубина провара оказывается примерно на 40–50 % больше, чем в случае применения постоянного тока прямой полярности, что связано с разным количеством теплоты, которая выделяется на катоде и аноде. По этой причине ток обратной полярности рекомендуется при сварке тонколистового металла и высоколегированных сталей, чтобы исключить прожог и перегрев соответственно;

✓ при ведении сварки переменным током глубина провара будет на 15–20 % меньше по сравнению со сваркой постоянным током обратной полярности.

Диаметр электрода зависит от толщины кромок металла, который подвергается свариванию (как правило, выбирают диаметр для сварки в нижнем положении), его марки, формы разделки кромок, пространственного положения, в котором осуществляется сварка, и вида сварного соединения.

Между диаметром электрода и толщиной металла при сварке в нижнем положении экспериментально была установлена определенная зависимость, представленная в табл. 25.

При отсутствии кромок диаметр электрода выбирают согласно представленной зависимости. Если разделка кромок была сделана, то при любой марке металла корневой шов выполняют электродом диаметром 2–3 мм, иногда 4 мм.

Таблица 25

Соотношение диаметра электрода и толщины кромок металла, подвергаемого сварке 

Использование электродов большего диаметра не рекомендуется, поскольку это приводит к возникновению ряда дефектов, в частности к непровару, зашлаковыванию и др. Остальные слои накладывают электродом диаметром 4 мм. В тех случаях, когда толщина металла превышает 12 мм и сварку ведут в нижнем положении, возможно применение электрода диаметром 5 мм. Таким же электродом выполняют и декоративный шов при толщине металла 12 мм.

При сварке в других пространственных положениях для первого слоя выбирают электрод диаметром 2–4 мм, иногда 4 мм, последующие слои, включая декоративный, выполняют электродами диаметром 4 мм.

Диаметр электрода при равенстве прочих условий зависит и от марки металла. Чтобы снизить тепловложения в основной металл и уменьшить риск образования трещин, используют электрод диаметром 2–3 мм, который позволяет получить валик малого сечения. Это особенно актуально при сварке закаливающихся сталей и чугуна.

Тип соединения тоже имеет значение при выборе диаметра электрода. Для стыкового соединения электрод подбирают по принципам, изложенным выше, а для других типов (тавровых, нахлесточных, угловых) придерживаются следующих правил:

✓ при многослойных швах корневой шов выполняют электродом диаметром 2, 3 или 4 мм, при этом чем ответственнее конструкция или элемент, тем меньше должен быть диаметр электрода, поскольку только в таком случае можно добиться качественного провара корня шва, снизить деформации и тепловложения в основной металл и сварочные напряжения;

✓ при однопроходных швах применяют электрод диаметром 2, 3, 4, 5 или 6 мм – в соответствии с толщиной металла.

Тип и марка электрода определяются прочностью, механическими и эксплуатационными характеристиками сварного соединения.

Между напряжением дуги (оно определяется величиной тока и диаметром электрода и чаще всего колеблется в пределах 18–45 В) и ее длиной наблюдается прямо пропорциональная зависимость: с увеличением длины дуги ее напряжение тоже растет. Следовательно, возрастает и доля тепла, за счет которого плавится электродный и основной металл. В конечном итоге сварной шов получается шире, а глубина провара и высота усиления – меньше. Поэтому для сварки предпочтительнее держать короткую дугу, напряжение которой составляет 18–20 В, тем более что длинная дуга сопровождается резким звуком и усиленным разбрызгиванием металла. Для сокращения длины дуги надо максимально быстро опускать электродержатель вниз.

При высокой скорости сварки сварной шов становится уже, однако глубина провара возрастает, так как расплавленный металл не подтекает под дугу и дает прослойку небольшой толщины. Если и дальше увеличивать скорость сварки, то можно создать предпосылки для развития негативных явлений, поскольку время теплового воздействия сварочной дуги на металл и глубина провара снизятся, не исключено и несплавление основного металла с металлом шва.

В процессе сварки электрод должен совершать определенные колебательные движения, от характера которых зависит качество сварного шва.

Если подавать электрод исключительно в направлении его оси и перемещать его вдоль шва прямолинейно, то наплавленный валик будет узким (ниточным). Он применяется при сварке тонколистового металла, если требуется подварить подрез, а также при наплавке.

При выполнении шва электрод держат под некоторым углом относительно поверхности металла. Это необходимо для того, чтобы капли расплавленного электродного металла падали на жидкий металл сварочной ванны. Чтобы увеличить глубину проплавления основного металла, электрод следует наклонять в сторону, противоположную направлению сварки. Таким образом, изменение угла наклона электрода к поверхности свариваемых элементов позволяет контролировать глубину расплавления основного металла, качественно формировать валик шва и воздействовать на скорость, с которой охлаждается жидкий металл сварочной ванны.

Наложение ниточного валика используют, чтобы проварить корень шва, при соединении тонколистового металла и др.

При ведении сварки тонкопокрытыми электродами ширина ниточного валика составляет 0,8–1,5 диаметра стержня электрода. Для узкого, но высокого валика характерен небольшой объем наплавленного металла, поэтому он быстрее кристаллизуется, а не успевшие выделиться из него газы остаются растворенными в нем, что придает шву пористость. По этой причине предпочтение отдается уширенным валикам.

Чтобы увеличить ширину валика, сварщик должен совершать движения трех типов (рис. 53).

Рис. 53. Движения электрода в трех направлениях: 1 – поступательное вдоль оси электрода сверху вниз; 2 – поступательное вдоль линии шва; 3 – колебательное поперек шва перпендикулярно его оси

Благодаря поперечным колебательным движениям конца электрода при наплавке уширенных валиков (рис. 54) свариваемые кромки равномерно прогреваются, а жидкий металл сварочной ванны медленнее остывает.

Качество сварки повышается, если ширина валика составляет 2,5–3 диаметра электрода. При этом все кратеры жидкого металла сливаются в общую сварочную ванну, за счет чего сплавление основного и электродного металла улучшается, а прочность сварного шва возрастает. Если ширина валика слишком велика, то металл в точке 1 на рис. 54 уже начинает кристаллизоваться в момент достижения дугой точки 3, т. е. на данном участке возможен непровар. Помимо этого, широкий валик потребует больше времени на выполнение, приводит к увеличенному расходу металла и проч. Это означает, что производительность сварки упадет.

Рис. 54. Схема поперечных колебательных движений конца электрода при выполнении уширенных валиков: а – прямолинейное перемещение; б – криволинейное перемещение выпуклостью в сторону сваренного участка шва; в – криволинейное перемещение выпуклостью в сторону несваренного участка шва; 1, 2, 3 – точки, в которых скорость перемещения электрода падает

Поперечные колебательные движения электрода различны по рисунку (рис. 55) и зависят от формы, размера и пространственного положения шва.

Рис. 55. Техника манипулирования электродом при наложении уширенных валиков с усиленным прогреванием: а – обеих кромок; б – одной кромки; в – середины шва

При сварке рабочий может располагаться сбоку от шва и вести электрод слева направо или находиться на оси шва, перемещая электрод на себя. Наплавив валик, следует заварить кратер на конце шва, чтобы не допустить образования трещины.

В случае использования толстопокрытых электродов надо следить за тем, чтобы расплавленный шлак распределялся на жидком металле равномерным слоем, причем он должен находиться позади сварочной дуги и не попадать на еще не расплавленный металл. При этом необходимо достаточно долго держать металл в жидком состоянии, чтобы шлак успел всплыть и раскислить металл.

По сравнению со сваркой тонкопокрытым электродом колебательные движения толстопокрытым электродом должны быть менее размашистыми, т. е. их ширина должна быть меньше. Валик, наплавленный им, бывает более плоским, поскольку слой шлака на поверхности наплавленного металла охлаждается и кристаллизуется медленнее.

Элементом сварочного процесса является прихватка, к которой прибегают при сборке свариваемых изделий и листов с целью их временной фиксации. Прихватку выполняют узким валиком теми же электродами, что и сварку, а ее длина не превышает нескольких сантиметров. Поверхность прихваток перед сваркой очищается, а при сварке их полностью расплавляют до основного металла, чтобы не допустить возникновения какого-либо дефекта (пористости, непровара и др.).

Техника дуговой сварки включает в себя различные способы выполнения стыковых, тавровых, угловых и нахлесточных соединений.

Стыковые соединения могут вариться только с одной или же с обеих сторон. Для предотвращения прожогов используют остающиеся или съемные подкладки. Материалом для первых служат стальные полосы толщиной 2–4 мм и шириной 30–40 мм, для вторых – медь, графит или керамика, поскольку они не плавятся во время сварки (дополнительно их охлаждают водой).

Сварка на подкладках позволяет сварщику работать, не боясь прожогов и натеков, дает возможность повышать величину сварочного тока на 20–30 % и не требует обратной подварки корневого шва.

При сварке стыковых соединений (рис. 56, 57) выполняют два и более слоев, что определяется такими факторами, как толщина листов (3–26 мм), диаметр электрода, наличие или отсутствие разделки кромок.

Рис. 56. Техника сварки стыкового соединения без разделки кромок при различном положении электрода: а – вертикальном; б – углом назад; в – углом вперед

Рис. 57. Техника сварки стыкового соединения с разделкой кромок: 1 – пластина; 2 – подкладка; 3 – электрод, расположенный углом вперед; 4 – электрод, расположенный вертикально; 5 – электрод, расположенный углом назад; 6 – корневой шов

Наиболее удобными в исполнении и поэтому более предпочтительными являются нижние швы, поскольку вследствие гравитации расплавленный металл электрода стекает в кратер и удерживается в пределах сварочной ванны, а газы и шлаки поднимаются к поверхности.

Стыковые швы без скоса кромок производят наплавлением валика вдоль шва, при этом имеет место небольшое уширение, чтобы обеспечить достаточное проплавление кромок.

У шва предусматривают усиление до 2 мм.

Проварив шов с одной стороны, изделие переворачивают, удаляют шлак и подтеки, а затем выполняют шов с обратной стороны.

Стыковые швы с V-образной разделкой кромок варят в один слой, если толщина металла составляет менее 8 мм, а при увеличении толщины свариваемых листов накладывают два и более слоев.

Первый слой высотой 3–5 мм выполняют электродом диаметром 3–4 мм, для остальных слоев его диаметр увеличивают до 4–5 мм. Перед тем как наварить очередной слой, предыдущий следует очистить от шлака и застывших капель металла. Это легко сделать металлической щеткой.

Когда вся разделка будет заполнена, изделие переворачивают, выбирают (например, пневматическим зубилом) неглубокую канавку (шириной 8–10 мм и глубиной 3–4 мм) в корневом шве и тщательно заваривают ее за один проход, придав шву небольшое усиление.

Если нет возможности изменить положение изделия, то необходимо особенно тщательно выполнить корневой шов.

Сварка стыковых швов с X-об разной разделкой кромок аналогична наложению многослойных швов с обеих сторон разделки.

Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки стыковых швов с различной разделкой кромок представлены в табл. 26.

При сварке угловых, тавровых и нахлесточных соединений (рис. 58) накладывают угловые швы.

Поскольку при угловых швах расплавленный металл стекает в горизонтальную плоскость, рекомендуется выполнять их в нижнем положении «в лодочку», при выборе режима которой можно воспользоваться табл. 27.

Таблица 26

Режимы ручной дуговой сварки стыковых швов, выбираемые в зависимости от разделки кромок

Рис. 58. Техника выполнения угловых, тавровых и нахлесточных соединений: а – в симметричную «лодочку»; б – в несимметричную «лодочку»; в – наклонным электродом; г – с оплавлением кромки

Таблица 27

Режимы сварки при наложении углового шва «в лодочку»

Но не всегда есть возможность зафиксировать деталь в соответствующем положении. По этой причине сварку ведут наклонным электродом. Однако если нижняя плоскость углового шва занимает горизонтальное положение, в этом случае не исключается непровар корня шва или какой-либо из кромок. Такой же дефект возникает на нижней поверхности, если возбуждать дугу и начинать работу на вертикальной плоскости.

Для недопущения этого при сварке углового шва необходимо возбуждать дугу на нижней кромке в точке А и, миновав разделку, переходить на вертикальную кромку, совершая электродом такие движения, как показано на рис. 59.

Рис. 59. Движения электрода при сварке углового шва

Угловые швы могут быть однослойными, если длина катета не превышает 8 мм, и многослойными многопроходными при его длине более 8 мм. Во втором случае сперва выполняют узкий ниточный валик, используя электрод диаметром 3–4 мм, благодаря чему достигается оптимальный провар корня.

При определении количества проходов в процессе сварки ориентируются на объем площади поперечного сечения металла шва, заполненный за один проход. Эта величина должна равняться 30–40 мм2, наплавленным за один проход.

При выборе режима ручной дуговой сварки угловых швов исходят из наличия одно– или двусторонних скосов либо из их отсутствия (табл. 28 и 29).

Таблица 28

Режимы ручной дуговой сварки при наложении угловых швов со скосом кромок 

Таблица 29

Режимы ручной дуговой сварки при наложении угловых швов без скоса кромок 

Сварка вертикальных швов является непростой задачей, так как под действием гравитации расплавленный металл старается покинуть сварочную ванну. Величина тока, поддерживаемого при выполнении таких швов, должна быть на 10–15 % меньше, чем при сварке нижних швов. Кроме того, дуга должна быть короткой. Наплавленные валики могут быть как узкими, так и широкими. Движения электрода при этом наглядно представлены на рис. 60 и 61.

Вертикальные швы накладывают двумя способами:

✓ снизу вверх (на подъем) (рис. 62). При этом дугу возбуждают в нижней точке соединения, а когда образуется сварочная ванна, перемещают слегка вверх и потом в сторону.

Дуга должна ориентироваться на основной металл. Благодаря такой методике расплавленный металл при отведенном электроде успевает затвердеть и образовать своеобразную полочку (площадку), которая при движении электрода вверх станет опорой для последующих капель расплавленного металла и не позволит им стекать вниз. Рекомендуемый угол, под которым следует наклонять электрод кверху, составляет 20–25°;

Рис. 60. Траектория перемещения наклонного электрода при наплавке узких валиков (цифры означают последовательность движений): а – под острым углом; б – лесенкой (с приближением и отведением электрода от поверхности металла); в – с обратноступенчатым перемещением электрода сначала на 3–4 его диаметра вверх и вдоль поверхности металла, а потом назад к сварочной ванне

Рис. 61. Траектория перемещения электрода при наплавке широких валиков: а – прямоугольная; б – криволинейная

✓ сверху вниз (на спуск) (рис. 63). В отличие от предыдущего способа в данном случае возбуждают в верхней точке шва, придавая электроду первоначально перпендикулярное положение, а после образования кратера – наклонное. Этот способ чаще всего применяют при сварке тонколистового металла и для выполнения первых слоев в тех случаях, когда имеется разделка кромок.

Рис. 62. Техника выполнения вертикального шва снизу вверх: а – возбуждение дуги; б – возникновение сварочной ванны; в – движение электрода на подъем

Для стыковых горизонтальных соединений требуется подготовка лишь верхней кромки, что значительно сокращает стекание жидкого металла.

Возбужденную на нижней горизонтальной кромке сварочную дугу перемещают на кромку со скосом.

При этом электрод держат вертикально или углом назад либо вперед.

Рис. 63. Техника выполнения вертикального шва сверху вниз: а – возбуждение дуги; б – возникновение сварочной ванны; в – движение электрода на спуск

Движения совершают в определенной последовательности, показанной на рис. 64.

Самыми трудными являются потолочные швы (рис. 65), при которых расплавленный металл стремится вытечь из сварочной ванны.

Рис. 64. Порядок наплавки слоев при сварке горизонтального шва

В связи с этим ее объем должен быть минимальным, дуга – максимально короткой, покрытие электрода – тугоплавким, дающим незначительное количество шлака, а величина сварочного тока должна быть на 15–20 % меньше по сравнению с током при выполнении нижних швов.

Рис. 65. Техника выполнения потолочного шва (стрелкой указана схема перемещения электрода)

Высокопроизводительные способы сварки

Для повышения производительности ручной дуговой сварки разработано несколько способов.

1. Один из них называется сваркой с глубоким проплавлением (благодаря такому методу производительность труда возрастает примерно на 50–70 %), в основу которого положено уменьшение объема наплавленного металла на единицу длины сварного шва. Чтобы добиться этого, применяют электрод с увеличенной толщиной покрытия. Поскольку его стержень расплавляется быстрее, чем покрытие, то последнее образует своеобразный «чехольчик», опираясь на который сварщик перемещает электрод вдоль шва, причем совершать колебательные движения не требуется. При сварке электрод надо наклонять к линии шва под углом в 70–80° (рис. 66).

В процессе сварки расплавленный металл под давлением газов стремится в сторону, противоположную движению электрода, и формирует валик шва.

Одновременно с этим основной металл открывается и оказывается под непосредственным воздействием сварочной дуги.

Для образования узкого шва необходимо увеличить нажим на электрод в направлении сварки, а для получения широкого шва – ослабить его.

Глубина проплавления основного металла возрастает за счет короткой дуги и значительной концентрации теплоты. При этом «чехольчик» препятствует разбрызгиванию металла и снижает его потери на угар. Сварочный ток повышают на 40–60 %, что тоже способствует увеличению глубины проплавления (с каждыми 50 А глубина провара увеличивается на 1 мм).

Рис. 66. Положение электрода при сварке с глубоким проплавлением (стрелкой указано направление сварки): 1 – шлак; 2 – металл шва; 3 – сварной шов; 4 – электрод; 5 – основной металл

2. Повышает производительность сварочных работ применение одновременно двух или нескольких электродов. Сдвоенный электрод образуют два стержня длиной 450 мм, изготовленные из электродной проволоки. Их складывают вместе и наносят общий слой покрытия, вес которого должен составлять 25 % от веса стержней. Приемы сварки не отличаются от тех, что ведутся одиночным электродом (это касается и сварочного тока, который может быть как постоянным, так и переменным). Основная разница заключаются в том, что:

✓ сдвоенный электрод держат так, чтобы оси его стер жней попадали в плоскость оси шва;

✓ электродержатель должен поддерживать контакт с обоими стержнями электрода;

✓ шов располагают под небольшим углом (5–10°);

✓ рабочий ведет сварку по направлению к себе и наклоняет электрод под углом в 60–70° к поверхности металла.

Сварка сдвоенными электродами обладает следующими преимуществами:

✓ позволяет работать при повышенном токе, благодаря чему объем наплавленного металла и производительность труда возрастают на 50–80 %;

✓ время полезного горения дуги увеличивается вдвое, поскольку можно сказать, что работа ведется электродом длиной 900 мм. Следовательно, время, отведенное на смену электрода, сокращается в 2 раза;

✓ снижаются потери металла (при сварке одиночным электродом они составляют 20–25 %, а при сдвоенном – 8–10 %);

✓ условия труда улучшаются, потому что при стабильном горении сварочной дуги электрод не перегревается, а жидкий металл меньше разбрызгивается;

✓ за один проход можно сварить металл толщиной до 12 мм.

Количество электродов можно увеличить. В этом случае сварку осуществляют пучком электродов, которые складывают и прихватывают в точке контакта с электродержателем, вследствие чего одновременно все электроды обеспечиваются током (хотя корневой шов следует накладывать одиночным электродом). Благодаря такой работе производительность сварки повышается примерно в 2 раза, а расход электроэнергии снижается приблизительно на 20–30 %.

Ориентировочные режимы работы увеличенным количеством электродов представлены в табл. 30.

Таблица 30

Режимы ручной дуговой сварки несколькими электродами 

3. В ряде случаев, в частности при выполнении швов со значительным объемом наплавленного металла (например, при заварке дефектов стального литья, наплавке и др.), применяют сварку трехфазной дугой (рис. 67).

Суть данного способа заключается в том, что к двум электродам и основному металлу подключается переменный ток одновременно от трех фаз источ ника тока (две фазы к электродержателю, одна – к основному металлу).

Это означает, что возбуждаются три сварочные дуги: две между электродами и металлом, а третья – между электродами.

Благодаря такому способу сварки увеличиваются количество выделяющейся теплоты, скорость плавления электродов и производительность труда (в 2–3 раза).

Рис. 67. Схема горения сварочных дуг при сварке трехфазной дугой: 1 – основной металл; 2, 6 – дуга между электродом и металлом;

3, 4 – электрод; 5 – дуга между электродами

В совокупности это означает, что за 1 час горения трехфазной дуги и при использовании электродов диаметром 6 мм количество наплавленного металла во время работы может составить 8 кг.

Понятно, что для такой сварки необходимы особые электроды (рис. 68).

Рис. 68. Конструктивная схема двухстержневого электрода для сварки трехфазной дугой:

1 – электрод; 2 – общее покрытие; 3 – зачищенный конец

Расстояние между электродами определяется диаметром стержня (табл. 31).

Таблица 31

Соотношение диаметра стержней электродов и расстояния между ними 

Трехфазной дугой выполняют стыковые и тавровые соединения в нижнем положении и под углом в 45°. Тавровое соединение предпочтительнее варить «в лодочку». Чтобы увеличить глубину провара и предотвратить пористость шва, необходимо, чтобы конец электрода касался основного металла кромкой козырька покрытия, появляющегося при плавлении. При сварке в нижнем положении величина сварочного тока составляет 200–220 и 280–320 А при диаметре электрода 5 и 6 мм соответственно.

Режимы сварки стыковых соединений наглядно представлены в табл. 32.

Таблица 32

Режимы сварки стыковых соединений трехфазной дугой 

4. Также повышает производительность сварка наклонным и лежачим электродами (рис. 69).

В первом случае электрод устанавливают в штангу с подвижной обоймой, в ней его наклонно фиксируют и подводят через нее ток. При плавлении он будет опускаться вниз, совершая параллельные самому себе движения и сохраняя угол наклона. Одновременно с ним по штанге будет скользить и обойма. Для возбуждения дуги используют вспомогательный, например угольный, электрод. При сварке электрод опирается на основной металл козырьком, который образует плавящееся покрытие, благодаря чему поддерживается стабильное горение дуги.

Чем больше угол наклона электрода относительно изделия, тем шире наплавленный валик. Для получения уширенного валика применяют не один электрод, а гребенку из 3–5 штук. Величину тока увеличивают на 50–70 % по сравнению с обычной ручной сваркой.

Рис. 69. Способы сварки: а – наклонным электродом: 1 – электрод; 2 – обойма; 3 – штанга; б – лежачим электродом: 1, 3 – электроды; 2 – разделка шва

Для электрода диаметром 6–10 мм угол наклона должен составлять 25–30° (при меньшем качество шва резко падает, а потери на разбрызгивание металла возрастают). Длина электрода составляет 1200 мм. Ток пропускают из расчета 40 А на 1 мм диаметра электрода.

Такой способ показал особую эффективность при выполнении коротких швов.

Во втором в разделку укладывают толстопокрытый электрод (1,5–3 мм). Дугу возбуждают вспомогательным электродом. Она горит под слоем покрытия и перемещается по длине электрода (которая составляет не более 1200 мм, чтобы не допускать перегрева) по мере того, как он плавится.

Если осуществляется многослойная сварка, то в шов можно заложить несколько электродов (рис. 70), причем каждый из них будет работать от отдельного источника питания.

Рис. 70. Многослойная сварка несколькими лежачими электродами: 1 – основной металл; 2 – электроды; 3 – медная накладка; 4 – бумага; 5 – стальная накладка; 6 – подкладка

Для сварки наклонными и лежачими электродами используют специальные электроды марок ОЗС-12, ОЗС-17 Н, ОЗС-15 Н и диаметром 4, 5 и 6 мм.

Сварка различных материалов

В промышленности применяют различные металлы и сплавы, поэтому использование сварки при выполнении их соединений не является редкостью. Очень важно иметь представление о том, как правильно это делать. Далее будут рассмотрены особенности дуговой сварки различных материалов.

1. Сварка алюминиевых сплавов. В зависимости от состава алюминиевые сплавы имеют различную свариваемость. Например, дюралюминий (сплав алюминия с медью) отличается плохой свариваемостью, поэтому его соединяют не сваркой, а клепкой; силумины (сплавы алюминия с кремнием), напротив, варятся довольно хорошо.

При соединении алюминия используют сварку плавлением и давлением, способы сварки: ручная и механизированная в среде аргона плавящимся (при автоматической и полуавтоматической сварке) и неплавящимся (при ручной дуговой) электродами, а также покрытыми электродами (при толщине изделия более 5 мм).

Режим полуавтоматической сварки плавящимся электродом в среде аргона для металла толщиной 3 мм:

✓ диаметр электрода – 0,8 мм;

✓ величина сварочного тока – 120–145 А;

✓ скорость сварки – 30 м/ч;

✓ скорость подачи проволоки – 900 м/ч;

✓ расход газа – 15–17 л/мин.

Режимы автоматической сварки неплавящимся электродом представлены в табл. 33.

Основная проблема при сварке алюминия – наличие тугоплавкой оксидной пленки (температура плавления – 2050 °C). Поэтому данный материал требует специальной подготовки, т. е. обезжиривания (бензином или ацетоном), удаления с поверхности оксидной пленки (химическим или механическим способом) и применения присадок, которая должна быть завершена за 2–4 часа до проведения основных работ.

Таблица 33

Примерные режимы автоматической сварки алюминия и его сплавов вольфрамовым неплавящимся электродом

Для сварки алюминия и сплавов рекомендуется постоянный ток прямой полярности.

Материал нуждается в предварительном подогреве до 300–400 °C в зависимости от толщины. Она же определяет и необходимость разделки кромок. Если толщина металла больше 2 мм, тогда детали сваривают с разделкой кромок и зазором, составляющим половину толщины металла; если толщина равна 1–2 мм, то изделие сваривают без разделки и применения присадок.

Скорость сварки алюминия должна превышать скорость сварки стали.

При сварке в среде аргона на переменном токе подбирают вольфрамовые электроды диаметром 5–6 мм при толщине изделия до 5 мм. Угол между присадочной проволокой, подаваемой возвратно-поступательными движениями, и электродом должен сохраняться прямым.

2. Сварка меди и ее сплавов сопряжена с определенными трудностями, поскольку этот металл имеет высокую теплопроводность и при расплавлении подвержен сильному окислению.

Для меди и ее сплавов применяют практически любые виды и способы сварки. В нижнем положении используют дуговую сварку угольным либо металлическим плавящимся или неплавящимся электродом.

Медные пластины толщиной до 15 мм сваривают угольными электродами, а если она превышает 15 мм – графитовыми. Для сварки рекомендуется следующее:

✓ постоянный ток прямой полярности и применение длинной дуги;

✓ постоянный ток обратной полярности и короткую сварочную дугу при применении покрытых электродов (характер движений – возвратно-поступательный);

✓ положение электрода к изделию – под углом в 90°. При сварке присадочную проволоку (наилучшей считается проволока с раскислителем, которую может заменить флюс, состоящий из 95 % буры и 5 % металлического магния) не вводят в сварочную ванну, а придерживают под углом в 30° к поверхности изделия. Высокой производительностью отличаются электроды марок АНЦ-1 и АНЦ-2;

✓ использование асбестовых или графитовых подкладок;

✓ односторонняя сварка стыковых соединений в один проход;

✓ прогрев медных листов толщиной более 5 мм до 300 °C, односторонняя разделка кромок под углом в 70°. При толщине листов до 5 мм ни прогрев, ни разделка кромок не требуются.

Режимы сварки меди и ее сплавов наглядно представлены в табл. 34.

Таблица 34

Примерные режимы сварки меди и ее сплавов 

3. К сварке бронзы прибегают в случае необходимости исправить дефектные отливки, при ремонте изделий из нее и для наплавки. Для этого используют угольные и металлические электроды, а в среде аргона – вольфрамовые. Технология сварки бронзы аналогична работе с медью (ток постоянный обратной полярности). Но есть некоторые особенности, которые следует иметь в виду:

✓ вести процесс нужно быстро, чтобы ограничить нагревание основного металла и величину сварочной ванны, ускорить охлаждение и кристаллизацию;

✓ следует применять присадочные прутки из фосфористой бронзы;

✓ подогревать металл при сварке и использовать флюсы необязательно.

4. Сварка чугуна призвана устранить дефекты, образовавшиеся в отливках и промышленных конструкциях. В соответствии с температурой предварительного подогрева сварка чугуна бывает:

1) холодной, которая предполагает ряд операций, а именно: очистку, разделку кромок, сварку и проковку. Для сварки подбирают определенные марки электродов:

✓ медно-никелевые (МНЧ-2), дающие наплавленный металл, поддающийся обработке. При их применении необходимо избегать перегрева изделия, поэтому его время от времени охлаждают. После сварки валики проковывают легким слесарным молотком;

✓ никелевые (ОЗЧ-3), которыми можно устранять небольшие дефекты на чугунном литье. Чтобы не допустить образования трещин в зоне сварного шва, изделие подвергают проковке;

✓ медно-железные (ОЗЧ-2), сфера применения которых совпадает с описанной в предыдущем пункте;

✓ железоникелевые (ОЗЖН-1), которые дают шов высокой прочности, наложенный на поверхность чугунного изделия;

✓ стальные (УОНИ-13/45) с легирующим покрытием, перед применением которых требуется разделать кромки изделия. При сварке шов накладывают отдельными участками длиной примерно 100 мм. После этого остуженное изделие проковывают;

2) горячей, в которую входят предварительная обработка, формовка, доведение температуры изделия до 600–800 °C, сварка и охлаждение. Очищенное от загрязнений изделие формуют, т. е. на дефектном участке разделывают полость для удобства манипулирования электродом, предотвращения вытекания расплавленного металла из сварочной ванны и сообщения наплавке надлежащей формы.

Для формовки используют графитовые пластинки и формовочную массу (смесь кварцевого песка с жидким стеклом).

Подогрев, который необходим для снижения скорости охлаждения и повышения пластических свойств соединения, осуществляют посредством индукционного тока или помещают изделие, если его габариты позволяют, в нагревательную печь.

Для горячей сварки подходят электроды марок ЭЧ-1, ЦЧ-5 и ЭЧ-2 диаметром 8, 10, 12 и 16 мм, рассчитанные на работу при величине тока 600–800, 700–800, 1000–1200 и 1500–1800 А соответственно. Ручную дуговую сварку ведут угольными электродами диаметром 8–18 мм на постоянном токе прямой полярности (280–600 А).

Горячая сварка чугуна отличается большей трудоемкостью, чем холодная.

При объемной сварочной ванне жидкий металл следует перемешивать концом присадочного прутка. Для защиты и раскисления металла применяют флюсы.

5. В основу классификации сталей могут быть положены различные признаки, например:

✓ по химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные;

✓ по назначению – на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами;

✓ по способу производства – на конвекторные, мартеновские и электросталь и т. д.

В состав углеродистых сталей входят 0,1–0,7 % углерода, марганец, кремний, примеси серы и фосфора. Для каждой марки стали разработаны стандарты – ГОСТ 380–71 (обыкновенного качества), ГОСТ 1050–74 (качественная сталь), ГОСТ 5521–76 (для судостроения) и др.

Легированные стали имеют в своем составе элементы, введенные с целью придания материалу тех или иных свойств. По содержанию легирующих элементов стали делятся на низко– (до 2,5 %), средне– (2,5–10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По свариваемости выделяются четыре группы сталей:

✓ хорошо свариваемые стали. Сюда входят низкоуглеродистые стали (содержание углерода – 0,23 %), например ВСт3 сп5, СтТсп; низколегированные низкоуглеродистые стали (содержание углерода – 0,15 %), например 10 Г2 С, 12 Г2 СМФ и др. Они свариваются без каких-либо ограничений (по толщине металла, температуре окружающего воздуха, жесткости изделия и проч.). Диапазон режимов довольно широкий;

✓ удовлетворительно свариваемые. Это стали с содержанием углерода 0,22–0,3 %, например Ст4, Ст25 и др.; низколегированные низкоуглеродистые стали (содержание углерода – 0,14–0,22 %), например 15 ХСНД, 16 Г2 АФ и др. Такие материалы свариваются с некоторыми ограничениями, в частности толщина металла не должна превышать 20 мм, температура воздуха должна быть не ниже –5 °C, а режим сварки следует тщательно подбирать;

✓ ограниченно свариваемые. Эту группу составляют углеродистые стали с содержанием углерода 0,3–0,4 %, например Ст5; низколегированные среднеуглеродистые стали (содержание углерода – 0,22–0,3 %), например 18 Г2 АФ, 20 ХГСА и др. Для сварки требуется подогрев (сопутствующий или предшествующий);

✓ плохо свариваемые. К ним относятся теплоустойчивые стали, например 15 ХМ, 20 ХМФЛ и др., среднелегированные среднеуглеродистые стали типа 30 ХГСА и перлитные высоколегированные стали.

Сварка этих материалов как правило возможна при наличии подогрева и термической обработки сваренного изделия.

Примерные режимы сварки конструкционных сталей представлены в табл. 35.

Для сварки низкоуглеродистых сталей используют электроды марок УОНИ-13/45, ОММ-5, КПЗ-32 Р, ЦМ-7 и др.

А для среднеуглеродистых сталей подходят электроды марок К-5 А, УОНИ-13/65, УП-2/45 и др.

Таблица 35

Режимы дуговой сварки конструкционных сталей

Технология сварки в защитных газах

Дуговая сварка в среде защитных газов получает все большее распространение, поскольку отличается рядом технологических достоинств:

✓ обеспечивает высокую производительность труда и степень концентрации тепла источника питания, поэтому можно существенно уменьшить зону термического воздействия;

✓ дает возможность соединять металлы без использования электродных покрытий и флюсов, т. е. исключает такую стадию сварки, как очистка швов от шлака;

✓ позволяет автоматизировать и механизировать процесс сваривания и вести его в разных пространственных положениях;

✓ применяется при работе как со сталями, так и с цветными металлами и их сплавами.

Сварка в среде защитных газов является общим названием различных видов дуговой сварки, в процессе которой в зону горения сварочной дуги через сопло горелки подают струю газа. Это могут быть инертные газы (аргон, гелий), активные газы (углекислый газ, азот, кислород, водород) и их смеси, в частности:

✓ аргон, углекислый газ и кислород. Эта смесь используется при сварке сталей плавящимся электродом, минимизирует потери металла на разбрызгивание, стабилизирует горение сварочной дуги, устраняет пористость и дает шов хорошего качества;

✓ аргон и кислород, применяющиеся для сварки низко углеродистых и легированных сталей. При сварке капельный перенос металла сменяется струйным, благодаря чему производительность возрастает, а потери на разбрызгивание металла сокращаются;

✓ аргон и углекислый газ. Область применения данной смеси такая же, как и у предыдущей. Ее использование препятствует образованию газовых пор в шве, стабилизирует горение дуги и способствует формированию качественного сварного шва.

В стальных баллонах может содержаться как чистый газ (для контроля его расхода предназначен специальный прибор – ротаметр, а подача регулируется отдельным редуктором), так и их смеси.

Классификация сварки в среде защитных газов основывается на следующих признаках:

✓ по применяемому в процессе работы газу (активному или инертному);

✓ по способу защиты (отдельным газом или смесью);

✓ по используемому электроду (плавящемуся или неплавящемуся);

✓ по характеру сварочного тока (постоянному или переменному). Наибольшее распространение в последнее время получила сварка плавящимся и неплавящимся электродами в среде инертных газов.

Сварка неплавящимся электродом представляет собой процесс, в котором источником тепла служит дуга, зажигаемая между вольфрамовым или угольным электродом и металлом изделия (рис. 71).

Наибольшего проплавления свариваемого металла добиваются при использовании постоянного тока прямой полярности. При этом источники питания должны обладать крутопадающей вольт-амперной характеристикой, например ВДУ-601, ВСВУ-300 и др. Для сварки на переменном токе применяют стабилизатор горения дуги ВСД-01. Сварочный процесс ведут как с присадками, так и без них.

Рис. 71. Схема горения сварочной дуги в среде инертных газов: 1 – электрод; 2 – присадочная проволока; 3 – свариваемый металл; 4 – шов; 5 – дуга; 6 – струя газа; 7 – горелка; 8 – воздух

Помимо источника питания, к оборудованию, необходимому для сварки на постоянном токе, относятся:

✓ сварочные горелки (табл. 36);

✓ устройство для первоначального возбуждения дуги (ОСППЗ-300 М, ОСПЗ-2 М и др.). Необходимость в нем объясняется тем, что защитные газы, поступившие в зону горения сварочной дуги, снижают температуру дугового промежутка, вследствие чего возбуждение дуги затрудняется;

✓ аппаратура для управления сварочным циклом.

Таблица 36

Технические характеристики некоторых типов сварочных горелок 

Дуговая сварке в среде аргона обеспечивает высококачественный шов (особенно при соединении высоколегированных тонколистовых сталей), поскольку надежно защищает рабочую зону от воздействия атмосферного воздуха. Для сварки стали толщиной до 1 мм используют ток прямой полярности, при толщине до 3 мм – обратной полярности (варить сталь толщиной более 3 мм экономически невыгодно).

Режимы, на которые можно ориентироваться при сварке, приведены в табл. 37.

При сварке плавящимся электродом дуга возбуждается между концом проволоки, которую подают в зону горения дуги с помощью особого механизма со скоростью, совпадающей со скоростью ее расплавления, и свариваемым металлом.

Жидкий металл электродной проволоки поступает в сварочную ванну и формирует шов.

Если применяется плавящийся электрод, сварку ведут короткой или длинной дугой.

Таблица 37

Примерные режимы аргонодуговой сварки нержавеющей стали 

В первом случае расплавленный электродный металл переносится мелкокапельным способом, что позволяет снизить величину сварочного тока, уменьшить потери при разбрызгивании, обеспечить стабильный сварочный процесс. Во втором случае возможны разные способы переноса расплавленного металла – мелко-, крупнокапельный, струйный. При этом достаточно сложно поддерживать струйный перенос металла при работе в аргоне или его смеси с гелием. Стабильность сварки возрастает при добавлении к аргону 5 % кислорода либо 20 % углекислого газа.

Сварка в углекислом газе производится в любых пространственных положениях (рис. 72) и используется для углеродистых и легированных сталей. Преимуществами данного способа являются высокая производительность, широкий диапазон допустимой толщины материала и экономичность. Но на открытом воздухе сварку в среде углекислого газа практически не применяют, поскольку в таких условиях трудно обеспечить защиту сварочной ванны.

Рис. 72. Схема дуговой сварки в среде углекислого газа (А – вылет электродной проволоки):

1 – электродная проволока; 2 – струя защитного газа; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – сопло; 5 – подающий механизм

Сварку в углекислом газе ведут разными способами – автоматическим, полуавтоматическим или плавящимся электродом. Ниже приведены ее параметры:

1. Величина, род и полярность тока. Сварку осуществляют при постоянном токе (переменный не подходит, поскольку он не обеспечивает стабильность горения дуги и дает плохой сварной шов) обратной полярности, чтобы избежать возникновения пористости, характерной для сварки при прямой полярности. Источник питания должен иметь жесткую или возрастающую внешнюю характеристику. Величина сварочного тока и диаметр электродной проволоки определяются толщиной металла и пространственным положением шва. От величины тока зависят глубина проплавления и производительность сварки. Для регуляции этого параметра изменяют скорость подачи электродной проволоки.

2. Напряжение на дуге. При повышении напряжения наблюдается уширение сварного шва, а качество его формирования улучшается. Но одновременно с этим возрастают потери кремния и марганца, разбрызгивание расплавленного металла и чувствительность дуги к магнитному дутью. С понижением напряжения сварной шов формируется хуже. Поэтому важно соблюсти баланс между напряжением и величиной тока, диаметром и составом электродной проволоки. Как правило, напряжение на дуге не превышает 22–28 В.

3. Диаметр, наклон, скорость подачи и вылет электродной проволоки. Для сварки применяют проволоку Св-08 Г2 С, в состав которой входят марганец и кремний, играющие роль раскислителей. Они препятствуют образованию газовых пор. Для полуавтоматической сварки подбирают проволоку диаметром 0,8, 1, 1,2, 1,6 или 2 мм, а для автоматической – 3 мм. Для различных видов стали используют сварочную проволоку разных марок:

✓ для углеродистых и низколегированных – Св-08 ГС и Св-08 Г2С, рассчитанных на величину тока 300–400 и 600–750 А соответственно;

✓ для низколегированных повышенной прочности – Св-10 ХГ2 С;

✓ для теплоустойчивых сталей типа 20 ХМФ – Св-08 ХГСМФ и т. д.

Вылет сварочной проволоки в зависимости от величины сварочного тока может варьироваться в пределах 7–14 мм при токе 60–150 А и 15–25 мм при токе 200–500 А.

4. Расход углекислого газа (7– 20 л/мин).

5. Скорость сварки (20–80 м/ч). Примерные режимы для сварки в углекислом газе представлены в табл. 38, причем скорость подачи проволоки определяется методом подбора под соответствующий режим.

Таблица 38

Режимы дуговой сварки в среде углекислого газа 

В процессе сварки не следует задерживать горелку в зоне сварочной ванны, чтобы не усилить разбрызгивание металла.

При выполнении нижних швов горелку нужно держать под углом в 5–15° вперед либо назад (второй вариант предпочтительнее, поскольку при этом надежнее защищается металл сварочной ванны).

При механизированной сварке тонколистового металла (1–2 мм) совершение колебательных движений не требуется, а горелку рекомендуется держать под углом в 30–45° (углом назад).

Стыковые соединения металла толщиной 1,5–3 мм выполняют на весу. Более тонкий металл варят в вертикальном положении сверху вниз и ограничиваются только одним проходом.

Нахлесточные соединения при толщине металла 0,8–2 мм обычно варят на весу, иногда на медной подкладке.

Скорость сварки может быть увеличена при условии качественной сборки.

При сварке меди зону сварочной дуги защищают азотом.

Азотно-дуговую сварку ведут угольными или графитными стержнями, поскольку применение вольфрамовых стержней экономически невыгодно (на их поверхности образуются легкоплавкие соединения (нитриды вольфрама), что приводит к увеличению расхода вольфрама), при постоянном токе прямой полярности.

Диаметр угольного электрода составляет 6–8 мм при величине тока 150–500 АВ; расход азота – 3–10 л/ мин; напряжение на дуге – 22–30 В.

Для фиксации стержней горелка должна быть оснащена сменными наконечниками.

Технология дуговой резки

Разработано и используется несколько способов резки металлов (стали, чугуна, цветных металлов) электрической дугой.

1. Дуговая резка металлов осуществляется с помощью:

1) металлического плавящегося электрода. Этот способ состоит в том, что металл расплавляют с помощью более высокой величины тока (на 30–40 % больше, чем при дуговой сварке).

Электрическую дугу возбуждают на верхней кромке у начала реза и постепенно перемещают ее вниз вдоль кромки (рис. 73).

Капли жидкого металла выталкивают козырьком электродного покрытия. Кроме того, он изолирует электрод, препятствуя его замыканию на металл.

Рис. 73. Схема резки металлическим плавящимся электродом

Резка таким способом обладает рядом недостатков, в частности имеет низкую производительность и дает некачественный рез. Режимы, при которых проводят резку, представлены в табл. 39;

Таблица 39

Примерные режимы резки металла плавящимся электродом 

2) угольного электрода. Этот способ используют при резке чугуна, цветных металлов и стали тогда, когда нет необходимости строго соблюдать все размеры, а качество и ширина реза не играют никакой роли. При этом разделку проводят, выплавляя металл вдоль линии раздела. Резку ведут при постоянном или переменном токе сверху вниз, располагая оплавляемую поверхность под небольшим углом к горизонтальной плоскости, чтобы облегчить вытекание жидкого металла. Режимы резки представлены в табл. 40.

3) неплавящегося вольфрамового электрода в среде аргона. Этот способ резки используется редко, в основном при работе с легированными сталями и цветными металлами. Его суть заключается в том, что на электрод подают ток, величина которого превышает таковую при сварке на 20–30 %, и насквозь проплавляют металл.

Таблица 40

Примерные режимы резки стали угольным электродом 

2. Кислородно-дуговая резка (рис. 74). В данном случае металл расплавляют электрической дугой, которую возбуждают между изделием и стержневым электродом из низко углеродистой или нержавеющей стали (наружный диаметр – 5–7 мм, внутренний – 1–3,5 мм), после чего он сгорает в струе кислорода, подаваемого из отверстия трубки и окисляющего металл, и выдувается. Кислородно-дуговую резку применяют в основном при подводных работах.

Рис. 74. Схема оборудования поста для кислородно-дуговой резки: 1 – источник питания (трансформатор); 2 – регулятор; 3 – рубильник; 4 – кабель; 5 – электродержатель; 6 – электрод; 7 – резак РГД-1–56; 8 – кислородный шланг; 9 – кислородный баллон; 10 – редуктор

3. При воздушно-дуговой резке (рис. 75) металл расплавляют электрической дугой, возбуждаемой между изделием и угольным электродом (пластинчатым или круглым), и удаляют струей сжатого воздуха.

Рис. 75. Схема осуществления воздушно-дуговой резки: 1 – резак; 2 – струя воздуха; 3 – канавка; 4 – электрод

Процесс резки проводят при использовании постоянного тока обратной полярности (при прямой полярности зона нагрева более широкая, что создает трудности при удалении металла) или переменного тока.

Величину тока определяют по формуле:

I = K·d,

где I – ток;

K – коэффициент 46–48 и 60–62 А/мм для угольных и графитовых электродов соответственно;

d – диаметр электрода.

Для этого способа применяют особые резаки, которые бывают двух типов и поэтому предполагают разные режимы резки:

✓ резаки с последовательным расположением струи воздуха;

✓ резаки с кольцевым расположением струи воздуха.

Воздушно-дуговая резка подразделяется на два типа, которым соответствуют разные режимы (табл. 41 и 42):

✓ поверхностная строжка, используемая для разделки образовавшихся в металле или сварном шве дефектов, подрубки корневого шва и снятия фасок;

✓ разделительная резка, применяемая при обработке нержавеющей стали и цветных металлов.

Таблица 41

Примерные режимы поверхностной воздушно-дуговой резки 

Таблица 42

Примерные режимы разделительной воздушно-дуговой резки 

4. Плазменно-дуговая резка, суть которой заключается в том, что металл проплавляется мощным дуговым разрядом, сконцентрированным на небольшом участке поверхности разрезаемого металла, и удаляется из зоны реза высокоскоростной газовой струей. Холодный газ, проникающий в горелку, обтекает вольфрамовый электрод и в зоне разряда превращается в плазму, которая затем истекает через небольшое отверстие в медном сопле в виде яркосветящейся струи с высокой скоростью и температурой, доходящей до 30 000 °C (или больше). Принципиальная схема плазменно-дуговой резки показана на рис. 76.

Плазменная резка может осуществляться независимой или зависимой дугой. В таком случае говорят о плазменной дуге прямого или косвенного действия.

Режимы резки, на которые можно ориентироваться, наглядно представлены в табл. 43.

Рис. 76. Схема процесса плазменно-дуговой резки: 1 – электрод; 2 – водоохлаждемое сопло; 3 – наружное сопло; 4 – струя плазмы; 5 – металл; 6 – изоляционная шайба; 7 – балластное сопротивление; 8 – источник питания

5. Дуговая резка под водой. В жидкой среде, например в воде, можно создать мощный дуговой разряд, который, обладая высокой температурой и значительной удельной тепловой мощностью, сможет испарять и диссоциировать жидкость. Дуговой разряд сопровождает образование паров и газов, которые заключат сварочную дугу в газовую оболочку, т. е. фактически дуга будет находиться в газовой среде.

Таблица 43

Примерные режимы плазменно-дуговой резки двух видов материала 

Стабильную сварочную дугу от стандартных источников питания дадут угольные и металлические электроды.

Для осуществления резки под водой на них должно быть нанесено толстое водонепроницаемое (пропитанное парафином) покрытие, которое, охлаждаясь снаружи водой, будет плавиться медленнее, чем стержень электрода. В результате этого на его конце образуется небольшой чашеобразный козырек, благодаря которому будет обеспечиваться устойчивость газовой оболочки и горения дуги.

Величина тока выставляется из расчета 60–70 А на 1 мм диаметра электрода.

Описанный способ резки применяют при ремонте судов и т. п.

Техника безопасности при дуговой сварке и резке

Сварочные работы сопряжены с определенными факторами, которые могут быть опасными для здоровья человека.

К ним относятся:

✓ поражение электрическим током;

✓ отравление токсичными газами и пылью;

✓ ожоги расплавленным металлом, который разбрызгивается при сварке;

✓ поражение глаз и незащищенной поверхности кожи лучами сварочной дуги;

✓ ушибы и порезы, которые возможны при подготовке изделия под сварку;

✓ взрывы находящихся под давлением сосудов или взрывоопасных веществ;

✓ пожар. Чтобы обезопасить свое здоровье, необходимо:

1) скрупулезно выполнять инструкции по обращению со сварочным оборудованием (об ознакомлении с ними в условиях производства надо расписаться в соответствующем журнале);

2) следует знать порядок включения и выключения питающей сети высокого напряжения, проверять заземление и сопротивление изоляции коммутационных проводов и электродержателей (на производстве такой контроль осуществляется ежегодно, о чем составляются соответствующие акты);

3) работать только в специальной одежде, надевать рукавицы, в подошве не должно быть металлических гвоздей, набоек и проч.;

4) ухаживать за оборудованием и следить за его исправностью. Это означает, что рабочий день должен начинаться с ряда определенных мероприятий, а именно:

✓ с проверки наличия заземления;

✓ с очищения источника питания перед включением от пыли, огарков электродов и проч. Если при его включении замечены неисправности, нужно отключить источник и предпринять меры по их устранению (на производстве следует поставить об этом в известность мастера);

✓ с проверки надежности изоляции проводов, их стыков. Если потребуется, надо заменить изоляцию, затянуть крепление и т. д. Ремонтировать оборудование должен профессиональный электрик;

5) по окончании работы положить электродержатель таким образом, чтобы контакт с токоведущими частями сварочного поста был исключен;

6) при сварке внутри сосудов иметь резиновый коврик и двенадцативольтовую лампу;

7) не работать во время дождя или снегопада при отсутствии укрытия.

При осуществлении сварочных работ запрещается:

✓ использовать дефектные сварочные щитки и маски;

✓ работать с треснувшими и сильно потертыми светофильтрами;

✓ производить сварку при нефункционирующей или неисправной вентиляции.

В процессе плазменно-дуговой резки надо соблюдать правила эксплуатации электроустановок.

Напряжение холос того хода при ручной резке составляет 180 В, при машинной – 500 В.

Кроме того, процесс резки сопровождается различными негативными факторами:

✓ повышенным шумом до 110–115 дБ, (необходимо применять средства для защиты слуха);

✓ интенсивным излучением (надо пользоваться щитками и очками со светофильтрами типа В-2, В-3);

✓ образованием вредных газов и паров (все работы должны проводиться при общей и местной вентиляции).

Сварные швы и соединения

Неразъемное соединение, которое было выполнено с помощью сварки, называется сварным. Оно состоит из нескольких зон (рис. 77):

✓ сварного шва;

✓ сплавления;

Рис. 77. Зоны сварного соединения: 1 – сварного шва; 2 – сплавления; 3 – термического влияния; 4 – основного металла

✓ термического влияния;

✓ основного металла.

По протяженности сварные соединения бывают:

✓ короткими (250–300 мм);

✓ средними (300–1000 мм);

✓ длинными (более 1000 мм). В зависимости от длины сварного шва выбирают и способ его выполнения. При коротких соединениях шов ведут в одном направлении от начала к концу; для средних участков характерно наложение шва отдельными участками, причем его длина должна быть такой, чтобы для его завершения хватило целого числа электродов (два, три); длинные соединения сваривают обратноступенчатым способом, о котором говорилось выше.

По типу сварные соединения (рис. 78) подразделяются на:

1. Стыковые. Это наиболее часто встречающиеся соединения при различных способах сварки. Им отдают предпочтение, потому что они характеризуются наименьшими собственными напряжениями и деформациями. Как правило, стыковыми соединениями сваривают конструкции из листового металла.

Рис. 78. Виды сварных соединений: а – стыковые; б – тавровые; в – угловые; г – нахлесточные

Рис. 78 (окончание). д – прорезные; е – торцовые; ж – с накладками; 1–3 – основной металл; 2 – накладка: 3 – электрозаклепки; з – с электрозаклепками

Основными достоинствами данного соединения, рассчитывать на которые можно при условии тщательной подготовки и подгонки кромок (благодаря притуплению последних предотвращаются прожог и протекание металла в процессе сварки, а соблюдение их параллельности обеспечивает ка чественный равномерный шов), являются следующие:

✓ минимальный расход основного и наплавленного металла;

✓ наименьший временной промежуток, необходимый для сварки;

✓ выполненное соединение может по своей прочности не уступать основному металлу.

В зависимости от толщины металла кромки при дуговой сварке могут быть обрезаны под разными углами к поверхности:

✓ под прямым углом, если соединяют стальные листы толщиной 4–8 мм. При этом между ними оставляют зазор в 1–2 мм, что облегчает проваривание нижней частей кромок;

✓ под прямым углом, если соединяют металл толщиной до 3 и до 8 мм при одно– или двусторонней сварке соответственно;

✓ с односторонним скосом кромок (V-об разно), если толщина металла составляет от 4 до 26 мм;

✓ с двусторонним скосом (X-образно), если листы имеют толщину 12–40 мм, причем этот способ более экономичен, чем предыдущий, поскольку количество наплавленного металла уменьшается практически в 2 раза. Это означает экономию электродов и электроэнергии. Кроме того, для двустороннего скоса в меньшей степени характерны деформации и напряжения при сварке;

✓ угол скоса можно уменьшить с 60° довести до 45°, если сваривать листы толщиной более 20 мм, что снизит объем наплавленного металла и сэкономит электроды. Наличие зазора в 4 мм между кромками обеспечит необходимый провар металла.

При сварке металла разной толщины кромку более толстого материала скашивают сильнее. При значительной толщине соединяемых дуговой сваркой деталей или листов применяют чашеобразную подготовку кромок, причем при толщине 20–50 мм проводят одностороннюю подготовку, а при толщине более 50 мм – двустороннюю.

Сказанное выше наглядно показано в табл. 44.

2. Нахлесточные, чаще всего используемые при дуговой сварке конструкций, толщина металла которых составляет 10–12 мм. От предыдущего соединения данный вариант отличает отсутствие необходимости специальным образом подготавливать кромки – достаточно просто обрезать их. Хотя сборка и подготовка металла под нахлесточное соединение не столь обременительны, следует учесть, что расход основного и наплавленного металла увеличивается по сравнению со стыковыми соединениями. Для надежности и избегания коррозии вследствие попадания влаги между листами такие соединения проваривают с обеих сторон. Есть виды сварки, где применяют исключительно данный вариант, в частности при точечной контактной и роликовой.

3. Тавровые, широко распространенные при дуговой сварке. Для них кромки скашивают с одной или обеих сторон либо вообще обходятся без скоса. Особые требования предъявляются только к подготовке вертикального листа, который должен иметь равно обрезанную кромку. При одно– и двусторонних скосах кромки вертикального листа предусматривают зазор в 2–3 мм между вертикальной и горизонтальной плоскостями, чтобы проварить вертикальный лист на всю толщину. Односторонний скос выполняют в том случае, когда конструкция изделия такова, что невозможно проварить ее с обеих сторон.

Таблица 44

Выбор стыкового соединения в зависимости от толщины металла

5. Прорезные, к которым прибегают в тех случаях, когда нахлесточный шов нормальной длины не дает необходимой прочности. Такие соединения бывают двух типов – открытые и закрытые. Прорезь проделывают с помощью кислородной резки.

6. Торцовые (боковые), при которых листы накладывают один на другой и сваривают по торцам.

7. С накладками. Для выполнения такого соединения листы состыковывают и перекрывают стык накладкой, что, естественно, влечет за собой дополнительный расход металла. Поэтому данный способ используют в том случае, когда выполнить стыковой или нахлесточный шов не представляется возможным.

8. С электрозаклепками. Данное соединение является прочным, но недостаточно плотным. Для него верхний лист просверливают и заваривают полученное отверстие таким образом, чтобы захватить и нижний лист.

Если металл не слишком толстый, то просверливания и не требуется. Например, при автоматической сварке под флюсом верхний лист просто проплавляется сварочной дугой.

Конструктивный элемент сварного соединения, который при его выполнении образуется вследствие кристаллизации расплавленного металла по линии перемещения источника нагрева, называется сварным швом. Элементами его геометрической формы (рис. 79) являются:

✓ ширина (b);

✓ высота (h);

✓ величина катета (K) для угловых, нахлесточных и тавровых соединений.

Классификация сварных швов основывается на различных признаках, которые представлены ниже.

Рис. 79. Элементы геометрической формы сварного шва (ширина, высота, величина катета)

1. По типу соединения:

✓ стыковые;

✓ угловые (рис. 80).

Рис. 80. Угловой шов

Угловые швы практикуют при некоторых видах сварных соединений, в частности при нахлесточных, стыковых, угловых и с накладками.

Стороны такого шва называются катетами (k), зона ABCD на рис. 80 показывает степень выпуклости шва и не принимается во внимание при расчете прочности сварного соединения. При его выполнении необходимо, чтобы катеты были равны, а угол между сторонами OD и BD составлял 45°.

2. По виду сварки:

✓ швы дуговой сварки;

✓ швы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом;

✓ швы дуговой сварки в среде защитных газов;

✓ швы электрошлаковой сварки;

✓ швы контактной сварки;

✓ швы газовой сварки.

3. По пространственному положению (рис. 81), в котором выполняется сварка:

Рис. 81. Сварные швы в зависимости от их пространственного положения: а – нижний; б – горизонтальный; в – вертикальный; г – потолочный

✓ нижние;

✓ горизонтальные;

✓ вертикальные;

✓ потолочные.

Проще всего выполняется нижний шов, труднее всего – потолочный.

В последнем случае сварщики проходят специальное обучение, причем потолочный шов легче сделать газовой сваркой, чем дуговой.

4. По протяженности:

✓ непрерывные;

✓ прерывистые (рис. 82).

Рис. 82. Прерывистый сварной шов

Прерывистые швы практикуют достаточно широко, особенно в тех случаях, когда нет необходимости (расчет на прочность не предполагает выполнения сплошного шва) плотно соединять изделия.

Длина (l) соединяемых участков составляет 50–150 мм, промежуток между ними приблизительно в 1,5–2,5 раза превосходит зону сваривания, а вместе они образуют шаг шва (t).

5. По степени выпуклости, т. е. форме наружной поверхности (рис. 83):

✓ нормальные;

✓ выпуклые;

✓ вогнутые.

Тип используемого электрода определяет выпуклость шва (a‘). Наибольшая выпуклость характерна для тонкопокрытых электродов, а толстопокрытые электроды дают нормальные швы, поскольку отличаются большей жидкотекучестью расплавленного металла.

Рис. 83. Сварные швы, различающиеся по форме наружной поверхности: а – нормальные; б – выпуклые в – вогнутые

Опытным путем было установлено, что прочность шва не возрастает с увеличением его выпуклости, тем более если соединение «работает» при переменных нагрузках и вибрации. Подобное положение объясняется так: при выполнении шва с большой выпуклостью невозможно добиться плавного перехода от валика шва к основному металлу, поэтому в этой точке кромка шва как бы подрезается, и здесь в основном концентрируются напряжения.

В условиях переменных и вибрационных нагрузок в этом месте сварное соединение может подвергаться разрушению. Кроме того, выпуклые швы требуют повышенного расхода электродного металла, энергии и времени, т. е. является неэкономичным вариантом.

6. По конфигурации (рис. 84):

✓ прямолинейные;

✓ кольцевые;

Рис. 84. Сварные швы различной конфигурации: а – прямолинейный; б – кольцевой

✓ вертикальные;

✓ горизонтальные.

7. По отношению к действующим силам (рис. 85):

✓ фланговые;

✓ торцовые;

✓ комбинированные;

✓ косые. Вектор действия внешних сил может быть параллельным оси шва (характерно для фланговых), перпендикулярным оси шва (при торцовых), проходить под углом к оси (для косых) или сочетать направление фланговых и торцовых сил (при комбинированных).

8. По способу удержания расплавленного металла шва:

✓ без подкладок и подушек;

✓ на съемных и остающихся стальных подкладках;

Рис. 85. Сварные швы по отношению к действующим силам: а – фланговый; б – торцовый; в – комбинированный; г – косой

✓ на медных, флюсо-медных, керамических и асбестовых подкладках, флюсовых и газовых подушках.

При наложении первого слоя шва главное – суметь удержать жидкий металл в сварочной ванне.

Чтобы предотвратить его вытекание, используют:

✓ стальные, медные, асбестовые и керамические подкладки, которые подводятся под корневой шов. Благодаря им можно увеличить сварочный ток, что обеспечивает сквозное проплавление кромок и гарантирует стопроцентный провар деталей. Кроме того, подкладки удерживают расплавленный металл в сварочной ванне, препятствуя образованию прожогов;

✓ вставки между свариваемыми кромками, которые выполняют те же функции, что и прокладки;

✓ подрубку и подварку корня шва с противоположной стороны, при этом не стремятся к сквозному проплавлению;

✓ флюсовые, флюсо-медные (при сварке под флюсом) и газовые (при ручной дуговой, автоматической и аргонно-дуговой сварке) подушки, которые подводят или подают под первый слой шва. Их цель – не допустить вытекания металла из сварочной ванны;

✓ соединения в замок при выполнении стыковых швов, которые предупреждают прожоги в корневом слое шва;

✓ специальные электроды, покрытие которых содержит особые компоненты, увеличивающие силу поверхностного натяжения металла и не позволяющие ему вытекать из сварочной ванны при выполнении вертикальных швов сверху вниз;

✓ импульсную дугу, благодаря которой происходит кратковременное расплавление металла, что способствует более быстрому охлаждению и кристаллизации металла шва.

9. По стороне, на которой накладывается шов (рис. 86):

✓ односторонние;

✓ двусторонние.

10. По свариваемым материалам:

✓ на углеродистых и легированных сталях;

Рис. 86. Сварные швы, различающиеся своим расположением: а – односторонний; б – двусторонний

✓ на цветных металлах;

✓ на биметалле;

✓ на пенопласте и полиэтилене.

11. По расположению соединяемых деталей:

✓ под острым или тупым углом;

✓ под прямым углом;

✓ в одной плоскости.

12. По объему наплавленного металла (рис. 87):

✓ нормальные;

✓ ослабленные;

✓ усиленные.

13. По расположению на изделии:

✓ продольные;

✓ поперечные.

14. По форме свариваемых конструкций:

✓ на плоских поверхностях;

✓ на сферических поверхностях.

15. По количеству наплавленных валиков (рис. 88):

✓ однослойные;

✓ многослойные;

✓ многопроходные.

Перед осуществлением сварочных работ кромки соединяемых изделий, конструкций или частей должны быть соответствующим образом подготовлены, поскольку от их геометрической формы зависит прочность шва

Рис. 87. Сварные швы, различающиеся по объему наплавленного металла: а – ослабленный; б – нормальный; в – усиленный

Рис. 88. Сварные швы, различающиеся количеством наплавленных валиков: а – однослойный; б – многослойный; в – многослойный многопроходный

Элементами подготовки формы являются (рис. 89):

✓ угол разделки кромки (ά), который должен быть выполнен, если толщина металла составляет более 3 мм. Если пропустить эту операцию, то возможны такие негативные последствия, как непровар по сечению сварного соединения, перегрев и пережог металла. Разделка кромок дает возможность осуществлять сварку несколькими слоями небольшого сечения, благодаря чему структура сварного соединения улучшается, а внутренние напряжения и деформации снижаются;

Рис. 89. Элементы подготовки кромо

✓ зазор между соединяемыми кромками (a). От правильности установленного зазора и подобранного режима сварки зависит, насколько полным будет провар по сечению соединения при формировании первого (корневого) слоя шва;

✓ притупление кромок (S), необходимое для того, чтобы придать процессу наложения корневого шва определенную устойчивость. Игнорирование этого требования приводит к пережогу металла при сварке;

✓ длина скоса листа в том случае, если имеется разница по толщине (L). Этот элемент позволяет обеспечивать плавный и постепенный переход от более толстой детали к тонкой, что снижает или устраняет риск концентрации напряжений в сварных конструкциях;

✓ смещение кромок по отношению друг к другу (δ). Поскольку это снижает прочностные характеристики соединения, а также способствует непровару металла и образованию очагов напряжений, ГОСТом 5264–80 установлены допустимые нормы, в частности смещение должно составлять не более 10 % толщины металла (максимум 3 мм).

Таким образом, при подготовке к сварке необходимо выполнить следующие требования:

✓ очистить кромки от загрязнений и коррозии;

✓ снять фаски соответствующего размера (по ГОСТу);

✓ установить зазор в соответствии с ГОСТом, разработанным для того или иного типа соединения.

О некоторых видах кромок уже говорилось ранее (хотя они и рассматривались в другом аспекте) при описании стыковых соединений, но тем не менее необходимо еще раз заострить на этом внимание (рис. 90).

Выбор того или иного вида кромок определяется рядом факторов:

✓ способом сварки;

✓ толщиной металла;

✓ способом соединения изделий, частей и проч.

Для каждого способа сварки разработан отдельный стандарт, в котором указаны форма подготовки кромок, размер шва и допустимые отклонения. Например, ручная дуговая сварка осуществляется по ГОСТу 5264–80, контактная – по ГОСТу 15878–79, электрошлаковая – по ГОСТу 15164–68 и т. д.

Рис. 90. Виды кромок, подготовленных к сварке: а – со скосом обеих кромок; б – со скосом одной кромки; в – с двумя симметричными скосами одной кромки; г – с двумя симметричными скосами двух кромок; д – с криволинейным скосом двух кромок; е – с двумя симметричными криволинейными скосами двух кромок; ж – со скосом одной кромки; з – с двумя симметричными скосами одной кромки

Кроме того, имеется стандарт на графическое обозначение сварного шва, в частности ГОСТ 2.312–72. Для этого используется наклонная линия с односторонней стрелкой (рис. 91), которая указывает участок шва.

Характеристика шва, рекомендованный способ сварки и иная информация представлены над или под горизонтальной полкой, соединенной с наклонной линией-стрелкой. Если шов видимый, т. е. находится на лицевой стороне, то характеристика шва дается над полкой, если невидимый – под ней.

Рис. 91. Графическое обозначение сварных швов

К условным обозначениям сварного шва относятся и дополнительные знаки (рис. 92).

Для различных видов сварки приняты буквенные обозначения:

✓ дуговая сварка – Э, но поскольку этот вид наиболее распространенный, то в чертежах буква может и не указываться;

✓ газовая сварка – Г;

✓ электрошлаковая сварка – Ш;

✓ сварка в среде инертных газов – И;

✓ сварка взрывом – Вз;

✓ плазменная сварка – Пл;

✓ контактная сварка – Кт;

✓ сварка в углекислом газе – У;

✓ сварка трением – Тр;

✓ холодная сварка – Х.

При необходимости (если реализуется несколько способов сварки) перед обозначением той или иной разновидности располагают буквенное обозначение используемого способа сварки:

Рис. 92. Дополнительные обозначения сварного шва: а – прерывистый шов с цепной последовательностью участков; б – прерывистый шов с шахматной последовательностью участков; в – шов по замкнутому контуру; г – шов по незамкнутому контуру; д – монтажный шов; е – шов со снятым усилением; ж – шов с плавным переходом к основному металлу

✓ ручная – Р;

✓ полуавтоматическая – П;

✓ автоматическая – А.

✓ дуговая под флюсом – Ф;

✓ сварка в активном газе плавящимся электродом – УП;

✓ сварка в инертном газе плавящимся электродом – ИП;

✓ сварка в инертном газе неплавящимся электродом – ИН.

Для сварных соединений также имеются специальные буквенные обозначения:

✓ стыковое – С;

✓ тавровое – Т;

✓ нахлесточное – Н;

✓ угловое – У. По цифрам, проставленным после букв, определяют номер сварного соединения по ГОСТу на сварку.

Обобщая сказанное выше, можно констатировать, что условные обозначения сварных шов складываются в определенную структуру (рис. 93).

Рис. 93. Структура условных обозначений сварного шва: 1 – сварной шов; 2 – вспомогательные знаки шва по замкнутой линии; 3 – дефис; 4 – вспомогательные знаки; 5 – для прерывистого шва – длина шва, знак или, шаг; 6 – для точечного шва – размер точки; 7 – для контактной сварки – диаметр точки, знак или, шаг; 8– для шовной сварки – длина шва; 9 – ширина и длина шва, знак или, шаг; 10 – знак и катет по стандарту; 11 – условное изображение способа сварки; 12 – тип шва; 13 – стандарт соединения

В качестве примера расшифруем обозначение:

✓ шов располагается на невидимой стороне – обозначение находится под полочкой;

✓ тавровое соединение, шов № 4 по ГОСТу 14771–76 – Т4;

✓ сварка в углекислом газе – У;

✓ сварка полуавтоматическая – П;

✓ длина катета 6 мм — 6;

✓ шов прерывистый с шахматным расположением участков – 50  150.

Дефекты сварных соединений

Несоответствие сварного соединения техническим требованиям, изложенным в нормативной документации, называется дефектом. ГОСТы регламентируют все необходимые параметры (конструктивные размеры, форму сварного шва, его прочность, пластичность, геометричность и др.), которые должны быть выдержаны при выполнении сварочных работ.

Однако соединения могут отклоняться от заданных в нормативно-технической документации параметров, что нередко приводит к разрушению как самого сварного шва, так и всей конструкции, что, разумеется, нельзя считать положительным моментом.

Чтобы не допускать такого развития событий, необходимо точно знать, какими дефектами могут сопровождаться сварочные работы, каковы их причины и способы предупреждения или устранения.

В сварных соединениях могут возникать различные дефекты. В соответствии с расположением они подразделяются на две большие группы – наружные и внутренние.

К наружным относятся следующие дефекты:

1. Дефекты формы шва (рис. 94), процесс формирования которых непосредственным образом связан с выбранным режимом сварки (прежде всего с величиной, родом и полярностью тока, напряжением дуги и скоростью сварки) и пространственным положением сварного соединения.

Рис. 94. Дефекты формы шва: а – неравномерная ширина;

б – бугры и седловины

Имеют значение также квалификация сварщика (отсутствие или недостаточность которой приводят к наложению неравномерных по ширине швов, образованию бугров и седловин вследствие неравномерности приложенных усилий), неправильное манипулирование электродом и нарушение величины зазора кромок. Все это заканчивается ухудшением прочностных характеристик сварного соединения и образованием внутренних дефектов.

2. Подрезы (углубления) в основном металле, появляющиеся по краям сварного шва (рис. 95).

Их глубина может доходить до нескольких миллиметров. Причины подрезов различны.

Например, это могут быть большая сила тока, высокое напряжение, смещение электрода по отношению к оси шва, проблемное пространственное положение, затрудняющее сварку, или низкая квалификация исполнителя работ.

 Рис. 95. Подрез сварного шва: а – в стыковом соединении; б – в горизонтальном шве на вертикальной поверхности; в – в угловом шве таврового соединения; 1 – подрез

В результате подрезов рабочая толщина металла уменьшается, они становятся очагами концентрации внутренних напряжений, развивающихся при нагрузке, и в процессе эксплуатации изделия или конструкции могут привести к разрушению соединения. Наибольшую опасность представляют подрезы, направленные поперек усилий, которые воздействуют на них в угловых и стыковых швах.

Возникновение подреза зависит от соотношения между скоростью затвердевания (кристаллизации) сварного шва и скоростью заполнения углубления расплавленным металлом.

Отсюда следует, что для недопущения или устранения данного дефекта необходимо либо снизить скорость кристаллизации, либо повысить скорость заполнения углубления. Как правило, прибегают к первому варианту, для чего проводят предварительный подогрев свариваемых частей (этот способ работает благодаря улучшению смачиваемости твердого металла жидким за счет имеющейся между ними разности температур) или осуществляют многоэлектродную сварку.

3. Прожоги (рис. 96), т. е. сквозные отверстия в сварном шве, причины появления которых весьма различны.

Повышение погонной энергии сварочной дуги приводит к увеличению объема жидкого металла. Если это произошло в результате повышения силы сварочного тока, то одновременно возрастет и давление дуги. Совокупность описанных процессов может привести к тому, что силы гидростатического давления и давления сварочной дуги превысят силу поверхностного натяжения расплавленного металла, который вытечет, образовав прожог.

Рис. 96. Прожог в горизонтальном шве

Причинами прожога могут стать неравномерная скорость сварки, большой зазор между свариваемыми частями, соединение элементов из тонкого металла (это особенно частая причина прожога, так как ширина сварочной ванны становится такой, что превосходит толщину металла), некачественный первый слой в многослойном шве или выполнение вертикального шва в направлении снизу вверх.

4. Поджоги, которые возникают при возбуждении сварочной дуги в непосредственной близости от разделки кромок. Такие дефекты подлежат обязательному удалению, поскольку они превращаются в центры концентрации внутренних напряжений.

5. Наплывы (рис. 97), ставшие следствием ряд таких причин, как увеличенная сила тока в сочетании с длинной сварочной дугой и большой скоростью сварки, чрезмерный наклон сварного шва, выполнение шва в трудном пространственном положении и вертикального шва снизу вверх, ошибки при манипулировании электродом и неопытность сварщика. Они бывают локальными и значительными по длине.

Рис. 97. Наплывы расплавленного металла: а – в горизонтальном шве; б – в нахлесточном соединении; в – в тавровом соединении; г – в стыковом соединении либо при наплавке валиков

6. Незаваренный кратер. Если при окончании сварки дуга неожиданно обрывается, то на металле появляется углубление – кратер. Его размеры определяются силой сварочного тока. Оставленный незаваренным кратер – это источник концентрации внутренних напряжений, которые снижают прочность соединения. Если сварка осуществляется без выводных планок, то кратер надо заварить и оборвать дугу на заваренном участке шва. Нельзя выводить кратер в зону основного металла, поскольку это чревато образованием подреза.

7. Поры (рис. 98), вышедшие на поверхность.

Их появление объясняется содержанием газов в расплавленном металле. В этот момент их еще можно удалить из сварочной ванны, но если они появились в момент кристаллизации металла шва, то останутся в виде газовых пор. Причинами возникновения пористости являются использование отсыревших электродов, повышенная скорость сварки, длинная дуга, загрязненные кромки разделки и некачественная защита шва при сварке в среде защитных газов.

Рис. 98. Пористость металла шва: а – равномерная; б – очаговая; в – в виде цепочки

Равномерные поры – это результат действия постоянных факторов, таких как загрязненность кромок, влажные электроды и неравномерная толщина их покрытия. Одиночные поры – это последствие случайных факторов, в частности скачков напряжения в сети, локальных дефектов в электрод ном покрытии, случайного увеличения длины дуги.

Очаги (скопления) пор формируются при нарушении режима сварки, применении электродов с некачественным покрытием или загрязненности кромок.

Меры предотвращения пористости содержатся в уже названных причинах, хотя есть и другие. Например, использование обратной полярности при работе на постоянном токе, снижение температуры расплавленного металла сварочной ванны, устранение неметаллических включений в металле и др.

8. Трещины (рис. 99), которые представляют собой наиболее опасные дефекты швов. Они могут быть продольными или поперечными и возникать как в наплавленном, так и в основном металле.

Трещины образуются, когда в металле формируются напряжения в результате неравномерного нагревания и охлаждения, когда происходят усадка и изменения величины зерен металла и их расположения; когда сварка ведется при низкой температуре; когда соединяются в жестко зафиксированных изделиях или конструкциях конструкционные и легированные стали и проч. Трещины подлежат обязательному устранению: их вырубают и повторно заваривают.

Рис. 99. Трещины: а – в наплавленном металле шва; б – в зоне термического влияния

К группе внутренних дефектов относятся следующие:

1. Трещины. Причины их появления и способы ликвидации такие же, что и при образовании и устранении наружных трещин.

2. Непровары корня шва и кромки (рис. 100). Это серьезный дефект, который выглядит как несплавление электродного металла с основным.

Помимо того, что в зоне непровара прочность шва резко ухудшается, здесь образуются очаги напряжения, снижающие сопротивляемость шва внешним нагрузкам при эксплуатации изделия или конструкции.

 Рис. 100. Непровар: а – корня сварного шва; б – кромки

Причины непровара различны, среди них могут быть недостаточный ток, низкая мощность горелки, несоответствующий прогрев металла при ускоренном манипулировании электродом или горелкой, проникновение в шов шлака или пленки окислов, малый угол скоса кромок, некачественная подготовка кромок к сварке.

Как и в предыдущем случае, непровар аккуратно вырубают, после чего снова заваривают дефектный участок, предварительно выяснив причину непровара;

3. Поры, возникающие при поглощении жидким металлом газов, которые не успели полностью выделиться в процессе работы.

Другая причина порообразования – выкрашивание каплевидных

включений металла и шлака, поскольку мельчайшие капли металла, покрытые пленкой окислов, попав в сварочную ванну, не сплавляются с металлом шва.

Наличие пор приводит к тому, что шов становится проницаемым и разрушается под воздействием газов и жидкостей.

Поры подлежат вырубанию и повторному завариванию, а при газовой сварке – проковке.

4. Шлаковые включения, проникающие в металл при ведении сварки длинной дугой и окислительным пламенем.

Как и поры, они негативно отражаются на сечении шва, снижая его прочность.

Контроль качества сварного шва

Чтобы обеспечить высокое качество и прочность сварных соединений, весь технологический процесс сварки необходимо тщательно отслеживать.

Причем делать это нужно на всех этапах, включая:

✓ предварительный контроль, подразумевающий проверку сварочных материалов (флюсов, электродов, проволоки и проч.), оборудования, инструментов и др.;

✓ операционный контроль, во время которого определяются подготовленность изделий под сварку, ее соответствие стандартам и техническим условиям, качество присадок и состояние

контрольно-измерительной аппаратуры, а также контролируются режимы сварки и соблюдение технологии наложения сварных швов;

✓ контроль уже готовых соединений, который осуществляется после завершения сварочных работ или термической обработки изделия.

Методы контроля выполненных соединений и швов бывают разрушающими и неразрушающими. Они указаны в ГОС Тах и классифицируются на несколько видов:

1) внешний контроль, с помощью которого обнаруживаются наружные дефекты сварных швов (подрезы, трещины, неравномерность швов по высоте и ширине, поры, непровар корня шва и др.). Для этого прибегают к визуальному осмотру, который может

проводить с применением лупы с десяти– или двадцатикратным увеличением (при этом можно заметить волосяные трещины и мельчайшие поры) или без нее. Для проверки размеров сварных швов используют шаблоны и универсальный измерительный инструмент;

2) металлографические исследования, для проведения которых в шве и основном металле просверливают отверстие, которое в течение 1–3 минут обрабатывают 10 %-ным раствором двойной соли хлорной меди и аммония. После удаления осадка меди поверхность осматривают на предмет наличия внутренних дефектов и определяют качество провара. Для особо ответственных сварных конструкций предназначена проверка микро– и макрошлифов, вырезанных

из сварного соединения. На основании полученных результатов делается вывод о правильности примененного режима сварки;

3) химический анализ, целью которого является установление состава основного и наплавленного металла и его соответствия техническим условиям;

4) механические испытания, которые проводятся на образцах, специально изготовленных или вырезанных из соединения, и должны определить предел прочности на растяжение (образец тестируют с помощью разрывной машины), ударную вязкость (образец со специально проделанным надрезом разрушают путем нанесения ударов: чем больше будет работа, потребовавшаяся для этого, тем данный параметр выше) и угол загиба (образец помещают на две опоры и изгибают под прессом, по углу возникшей трещины судят о пластичности металла: наилучшим считается шов, угол загиба которого составляет 180°);

5) рентгенодефектоскопия, в основе которой лежит явление поглощения веществами рентгеновских лучей. Их направляют на шов, подложив под него фотопленку. Дефектные участки обнаруживают по способности пропускать лучи с меньшим поглощением, чем основной металл. На проявленной пленке контуры дефектов отчетливо видны;

6) гамма-дефектоскопия, основанная на принципе различного поглощения гамма-лучей разными веществами. В результате анализа получают теневой снимок сварного шва;

7) магнитографический контроль, основанный на исследовании магнитных полей рассеяния на намагниченном изделии. Разработаны разные методы контроля, например магнитно-порошковый, индукционный, магнитографический и проч. Первый из них наиболее простой и заключается в том, что намагниченное изделие покрывают магнитным порошком или специальной суспензией. По качественно выполненному шву состав распределяется равномерно, а при наличии дефектов он скапливается по краям пор, трещин и т. д.;

8) ультразвуковые исследования, при проведении которых ультразвуковые колебания проникают вглубь металла и отражаются от дефектных участков, например от неметаллических включений. Особый прибор, применяемый для анализа такого рода, называется дефектоскопом;

9) проверка на герметичность, осуществляемая разными методами и подразделяющаяся на испытания:

✓ керосином. Им покрывают внутреннюю поверхность емкости, рассчитанной на работу без повышенного давления. Затем сварные швы смачивают водным раствором мела. Если в них имеются поры, трещины и другие сквозные дефекты, то керосин, просочившись сквозь них, обозначит эти места выступившими пятнами;

✓ сжатым воздухом. Его нагнетают в емкость, предварительно смочив швы мыльной эмульсией. Появившиеся на поверхности пузыри укажут местонахождение дефекта. Изделие небольшого размера просто погружают в ванну с водой и определяют наличие дефекта по пузырькам воздуха, поднимающимся к поверхности;

✓ вакуум-аппаратом. Он применяется для контроля сварных швов с односторонним доступом, когда описанные выше методы невозможно осуществить. Изделие со швом, смазанным мыльной эмульсией, помещают в камеру со стеклянным окошком и откачивают из нее воздух. При наличии дефекта появятся мыльные пузыри, которые обозначат его расположение;

✓ аммиаком. Для этого емкость заворачивают в бумагу, обработанную 5 %-ным водным раствором азотнокислой ртути, после чего внутрь под соответствующим техусловиям давлением нагнетают воздух и вводят аммиак (1 % от объема воздуха). Он, проникнув сквозь имеющиеся дефекты и вступив в реакцию с азотнокислой ртутью, проявится на бумаге черными пятнами;

✓ водой. Гидравлическими исследованиями проверяют плотность и прочность сварных швов на различных изделиях (резервуарах, трубопроводах и др.), функционирующих под давлением. Для проверки емкость заполняют водой и с помощью гидравлического пресса повышают давление (оно должно превосходить рабочее примерно в 1,5 раза). Через определенный промежуток времени, который указан в тех условиях, давление снижают, сварной шов обстукивают (за исключением вертикальных цилиндрических резервуаров), отступив от него на 20 мм, и отслеживают появление запотевания или протечек.

Оглавление

Введение

Теория сварки

  Основные понятия

  Строение и свойства металлов

  Свариваемость металлов

  Металлургия сварки

  Виды сварки

  Деформации и напряжения при сварке

Газовая сварка

  Общие сведения

  Оборудование и материалы

  Сварочное пламя

  Техника газовой сварки

  Особенности сварки различных материалов

  Технология кислородной резки

  Техника безопасности при газовой сварке и резке

Сварочные материалы и оборудование для дуговой сварки

  Сварочная проволока

  Электроды

  Флюсы

  Защитные газы

  Источники питания

  Инструмент и спецодежда сварщика

Ручная дуговая сварка

  Техника дуговой сварки

  Высокопроизводительные способы сварки

  Сварка различных материалов

  Технология сварки в защитных газах

  Технология дуговой резки

  Техника безопасности при дуговой сварке и резке

Сварные швы и соединения

Дефекты сварных соединений

Контроль качества сварного шва Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg