Сварочные работы в строительстве

Предисловие 1. Общие сведения о сварке 1.1. Физическая сущность сварки и ее классификация 1.1.1. Сварка 1.1.2. Пайка
1.1.3.Клейка 1.1.4. Соединение цементами 1.2. Развитие сварки в производстве сварных конструкций 1.3 Характеристика основных способов сварки 1.3.1. Сварка давлением 1.3.2. Сварка плавлением 2. Сварочная дуга 2.1. Электрические и тепловые процессы при сварке 2.1.1. Общие требования к сварочным источникам тепла 2.1.2. Электрические и тепловые свойства дуги 2.2. Процессы плавления и переноса металла при дуговой сварке 3. Металлургические процессы при дуговой сварке 3.1 Условия плавления металла и существования его в жидком виде 3.2. Физико-химические процессы при сварке плавлением 3.2.1. Особенности металлургических процессов при сварке 3.2.2 Защита расплавляемого при сварке металла 3.2.3 Взаимодействие металла сварочной ванны с электродными покрытиями и флюсом 3.3. Структура и свойства металла сварных соединений 3.4. Шлаковые и газовые включения в сварных швах 3.5. Трещины при сварке и их классификация 4. Свариваемость строительных сталей 5. Сварочные материалы 5.1. Электродная проволока 5.2. Стальные сварочные электроды 5.3. Электродные покрытия 5.4. Флюсы сварочные 5.5. Порошковая проволока 5.6. Краткие сведения о производстве электродов и флюсов 5.7. Материалы для сварки в среде защитных газов Контрольные вопросы Список литературы
Предисловие Одним из основных технологических процессов в производстве строительных конструкций является соединение деталей и элементов с помощью сварки. Сварку применяют при изготовлении и монтаже металлических и железобетонных конструкций, технологических трубопроводов и оборудования из различных марок сталей, цветных металлов и сплавов, других материалов. Производительность при обеспечении необходимого качества сварочных работ, эффективность строительно-монтажного производства и надежность конструкций зданий и сооружений в немалой степени определяются техническим уровнем и квалификацией специалистов. Это тем более важно в условиях применения для конструкций трудносвариваемых эффективных сталей и сплавов, использования новых сварочных материалов и все более сложного сварочного оборудования, применения новых прогрессивных технологических процессов, повышенных требований к качеству создаваемой строительной продукции. Содержание конспекта лекций соответствует учебной программе раздела «Сварка в строительстве» дисциплины «Металлы и сварка в строительстве». Материал дается несколько шире, что позволяет использовать его при работе над курсовыми и дипломными проектами. Конспект лекций представлен несколькими частями с целью удобства пользования при незначительном тираже каждой части. Для закрепления полученных знаний по предлагаемому материалу приводятся контрольные вопросы. Прилагаемый список литературы позволяет студентам расширить познания по интересующим их темам и вопросам. Представленные в конспекте лекции материалы могут быть полезны специалистам, работающим в области строительства.
1. Общие сведения о сварке Проблема прочного соединения твердых материалов с давних пор имеет большое значение. Процессы соединения деталей из металла, дерева, камня, керамики, кирпича, пластмассы и т.п., а также разделения и дробления их дополняют друг друга и составляют основу обработки твердых материалов. Без этих процессов нельзя представить сейчас промышленность и строительство. Существует две большие группы соединения твердых тел: 1. Механические способы соединения; 2. Способы соединения за счет молекулярных и атомных сил сцепления. К первой группе относят различные виды болтовых соединений, заклепочные и клиновые соединения, плотная посадка и т.п.; ко второй - сварка, пайка, склеивание, соединение цементами и др. Перечисленные способы соединения твердых тел различаются своими особенностями, и имеет свои области применения, дополняя друг друга, и позволяют выполнять самые различные производственные задачи. Способы первой группы позволяют получать разъемные соединения, т.е. дающие возможность разъединять детали без их разрушения. Соединения второй группы в большинстве своем неразъемные. Одним из основных способов второй группы является сварка, позволяющая соединять практически все металлы и их сплавы, стекло, пластмассы, керамику и т.п. Способы сварки все время совершенствуются, области применения их расширяются. Этого требует бурное развитие техники, использование новых материалов, создание новых оригинальных конструкций. 1.1. Физическая сущность сварки и ее классификация Сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения однородных или разнородных тел за счет межмолекулярных или межатомных сил сцепления при нагревании и (или) пластическом деформировании. Всякие твердые и жидкие тела представляют собой систему атомов или молекул, связанных между собой межатомными или межмолекулярными силами сцепления, которые являются результатом взаимодействия их электронных оболочек. Внутри объема тела эти силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы и молекулы, находящиеся на поверхности тела, имеют свободные связи и могут при определенных условиях присоединять к себе другие атомы и молекулы (например, адсорбция газов, связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.) Значит, для получения неразъемного соединения твердых тел необходимо обеспечить взаимодействие между поверхностными атомами тел. Для этого нужно сблизить кромки соединяемых деталей на расстояние, равное или меньшее межатомному расстоянию кристаллической решетки соединяемых тел (3-5)×10-10м. Для жидких тел это выполняется легко за счет подвижности, смачивания поверхности, но для твердых тел возникают трудности, т.к. их поверхность даже после тщательной обработки имеет микроскопические неровности, впадины, бугорки и при соприкосновении они будут иметь контакт только в отдельных физических точках. Кроме того, атомному сближению и сцеплению препятствуют пленки окислов или других химических соединений, адсорбированных газов и различные загрязнения, в результате чего в обычных условиях на поверхностях соединяемых тел не могут проявиться межатомные силы сцепления из-за отсутствия свободных связей. 1.1.1. Сварка При сварке перечисленные трудности получения прочного соединения устраняются двумя следующими основными приемами: 1. Нагревом соединяемых деталей; 2. Сдавливанием или осадкой их; нагрев ослабляет межатомные связи, снижает твердость материала и повышает его пластичность. Сдавливание или осадка соединяемых деталей создает пластические деформации, течение материала на границе раздела, разрушает окислы и загрязнения, удаляя их из зоны сварки в грат вместе с поверхностным слоем материала и выводя «ювенильные» слои материала, что создает межатомные силы сцепления.
Нагрев и осадка при сварке дополняют друг друга: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки, и наоборот. В предельных случаях осадочное давление или нагрев становятся ненужными. При нагреве до расплавления металла осадочное давление не требуется, т.к. жидкий металл самопроизвольно сливается в общую сварочную ванну и после затвердевания части детали будут прочно скрепленными.
При холодной сварке к соединяемым деталям прикладывают высокое удельное давление осадки, создающее большие пластические деформации. Нагрев при этом не нужен. Возможна холодная сварка при температуре кипения жидкого азота (-196°С). Многие другие способы сварки занимают промежуточное положение. Процессу сварки и повышению прочности соединения способствуют взаимное растворение и диффузия металла соединяемых частей. При сварке деталей из разных металлов могут образовываться непрерывные твердые растворы (Fe-Ni; Fe-Cr; Ni-Mn и др.), металлы могут иметь неполную взаимную растворимость (Fe-Cu; Fe-Zn) или практически не растворяться друг в друге (Fe-Ag; Fe-Mg; Fe-Pb и т.д.) Следует иметь в виду, что и в последнем случае могут успешно свариваться металлы. Все имеющееся многообразие способов сварки (более 50) по способу устранения факторов, препятствующих межатомному взаимодействию, можно разделить на две группы: 1. Сварка плавлением (в жидкой фазе) 2. Сварка давлением (в твердой фазе). При сварке плавлением металл соединяемых частей в зоне сварки расплавляется, переходит в жидкое состояние. При этом расплавляется и присадочный материал; таким образом образуется сварочная ванна из основного и присадочного металла (рис.1.1). а) б) Рис. 1.1. Сварка плавлением: а – плавление свариваемого металла; б – сварное соединение; 1 – источник тепла; 2 – свариваемый металл; 3 – жидкий металл; 4 – наплавленный металл (сварной шов); 5 – присадочный металл При этом не требуется предварительной особо тщательной очистки поверхности металла; нагрев расплавляет металл и загрязнения поверхности, всплывающие в сварочной ванне. Затвердевающий металл зоны сварки претерпевает значительные изменения в химическом составе и структуре, приобретая характерную структуру литого. Температура нагрева значительно превышает температуру плавления свариваемого металла, что исключает значительный нагрев обеих деталей и увеличивает скорость сварки. В зависимости от источника нагрева сварка плавлением подразделяется на пять основных видов: дуговую, газовую, термитную, электрошлаковую и электронным лучом. При дуговой сварке нагрев и плавление осуществляется за счет тепла электрической сварочной дуги; при газовой – используется тепло сгорания газа или паров жидких горючих; при термитной – тепло, выделяемое при сгорании термитной смесью; при электрошлаковом процессе тепло для сварки образуется от прохождения тока через расплавленный слой шлака; при электронно-лучевой – нагрев и плавление металла производится теплом от бомбардировки электронами луча металла изделия, помещаемого в вакуум. Сварка давлением может производиться без предварительного или с предварительным местным нагревом деталей (рис.1.2). При этом состав металла и его структура не изменяются. Этот вид сварки требует тщательней подготовки и зачистки соединяемых поверхностей, требует обязательного приложения осадочного давления. При этом сила осадки обратно пропорциональна температуре нагрева свариваемых элементов. В зависимости от рода источника местного нагрева различают сварку: контактную (электросопротивлением), термитную давлением, газопрессовую, индукционную (электропрессовую), трением и вакуумно-диффузную. а) б) Рис. 1.2. Сварное соединение, выполненное (без расплавления металла): а – процесс нагрева; б – сварное соединение; 1 – свариваемые детали; 2 – слои металла в пластическом состоянии; 3 – сварной шов; 4 – грат Каждый вид сварки подразделяется на способы, отличающиеся между собой технологическими особенностями. 1.1.2. Пайка Этот процесс соединения металлов занимает промежуточное положение между сваркой и склеиванием. Соединение производится с помощью сравнительно легкоплавкого металла, называемого припоем, температура плавления которого ниже, чем соединяемого металла. Расплавленный припой наносится на хорошо зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и после затвердевания образует соединение. Припой и соединяемые металлы весьма разнообразны, что обуславливает резкие различия в процессе пайки и характере получаемых соединений. Основная составная часть припоев - олово, медь, серебро. В этом способе соединения существенную роль играет способность припоя хорошо смачивать основной металл, т.е. адгезия (прилипание) припоя к металлу должна превышать когезию (сцепление) частиц припоя. Основной металл не расплавляется. Здесь почти всегда применяются флюсы для очистки поверхности металла от окислов и других загрязнений и усиления адгезии жидкого припоя к твердому металлу. Слой расплавленного припоя практически не оказывает сопротивления сдвигу. Прочность соединения возникает скачком образно при затвердевании припоя. 1.1.3.Склеивание Это самый универсальный способ соединения твердых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Можно склеивать дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, резину и т.д., а также разнородные материалы (металл + дерево; + резина, + пластмассы и т.д. Между соединяемыми частями клей вводится обычно в жидком виде и, реже, в виде порошка или пластинок, размягчаемых нагреванием. Клей в соединении затвердевает постепенно вследствие испарения растворителей, химических реакций или полимеризации. Склеивание почти полностью основано на адгезии, причем клей почти во всех случаях не взаимодействует с соединяемым материалом. Прочность склеивания довольно высокая, и при правильном склеивании разрушение под нагрузкой происходит или по соединяемому материалу, или по клеевой прослойке. Преимущество способа такого соединения материалов - простота, небольшая стоимость и высокая универсальность. Недостатком является снижение прочности при нагреве, старение клеев, в сравнительно короткий срок снижающее их прочность, чувствительность некоторых из них к воздействию сырости.
1.1.4. Соединение цементами Этот способ соединения материалов, в основном неметаллических, используется в строительной технике. Затвердевание цементов, соединяющих камни, кирпич, бетон происходит за счет химических реакций. Цементы обычно взаимодействуют с соединяемым материалом.
1.2. Развитие сварки в производстве сварных конструкций Существующие ныне различные способы и виды сварки возникли не одновременно, некоторые из них были известны человечеству еще в далекие времена, другие стали известны совсем недавно. Еще в бронзовый век человек научился паять и сваривать плавлением, так называемым способом промежуточного литья. Образцы соединенных таким образом изделий из золота, серебра и бронзы имеют возраст 5000-5500 лет. С появлением железа стала быстро развиваться сварка в твердой фазе, или сварка давлением, в виде так называемой кузнечной или горновой сварки. Изделия, сваренные таким образом, имеют возраст до 3500 лет. Крупный скачок в развитии сварки связан с появлением новых источников тепла для нагрева металла: электрический ток, газокислородное пламя, термитная реакция. Первым был применен электрический нагрев. Электрический ток для нагрева металла при сварке может быть использован различным способом. По масштабам применения и промышленному значению электродуговая сварка является наиболее важным видом сварки, в создании и совершенствовании которого видная роль принадлежит ученым и инженерам нашей страны. Основоположниками открытия сварочной дуги и применения ее для сварки являются русские ученые и инженеры В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов. Впервые открытая в 1802г. проф. Петровым В.В. электрическая дуга долгое время не могла быть примененной на практике из-за отсутствия необходимых источников тока. Только в 1849г. дуга Петрова зажглась на башне Адмиралтейства, осветив Петербургские улицы. В 1876г. известный электротехник Н.Н. Яблочков решил задачу автоматического регулирования дуги, осветив своей «свечой» улицы Парижа и Лондона. Н.Н. Бенардос, талантливый изобретатель, является родоначальником всех существующих способов дуговой сварки, а также электрической контактной сварки. В 1882г. он впервые в мире использовал дуговой разряд для соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока, т.е. дуговой сварки и резки металлов (дуга между изделием и угольным электродом, питание от специально построенной аккумуляторной батареи). Н.Н. Бенардос является автором всех основных видов электродуговой сварки, наиболее широко распространенной сейчас, и многих других (~100) изобретений в различных областях техники: сварка металлическим электродом, в т.ч. и с применением флюса; сварка косвенно действующей дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; магнитное управление дугой; сварка в струе газа; электрическая контактная точечная и стыковая сварка. Н.Н. Бенардосом были изобретены автоматы для сварки угольным электродом и металлическим. Дальнейшее совершенствование дуговой сварки связано с именем крупного русского инженера Н.Г. Славянова, который в 1888г. предложил способ сварки металлическим электродом, впервые спроектировал и построил специальные сварочные генераторы. Его работы положили начало развитию теории сварочных процессов, в частности, металлургических основ электродуговой сварки. Отсталость царской России не позволила реализовать возможности, открытые изобретениями Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова. Только после Великой Октябрьской социалистической революции электродуговая сварка нашла широкое промышленное применение. Новый этап в истории сварки начинается с 1929г., когда было принято постановление Совета Труда и Обороны о развитии сварочной техники. Это постановление позволило создать материально-техническую базу для разработки и внедрения передовых методов сварки в СССР, начать подготовку кадров специалистов по сварке. В строительных конструкциях сварку в СССР впервые широко начали применять на новостройках страны (Магнитогорский и Кузнецкий металлургический комбинаты, з-д «Азовсталь» и др.) в 1929-1930 гг. Сварные конструкции изготовляли из малоуглеродистых сталей с применением электродов со стабилизирующими покрытиями. Применение сварки давало экономию 10-20%. Для сварки арматуры применяли главным образом контактную сварку. Качество сварных соединений получалось низким (), соединения проектировались по типу клепаных, концентрация напряжений в сварных соединениях не учитывалась. Во второй половине тридцатых годов темпы развития сварки в конструкциях возросли. Появились более качественные электроды с толстыми покрытиями, дающие более качественные сварные соединения (), покрытия которых выполнены на рудах кислого типа. В конце тридцатых годов произошел коренной поворот в развитии сварки. Благодаря выдающейся деятельности академика Е.О. Патона и Института электросварки (ИЭС) АН УССР была разработана автоматическая сварка под флюсом в ее современном виде. С 1940г. в СССР этот способ сварки получил промышленное применение и благодаря высоким технико-экономическим показателям стал основным из механизированных способов сварки (ИЭС разработал технологию изготовления рулонных заготовок резервуаров). В совершенствовании и внедрении этого метода большая заслуга принадлежит также ЦНИИТМаш, ВНИИЭСО, кафедрам сварки УПИ, ЛПИ, МВТУ им. Баумана и передовым заводам страны; зарубежным фирмам США, Англии и т.д. Разработка электрошлаковой сварки (ИЭС им. Патона) значительно изменила технологический процесс изготовления конструкций из металла больших толщин. В конце сороковых годов промышленное применение получил метод сварки в среде защитных газов, а в начале 50-х годов - в углекислом газе на основе работ НИАТ, ЦНИИТМаш, ИЭС и др. Кроме того, совершенствовались и другие способы и методы сварки. Развитие атомной энергетики и ракетостроения потребовало применения в сварных конструкциях новых марок специальных сталей и сплавов. Появились и внедряются новые методы сварки: электроннолучевая, ультразвуковая, диффузионная в вакууме, в контролируемой атмосфере, сварка трением, токами высокой частоты и др. Интенсивное развитие получили прогрессивные способы резки металлов: кислородный, газоэлектрический, газофлюсовый, плазменный и др. Для этого периода характерным является разработка и внедрение в промышленность механизированных и автоматических поточных линий и участков по изготовлению сварных конструкций. Выпуск сварочного оборудования в 1962г. по сравнению с 1958г. возрос более чем в 3 раза и превзошел темпы роста США и ФРГ. В 1963г. уровень механизации сварочных работ в строительстве достиг 22%, а в строительной индустрии - 62,4%. К концу 1970г. уровень механизации сварочных работ в строительстве был доведен до 40%. В 1960г. на Днепропетровском ЗМК им. Бабушкина введена в эксплуатацию поточная линия двутавровых балок, а также участок сборки и сварки газгольдеров постоянного объема.
1.3 Характеристика основных способов сварки 1.3.1. Сварка давлением Сварка давлением включает следующие способы: холодная сварка, ультразвуковая сварка, кузнечно-горновая, газопрессовая (с последовательным нагревом или с одновременным нагревом), электрическая контактная сварка (стыковая, точечная, шовная), индукционная сварка (при наличии газовой атмосферы или диффузионная в вакууме), термитная давлением и др.
а) Холодная сварка. Две тщательно очищенные у стыка пластины обжимают шайбами, исключающими выпучивание при деформации (дет.1), затем вдавливают пуансоны из твердого металла. При этом металл пластин сильно деформируется и течет вблизи поверхностей раздела. Ювенильные поверхности войдут в соприкосновение и между ними возникнут межатомные силы сцепления. При таком способе степень деформации зависит от свойств металла, свойств пленок окислов и схемы деформирования, а также глубины вдавливания пуансонов. Этот способ применим для пластичных металлов (Al, Cu, Ag, Ni) при соединениях внахлестку и встык (рис. 1.3) а) б) Рис. 1.3. Холодная сварка: а – процесс деформирования; б – сварное соединение; 1 – свариваемые детали; 2 – обжимные шайбы; 3 – пуансоны; 4 – зубки пуансонов; 5 – углубление в деталях вследствие пластического деформирования б) Ультразвуковая сварка. Разрушение поверхностных окисных пленок и проявление межатомных сил сцепления может произойти при местной деформации поверхностей в месте контакта при введении в металл ультразвуковых колебаний (рис.1.4). а) б) Рис. 1.4. Ультразвуковая сварка: а – процесс постановки точки; б – сварное соединение; 1–генератор колебаний; 2–пуансон; 3–свариваемые детали; 4–опора; 5–сварное соединение. Генератор 1, дающий частоту 8-15 кГц, и пуансон 2 приводят к разрушению окислов, некоторому местному повышению Т (~350°С) и свариванию. Таким способом сваривают при точечной и шовной контактной сварке тонкие листы (0,05-0,6мм) или тонкие с толстыми. в) Кузнечно-горновая сварка. Это самый древний способ, имеющий сейчас ограниченное применение. После разогрева в горне металла до температуры сварочного жара (1100-1300°) осуществляют сварочную операцию ручной или механизированной проковкой. Очистка окислов производится механическим способом и флюсованием (для оставшихся) – бура Na2B4O7, поваренная соль NaCl, речной песок SiO2. г) Газопрессовая сварка. Принцип газопрессовой сварки аналогичен кузнечно-горновой с использованием для нагрева пламени газообразных горючих. Осуществляется как с последовательным нагревом от участка к участку с соответствующей их проковкой или статическим сдавливанием (чаще продольные швы, газовое пламя Т=1800°С) так и с одновременным нагревом сечения свариваемых элементов и их последующим одновременным сдавливанием (кольцевые швы, ацетилено-кислородное пламя, Т =3000°С). д) Электрическая контактная сварка. Этот способ сварки один из самых важных и используется преимущественно в массовом иди серийном производстве однотипных изделий. Этот способ основан на разогреве металла проходящим по нему током. Количество выделяемого в металле тепла определяется законом Джоуля-Ленца: Q=0,24·I·U·t=0,24·I2·R·t, где Q – кол-во тепла, кал; I – сила тока, А; U – напряжение, B; R – сопротивление, Ом; t – время, сек. В последовательной цепи на участке большего сопротивления (место контакта деталей) выделяется и большее количество тепла. Выбором соответствующей мощности для различных деталей можно обеспечить их быстрый нагрев (0,003÷10 сек.) и сварку последующим обжатием. При этом, ввиду большой электропроводности и малого удельного сопротивления металлов необходимо пользоваться большими токами – до нескольких тыс., даже десятков тыс., ампер при очень малом напряжении (U = I·R, U ≈ 2-6 вольт). Обычно используют переменный ток с применением силовых понижающих трансформаторов с регулятором. Контактная сварка подразделяется на несколько видов, причем электрическая часть машины во всех случаях примерно одинакова. Основные способы: стыковая, точечная и шовная контактная сварка, а также рельефная. Стыковая сварка осуществляется по двум схемам: сварка сопротивлением и сварка оплавлением. При сварке сопротивлением свариваемые детали 1 соосно зажимают в неподвижном (2) и подвижном (3) устройствах машины. Под некоторым давлением они приводятся в контакт друг с другом и включением трансформатора (4) через контактор (прерыватель) 5 обеспечивается замыкание цепи. После нагрева до температуры сварки (сварочного жара) давление увеличивается до осадочного - происходит пластическое деформирование нагретого металла для осуществления сварки (рис.1.5). Рис. 1.5. Контактная стыковая сварка: 1 – свариваемые детали; 2 – подвижный электрод; 3 – неподвижный электрод; 4 – сварочный трансформатор машины; 5 – контактор (прерыватель) При сварке оплавлением напряжение на детали подается, когда между ними зазор. При медленном сближении элементов 1 появляется контакт между отдельными точками торцов, приводящий к оплавлению всей поверхности. В нужный момент контактором 5 выключают ток и нагретые поверхности сдавливают. При этом выдавливается расплавленный металл, и твердые (в пластическом состоянии) нагретые объемы металла свариваются. Таким способом сваривают стержни, трубы, полосы, рельсы, звенья цепей и т.д. Точечная сварка. Применяется для соединения деталей внахлестку t ≤ 5-6мм. Детали зажимают между двумя электродами с выпуклой поверхностью до контакта, включают контактором трансформатор; металл разогревается выделенным теплом, образуя ядро литого металла. Ток выключают, увеличивают сдавливание, после затвердевания жидкого металла происходит сваривание в районе литой точки (рис. 1.6). Рис. 1.6. Контактная точеная сварка: 1 – электроды; 2 – свариваемые детали; 3 – сварочный трансформатор; 4 – контактор; 5 – сварная точка Шовная сварка. В принципе осуществляется так же как точечная, обеспечивая плотно-прочные герметические швы. Это достигается последовательной постановкой ряда точек с частичным перекрытием последующей точкой предыдущей. Электроды выполнены в виде роликов, которые при вращении протаскивают свариваемые элементы между собой, а периодическое включение тока приводит к последовательной сварке точек.
е) Индукционная сварка. В этом случае металл до сварочной температуры нагревается токами высокой частоты с помощью специального индуктора, имеющего форму, соответствующую форме нагреваемой детали. С помощью индукционного нагрева металл нагревают до расплавления и осуществляют плавлением, но практически требуется приложить осадочное давление, когда достигнута температура сварочного жара (рис.1.7). Рис. 1.7. Индукционная сварка: 1 – свариваемые детали; 2 – индуктор ж) Диффузионная сварка в вакууме. Применяется для сварки химически активных металлов. Для защиты от воздействия O2; N2 воздуха применяют вакуумные камеры с вакуумом 10-3-10-5мм рт.ст. После достижения такого вакуума осуществляют индукционный нагрев и дают осадочное давление. з) Термитная сварка. Термитами называют порошкообразные или зернистые смеси, состоящие из металла с большой теплотой образования окисла (Al, Mg) и окисла металла с меньшей теплотой образования (Fe, Cu - окислы). Наиболее известный термит – Al и железная окалина Fe3O4. При сгорании смесь дает восстановленное железо и окись алюминия, нагреваясь до Т =3000°С, с выделением большого количества тепла. 3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe+Q. 1кг смеси дает при сгорании 750 ккал тепла. Изделие, которое нужно сварить, заформовывают и нагревают до начала красного каления с одновременной прокалкой формы. Термитную смесь сжигают в тигле, и после отстойки расплав разделяется на два слоя: нижний - жидкое железо, верхний - жидкий шлак, в основном из Al2O3. Этим расплавом заливают заформованное изделие, расплавляя кромки изделий, сплавляя их с металлом из тигля (сварка плавлением) или же только разогревая их кромки до сварочного жара и производит сварку путем сдавливания разогретых частей (сварка давлением). В тигель иногда добавляют присадки: например, ферромарганец. Таким способом сваривают рельсы, стальные трубы, чугунные детали. 1.3.2. Сварка плавлением Включает следующие способы: газовая сварка, дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая и др. 1) Газовая сварка плавлением. При этом способе источником тепла является высокотемпературное пламя горючих газов, из которых наибольшую температуру дает (свыше 3000°С) ацетилено-кислородное пламя (рис. 1.8, а). При местном нагреве сосредоточенным пламенем кромки двух деталей могут быть расплавлены, образуя ванну. При движении пламени вдоль стыка металл под ним будет расплавляться, а позади пламени (вследствие охлаждения) затвердевать, образуя сварной шов между деталями. При соответствующем режиме можно получить необходимое проплавление металла и рабочее сечение шва. Для обеспечения равнопрочности соединения требуется сквозное проплавление металла, поэтому при большой толщине листов кромки обрабатывают под сварку, а объем разделки заполняют расплавленным присадочным материалом в виде прутка, подаваемого при сварке в пламя и расплавляющегося вместе с основным металлом. а) б) Рис. 1.8. Сварное соединение: а – газовая; б – дуговая; 1 – свариваемое изделие; 2 – присадочный металл; 3 – сварочная горелка; 4 – электрод; 5 – жидкий металл; 6 – наплавленный металл 2) Электрическая дуговая сварка. При дуговой сварке нагрев металла осуществляется сварочной дугой. При устойчивом длительном протекании тока через ионизированный газовый промежуток между двумя электродами, подсоединенными к источнику питания, выделяется тепловая и световая энергия (рис.1.8.б). Температура, развиваемая дугой очень высока (6000-30000°С) и значительно превышает температуру плавления различных конструкционных материалов. Дуговой разряд для сварки металлов применяют при различных формах его использования. Сварка независимой дугой. Осуществляется нагревом металла дугой, горящей между 2-мя или 3-мя неплавящимися электродами, подключенным к разным полюсам источника. Изделие в электрическую цепь не включено, и дуга горит независимо от свариваемого изделия. Нагретые газы столба дуги контактируют с поверхностью металла, нагревают и расплавляют его. Дуга воздействует на изделие аналогично газосварочному пламени, а сама операция сварки производится так же. Сварку ведут как без присадок, так и с добавлением присадки, подаваемой в дугу в виде прутка (рис. 1.9). Рис. 1.9. Сварка независимой дугой: 1 – сварочная дуга; 2 – электрод; 3 –свариваемое изделие; 4 – жидкий металл Сварка неплавящимся электродом выполняется, когда свариваемое изделие включено в цепь дуги и является одним из его полюсов, а вторым полюсом является неплавящийся (угольный, графитовый или вольфрамовый) электрод. За счет тепла дуги изделие, а также присадочный металл, расплавляются. Эффективность сварки таким способом значительно выше предыдущего способа. Способ имеет довольно широкое применение. Сварка плавящимся электродом. (Прямое действие дуги). Этот способ наиболее эффективен и имеет высокий к.п.д. Дуга питается как постоянным, так и переменным током. Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, к изделию – положительный (это прямая или нормальная полярность). Присоединение плюса к электроду дает обратную полярность. Выполняется сварка плавящимся электродом по такой же схеме, как и при неплавящемся электроде. Металлический электрод является одновременно источником присадочного металла. Сварка плавящимся электродом может выполняться (см. рис.1.10): а) открытой дугой, когда металл в области действия дуги не защищен от воздействия воздуха или защищается от его воздействия специальными веществами (газо- и шлакообразующими), вносимыми с электродом в виде покрытия.
б) закрытой дугой, когда место горения ее закрыто порошкообразным флюсом, плавящимся теплом дуги и образующим шлак; дуга горит при этом в пространстве, изолированном слоем шлака и нерасплавленного флюса (в газовом пузыре). Этот метод защиты характерен для механизированной сварки – автоматической и полуавтоматической под слоем флюса.
в) дугой, защищенной от воздуха специальной газовой защитой – углекислым газом, аргоном или гелием. Этот способ относится к способам сварки в среде защитного газа. Рис. 1.10. Сварка плавящимся электродом: 1 – сварочная дуга; 2 – электрод; 3 – свариваемое изделие; 4 – жидкий металл 3) Атомноводородная сварка. При вдувании в дугу между неплавящимся графитовым или вольфрамовым электродами струи водорода последний защищает электроды и расплавленный металл от действия воздуха и является переносчиком тепла из дуги на изделие. При высокой температуре молекулярный водород распадается на атомы (диссоциирует) и забирает большое количество тепла. (103800 кал/моль). Попадая в область низких температур, атомы снова объединяются в молекулы, выделяя забранное тепло. При вдувании в дугу неплавящегося или плавящегося электрода специального газа получим разные способы сварки в среде защитных газов. Применяют различные газы: активные, взаимодействующие с металлом при сварке (H2;CO2) или инертные, практически не реагирующие с металлом (аргон, гелий). Так, например, аргоно- и гелиедуговая сварка широко применяются по схеме неплавящегося или плавящегося электрода при выполнении сварных соединений из ряда металлов и сплавов (алюминия, титана и сплавов специальных сталей и никелевых сплавов). Сварка плавящимся электродом в углекислом газе широко применяется при изготовлении сварных соединений из углеродистых и легированных сталей. Разновидность сварки в среде защитных газов – сварка в контролируемой атмосфере. 4) Электрошлаковая сварка. Если под дугой определенной мощности расплавить достаточно большое количество токопроводящего шлака, то совместным действием шунтирования тока дуги и механическим воздействием веса столба шлака газовый пузырь у дуги может быть исключен. Тогда дуга погаснет, и весь ток от электрода будет поступать на свариваемое изделие вследствие электропроводности расплавленного шлака. В результате тепловыделения в шлаке, обусловленного прохождением тока, расплавляются электрод и кромки свариваемых деталей, образуя металлическую ванну. При вертикальном расположении выполняемого шва (нормальное положение сварки) для предотвращения вытекания расплавленного металла и шлака применяют специальные медные водоохлаждаемые формирующие устройства, механически перемещаемые по поверхности свариваемых деталей со скоростью выполнения шва. По мере удаления источника тепла снизу в результате кристаллизации образуется сварной шов. Этот способ применяют для сварки деталей больших толщин (практически любых) за один проход. 5) Электроннолучевая сварка. Способ основан на использовании для нагрева и расплавления металла энергии пучка быстро движущихся электронов электронного луча. Испускаемые излучателем – катодом – электроны разгоняются действием электрического поля высокой напряженности до больших скоростей, сравнимых со скоростью света, и фокусируются в тонкий луч, направляемый на изделие, являющееся анодом. Процесс происходит в вакууме не ниже 10-4мм рт.ст. Встречаясь с поверхностью анода, электроны отдают свою энергию в изделие в виде тепла.
2. Сварочная дуга 2.1. Электрические и тепловые процессы при сварке 2.1.1. Общие требования к сварочным источникам тепла В большинстве случаев сварка выполняется с местным нагревом свариваемых деталей до температуры, определяемой свойствами их материалов и способов сварки. При сварке плавлением температура в месте сварки (Tм) значительно больше температуры плавления металла (Тпл). Для сварочного нагрева может быть использовано превращение различных видов энергии в тепловую: электрической, химической, механической, лучистой, атомной и др. Наиболее широко применяют источники тепла, основанные на превращении энергии электрического тока в тепло. Это дает следующие преимущества : чистота процесса, возможность точно регулировать нагрев, создавать различные тепловые мощности, получать высокие температуры, необходимые для сварки. Этот источник тепла и самый экономичный. Электрические источники тепла разнообразны по своей природе и принципу действия. Наиболее важные их них: 1) Электрический дуговой разряд или электрическая дуга; 2) Плазменная струя; 3) Джоулево тепло, выделяющееся в проводниках при протекании через них тока; 4) Индукционные токи, возникающие в металле при воздействии переменного магнитного поля; 5) Электронный луч, бомбардирующий нагреваемое тело электронами. В химических источниках тепла используют экзотермические химические реакции, идущие со значительным выделением тепла. К ним относятся : 1) сжигание газов, жидкостей иди твердых горючих в смеси с кислородом или воздухом; 2) сжигание основного металла в кислороде; 3)термитные реакции; 4) обменные реакции различных химических соединений с основным металлом. Сварочные источники тепла должны обладать: 1) большой тепловой мощностью; 2) высокой концентрацией тепла; 3) значительной эффективностью; 4) экономичностью. Кроме того, они должны быть удобными в работе. Тепловая мощность источника q – полное количество тепла, выделяемого им в единицу времени – (кал/сек). Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, инструмента, оборудования и т.п., другая часть эффективно расходуется на нагрев деталей. Количество тепла, сообщаемое источником нагреваемой детали в единицу времени, называется эффективной мощностью источника тепла – qu (кал/сек). Важной характеристикой источника тепла является эффективный КПД – , представляющий отношение эффективной мощности к полной тепловой мощности: или . Воздействие источника тепла на нагреваемый металл оценивается интенсивностью источника, определяющей удельную тепловую мощность. 2.1.2. Электрические и тепловые свойства дуги Электрические свойства дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный самостоятельный разряд электричества в атмосфере газов и паров металла между двумя электродами, проводящими большой ток - (5-4000) А - при относительно низком напряжении – (10-60)В. В обычных условиях газы не являются проводником, но при наличии заряженных частиц, электронов и ионов становятся электропроводными. Включенные в цепь два электрода при соприкосновении дают ток короткого замыкания. При этом они сильно нагреваются и выделяют тепло. Металл катода сильно накаляясь, приобретает способность излучать свободные электроны в пространство - термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия (кинетическая энергия электронов становится больше энергии, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрода) (рис.2.1.а).
После раздвижки (на 3-5мм) электродов ток не исчезнет, но уменьшится. Вызванный поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном зазоре и возникновение дугового разряда. В дуговом промежутке происходят сложные процессы. По пути от катода к аноду электроны сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. Вследствие удара и других причин происходит ионизация воздуха: образуются новые катионы и ионы. Положительные ионы, обладающие большой массой и образующие мощный поток, бомбардируют катод, а отрицательные частицы – анод (рис.2.1, б).
В электрической дуге, питающейся постоянным током и горящей между двумя электродами, различают три основных участка - катодную область, столб дуги и анодную область (рис.2.1.в). Дуга окружена ореолом пламени, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров металлов и продуктов их реакции с окружающей средой. Наличие ярко светящегося катодного пятна объясняется многими причинами, одной из главных является бомбардировка ионами. Благодаря свечению катод долгое время сохраняет эмиссию, которая прекратится в противном случае. На катодном пятне весьма велика плотность тока (при I = 300-400 A). На аноде существует анодное пятно, не играющее существенной роли. При бомбардировке его электронами и отрицательными ионами энергия их движения превращается в тепловую. а) б) в) Рис. 2.1. Схема процесса зажигания дуги и ее строение: а – короткое замыкание; б – ионизация воздуха; в - установившаяся сварочная дуга; 1 – электрод (катод); 2 – анод (изделие); 3 – электроны; 4 – ионы; 5 – катодная область; 6 – столб дуги; 7–анодная область; 8–ореол В процессе сварки на основном металле (аноде) образуется углубление, называемое кратером. Расстояние между концом электрода и дном кратера называют длиной дуги lд. Причины образования кратера не очень ясны и на этот счет существует три гипотезы. Согласно первой гипотезы кратер образуется под действием магнитного поля дуги. Другая гипотеза объясняет кратер давлением газов и паров, образованных при большой температуре. Третья гипотеза – каждая капля испаряется, разлетаясь подобно ракете в разные стороны. Расстояние от поверхности металла до дна кратера – глубина проплавления – h. При горении дуги электропроводность столба дуги увеличивается за счет паров металла, нагретого газа, автоэлектронной эмиссии (высокая напряженность электрического поля) и других процессов. Изменение электропроводности столба дуги оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги. Напряжение на дуге равно сумме падений напряжений в трех основных областях (рис.2.2). Рис.2.2. Напряжение дуги: Uд = Uк +Uс +Uа Uд – напряжение на дуге, В; Uк – падение напряжения на катоде, В; Uс – то же в столбе дуги; Uа – то же на аноде Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. В общем виде статическая характеристика имеет вид (рис. 2.3). При малых значениях Icв в электроде (обл. I) статическая хар-ка дуги падающая (отрицательная). Рис. 2.3. Статическая вольт-амперная характеристика дуги Iсв – сварочный ток, А; Uд – напряжение дуги, В; I, II, III – соответственно падающая (отрицательная), жесткая, возрастающая (положительная) характеристики При средних значениях силы тока (ручная и автоматическая сварка под флюсом) напряжение в дуге не зависит практически от силы тока (обл. II, так называемая жесткая характеристика). В этом случае достаточно точно статическая вольт-амперная характеристика может быть выражена аналитически: , где lд – длина дуги, мм; А (вольты) и В (В/мм) – постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды. Из этого уравнения следует, что при прочих равных условиях, напряжение на дуге будет зависеть от длины дуги (рис.2.3). Из рис. 2.4 видно, что с возрастанием тока – Iсв до (30-50)А – напряжение падает резко, а далее остается почти постоянным. В момент зажигания дуги для ионизации газа требуется напряжение (30-60)В, а при установившемся режиме дуги требуется в 1,5-2 раза меньшее. Напряжение горения дуги при токах более (50-60) А не зависит от силы тока, а только от длины дуги, изменяясь пропорционально ей. Рис. 2.4. Зависимость статической вольт-амперной характеристики от длины дуги Возрастающая (положительная) вольт-амперная характеристика дуги (обл.Ш) (рис.2.3) получается при большой силе тока (при автоматической сварке под флюсом или при сварке в среде защитных газов). Электрический режим дуги переменного тока обладает рядом особенностей. Характер изменения I и U в электрической дуге переменного тока выражается кривыми (рис.2.5). Если кривая I почти не искажается, то кривая U искажена резко. Рис. 2.5 Электрический режим дуги, питающейся переменным током t – время восстановления дуги, с Здесь t – время восстановления дуги, т.е. время необходимое для восстановления напряжения от 0 до U зажигания дуги. Чем меньше t, тем спокойнее и устойчивее горит дуга. С повышением напряжения уменьшается время восстановления дуги (рис.2.6,а) (U1>U2; t1Отклонения дуги. На дугу, являющуюся гибким проводником тока, действуют различные факторы, отклоняя ее от прямолинейного направления. Это отклонение, особенно заметное при сварке на постоянном токе большой силы, получило название магнитного дутья. Особенно большой силы оно достигает при токах 300-400 А. На появление магнитного дутья влияют: сила сварочного тока, взаимодействие магнитных полей вокруг электрода и изделия, неуравновешенные ферромагнитные массы, расположение токоподвода к изделию, зазоры между свариваемыми деталями, угол наклона электрода к изделию, воздушные потоки и др. факторы. а) б) Рис. 2.6 а – зависимость времени зажигания дуги t от напряжения дуги; б – угол сдвига фаз «y» при питании дуги переменным током; Собственное магнитное поле возникает от прохождения тока по элементам, составляющим сварочную цепь. При симметричном магнитном поле дуга горит нормально, в противном случае отклоняется (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Отклонение дуги под действием собственного магнитного поля Соответствующим подбором угла наклона электрода также изменяют интенсивность магнитного дутья. Близко расположенные ферромагнитные массы, имея большую магнитную проницаемость, стремятся на себя замкнуть магнитные силовые линии (рис. 2.8). Аналогичные процессы протекают при сварке угловым швом деталей большого размера (рис.2.9) и при сварке стыковых швов. Рис. 2.8 Рис. 2.9 Наиболее распространенные способы уменьшения влияния магнитного дутья: наклон электрода в сторону отдувания дуги; подключение токоподвода к изделию в определенном месте; уравновешивание магнитных масс; замена постоянного тока переменным. Тепловые свойства дуги. Электрическая дуга является мощным и концентрированным источником тепла. Распределение температуры в зоне дуги подчиняется сложным законам и весьма неравномерно вдоль и поперек оси дуги. При угольном катоде температура у катода 3300-3100° по оси, у анода 3800-4000°. В середине дуги температура достигает 6000-7000° (рис.2.10). Неравномерно и выделение тепла, у анода его больше (42-43%), анод горячее, чем пользуются сварщики, используя прямую или обратную полярность. В большинстве случаев свариваемые детали массивны и чаще применяют прямую полярность. Обратную применяют: I) при сварке тонких элементов во избежание прожога; 2) при использовании электродов некоторых типов (в паспорте указывают ток и полярность). При дуге переменного тока температура и количество выделяемого тепла на обоих электродах выравниваются. Рис. 2.10 а – свариваемое изделие; б – угольный электрод Тепловая мощность горящей дуги – q0 – полное количество тепла, выделяемое ею в единицу времени (тепловой эквивалент электрической мощности): q0=0,24×I×Uд, кал/сек. Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, оборудования и т.п., другая часть эффективно расходуется на нагрев свариваемых деталей. Количество тепла, сообщаемое сварочной дугой свариваемой детали в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги: q0=0,24×I×Uд×, кал/сек. – эффективный КПД нагрева металла дугой, зависящей от способа сварки, материала электродов, состава покрытия и др. – при сварке тонкопокрытыми электродами и в среде защитных газов (аргон); – при сварке толстопокрытыми электродами; – при сварке под флюсом. Погонной энергией дуги называют количество тепла, вводимого в 1см длины однопроходного шва или валика; она определяется отношением эффективной тепловой мощности дуги к скорости перемещения дуги v в см/сек: Погонная энергия является основным показателем для выбора режима сварки. При дуговой сварке плавящимся электродом и постоянном сечении однопроходного шва или валика многопроходного шва погонная энергия пропорциональна поперечному сечению однопроходного шва или валика и в этих случаях погонная энергия может быть выражена: где – удельный вес металла шва; – коэффициент наплавки; F – поперечное сечение шва, см2. Подставив в последнюю формулу численные значения для ручной сварки электродами с толстым покрытием и для автоматической сварки получим значения погонной энергии: обычно принимают: где F – площадь поперечного сечения шва, см2. Пользуясь этой формулой можно определить величину погонной энергии по заданному сечению шва. Сварка в плазме (плазмотроны). Применяют для сварки и резки металлов высокотемпературную дуговую плазму, получаемую при пропускании столба дуги в атмосфере сжатого газа или в кольцевом магнитном поле. В первом случае независимая дуга горит между вольфрамовым электродом (катодом) и соплом горелки (анодом). Во втором случае между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом. Газ, проходя через плазму дуги, сильно ионизируется. Нагрев происходит за счет непосредственной бомбардировки металла частицами струи, температуры соответственно 15000 и 30000°С. Дуговой плазменной струёй сваривают тугоплавкие металлы, металлы с неметаллами, паяют, производят разделительную резку различных материалов. 2.2. Процессы плавления и переноса металла при дуговой сварке Перенос электродного металла на изделие - сложный процесс. В начале горения дуги на торце электрода образуется слой расплавленного металла (I), который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю(II). Достигая определенных размеров капля перекрывает дугу, кратковременно замыкая сварочную цепь (III). Мостик из жидкого металла разрывается, дуга вновь возникает, и процесс образования капель повторяется. Величина и кол-во капель в единицу времени зависят от многих факторов (полярности и силы тока, химсостава и физического состояния электродного металла, состава покрытия и т.д.). Перенос металла бывает трех видов: крупнокапельный, мелкокапельный и струйный. Рис. 2.11. Механизм переноса электродного металла в ванну 1 – жидкий металл электрода; 2 – жидкий металл ванны Перенос капель жидкого электродного металла на свариваемый металл происходит под действием многих факторов - сил тяжести и поверхностного натяжения, газового дутья и внутреннего давления, электродинамических сил. Сила тяжести может содействовать или препятствовать переносу капель через дугу, в зависимости от пространственного положения шва при сварке.
Сила поверхностного натяжения стремится придать капле форму с наименьшей поверхностью, в которой она находится до слияния с общей ванной. Газовое дутье создается за счет частичного превращения электродного металла в пары под действием высокой температуры дуги и за счет давления газов при сгорании покрытия электродов. Газовое дутье направлено по оси электрода и способствует слиянию капли с общей ванной. Внутреннее газовое давление в каплях металла создается за счет собственных выделенных и поглощенных металлом газов в зоне дуги. С повышением температуры внутреннее давление газов увеличивается, способствуя переносу капли при любом положении шва в пространстве, увеличивается разбрызгивание. Электродинамические силы имеют наибольшее значение в переносе капель с электрода на изделие. При напряженности электрического поля электрода большей, чем основного металла возникает продольная сила, действующая от электрода к изделию. Сжимая жидкий металл у торца электрода, она способствует отделению и переносу капель в сварочную ванну. Струйный перенос имеет преимущество перед капельным – меньше выгорают легирующие добавки, повышается чистота металла капель и шва, увеличивается скорость расплавления сварочной проволоки. Производительность наплавки или производительность переноса электродного металла в шов определяется по формуле: где – коэффициент наплавки, в г/А×ч; I – сила сварочного тока, А.
3. Металлургические процессы при дуговой сварке 3.1 Условия плавления металла и существования его в жидком виде Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в следующих характерных условиях: 1) при высокой температуре; 2) в небольшом объеме расплавленного металла; 3) в течение короткого времени; 4) при быстром отводе тепла ввиду наличия близлежащего холодного металла; 5) при участии двух разных металлов; б) при интенсивном воздействии окружающих газов и шлака. В результате сосредоточенного воздействия тепла сварочной дуги плавится основной и электродный металл вместе с покрытием или флюсом. Расплавленный металл электрода переходит в виде капель различной величины к расплавленному участку основного металла, смешивается с ним, образуя сварочную ванну. Сварочные ванны различают двух типов: 1) сварочная ванна, образующаяся при естественном охлаждении и формировании шва; 2) сварочная ванна, образующаяся при использовании искусственного охлаждения и принудительного формирования шва. Сварочная ванна первого типа для ручной и автоматической сварки под флюсом представляет собой следующее (рис.3.1). При сварке под флюсом расплавленный шлак образует полость-пузырь, охватывающий зону сварки. Стенки ванны образованы оплавленным основным металлом. Расплавленный металл в ванне в начальный период ее существования частично оттеснен к ее задней стенке, вследствие чего образуется кратер. По мере удаления источника тепла кратер заполняется жидким металлом. В процессе сварки сварочная ванна перемещается в направлении сварки с определенной скоростью – Vсв, м/с. Время, в течение которого сварочная ванна переместится вдоль шва на расстояние А, т.е. на длину ванны, называют временем существования ванны. Это время при автоматической сварке стали толщиной t =5-30 мм колеблется в пределах 5-40 сек, при ручной сварке оно меньше.
а) б) Рис. 3.1. Сварочная ванна первого типа: а – ручная дуговая сварка; б – сварка под флюсом; 1 – электрод; 2 – дуга; 3 – основной металл; 4 – направление сварки; 5 – жидкий металл; 6 – металл шва; 7 – шлаковая корка Ванна расплавленного металла занимает малый объем. Длина ванны А при ручной сварке 20-30 мм, при автоматической – 80-120мм, ширина В, соответственно, 8-12 мм и 20-30 мм; глубина Н – 2-3 и 5-20 мм. Температура расплавленного жидкого металла в сварочной ванне не везде одинакова: на периферийных участках она близка к температуре плавления, а на участках, находящихся под непосредственным воздействием дуги, значительно выше. При автоматической сварке малоуглеродистой стали средняя температура ванны около 1800°С, максимальная температура переднего участка 2300°, заднего участка 1530°С. Сварочная ванна второго типа образуется при электрошлаковой сварке и при вертикальной дуговой сварке под флюсом с принудительным формированием шва (рис.3.2). Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками формирующих внешних ползунов. Здесь верхняя часть ванны все время находится в жидком состоянии в процессе перемещения, что создает наиболее благоприятные условия для удаления из металла шлаковых включений и газов. Параметры ванны – глубина Н и ширина В. Металл сварного шва претерпевает значительные температурные воздействия: нагрев, плавление, затвердевание и остывание. Нагреву и остыванию подвергается также и околошовная зона основного металла. а) б) Рис. 3.2. Сварочная ванна второго типа: а – автоматическая сварка под флюсом в вертикальном положении; б – электрошлаковая сварка; 1 – электрод; 2 – флюс; 3 – жидкий металл; 4 – охлаждающие формирующие ползуны; 5 – наплавленный металл (сварной шов); 6 – основной металл; 7 – жидкий шлак Изменение температуры во время сварки в данной точке сварного шва или околошовной зоны называется термическим циклом. Термический цикл зависит от принятого способа сварки и режима сварки. Путем регулировки времени нагрева и остывания и при правильном подборе режима сварки можно повлиять на формирование структуры шва и околошовной зоны, получая требуемое качество сварки.
Основные параметры режима, регулирующего термический цикл сварки, является величина погонной энергии дуги и начальная температура металла. С увеличением первой или второй величины уменьшается скорость охлаждения, что благоприятно сказывается на структуре шва и околошовной зоны.
В результате соприкосновения металла ванны с твердым основным металлом происходит быстрый отвод тепла, металл шва кристаллизуется и застывает. В задней части ванны def происходит процесс кристаллизации. На характер кристаллизации расплавленного металла и структуру околошовной зоны влияет быстрота приложения и отвода тепла. В сварочной ванне происходят следующие процессы на различных этапах ее существования: а) перемешивание шлака с расплавленным основным и электродным металлом; б) газовая и шлаковая защита ванны; в) окисление, раскисление и легирование металла ванны; г) растворение газов в металле ванны; д) образование пор и шлаковых включений; е) кристаллизация металла и формирование шва. Металл шва представляет собой сплав основного и электродного металла, иногда сильно различающихся по химсоставу. На химический состав металла влияет это, а также реакции в процессе сварки. На ход и интенсивность последних влияют окружающая среда, степень защиты ванны от воздуха, состав окружающих газов и шлака, режим сварки. 3.2. Физико-химические процессы при сварке плавлением 3.2.1. Особенности металлургических процессов при сварке При высокой температуре в дуге происходят химические реакции, не имеющие места при обычном металлургическом процессе, например диссоциация (разложение сложных молекул) газов: О2 О + О± Q1; N2 N + N ± Q2; H2 H + H ±Q3; Q1, Q2, Q3 – количество тепла, поглощаемое или выделяемое реакцией. Атомарный азот и кислород интенсивно соединяются с железом и другими элементами в стали, насыщая шов. Атомарный водород легко растворяется в жидкой стали и при ее затвердевании не успевает весь выделиться, оставаясь частично в шве. При высокой температуре происходит интенсивное испарение и выгорание (окисление) элементов из стали. Взаимодействие жидкого металла ванны с газами. КИСЛОРОД, поступая в ванну из воздуха или покрытия и флюсов. интенсивно окисляет железо и другие элементы расплавленного металла. При этом железо окисляется атомарным кислородом: Fe + O = FeO + Q4; или молекулярным: 2Fe + O2 = 2FeO + Q5. Образующаяся в результате реакций закись железа хорошо растворяется в стали до полного насыщения. Ввиду быстроты процесса затвердевания металла шва значительная часть закиси железа не успевает выпасть в осадок и перейти в шлак и остается в шве. Если в стали ВСтЗкп содержание O2 =(0,01-0,02) %, то в металле шва, выполненного металлическим электродом незащищенной дугой его 0,25-0,3 %. Кислород интенсивно окисляет в стали углерод, кремний, марганец и другие элементы. При указанном способе сварки окисляется и переходит в шлак и газы в среднем (10-12) % Fe, (50-60)% С, (40-50)% Mn. Длина дуги оказывает влияние на степень окисления: чем больше дуга, тем интенсивнее окисление; при меньшей дуге окисление менее интенсивно. Находясь в виде закиси FеО, кислород является вредной примесью резко снижая механические свойства стали (рис. 3.3). Рис. 3.3 Влияние кислорода на механические свойства стали Рис. 3.4 Влияние азота на механические свойства стали 1 – ; 2 – ; 3 – d; 4 – ак ВОДОРОД, попадая в сварочную ванну из влаги воздуха, электродных покрытий, ржавчины, органических веществ покрытий, растворяясь в ванне при высокой температуре в атомарном виде, при остывании ванны переходит в молекулярное состояние. Будучи в таком состоянии нерастворимым в стали, водород при кристаллизации ванны выделяется из шва. Выделяясь не полностью, молекулярный водород остается в шве в виде газовых включений и является вредной примесью, образуя пористость и трещины в шве и околошовной зоне. АЗОТ поступает в ванну из воздуха и при взаимодействии с металлом образует нитриды железа Fe4N, Fe2N, марганца и др. элементов. Нитриды, выделившись из твердого раствора a-железа, насыщают шов в виде тонких включений – игл (в ВСт3 N2 ≤0,001÷0,0008 , а в шве – 0,12÷18%). Азот является вредной примесью, влияя на механические свойства стали (рис.3.4). Нитриды выделяются из твердого раствора a-железа не только при затвердевании, но и с течением времени, вызывая процесс старения. Понижение растворимости азота и водорода при понижении температуры затвердевающего металла приводит к выделению их из жидкого металла. Не успев всплыть на поверхность, пузырьки этих газов остаются в шве, образуя пористость. Необходимо стремиться к снижению содержания N и H в атмосфере дуги. УГЛЕРОД, содержащийся в основном и электродном металле, при окислении в СО (окись) обычно успевает выделиться из жидкого металла до остывания. Однако, при повышенном его содержании в ванне, при недостатке раскислителей, большой скорости сварки, часть окиси углерода не успевает выделиться и остается в шве в виде пор. Металл шва, выполненного незащищенной дугой, имеет пониженные механические свойства: σв =34-38 кг/мм2; d=3÷8%, ак =0,5÷1,5кгс/мм2, угол загиба – 30÷50 °. 3.2.2 Защита расплавляемого при сварке металла Для получения высококачественного металла шва и сварного соединения применяют защиту расплавляемого при сварке металла от окружающего воздуха шлаком или защитным газом. При сварке одновременно с расплавлением основного и электродного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера, называемая шлаком. Источники образования шлака - покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также окисление металла кислородом в результате реакций при сварке. При сварке шлаки могут иметь различный химсостав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (SiO2, TiO2, P2O5, Cao, Mno, Feo, Mgo, и др.) и солей различных кислот (СaS, MnS, CaF2 и т.п.). Окислы SiO2, TiO2 и P2O5 - кислые, остальные имеют основной характер. Все шлаки в зависимости от весового соотношения в их составе кислых и основных окислов делятся на кислые и основные. Отношение веса всех кислых окислов данного шлака к весу всех основных окислов называется степенью кислотности шлака. У кислых окислов она больше 1, у основных – меньше 1. Степень кислотности определяет его физические свойства и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.
Шлаки в сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают его от действия воздуха; химическое взаимодействие между шлаком и металлом раскисляет и легирует металл шва, шлак растворяет вредные соединения; увеличивают запас тепла в ванне и замедляет остывание металла. При наличии в шлаке стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги.
К шлакам предъявляют следующие требования: 1. Температура плавления шлака должна быть намного ниже температуры плавления металла. 2. Плотность жидкого шлака должна быть ниже плотности расплавленного металла - для обеспечения всплытия шлака в верхнюю часть сварочной ванны. 3. Шлак должен обладать хорошей жидкотекучестыо, т.е. малой вязкостью (для улучшения химической активности). 4. Шлак должен хорошо растворять различные соединения, вредных примесей в нем должно быть минимум. 5. В твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла. Действие газовой защиты более интенсивно, т.к. в этом случае реакции между газами и металлом обладают большей скоростью. При дуговой сварке покрытыми электродами защита осуществляется газами, образующимися в результате сгорания газообразных компонентов покрытия (крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука и т.п.), диссоциации мела, мрамора и других углекислых солей покрытия; диссоциации компонентов покрытия, богатых кислородом (Fe2O3, MnO). При сварке под флюсом источником образования газовой среды является плавиковый шлат СаF2, а также реакции между металлом и флюсом. При сварке в среде защитных газов (аргоне и гелии, их смеси, сварка в среде СО2 и т.п.) газы по шлангу вводят в зону сварки. В зависимости от способности защитного газа взаимодействовать с металлом в процессе сварки различают: защиту нейтральными газами (инертными – аргон Ar, гелий He и их смеси); защиту активными газами (О2, СО, СО2, Н2 смеси активных газов, пары воды). В первом случае газы практически не растворяются в металле и химически не взаимодействуют с ним и его примесями. Защита при этом заключается в оттеснении воздуха, содержащего N2 и O2 от зоны сварки. Активные газы при сварке растворяются в металле и образуют химические соединения. Защитное действие их состоит: в оттеснении воздуха от зоны сварки; в связывании попавших в зону дуги N2 и О2; в восстановлении металлов из окислов. Несмотря на защиту, в зону дуги будет проникать некоторое количество O2 и N2, поэтому электродные покрытия и флюсы должны обеспечивать удаление кислорода и азота из стали. 3.2.3 Взаимодействие металла сварочной ванны с электродными покрытиями и флюсом Кроме защиты расплавленного металла от воздуха покрытия и флюсы должны обеспечить раскисление, легирование и рафинирование. Раскисление – процесс освобождения стали от кислорода -осуществляется несколькими путями : 1) Восстановлением железа из закиси за счет окисления других элементов; 2) Связыванием кислорода элементами-раскислителями; 3) Связыванием закиси железа в нерастворимые в железе силикаты, переходящие в шлак. Процессы окисления и восстановления происходят при сварке беспрерывно. Первое происходит в передней части ванны (высокая температура), второе – в задней. Восстанавливается железо за счет окисления других элементов, имеющихся в основном и электродном металле или ванне – C, Si, Mn, Al; FeО + C = Fe + CО - практически не растворима в стали, всплывает в виде пузырьков; возможно образование пор при этом способе раскисления. 2FeO + Si =2Fe + SiO2 - кремний очень активный раскислитель, SiO2 не растворимо, уходит в шлак. FeO + Mn = Fe + MnO - мало растворима в железе, но растворяет в себе до 60% закиси FeO, унося его в шлак. 3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3- могут появиться трещины в горячем состоянии (при раскислении алюминием). В задней части ванны из жидкого металла интенсивно выделяется ранее растворившийся кислород, который взаимодействует с раскислителями переходят в шлак Таким образом, видно, что в ванну требуется введение раскислителей – Si, Mn, Al, C и др. В передней части ванны при наличии в шлаке MnO и SiO2 необходимой концентрации происходит процесс восстановления железом Mn и Si. MnO + Fe = FeO+ Mn; SiO2 +2Fe = 2FeO +Si. При этом Mn и Si переходят в металл, а FeО распределяется между металлом и шлаком. Удаление закиси FeО из стали производят также с использованием шлака, максимально лишенного FeО. При этом получаются стойкие силикаты, уходящие в шлак FeО + SiО2 = FeО·SiO2 2FeO + SiO2 =(FeО)2·SiO2 При наличии марганца - раскислителя силикаты могут реагировать с ним, восстанавливая железо FeО·SiO2 + Mn = MnO·SiO2 + Fe Силикат марганца остается в шлаке. Легирование металла шва происходит при сварке наряду с процессом раскисления. Легирование осуществляется для компенсации выгорания некоторых элементов в металле ванны или для ввода в металл элементов, не содержащихся в основном металле. Обычно легирующие элементы вводят в электродную проволоку или в покрытия и флюсы для получения металла шва требуемого химсостава. При сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей раскислители Мn и Si , имеющиеся в покрытиях и флюсах, являются и легирующими элементами. В плавленых флюсах для автоматической сварки раскислители и легирующие элементы находятся в виде окислов Mn и Si, которые восстанавливаются из шлака при сварке. Обычно при автоматической сварке кол-во восстановленного Mn и Si достаточно для выполнения указанных функций, хотя легирование этим путем ограничено. Хорошо обеспечивают легирование керамические флюсы, в состав которых вводят и легирующие элементы. Легирующими элементами при сварке служат : Mn, Si, Ti, Al, C, Cr, Ni, Mo и др. Рафинирование. Параллельно с раскислением и легированием при сварке происходит рафинирование металла шва, заключающееся в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей, например FeS, P2O5 и др. Ввиду наличия слоя расплавленного шлака на поверхности ванны процесс охлаждения металла шва происходит довольно медленно, поэтому из него успевают выделиться шлаковые и газовые включения. Защита расплавленного металла при помощи электродных покрытий или флюса обеспечивает получение высококачественного сварного шва с небольшим содержанием кислорода и азота. Так, при сварке малоуглеродистой стали электродами с толстым покрытием (УОНИ -13/45) содержание в шве кислорода составляет 0,02-0,03%, азота - 0,02-0,05%.При автоматической сварке под флюсом марки 0СЦ-45 кислорода содержится в шве 0,03-0,05%, азота - 0.002-0,003%. 3.3. Структура и свойства металла сварных соединений Так как качество сварного соединения зависит не только от химического состава металла шва, но и от его структуры, то следует проследить процесс кристаллизации металла. Кристаллизация - это процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании. Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических условиях:
1) при быстром концентрированном воздействии источника тепла и охлаждающих стенок ванны; при этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла; 2) распределение температуры по малому объему ванны неравномерно; 3) кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.
Процесс первичной кристаллизации начинается после прекращения действия дуги на сварочную ванну, в зоне def. Зародышевыми центрами кристаллизации являются подплавленные зерна основного металла - стенки ванны. На них как на своеобразной подкладке начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном отводу тепла, т.е. от стенок вглубь жидкого металла ванны. Однако они мешают росту друг друга в поперечном направлении и приобретают так называемую столбчатую форму (рис.3.5) Рис. 3.5 Схема роста кристаллов Рост таких кристаллов способствует лучшему выделению неметаллических включений, как бы выталкиваемых при этом на поверхность. Каждый столбчатый кристалл состоит из группы одинаково ориентированных дендритов, растущих от соответствующего центра роста кристаллизации кристаллов. В соответствии с теорией периодической кристаллизации (школа акад. Н.Т.Гудцова) кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями или волнами. Прерывистость процесса кристаллизации является причиной слоистости шва и мелкочашуйчатости поверхности его (рис.3.6). На неравномерность распределения элементов, химических соединений и других составляющих в металле - ликвацию - влияет коэффициент формы ванны – . Рис.З.6. Схема столбчатого и слоистого строения металла. В узких швах () зоны ликвации находятся в центре, поэтому они могут быть сильно ослаблены. В широких швах () условия кристаллизации лучше, зона ликвации находится вверху, что не отражается на прочности шва. При дальнейшем охлаждении наплавленного металла в твердой фазе происходят процессы вторичной кристаллизации, и металл приобретает вторичную структуру. Структуру сварных соединений изучают на поперечных и продольных шлифах металлографическими исследованиями, включающими исследование макро- и микроструктуры. При исследовании макроструктуры определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры и дефекты металла сварного соединения. При исследовании микроструктуры определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений, особенности отдельных структурных составляющих, наличие включений и трещин и т.д. Исследования микроструктуры сварного шва малоуглеродистой стали, выполненного электродами с покрытием или под флюсом, показывают, что металл шва имеет мелкозернистую структуру и равномерное распределение зерен феррита (Fe3, C≤0, 07%) и перлита(Fe3C + Fe), свидетельствующее о замедленном охлаждении шва под слоем шлака. В шве отсутствуют кислородные включения и нитриды. В сварных швах стали с повышенным содержанием углерода наблюдается увеличение количества перлита и рост зерен, что связано с увеличением содержания углерода. Такие стали чувствительны к перегреву и закалке, в них имеются участки перегрева с крупными кристаллами – видманштеттова структура. При перегреве снижаются пластичность и вязкость стали, ввиду чего стремятся не допустить перегрева или делают последующую термическую обработку. Сварное соединение разделяется на три основные зоны с различным микроструктурами: А - зона наплавленного металла; Б - зона термического влияния; В - зона основного металла. На рис.3.7 схематически изображен сварной шов, а над ним в том же масштабе проведена кривая распределения максимальных температур. Рядом в том же масштабе - левая часть диаграммы состояния Fe—С, где прямой I- I показан состав свариваемого металла по углероду. Рис. 3.7. Структура сварного соединения А – металл шва; Б – Зона термического влияния (ЗТВ); 1 – участок сплавления (неполного расплавления металла); 2 – участок перегрева; 3 – участок нормализации; 4 – участок неполной перекристаллизации; 5 – участок рекристаллизации; 6 – участок синеломкости Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, в котором произошли структурные фазовые изменения вследствие нагрева. Она состоит из следующих характерных участков (глубина ее 2-6 мм): 1 - неполного расплавления; 2 - перегрева; 3 - нормализации; 4 - неполной перекристаллизации;5 - рекристаллизации; б - синеломкости. Рассмотрим структуру этих участков. Участок неполного расплавления 1 - в виде тонкой переходной полоски от металла шва (0,1-0,4мм) к основному металлу имеет температуры - от Т плавления до ~14300С. Имеет жидкую и твердую фазы, что способствует развитию крупного зерна; структура феррито-перлитная (феррит вокруг перлита). Участок перегрева 2 лежит в интервале температур 1430-11000С, способствующих росту зерна, характеризуется крупнозернистостью. Феррит окружает укрупнённые перлитные зерна своеобразной каймой. В малоуглеродистой стали этот участок может отсутствовать. С повышением содержания С и легирующих элементов может образоваться видманштеттова структура. Участок перегрева имеет пониженные механические свойства (σт, σв, δ), поэтому влияет на качество соединения. Участок нормализации 3 лежит в областях металла с температурами от 1100°С до ТАС3(~800°). Здесь зерно аустенита не успевает вырасти ввиду малого времени действия таких температур. Последующая перекристаллизация при охлаждении металла дает мелкую равноосную структуру. Этот участок имеет самые высокие механические свойства. Участок неполной перекристаллизации 4 наблюдается в области нагрева до температур 880-720°С (ТАС1- ТАС3). Конечная структура металла на этом участке будет состоять из крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных вокруг них колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате перекристаллизации. Механические свойства этого участка хуже предыдущего. Участок рекристаллизации 5 находится в области нагрева от 720 до 500°С. Структуру этого участка составляют равноосные зерна феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергалась пластической деформации, то на этом участке никаких структурных изменений не будет.
Участок синеломкости 6 нагревается до температур 500-200°С. Он характеризуется снижением пластических свойств без видимых изменений структуры. Явление синеломкости объясняют выделением из твердого раствора субмикроскопических частиц различных примесей, располагающихся по границам зерен. Резких границ между участками зоны термического влияния не существует. Протяженность отдельных участков, а значит и зоны термического влияния, имеет большое значение для оценки качества сварного соединения. Чем меньше эта зона, тем выше качество соединения.
3.4. Шлаковые и газовые включения в сварных швах Состав шлаковых включений зависит в основном от применяемых электродов и флюсов. При сварке сталей включения возникают от застревания частиц кварца SiO2 и корунда Al2O3, присутствующих в покрытиях и флюсах. Эти включения, взаимодействуя с окислами (MnO, FeO и др.), образуют и более сложные легкоплавкие включения диаметром от нескольких микрон до десятков микрон. Шлаковые включения имеют следующий характер (рис.3.8). При сварке в металле возникает в довольно большом количестве серные включения в виде сульфида железа FeS, повышающего склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах. Одной из форм неметаллических включений в металле шва являются нитриды, в основном нитриды железа, обладающие высокой твердостью и снижающие пластические свойства метала шва. Рис.3.8. Характер шлаковых включений. Величина и количество шлаковых включений зависят от скорости всплытия частиц, их способности к коагуляции (укрупнение частиц под действием молекулярных сил сцепления), их вязкости, плотности и от механического воздействия на жидкий металл. Посторонние включения в металле отрицательно влияют на свойства металла, делая его неоднородным, способствуют коррозии. Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле принимают такие меры : -удаление загрязнений, ржавчины, окалины с кромок свариваемых деталей; -промежуточную зачистку швов от шлака при многослойной сварке; - замедление остывания металла (режим сварки, шлак), введение в состав покрытий и флюсов веществ, понижающих температуру плавления шлаков и позволяющих образовывать легко удаляемые из металла соединения. Появление в сварных соединениях пустот и газовой пористости – результат выделения газов из металла. Газовые поры возникают как в металле шва, так и в зоне взаимной кристаллизации, они имеют различную форму - шарообразную, вытянутую, скопление большого числа разнообразных пор (рис. 3.9). Газы в наплавленном металле могут быть в следующих состояниях: механически включенные (поры и пузыри), в растворе в виде химических соединений (FeO, Fe4N и др.), непосредственно растворенные (H2, CO2 и др.). Рис.3.9. Внутренние и наружные поры (свищи) при сварке Главные причины образования пор в металле шва: - интенсивное выделение газов при кристаллизации металла шва; -наличие влаги в присадочных материалах и окислов на кромках деталей; -недостаточная раскисленность; -относительно высокая концентрация закиси FeO в металле шва (FeO + С = Fe + СО); СО – пузыри; -наличие в стали значительного количества водорода; -наличие повышенного давления над поверхностью ванны (уменьшается скорость всплытия пузырей). Газовые поры и пузыри понижают механические свойства металла шва, создают концентрацию напряжений, повышая склонность к хрупким разрушениям. Более вредными являются крупные поры. Остающиеся в металле газы повышают его хрупкость, твердость и понижают пластичность. 3.5. Трещины при сварке и их классификация В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины горячие (кристаллизационные) и холодные (внутрикристаллические). Горячие или кристаллизационные трещины это такие, которые появляются в металле на завершающей стадии кристаллизации в интервале температур 1200-1000°С. При остывании и затвердевании шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллами остаются жидкие или полужидкие обогащенные растворенными элементами прослойки с температурой плавления ниже, чем у основного металла. При существовании таких прослоек в момент появления растягивающих напряжений, вызванных неравномерностью нагрева и остывания при сварке, в шве образуются горящие трещины. Они проходят по этим малопрочным прослойкам между кристаллами. Горячие трещины могут появляться и в околошовной зоне, где при действии высокой температуры по границам растущих зерен выделяются легкоплавкие составляющие и вредные примеси. Образование горячих трещин зависит от химсостава металла шва, термического цикла сварки, вида соединения и жесткости конструкции, направленности кристаллизации и др. Склонность наплавленного металла к образованию трещин увеличивают сера (FeS; MnS + FeS), углерод, кремний, водород и т.д. Существует несколько способов определения стойкости стали против образования горячих трещин. Один из способов, применяемый для всех способов дуговой сварки при толщине металла от 8 до 60 мм, состоит в следующем. Для пробы (испытания) изготовляют образец из двух пластин (рис. 3.10), привариваемых по контуру к плите, и имеющих разделку кромок под сварку контрольного стыкового шва. Заваренный контрольный стыковой шов после остывания осматривают через лупу с целью выявления наружных трещин. После этого удаляют закрепляющие швы и образец разрезают на 4 темплета b =70 мм (при сварке под флюсом) и b = 45 мм - при ручной сварке. Темплеты разрушают по контрольному шву путем изгиба или растяжения и изучают излом на предмет наличия трещин. По наличию или отсутствию трещин дают качественную оценку склонности металла шва к образованию трещин. Рис. 3.10. Образец для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин. Несколько видоизмененной конструкции подготавливают и исследуют образцы для определения склонности к образованию трещин углового шва или околошовной зоны. Для качественной и количественной оценки показателя стойкости металла шва против образования горячих трещин применяется методика, разработанная в МВТУ им. Баумана. В канавку закрепленного с помощью концевых отверстий в губках разрывной машины образца наплавляют валик. Когда дуга пройдет среднее сечение, где имеются концентраторы-отверстия Ø 7 мм, начинается растяжение образца со скоростью А. Наличие концентраторов деформаций вызывает также поперечное растяжение металла шва, приближая условия деформации к реально возникающим при сварке (рис. 3.11.).

Рис.3.11. Форма образца для испытания металла на технологическую прочность по методике МВТУ. При появлении трещин в шве дальнейшая деформация образца способствует их раскрытию до отчетливо видимых размеров. При отсутствии трещин металл шва деформируется пластично до конца испытаний. Меняя скорость растяжения образца при всех прочих равных условиях, можно найти критическую скорость растяжения образца, превышение которой вызывает появление трещин. Эта критическая скорость- Акр принята в качестве показателя сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин при сварке. Наличие трещин устанавливают обычно внешним осмотром. Холодные трещины возникают при низких температурах (ниже 400-300°) в результате структурных превращений в металле шва и околошовной зоны. Эти трещины внутрикристаллические. Их появление связано с фазовыми и структурными превращениями, продуктами которых являются хрупкие структуры типа мартенсита (НБ = 500-600). Причинами появления холодных трещин являются: концентрация водорода; концентрация углерода и легирующих элементов, вызывающая закалку и местные структурные напряжения; растягивающие напряжения от неравномерного нагрева и остывания; загрязнение металла фосфором; дефекты швов; объемно-напряженное состояние. Для определения стойкости стали против образования холодных трещин применяют специальные пробы. На образец, изготовленный из испытываемой стали (рис. 3.12), вручную или полуавтоматом наваривают валик. После остывания из образца вырезают темплеты шириной b = 8-10мм, на боковых гранях которых приготовляют микрошлифы. После этого определяют наличие трещин в околошовной зоне, по которым и оценивают стойкость металла против образования трещин. Имеется ряд других проб на стойкость против образования холодных трещин. Рис.3.12. Образец для определения стойкости металла против образования холодных трещин.
4. Свариваемость строительных сталей Важным технологическим свойством металлов является их свариваемость, т.е. способность давать качественное при сварке неразъемное соединение с заданными свойствами. Рассмотрим влияние химического состава строительных сталей на их свариваемость. По содержанию углерода углеродистые стали разделяются на малоуглеродистые (С0,25%), среднеуглеродистые (С =0,25÷0,6%) и высокоуглеродистые (С > 0,6%). Малоуглеродистые стали, применяемые в строительстве, хорошо свариваются. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается, повышается склонность к закалке и образованию трещин в швах и околошовной зоне. Применяют в строительстве и низколегированные стали с содержанием углерода не более 0,23%. Эти стали по свариваемости мало отличаются от малоуглеродистых. При содержании легирующих элементов в количествах, не превышающих соответственно: 0,3%Si;0,8% Mn и 0,8%Cr - не ухудшается свариваемость сталей; при большем их к-ве свариваемость ухудшается. Ухудшают свариваемость сера S, фосфор Р, никель Ni, медь Cu, молибден Mo и ванадий V. Ориентировочно свариваемость этих сталей определяют по суммарному содержанию легирующих элементов в процентах, приведенных к эквиваленту углерода: где вместо символа элемента подставляют его процентное содержание в данной марке стали. Сталь считают хорошо сваривающейся при Сэ≤0,45%. При Сэ>0,45% свариваемость ухудшается, и для получения качественного сварного соединения требуются специальные меры (предварительный подогрев, отжиг после сварки или другой вид термообработки). При автоматической сварке сталь с Сэ >0,45% иногда хорошо сваривается и без применения специальных мер. Более точно свариваемость стали определяют по следующим основным показателям, характеризующим ее свойства: 1) структура шва и околошовной зоны, их твердость; 2) стойкость металла шва против образования горячих трещин; 3) стойкость металла шва и околошовной зоны против образования холодных трещин; 4) прочность, пластичность и вязкость сварных соединений в исходном состоянии, после термообработки и после старения; 5) свойства сварных соединений, обусловленные эксплуатационными требованиями (износостойкость, стойкость против коррозии, хладноломкость, выносливость и пр.) Из этих показателей определяют те, которые имеют решающее значение для данной конструкции. Оценка свариваемости специальными испытаниями. Высокая температура нагрева и небольшая скорость охлаждения способствуют перегреву стали и росту зерна. Быстрое охлаждение приводит к образованию закалочной структуры (мартенсита), повышая твердость и ухудшая вязкость и пластичность сварного соединения. При наличии в низколегированной стали50% мартенсита наблюдается резкое увеличение твердости и склонности к образованию трещин. Поэтому подбирают режим сварки так (погонную энергию), чтобы в шве и околошовной зоне было не более 30-50% мартенсита. При оптимальном значении погонной энергии достигаются максимальные величины пластичности и вязкости. Характерным и приближенным показателем свариваемости является твердость околошовной зоны. При НБ300 сварка может выполняться без предварительного подогрева. В противном случае подогрев необходим. Для оценки свариваемости стали и подбора оптимального режима сварки существует несколько проб, из которых наиболее распространена валиковая проба по методике МВТУ им. Баумана. На вырезанные из испытуемой стали вдоль проката девять пластин наплавляют валики, применяя четыре-шесть различных погонных энергий сварки (рис.3.13). Далее из пластин изготовляют образцы и определяют ударную вязкость, критическую температуру хрупкости, величину зерна, структуру и твердость околошовной зоны. Эти показатели позволяют судить о свариваемости данной стали. По лучшим показателям определяют рациональный режим сварки. Прочность, пластичность, вязкость и другие свойства определяют механическими испытаниями сварных стандартных образцов (рис.4.1). Рис. 4.1. Пластина для испытания на свариваемость (валиковая проба по методике МВТУ) Прочность определяют испытанием на растяжение образцов из наплавленного металла и сварного соединения (а, б, в по рис.4.2); а) б)
в) г) д) е) Рис. 4.2. Образцы для испытания на механическую прочность сварных швов и соединений: а–испытание металла на растяжение; б, в–испытание сварного соединения на растяжение; г–испытание сварного соединения на холодный загиб; е–испытание на ударный загиб пластичность - испытанием образцов на загиб в холодном состоянии (рис.4.2, г,д), а также относительным удлинением при растяжении; ударную вязкость – испытанием на ударный изгиб (рис. 4.2,е).Эти же показатели определяют после термообработки и старения при различной температуре. Для определения специальных свойств, требуемых условиями эксплуатации, руководствуются ГОСТ или ТУ и соответствующими Правилами.
5. Сварочные материалы 5.1. Электродная проволока Для подвода тока и заполнения шва при сварке плавящимся электродом применяют электродные металлические стержни или проволоку. Сварочная стальная проволока используется при автоматической и механизированной дуговой и электрошлаковой сварке, для изготовления стержней электродов и присадочных прутков при ручной дуговой сварке, газовой и всех способах сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов. По ГОСТ 2246-70* изготовляют углеродистую (6 марок), легированную (30 марок) и высоколегированную (39 марок) стальную проволоку различных марок, диаметром 0,3; 0,5;0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 и 12 мм. Сварочную проволоку обозначают буквами «Св» и последующими цифрами и буквами в зависимости от химического состава. Пример химического состава сварочной проволоки приведен в таблице 5.1 (в %). Таблица 5.1. Марка проволоки С не более Mn Si Cr Ni Mo Ti S P Прочие Не более Углеродистая проволока Св-08 0,1 0,35-0,6 0,03 0,15 0,3 - - 0,04 0,04 - Св-08А 0,1 – // – – // – 0,10 0,25 - - 0,03 0,03 - Св-08ГА 0,1 0,8-1,1 – // – – // – – // – – // – – // – Св-10Г2 0,12 1,5-1,9 – // – 0,2 0,3 0,04 0,04 Легированная проволока Св-08ГС 0,1 1,4-1,7 0,6-0,85 0,2 0,25 0,03 0,03 Al-0,05 Св-08Г2С 0,11 1,8-2,1 0,7-0,95 – // – – // – 0,03 0,03 Al-0,05 Св-12ГС 0,14 0,8-1,1 0,6-0,9 – // – 0,3 – // – – // – Св-10ХГ2С 0,06-0,12 1,7-2,1 0,7-0,95 0,7-1 0,25 – // – – // – Стальную сварочную проволоку выпускают в мотках весом 2-40кг, в катушках (для сварочных автоматов) весом 5-80кг (соотв. d =0,3÷1,6 – 2÷5мм) или в кассетах. Поверхность проволоки должна быть без окалины, ржавчины, грязи и масла. Из таких же сталей выпускают наплавочную стальную проволоку диаметром d=0,3÷8мм; обозначают «Нn», используют только для наплавочных работ.
Для сварки алюминия и его сплавов применяется сварочная проволока из Аl и его сплавов, изготовляемая по ГОСТ 7871-75 различных марок, диаметром d=0,8÷12мм; обозначают СвА (табл. 5.2). Таблица 5.2. – Примеры химического состава сварочной проволоки из алюминия и алюминиевых сплавов, % Марка Al Mg Mn Si Fe Ti Be Прочие Всего примесей Примеси не более СвА1 99,5 – – 0,1-0,25 – – – 0,05 0,5 Cu-0.015 СвАК5 – // – – – 4,5-6 – 0,1-0,2 – 0,1 1,0 Fe-0.6; Zn+Sn-Cu 0.2 СвМг5 – // – 4,8-5,8 0,5-0,8 – – 0,1-0,2 0,002-0,005 0,1 1,4 Fe-0.4; Si-0.4; Zn-0.2; Cu-0.05 СвАМг6 – // – 5,8-6,8 0,5-0,8 – – 0,1-0,2 0,002-0,005 0,1 1,2 Fe-0.4; Si-0.4; Zn-0.2; Cu-0.1 СвА85Т – // – – – – – 0,2-0,5 – – 0,08 Fe-0.04; Si-0.04; Zn-0.02; Cu-0.01; Mg-0.01 СвАМц – // – – 1-1,5 0,2-0,4 0,3-0,5 – – – – Zn-0.1; Cu-0.2; Mg-0.05 Выпускают СвА в мотках весом 1,5-40кг с консервирующей смазкой, во влагонепроницаемой упаковке. По требованию потребителя при d 4мм проволока может поставляться в химически чистом виде и герметизированной упаковке. 5.2. Стальные сварочные электроды Классификация. Для дуговой сварки применяют стальные, вольфрамовые, угольные и графитовые электроды. Наиболее распространены стальные электроды (рис. 5.1.) с покрытием. Стальные электроды плавящиеся, остальные – неплавящиеся. Рис. 5.1. Электрод для ручной сварки Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей применяют электроды по ГОСТ 9467-75, а существует 5 классов. ГОСТ 9466-75 устанавливает классификацию, размеры и общие технические условия на покрытые металлические электроды для дуговой сварки и наплавки. Согласно ГОСТ 9467-75 электроды по назначению подразделяются: - для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву (σв) до 600 МПа (условно обозначается У); - для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву (σв) свыше 600 МПа (условно обозначается Л); - для сварки легированных теплоустойчивых сталей ( Т ); - для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами ( В ); - для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами ( Н ). В каждом классе объединено несколько типов электродов. Типы электродов имеют свое обозначение - Э42, Э42А, Э50 и т.д., где цифры характеризуют гарантированное минимальное σв в кгс/мм2 , а А-повышенные пластические свойства и вязкость наплавленного ими металла. Например: а) Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А - для сварки малоуглеродистых сталей: Э42 – δ =18; а=8; =150° : Э42А δ =22; а=15; =180°. | б) для сварки низколегированных сталей - Э50, Э50А, Э55; в) для сварки легированных сталей повышенной прочности: Э60, Э70, Э85, Э100, Э125, Э150. Электроды всех типов различают также по следующим признакам: 1) технологическим особенностям сварки (положение при сварке; глубина проплавления); 2) толщина покрытия (тонкое, толстое); 3) характеру образующихся при расплавлении шлаков; 4) роду применяемого тока и полярности. Стандартные размеры электродов и общие технические требования к ним установлены ГОСТ-9466-75. d, мм 1,6; 2 2,5; 3 4 5;6;8;10;12 l, мм 225;250 350 400;450 450 Размеры электродов выбраны таким образом, чтобы не допустить чрезмерного перегрева (закон Джоуля-Ленца: электрод будет быстро плавиться или преждевременно сгорают органические компоненты покрытия). Учтено также, что при длинном электроде меньше времени идет на его смену, но очень длинными электродами сварщику неудобно манипулировать. При особой необходимости ГОСТом допускается изготовление электродов нестандартной длины (например, для обучения сварщиков).
Требования к электродам и характеристики электродов. Электроды должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обеспечивать определенные механические свойства наплавленного металла и соединения и химсостава шва; 2) обладать хорошими технологическими и сварочными свойствами, обеспечивая:
а) легкое зажигание и устойчивое горение дуги; б) равномерное плавление покрытия без откалывания и образования больших козырьков; в) равномерное покрытие металла шва шлаком и легкое удаление шлака; г) получение металла шва без пор и трещин; 3) обеспечивать высокую производительность и допускать сварку на повышенном токе; 4) невысокая себестоимость электродов. Выполнение требований обеспечивают подбором электродной проволоки определенного химсостава и покрытия. Важными характеристиками электродов являются коэффициенты расплавления αр, наплавки αн и потерь ψ, определяемые по формулам: , где qp и qн - соответственно вес расплавленного и наплавленного электродного металла в г; I - сварочный ток, А; t – время, в час. Обычно αр , при автоматической сварке αн =12-22 . При наличии в электродном покрытии железного порошка или окислов железа qH и αн - могут оказаться больше qp , αр за счет перехода железа в шов из покрытия. Коэффициент потерь φ характеризует потери электродного металла на окисление, испарение, разбрызгивание Величина φ колеблется: при ручной сварке от 3 до 40%; при автоматической – от 1,5 до 2%. 5.3. Электродные покрытия Назначение покрытий. Электродные покрытия выполняют стабилизирующие и защитные функции. Различают тонкие или стабилизирующие покрытия и толстые или качественные. Тонкие покрытия, толщиной 0,1-0,3мм, состоящие из стабилизирующего материала (минералы, содержащие К и Nа), применяют для повышения устойчивости горения дуги. Сейчас такие покрытия для электродов не применяют. Толстые покрытия, образованные из тонкоразмолотых и тщательно перемешанных на жидком стекле материалов наносят на стержни под давлением слоем 0,5-3мм. Вещества, входящие в состав защитных покрытий, выполняют следующие функции: а) обеспечивают устойчивое стабильное горение дуги, усиливая ионизацию дугового пространства (стабилизаторы - поташ, калиевая селитра, мел и силикат калия); б) предохраняют расплавленный металл от вредного воздействия воздуха; в) раскисляют и легируют металл шва, обеспечивая получение качественного наплавленного металла с заданными механическими свойствами и химсоставом; г) улучшают металлургический процесс: это фториды (плавиковый шпат CaF2) и двуокись кремния (речной песок). Для обеспечения достаточной прочности и влагоустойчивости, длительного сохранения свойств и прочности при перевозках электродных покрытий в их состав вводят связующие добавки - жидкое натриевое стекло Na2O·SiО2 или калиевое стекло K2OSiО2 (водные р-ры силиката K или Na) и подвергают прокалке при высокой температуре. Для некоторых электродов в качестве связующей добавки применяют бакелитовый лак. Свойства и классификация покрытий шлаков. При сварке покрытие плавится несколько позже, образуя чехольчик или козырек. Равномерное расплавление покрытия обеспечивается при температуре плавления сварочного шлака - 1100° - 1200°. Расплавившийся сварочный шлак должен быть маловязким, легкоподвижным, иметь малый удельный вес и небольшое поверхностное натяжение. При этих условиях он будет легко взаимодействовать с расплавленным металлом, раскисляя и дегазируя его, легко всплывать на поверхность металла, равномерно покрывать шов и способствовать его лучшему формированию. Температурный интервал перехода шлака из жидкого в твердое состояние (рис.5.2) должен быть коротким, особенно при сварке в вертикальном и потолочном положениях, т.к. быстро твердеющий шлак удерживает жидкий металл от стекания. ГОСТом защитные покрытия электродов по своему металлургическому действию разделяются на такие основные виды: кислое - А, в состав которого входят руды (гематит, марганцевая руда, кремнезем), раскислители (ферромарганец) и органические составляющие для газовой защиты. Рис. 5.2. Кривые перехода шлака в твердое состояние из жидкого 1–шлак с нормальным температурным интервалом; 2–шлак с коротким температурным интервалом. При сварке электродами с кислым покрытием происходит бурное кипение ванны и хорошая дегазация шва; однако увеличено разбрызгивание, выделяется много вредных марганцевых соединений, и в шве могут образовываться горячие трещины; типичные представители электродов с таким покрытием - ЦМ-7, ОММ-5, АНО-1 и др.; они токсичны. Основное - Б, содержащее карбонаты кальция, магния, плавиковый шпат и ферросплавы. Шлаковая и газовая защита осуществляется указанными компонентами. При сварке электродами с основным покрытием обеспечиваются высокие механические свойства шва, особенно ударная вязкость при низкой температуре, низкое содержание водорода, а также стойкость против образования трещин; выделяется значительно меньшее количество вредных газов и паров, однако требуются хорошая очистка свариваемого металла от ржавчины и окалины и поддержание короткой дуги против образования пористости. Типичными представителями электродов с основным покрытием являются УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, СМ-11 и др. Рутиловые - Р, содержащие рутиловый концентрат (рутил – ископаемыйTiO2), ильменит, ферромарганец, карбонаты кальция, магния и др. компоненты. Электроды с рутиловым покрытием марок МР-3, АНО-4, ОЗС-3, ОЗС-4 и др. отличаются высокими технологическими качествами и широко распространены в строительных организациях. Для возможности сварки на постоянном и переменном токах компоненты основных и рутиловых покрытий замешивают на калиево-натриевом жидком стекле или добавляют в сухую шихту размолотую глыбу калиевого стекла, что значительно увеличивают стабильность горения дуги; Целлюлозное - Ц, содержащее в основном органические материалы (целлюлозу, древесную муку, крахмал и др.) и ферросплавы. При сварке это покрытие создает главным образом газовою защиту; толщина целлюлозного покрытия невелика, оно относится к тонкому или среднему покрытию. Электроды с целлюлозным покрытием пригодны для сварки во всех пространственных положениях. Представители электродов с целлюлозным покрытием - марок ВСЦ-2, ВСЦ-3, ОМА-2, ВСП-1б и др.
Могут быть покрытия смешанного типа, имеющие соответствующее двойное обозначение, или прочие - П. При наличии в покрытии железного порошка (более 20%) к обозначению добавляют букву Ж. Пример обозначения электродов в документации – электроды УОНИ-13/45 - 40 - ГОСТ 9466-75, а на этикетке или в маркировке коробок, пачек, ящиков:
что обозначает: электроды типа Э42А, марка УОНИ-13/45, диаметр 4мм, для сварки углеродистых и низколегированных сталей - У, с толстым покрытием - Д, с индексами 432 (5) по ГОСТ 9467-75, основное покрытие - Б, для сварки в любом положении - I, обратной полярности - О. По толщине покрытия в зависимости от отношения Д/d (Д- диаметр покрытой части, d - диаметр стержня) электроды подразделяются: - с тонким покрытием (Д/d≤ 1,20) - М; - со средним покрытием (1,20- с толстым покрытием (1,45 - с особо толстым покрытием (Д/d>1,80) - Г. Примеры применения электродов. Для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей применяют электроды типов Э42, Э46, Э42А, Э50А, Э55. При изготовлении стальных конструкций широко применяют низкотоксичные рутиловые электроды с железным порошком в покрытии марок ЗРС-1, АНО-4, ОЗС-3, обеспечивающие высокое качество и производительность. Эти электроды вытеснили электроды марки ЦМ-7. На монтаже широко применяют рутиловые электроды марок МР-3, АНО-3, АНО-4, ОЗС-4 и др., пригодные для сварки в любом пространственном положении. Они почти вытеснили электроды марок ОММ-5 и СМ-5. Для сварки трубопроводов в полевых условиях широко применяют электроды марок ВСП-1б, ВСЦ-2, ВСЦ-3. Покрытия первых в качестве связующего имеют бакелитовый лак и называют целлюлозными. Вторые в покрытии содержат оксицеллюлозу, создающую газовую защиту и дающую мало шлака, также называются целлюлозными. Для заводских и монтажных ответственных сварочных работ применяют электроды марки УОНИ-13/45, обеспечивающие высокое качество металла шва. Для таких же работ применяют сходные электроды СМ-11. Электроды УОНИ-13/55 и ДСК-50 используют для сварки низколегированных сталей; УОНИ-13/55У - для сварки стержневой арматуры ванным способом. Сталь малой толщины (0,8-3мм) сваривают электродами ОМА-2. Для сварки алюминиевых сплавов применяют покрытия, замешанные на воде с раствором хлористых солей (поваренной) или декстрина в качестве связующего вещества. Для сварки сплавов типа АМц применяют покрытия марок А1 и А1Ф; стержни из основного металла; сварку силумина выполняют силуминовым стержнем с покрытием МАТИ-1. Сварку алюминиевых сплавов электродами всех марок производят на постоянном токе при обратной полярности. 5.4. Флюсы сварочные Для автоматической и механизированной сварки под флюсом и электрошлаковой используют сыпучее вещество - флюс, под слоем которого горит электрическая дуга или протекает электрошлаковый процесс. Флюс защищает металл сварочной ванны от действия воздуха и обеспечивает требуемый химсостав и механические свойства металла шва. Кроме того, в сочетании с соответствующей электродной проволокой при правильном режиме сварки он способствует устойчивости сварочного процесса и хорошему формированию шва. Флюс должен быть таким, чтобы отсутствовали поры и трещины в шве и выделялось минимальное количество вредных газов при сварке. Плавленые флюсы-силикаты, не содержащие ферросплавов, получают путем переплавки исходных составляющих (песка, марганцевой руды, магнезита, плавикового шпата и др.) и последующей грануляции расплава, в результате чего получают мелкие зерна - до 3 мм. Эти флюсы мало легируют металл шва Мn и Si за счет восстановления их из окислов, имеющихся во флюсе. Более значительное легирование Мn и Si и др. элементами достигается применением электродной проволоки соответствующего химсостава. Изготавливают по ГОСТ 9087-81, примеры химсостава приведены в таблице 5.3. Таблица 5.3.Состав некоторых марок плавленых флюсов (ГОСТ 9087-81) Марка флюса Массовое содержание, % SiO2 MnO CaF2 MgO CaO Al2O3 K2O Na2O Fe2O3 S P АН-348А 34-41 34-38 4-5,5 5-7,5 ≤6,5 ≤4,5 - ≤2 ≤0,15 ≤0,12 АН-348АМ 41-44 34-38 3,5-4,5 5-7,5 ≤6,5 ≤4,5 - ≤2 ≤0,15 ≤0,12 АН-8 33-36 21-26 13-19 5-7,5 4-7 11-15 - 1,5-3,5 ≤0,15 ≤0,15 АН-22 18-21,5 7-9 20-24 11,5-15 12-15 19-3 1-2 ≤1 ≤0,06 ≤0,05 АН-47 28-32 14-18 9-13 6-10 13-17 9-13 - ≤2 ≤0,05 ≤0,08 АН-60 42,5-46,5 36-41 5-8 0,5-3 4-7 ≤5 - ≤1,5 ≤0,15 ≤0,015 Для сварки малоуглеродистой стали применяют флюсы АН-348А и ОСЦ-45 в сочетании со сварочной проволокой Св-08 и Св-О8А; для низколегированной - в сочетании с проволокой Св-08ГА или Св-I0Г2. Низкокремнистый флюс АН-10 применяют для сварки низколегированной стали в сочетании со сварочной проволокой Св-08 или Св-08А. Наличие в этом флюсе фтористого кальция и меньшее содержание окислов уменьшает выгорание примесей и обеспечивает хорошее легирование металла шва.
Шланговую механизированную сварку малоуглеродистой и низколегированной сталей выполняют флюсом АН-348АМ и ОСЦ-45М в сочетании с проволокой Св-08 и Св-08А. Электрошлаковую сварку этих же сталей ведут под флюсом АН-8М с проволокой Св-08 и Св-08А (Ст.3 сп) или Св-10Г2 и Св-I2ГС (Ст.3 кп и НЛ).
Керамические флюсы сильнолегирующие, малочувствительны к содержанию С, S и Р в основном металле. Представляют собой «крупку» с размером зерен 1-2 мм, получаемую из тонкоразмолотых и тщательно перемешанных материалов, связанных жидким стеклом. Каждое зерно содержит все составные части флюса в заданных соотношениях. Для сварки малоуглеродистых сталей применяют флюсы К-2, К-11 и КВС-19; для низколегированных - К-3 и КС-3ОХГСНА; для сварки тех и других - марок АНК-30, АНК-47. Недостаток этой группы флюсов - зависимость химсостава от напряжения на дуге. Керамические флюсы более эффективно, чем плавленые, осуществляют легирование шва, т.к. в их состав возможно включение различных ферросплавов и металлических порошков. Легирование металла ванны при сварке плавлеными флюсами ограничено, т.к. возможно только за счет восстановления Мn, Si и др. элементов из их оксидов, либо путем применения легированной сварочной проволоки. Однако они проще в изготовлении, технологичнее, обеспечивают хорошую защиту ванны и высокую производительность сварки. Пример состава керамического флюса марки АНК-30: SiO2 - 12%, СаО - 18%, МgО - 36%, СаF2- 12%, Аl2O3- 12%, ферросплавы + алюминиевый порошок - 13%. 5.5. Порошковая проволока Порошковая проволока - трубчатая проволока с порошковым сердечником диаметром 1,2-3мм, изготовляется из стальной холоднотянутой ленты t = 0,3-0,5мм и b =9-15мм. Наибольшее распространение имеют проволоки кольцевого сечения с дополнительной одинарной перемычкой, с двойными перемычками, и более сложного сечения (рис. 5.3). Рис. 5.3 Порошковая проволока и лента а, б, в, г, д, –однослойная; е – двухслойная; ж – лента; 1–стальная оболочка; 2–порошок В состав порошкового сердечника трубчатой проволоки для сварки малоуглеродистой стали входят: рутил, ферросплавы, органические вещества и железный порошок. Для сварки малоуглеродистой и низколегированной стали применяют, например, порошковую проволоку марок ПП-АН-1, -АН-2, -АН-3, -АН-4; ПП-ДСК и ЭПС-15/2. Коэффициент (АН-3), (ЭПС-15/2). Порошковую проволоку различных марок для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей изготовляют в соответствии с ГОСТ 26271-84. Она подразделяется по ряду признаков: - по условиям применения на самозащитную (ПС) и газозащитную (ПГ); - по пределу текучести на типы 34, 39, 44, 49, 54, 59, 64, 69, т.е. наплавленного металла в кгс/мм2; - по категориям в зависимости от содержания в наплавленном металл С, S, Р в %%; - по положению при сварке - нижнему (Н), нижнему и горизонтальному (Г), вертикальному и горизонтальному (В), для всех положений (У) и т.д. Самозащитные порошковые проволоки - ПП-АН1, ПП-АН3, ПП-АН7, ПП-АН-11, ПП-1ДСК, ПП-2ДСК, ЭПС-15/2 и др. Порошковые проволоки, применяемые с дополнительной защитой СО2: ПП-АН4, ПП-АН8, ПП-АН9, ПП-АН10 и др. Применяют сварочные проволоки сплошного сечения без всякой защиты - Св-20ГСЮТ с содержанием церия- (0,3-0,45)% и Св-15ГСТЮ ЦА, разработанные в институте электросварки им. Е.О.Патона. 5.6. Краткие сведения о производстве электродов и флюсов Стержни электродов изготовляют из проволоки на правильно-отрезных станках. Материалы покрытия размельчают в герметичных аппаратах и замешивают в определенной пропорции с жидким стеклом. После нанесения покрытия стержня на электрообмазочном агрегате электроды просушивают, прокаливают и упаковывают в стандартные пачки весом 3-8кг и ящики весом 30-50кг. Электроды хранят в сухом месте, а длительно хранившиеся или увлажненные перед употреблением просушивают или прокаливают. Плавленые флюсы получают плавлением в печах высушенной и размельченной шихты, состоящей из подобранных в определенной пропорции материалов. Расплавленную смесь гранулируют, или застывшую смесь дробят в дробилке. Подготовленный таким способом флюс просушивают и просеивают. Керамические флюсы изготавливают без плавления шихты. Составляющие флюс материалы размельчают и замешивают с жидким стеклом в определенных пропорциях. Из полученной массы изготавливают брикеты, прокаливают их, дробят и просеивают для отделения «крупки». Применяют и сырую грануляцию, при которой «крупку» получают из сырой массы на специальных машинах с последующей прокалкой. 5.7. Материалы для сварки в среде защитных газов Защитные газы. Аргон вырабатывают из воздуха на установках разделения воздуха (содержание Ar в воздухе 0,9325%) трех сортов - высшего, 1 и 2 (в соотв. с ГОСТ 10157-79*). Аргон – газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха (плотность γ = 1,784 г/л); не ядовит и не взрывоопасен. Аргон высшего сорта (чистота 99,993%) применяют для сварки активных и редких металлов и сплавов (Ti, Zr, Nb и др.), а также ответственных изделий; 1-го сорта (чистота 99,987%) - для сварки алюминиевых и магниевых сплавов; 2-го сорта (чистота 99,95%) - для сварки нержавеющих, жаропрочных, высоколегированных сплавов, чистого Аl и малоответственных конструкций. Поставляется Аr в баллонах под давлением 150 кгc/см (15 МПа). В баллон емкостью 40л (40 дм3) входит 6м3 аргона. Баллон серого цвета с надписью зеленым цветом «Аr». Гелий (легче Аr в 10 раз, воздуха - в 7,3 раз; содержится в воздухе 0,000046 %) добывают из природных газов. При сварке его расход на 30-40% выше Аr . Допускаются незначительные примеси N2, Н2, О2 и влаги. Гелий – газ без цвета, запаха и вкуса, легче воздуха (плотность γ = 0,178 г/л). Выпускают по ТУ 51-689-75 2-х сортов - особой чистоты (99,995%) и высокой чистоты (99,985%). Баллон с гелием коричневый, белая надпись «Гелий». Двуокись углерода (углекислый газ) СО2 поставляют в сжиженном виде в баллонах под давлением 75 кгс/см2 (7,5 МПа). Из баллона емкостью 40л, вмещающего 25кг жидкой двуокиси углерода, при испарении получается 12,625м3 газообразного СО2. Углекислый газ слегка кисловатого запаха и вкуса, тяжелее воздуха (плотность γ = 1,98 г/л); не ядовит и не взрывоопасен. В соответствии с ГОСТ 8050-85, выпускают 3-х сортов: высшего сорта - чистотой не менее 99,8% СО2, 1-го сорта - не менее 99,5% СО2, 2-го - не менее 98,0%. Баллон с СО2 черного цвета с надписью желтым цветом - «углекислота». Электроды и проволока. Для сварки в инертных газах в качестве неплавящегося электрода используют вольфрамовую проволоку d =0,5 - 3мм или кованые прутки d =7 - 8мм. Так как температура плавления вольфрама высока (3377°С), расход таких электродов при сварке незначителен (0,04 - 1,5 г на I м шва).
Для сварки постоянным током прямой полярности применяют вольфрамовые электроды диаметром d=1-7,5мм c содержанием тория 1,5 -2%. Это облегчает зажигание дуги и увеличивает устойчивость ее горения. Для сварки переменным током они непригодны. Применяют также нетоксичные лантанированые (лантан) и цирконированые (цирконий) вольфрамовые электроды, имеющие лучшие технологические свойства.
В качестве присадочной проволоки при сварке в инертных газах неплавящимся электродом применяют проволоку диаметром Ø1,6 - 5 мм такого же химсостава, как и свариваемый металл. При сварке плавящимся электродом применяют проволоку диаметром Ø 0,8 - 3мм для легированных сталей, 1,6 - 3мм - для Аl и его сплавов соответствующего химсоставов. При сварке в СО2 применяют проволоку с повышенным содержанием легирующих и раскисляющих элементов, диаметр не более 3мм (Св-08ГС, Св-08Г2С - для Ст3 и НЛ; Св-10ХГ2С, Св-18ХГСА – для сталей повышенной прочности). Контрольные вопросы 1. Какие способы соединения твердых тел и какие виды соединений существуют? 2. Дать определение физической сущности сварки. Как получить неразъемное соединение? 3. На какие группы делятся все существующие способы сварки? Сущность приемов. 4. Принцип технологии сварки плавлением. 5. Принцип технологии сварки давлением . 6. Сущность процесса пайки . 7. Сущность процесса склеивания твердых тел . 8. Назвать наиболее известных русских и отечественных сварщиков. 9. Классификация способов сварки давлением . 10. Классификация способов сварки плавлением. 11. Назвать наиболее важные электрические источники тепла для сварки плавлением. 12. Требования к источникам тепла для сварки плавлением . 13. Дать определение сварочной дуги , как она возникает ? 14. Элементы сварочной дуги . 15. Что является основной характеристикой сварочной дуги? Определение , виды . 16. Особенности электрического режима дуги переменного тока. Способы повышения устойчивости таких дуг. 17. Факторы, отклоняющие дугу от прямолинейного положения; способы борьбы с отклонением. 18. Распределение температур и тепла в сварочной дуге. 19. Дать определение тепловой мощности дуги, эффективной тепловой мощности и погонной энергии дуги. 20. Описать процесс переноса (и его виды) металла в сварочную ванну. 21. Факторы, участвующие в переносе металла с электрода на изделие, их характеристика. 22. Условия плавления металла при дуговой сварке. 23. Типы сварочных ванн, определение . 24. Описать сварочную ванну I типа; ее характеристика. 25. Какие процессы протекают в сварочной ванне? Термический цикл. 26. Описать взаимодействие жидкого металла ванны с газами (химические реакции). 27. К каким последствиям приводит насыщение металла ванны кислородом, водородом, азотом? 28. Способы защиты металла сварочной ванны; характеристика шлаков и требование к ним. 29. Сущность и механизм газовой защиты металла ванны . 30. Способы раскисления металла ванны; привести химические реакции. 31. Легирование и рафинирование металла шва. 32. Описать процесс кристализации металла шва . 33. Дать описание и характеристику участков зоны термического влияния . 34. Шлаковые включения в швах ; характеристика, меры предотвращения . 35. Охарактеризовать включения газов в металле шва; борьба с ними. 36. Горячие трещины, причины их появления в швах; оценка стойкости металла против их образования при сварке . 37. Холодные трещины, причины их образования; оценка стойкости стали против их образования при сварке. 38. Что такое сталь? Классификация сталей по химсоставу. 39. Какие основные химические элементы содержатся в стали? Легирующие элементы. 40. Назвать основные механические свойства стали и показатели их. 41. Свариваемость сталей; способы определения свариваемости сталей. 42. Оценка свариваемости стали специальными испытаниями. 43. Дать классификацию сварочных материалов. 44. Сварочная проволока; классификация, характеристика, назначение. 45. Сварочные электроды: классификация, характеристика, назначение. 46. Электродные покрытия: назначение, классификация, характеристика. 47. Флюсы сварочные: виды, применение при сварке; примеры маркировки. 48. Порошковая проволока: способы ее применения; маркировка, 49. Сварочные материалы для сварки в среде защитных газов: классификация, характеристика. 50. Изобразить электрод для ручной дуговой сварки; от чего и как зависят его основные размеры? 51. Расшифровать записи: Э42; Э42А; Э50; Э50А; Э55; что это за материалы? 52. Расшифровать записи: Св-08; Св-08А; Св-08Г2С; Св-ЮГ2; что это за материалы? 53. Расшифровать записи: 10Г2С1; 16Г2АФ; 10СНД; 15Г2СФ; что это? Список литературы 1. Алексеев Е.К. , Мельник В.И. Сварка в промышленном строительстве , - М.: Стройиздат , 1977 . 2. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов . - К.: Вища школа , 1976.-424 с. 3. Болдырев А.М. Технология сварки в строительстве. Уч. пособие, Воронеж , 1987 . 4. Гривняк И. Свариваемость сталей .- М.: Машиностроение, 1984.-215 с. 5. Жизняков С.Н., Мельник В.И. Сварка и резка в строительстве.- М.: Стройиздат , 1995 . - 544 с. 6. Рыбаков В.М. , Ширшов Ю.В., Чернавский Д.М. и др. Сварка строительных металлических конструкций. - М.: Стройиздат, 1993.-267 с. 7. Сварка и резка в промышленном строительстве: в 2-х т. /Под ред. Б.Д. Малышева.-М.: Стройиздат, 1989.-990 с.-(Справочник строителя ) . 8. Сварочные материалы для дуговой сварки Справочное пособие: в 2-х т., - т.1 . Защитные газы и сварочные флюсы / Под. ред. Н.Н. Потапова. -М.: Машиностроение, 1989.-544 с. 9. Словарь-справочник. /Под ред. академика АН УССР Хренова К.К. Киев, Наукова думка, 1974 . 10. Справочник сварщика. /Под ред. Степанова В.В. изд. 4. М.: Машиностроение, 1982.-560 с. 11. Болдырев А.М., Орлов А.С Сварочные работы в строительстве и основы технологии металлов: Учебник. – М.: изд. АСВ, 1994. – 432с. 12. Жизняков С.Н. Сварка и резка в строительстве. – М. Стройиздат 1995.- 544с.