77792

РУЧНАЯ И МЕХАНИЗИРОВАННАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА

Книга

Производство и промышленные технологии

В справочнике систематизированы материалы отражающие технологии дуговой сварки и наплавки металлов покрытым электродом в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом а также приведены основные сведения применительно к оборудованию...

Русский

2015-02-05

9.11 MB

11 чел.

В. Я. Кононенко

РУЧНАЯ И МЕХАНИЗИРОВАННАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА

Справочник

Киев

2009

УДК 621.791.75 (035)

ББК 36.641я2+34.644я2

К 64

Кононенко В.Я.

К 64 Ручная и механизированная дуговая сварка и наплавка. —

К., 2009.-456 с.

           18ВК 978-966-388-298-7

В справочнике систематизированы материалы, отражающие технологии дуговой сварки и наплавки металлов покрытым электродом, в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом, а так¬же приведены основные сведения применительно к оборудованию, ин-струментам и приспособлениям для реализации этих технологий. Из-ложены новые системы маркировки электродов и проволок и описано сложившееся состояние нормативной документации в этом направле¬нии. Дана краткая информация о нормировании процессов сварки, ор-ганизации рабочего места и технике безопасности.

Предназначен для инженерно-технических работников, мастеров, рабочих, студентов вузов и ПТУ сварочных, металлургических и маши-ностроительных специальностей.

ББК 36.641я2+34.644я2

Рекомендовано к печати Советом Общества сварщиков Украины (протокол № 11 от 02.06.2009 г.)

 

 

Основные условные обозначения

РДС (ММА) — ручная дуговая сварка

МИГ (MIG) — сварка в среде инертных газов плавящимся элект¬родом

МАГ (MAG) — сварка в среде активных газов плавящимся элект-родом

ТИГ (TIG) — сварка в среде инертных газов неплавящимся элект-родом

ЗТВ — зона термического влияния МКК — межкристаллитная коррозия ТИХ — температурный интервал хрупкости ЭДС — электродвижущая сила а.с. (AS) — переменный ток d.c. (DC) — постоянный ток

d.c. прямая полярность

d.c Л — обратная полярность

КЗ — короткие замыкания

<4 — диаметр электрода и сварочной проволоки

U — напряжение дуги

I — сила тока

V — скорость сварки

Тш — температура плавления

Тл — температура ликвидуса

Тс — температура солидуса

GT — физический предел текучести

(?0,2 — условный предел текучести

GB — временное сопротивление

8 — относительное удлинение

ф — относительное сужение

KCU, KCV, КСТ — ударная вязкость с U- и V-образным надрезом

Предисловие

Дуговая сварка и наплавка являются одними из наиболее вос-требованных технологических процессов, применяемых в промыш-ленности и строительстве. Без них не обходится ни одно из произ¬водств, и эта тенденция сохранится и в ближайшее время. В насто¬ящее время дуговые процессы сварки и наплавки стали являются основополагающими при создании металлоконструкций различно¬го назначения. Поскольку дуга является источником теплоты до¬статочно высокой интенсивности, дуговые процессы сварки и на¬плавки легко поддаются механизации и автоматизации.

Явление электрической дуги в 1802 г. открыл профессор В. В. Петров с помощью мощного гальванического элемента и ука¬зал его возможные области практического применения.

В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока, т. е. практически осуществил сварку и резку ме-таллов электрической дугой угольным электродом. Дальнейшее раз-витие этот способ сварки получил в работах Н. Г. Славянова (1888), однако у Н. Г. Славянова в отличие от Н. Н. Бенардоса металличес¬кий стержень одновременно представлял собой и электрод, и при¬садочный материал. В дальнейшем Н. Г. Славянов разработал тех¬нологические и металлургические основы электродуговой сварки.

Шведский инженер О. Кьельберг на металлические электроды нанес покрытие, что предохраняло металл от воздействия воздуха и стабилизировало горение дуги. С появлением покрытых электро¬дов существенно повысилось качество сварных соединений и руч¬ная дуговая сварка стала широко применяться в промышленности. В конце первой четверти XX в. ручная дуговая сварка плавящимся электродом стала основным технологическим процессом, исполь¬зующимся при создании металлоконструкций.

В конце 1940-х годов промышленное применение получили спо¬собы дуговой сварки в среде защитных газов плавящимся и неплавя- щимся электродом. Это стало возможным, когда для защиты зоны горения дуги стали применяться аргон, гелий и углекислый газ.

Впервые углекислый газ для защиты зоны горения дуги был ис-пользован Н. Г. Остапенко, который защищал им неплавящийся (угольный) электрод. В дальнейшем технологический процесс был доработан сотрудниками ЦНИИТМАШа и Института электро¬сварки им. Е. О. Патона НАН Украины и внедрен на ряде промыш¬ленных предприятий как способ дуговой сварки плавящимся элек¬тродом в среде углекислого газа. Использование дешевого защит¬ного газа улучшило качество металла шва, позволило повысить производительность труда сварщика и обеспечило широкое приме¬нение этого способа при механизированной сварке большинства металлоконструкций в условиях единичного, мелкосерийного и крупносерийного производств.

Несмотря на относительную простоту оборудования и техноло-гических процессов сварки и наплавки их применение требует от пользователя целого ряда специальных знаний и освоения приемов безопасной работы.

В справочнике приведена информация о процессах, происходя¬щих при дуговой сварке и наплавке, свойствах металлов, подверга¬ющихся сварке, устройствах и правилах безопасной работы со сва¬рочным оборудованием. Дана информация о методике выбора эле¬ктродных материалов и подготовке изделий под сварку и наплавку. Приведены основные положения технологий РДС, МИГ/МАГ и ТИГ при создании металлоконструкций, использование этих тех¬нологий при ремонтных работах, при сварке оцинкованного метал¬ла, при холодной сварке чугуна и цветных металлов. Дана инфор¬мация о типичных дефектах сварных соединений, причинах их об¬разования и способах устранения. Приведены нормы расхода по¬крытых электродов, электроэнергии, проволок сплошного сечения и порошковых проволок при сварке. Кратко изложены основные положения техники безопасности и организации охраны труда на предприятиях. В приложениях приведены составы углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе алюминия и меди.

Собранная в справочнике информация позволит пользователю сделать обоснованный выбор технологических процессов и элект-родных материалов для получения заданных эксплуатационных показателей сварных соединений.

Автор будет благодарен читателям, которые выскажут свои замечания и пожелания.

Адрес для связи: victor@kononenko.kiev.ua. Дополнительная информация размещена на сайте www.kononenko.kiev.ua. 

   

В. Я. Кононенко родился в Киеве в 1947г. После окончания техникума и Киевского политехнического институ¬та стал профессионально заниматься сваркой. Работал на кафедре сварки в КПИ. С 1971 г. по 1996 г. работал в от¬деле №18 ИЭС им.Е. О.Патона НАН Украины, где занимался исследова¬тельской работой.

Принимал участие в разработке электродных материалов, а также испытаниях оборудования для проведения под водно-технических работ. Самостоятельно и в составе группы выполнил ряд работ под вод ой, связанных с восстановлением подводных переходов тру-бопроводов через реки Обь, Волгу, Днепр, принимал участие в при¬варке пластыря при подъеме теплохода «Моздок» па Черном море. Водолаз I класса 1-2 группы специализации. Проработал под водой более 6000 ч.

Самостоятельно и в соавторстве им опубликовано 56 печатных работ, а с 2004 г. написано и издано пять книг: «Технология подвод¬ной сварки и резки» (2004), «Газовая сварка и резка» (2005), «Technologies of underwater wet welding and cutting» (2006), «Сварка покрытым электродом» (2006) и «Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом» (2007).

Защитил диссертацию в области разработки новых сварочных ма-териалов для механизированных процессов сварки под водой. Обучал специалистов за рубежом. Принимал участие в создании Американ¬ского стандарта по подводной сварке. Директор фирмы ДП «Эко¬технология» МНТК ИЭС. В настоящее время занимается предо¬ставлением консультативных услуг в области технологий и обору¬дования для сварки и резки металлов.

Глава 1. Свариваемость (основные понятия)

1.1. Свариваемость и технологические факторы, влияющие на нее

Процесс сварки представляет собой комплекс нескольких одновременно протекающих процессов, основными из которых являются: тепловое воздействие на металл в околошовной зоне, плавление, металлургические процессы, кристаллизация металла шва и взаимная кристаллизация металлов в зоне сплавления. Под свариваемостью понимают отношение металлов к этим основным процессам и рассматривают ее с технологической и физической точек зрения.

Свариваемость — это свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Свариваемость является важной характеристикой сталей и других металлов и, прежде всего, зависит от свойств свариваемого металла.

Отношение металла к конкретному способу сварки и режиму принято считать технологической свариваемостью. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, в результате которых образует¬ся неразъемное сварное соединение. Сближение частиц и создание условий для их взаимодействия осуществляются выбранным спо¬собом сварки, а протекание соответствующих физико-химических процессов определяется свойствами соединяемых металлов. Эти свойства характеризуют физическую свариваемость.

Свариваемые металлы могут иметь одинаковые и различные химический состав и свойства. В первом случае это однородные по химическому составу и свойствам металлы, во втором — разнородные. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов иногда не обеспечивают протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают физической свариваемостью.

К технологическим факторам, влияющим на свариваемость, можно отнести такие особенности сварки, как:

• резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;

• высокую температуру нагрева;

• малый объем сварочной ванны;

• специфичность атмосферы над сварочной ванной;

• форму и конструкции свариваемых деталей, обусловливающие нежелательные последствия;

• изменение структуры и свойств основного металла в ЗТВ;

• возникновение в сварных конструкциях значительных напряже¬ний, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;

• образование в процессе сварки тугоплавких трудноудаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;

• образование пористости и газовых раковин в металле шва, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.

Для определения технологической свариваемости необходимы информация о химическом составе, структуре и механических свойствах металла шва, которые находятся в прямой зависимости от способа сварки, а также оценка структуры и механических свойств околошовной зоны, склонности сталей к образованию трещин.

Существующие способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы. К первой относят прямые способы, когда свариваемость устанавливают при сварке образцов определенной формы. Эти способы позволяют получить прямой ответ на вопрос о предпочтительности того или иного способа сварки и трудностях, возникающих при сварке, рациональном режиме сварки и т. д.

Ко второй группе относят косвенные способы, когда сварочный процесс заменяют другими процессами, взаимодействие которых с металлом имитирует влияние сварочного процесса, например, термическая обработка при температурах, близких к температуре сва-рочного процесса. Эта группа способов не может дать прямого ответа на вопросы, связанные с практическим осуществлением сварки, и они могут рассматриваться только как предварительные лабо¬раторные испытания.

1.2. Стали, маркировка и классификация по свариваемости

Сталь является наиболее распространенным материалом при производстве сварных конструкций. Она представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами. Конструкционные углеродистые стали подразделяются на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94, ДСТУ 2651-94 и ГОСТ 14637-89) и качественные (ГОСТ 1050-88). Углеродистые стали подразделяются на низко- (содержание углерода до 0,25%), средне- (0,25-0,45%) и высокоуг¬леродистые (более 0,46% С). В марках стали с помощью букв и цифр указываются их характеристики. Цифра после букв Ст (сталь) обозначает условный порядковый номер марки (от 0 до 7). Она зависит от химического состава и механических свойств стали. Буква Г входит в маркировку углеродистых сталей с повышенным содержанием марганца. Иногда последние цифры в марке (от 1 до 4) указывают условный номер категории сталей. Индексы «кп» (кипящая), «пс» (полуспокойная), «сп» (спокойная) характеризи- руют степень раскисления стали.

Кипящая сталь отличается высокой степенью неравномерно¬сти распределения вредных примесей по толщине проката и’полу¬чается при неполном раскислении металла кремнием и марганцем. Эта сталь склонна к старению и образованию кристаллизационных трещин в шве и ЗТВ.

Спокойная сталь получается при достаточно глубоком раскис-лении металла кремнием и марганцем. Вредные примеси в спокой¬ных сталях равномерно распределены по всему ее объему. У таких сталей снижена реакция на термический цикл сварки. При введе¬нии в сталь алюминия, который наряду с кислородом связывает также азот, удается снизить ее склонность к старению.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной. Она выплавляется с содержанием углерода до 0,45% и может быть использована для ответственных сварных металлоконструкций с использованием фасонного и поло¬сового проката толщиной до 10 мм.

В промышленности наиболее востребованы углеродистые стали по ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94) типа Ст2, СтЗ, Ст4 и др. раз¬личных степеней раскисления (до 70% всего проката, а также по¬ковки, крепежные детали и другие изделия). Заметим, что ГОСТ 380-2005 на территории Украины не введен. Используют  также сталь марки СтЗГпс с повышенным содержанием марганца (Мп не менее 1,0%). Стали этих марок для сварных конструкций поставляются с учетом требований к механическим свойствам и к химическому составу, заложенному в ГОСТе.

ГОСТ 1050-88 предъявляет повышенные требования к механи-ческим свойствам и химическому составу углеродистых сталей. К этой группе можно отнести стали 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 60 и др. В них двухзначные цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Стали 05кп, 08, 08кп, 10, Юкп, 15, 20 и 25 хорошо свариваются. Остальные стали этой группы свариваются значительно хуже.

Для повышения эксплуатационных свойств сталей в них вво¬дятся легирующие элементы, массовая доля каждого из них не пре¬вышает 2% (суммарное содержание до 5%). Такие стали называют¬ся низколегированными. В зависимости от системы легирования их подразделяют на марганцовистые, марганцовованадиевые, мар- ганцовониобиевые, хромокремненикелевые, марганцовованади¬евые с азотом и др. Как правило, массовая доля углерода в них не превышает 0,22%. Прокат из этих сталей изготавливают по ГОСТ 19281-89 «Прокат из сталей повышенной прочности. Об¬щие технические условия», а также по ТУ.

Химические элементы, используемые для легирования сталей, обозначают следующим образом:

Низколегированные конструкционные стали, применяемые для изготовления сварных конструкций, делят на три основные груп¬пы: низкоуглеродистые (ГОСТ 19281-89) 09Г2, 16ГС, 10ХСНД и др.; теплоустойчивые (ГОСТ 4543-71) 12ХМ, 15ХМ и др.; и среднеуглеродистые (ГОСТ 4543-71) 18ХГТ, ЗОХМА и др.

Низколегированные теплоустойчивые стали обладают комплек¬сом свойств, позволяющих им длительное время работать под на-пряжением при воздействии повышенных (-600 °С) температур. К таким свойствам относят сопротивление ползучести, длительную прочность, стабильность свойств во времени и жаростойкость.

Низколегированные среднеуглеродистые стали (ГОСТ 4543- 71) применяют для создания сварных конструкций в машинострое¬нии. Массовая доля углерода в них превышает 0,2%. Они легирова¬ны хромом, молибденом, никелем и др. элементами. Для получения оптимальных механических свойств и вязкости стали подвергают¬ся термообработке — закалке и отпуску.

Горячекатаную (ГОСТ 5781-82) и стержневую арматурную сталь с термомеханическим и механическим упрочнением перио¬дического профиля (ГОСТ 10884-94) выпускают для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Сталь низколегированную конструкционную для мостостроения (ГОСТ 6713-91) изготавливают (с гарантией свариваемости) сле-дующих марок: 16Д, 15ХСНД, 10ХСНД. Сталь последних двух ма¬рок выпускают без термообработки, в нормализированном и терми¬чески улучшенном состоянии. Химический состав углеродистых и ряда низколегированных сталей, а также их механические свойства приведены в табл. П1-П5 (Приложения).

Стали с особыми свойствами производятся по различным стан-дартам и техническим условиям. Химический состав основных ма¬рок этих сталей приведен в табл. П6-П7, а их зарубежные аналоги в табл. П8-П9.

Низкоуглеродистые стали обладают хорошей свариваемостью. Технологии их сварки разработаны из условий получения равно- прочности сварных соединений с основным металлом и отсутст¬вием дефектов в металле шва и ЗТВ (трещины, непровары, поры, зашлаковки).

С повышением содержания углерода в конструкционных сталях снижается стойкость металла шва к образованию кристаллизаци-онных трещин, а в ЗТВ появляются малопластичные закалочные структуры и холодные трещины. Для предотвращения образования кристаллизационных трещин снижают массовую долю углерода в металле шва за счет применения электродных материалов с низким содержанием углерода и серы. Для предотвращения образования  малопластичных закалочных структур в металле ЗТВ назначают режимы, обеспечивающие медленное охлаждение металла, а если необходимо, применяют предварительный, иногда сопутствующий подогрев свариваемых кромок до температуры 150...200 °С.

Свариваемость высокоуглеродистых конструкционных сталей еще в большей степени затруднительна по причинам снижения стойкости металла шва к образованию кристаллизационных тре¬щин и появлению закалочных структур и холодных трещин в ЗТВ. Проблемы сварки этих сталей решают с помощью усложнения тех-нологии и применения специальной техники сварки.

Низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью, однако введение в их состав ряда элементов, используемых для ле-гирования, приводят к повышению склонности к подкалке в ЗТВ. Поэтому для оценки влияния химического состава на сваривае¬мость стали, кроме содержания углерода, учитывается также содер¬жание других легирующих элементов. Это достигается путем пере¬счета содержания каждого легирующего элемента, введенного в сталь, в эквиваленте по действию на ее свариваемость с использо¬ванием переводных коэффициентов, определенных эксперимен¬тально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом Сэкв (%). Для его расчета существует ряд параметрических уравнений, составленных по различным ме¬тодикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость:

Сэкв = С + Mn/6 + Cr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Cu/15 (метод МИС),

СЭкв= С + Mn/6 +Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Мо/4 (японский метод),

[С]х = С + Mn/9 + Cr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),

где цифры указывают на содержание в стали в массовых процентах соответствующих элементов.

Каждое из этих параметрических уравнений приемлемо лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эк-вивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой технологии сварки. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углероди-стых и низколегированных конструкционных сталей выполняют по параметрическому уравнению Сефериана.

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хоро¬шо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограни¬ченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (табл. 1.1).

К первой группе относят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]х < 0,38), сварка ко¬торых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подо¬грева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей тер-мообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного ме¬талла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой.

Таблица 1.1. Классификация сталей по свариваемости

Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]х =0,39^0,45), при сварке которых в нормальных условиях про¬изводства трещины не образуются. В эту группу входят стали, ко¬торые для предупреждения образования трещин необходимо пред¬варительно нагревать, а также подвергать последующей термообра¬ботке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Сварка при температуре окружающей среды ниже 0 °С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объ¬емом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежу¬точной термообработкой (отжиг или высокий отпуск). В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь под¬вергают местному нагреву. Термообработка после сварки различ¬ная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов ли¬тья стали, содержащей более 0,35% углерода, для улучшения меха¬нических свойств и обрабатываемости необходима термическая об¬работка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали).

К третьей группе относят углеродистые и легированные стали «С]х =0,46-ь0,59) перлитного класса, склонные в обычных услови¬ях сварки к образованию трещин. Свариваемость этой группы ста¬лей обеспечивается при использовании специальных технологиче¬ских мероприятий, заключающихся в их предварительной термо¬обработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для дета¬лей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обра¬ботанном состоянии (закалка и отпуск).

Без предварительного подогрева такие стали можно сваривать в случаях, когда соединения не имеют жестких контуров, толщина металла не более 14 мм, температура окружающей среды не ниже +5 °С и свариваемые соединения имеют вспомогательный харак¬тер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный подо¬грев до температуры 200 °С.

Термообработка данной группы сталей назначается по режиму, выбираемому для конкретной стали.

К четвертой группе относят углеродистые и легированные ста¬ли ([С]х>0,60) перлитного класса, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. При сварке этой группы сталей с использованием рациональных технологий не всегда до¬стигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соеди¬нений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку вы¬полняют с обязательной предварительной термообработкой, с по¬догревом в процессе сварки до температуры не ниже 200 °С и по¬следующей термообработкой, которую проводят в зависимости от марки стали.

Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конст-рукций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показа¬тели определяются системой легирования теплоустойчивых ста¬лей. По системе легирования стали можно разделить на хромомо¬либденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденоволь¬фрамовые (табл. 1.2). С металлургической точки зрения сварка этих сталей не вызывает существенных затруднений. Основные проблемы возникают из-за образования метастабильных структур

Таблица 1.2. Марки теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основе

Класс ГОСТ или ТУ Марка стали

 

в участках околошовной зоны и разупрочнением в участках, нагре¬тых до температуры отпуска сталей. Образование хрупких струк¬турных составляющих, а также суммирование напряжений, вы¬званных неравномерным нагревом и структурными превращения¬ми, могут вызвать разрушение конструкции в период ее изготовле¬ния. Эксплуатационная надежность конструкции из теплоустойчи¬вых сталей повышенной толщины обеспечивается лишь после ста-билизации структуры и снятия напряжений путем отпуска свар¬ных соединений. Длительность и температура отпуска установле¬ны для каждой марки стали и типа соединений в рамках требова¬ний отраслевых нормативов.

Разделение высоколегированных сталей по группам (нержавею-щие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ 5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жа-ростойкие являются одновременно кислотостойкими в определен¬ных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одно¬временно жаропрочностью и жаростойкостью до определенных температур.

Приведем краткую информацию в отношении свариваемости высоколегированных сталей при использовании технологий РДС, а также ТИГ и МИГ/МАГ.

Сварка высокохромистых мартенситных сталей, содержа¬щих 11-12% Сг (см. табл. 1.2) затруднена, т. к. они обладают повы¬шенной склонностью к хрупкому разрушению. При содержании уг¬лерода более 0,1% они склонны к образованию холодных трещин. При снижении содержания углерода вязкость мартенсита повыша¬ется, однако при этом образуются структуры, обеспечивающие ста¬ли повышенную хрупкость. Поэтому в сварных соединениях этих сталей (15Х12ВНМФ, 10Х12НД, 06Х12НЗД и др.) могут образо¬вываться трещины в процессе охлаждения сварных соединений, а также при нормальной температуре (замедленное разрушение). При сварке этих сталей применяют предварительный и сопутству¬ющий подогрев до 200-450 °С.

К мартенситно-ферритным относятся стали, содержащие в своем составе 13-14% Сг (08X13, 12X13, 20X13 и др.). С точки зре¬ния свариваемости эти стали являются «неудобным» материалом в связи с высокой склонностью к подкалке и образованию холодных трещин. При сварке этих сталей требуется предварительный подо¬грев до 150-300 °С и последующий отпуск при температуре 680-720 °С. Сталь 08Х14МФ, легированная Мо и V, сваривается без подогрева.

К ферритным относят стали, содержащие хром в количестве не менее 16%. Они имеют однофазную ферритную структуру. Стали в ЗТВ (слой толщиной ~1,5-3,0 мм) склонны к резкому охрупчива¬нию под воздействием сварочного нагрева, что может вызвать хрупкое разрушение металлоконструкции. Показатели трещино- стойкости ферритных сталей формируются непосредственно в про¬цессе сварочного нагрева и в дальнейшем остаются неизменными. Для сталей марок 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28 назначается предвари¬тельный подогрев до температуры 150-200 °С. Для стали 08Х23С2Ю температура предварительного подогрева выше (200- 250 °С). Сразу после сварки металлоконструкции из этой стали проводят отжиг при температуре 900 °С. Стали ЭП882-ВИ и ЭП904-ВИ, а также стали с плакирующим слоем 08Х17Т и 15Х25Т свариваются без предварительного подогрева. Для снятия остаточных напряжений в металлоконструкциях из ферритных сталей применяют отжиг при температуре 760 0С.

К аустенитным жаропрочным относят стали с содержанием ферритной фазы не более 2%. Эти стали могут не упрочняться (Х14Н16Б, Х18Н12Т, 1Х16Н13М2Б и др.) или упрочняться термо-обработкой — закалкой и старением (Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, Х15Н18ВЧТ и др.). Наряду с высокой жаропрочностью перечис-ленные стали обладают значительной жаростойкостью вследствие высокого содержания Сг, образующего на поверхности прочные окислы хрома, а также имеют антикоррозионную стойкость в раз-личных средах. Жаростойкие стали обладают высоким коэффици-ентом теплового расширения, малой теплопроводностью и высокой релаксационной стойкостью при высоких температурах. Это при-водит к высокому уровню напряжений и деформаций при сварке, отпуске и при эксплуатации в условиях теплосмен.

Существенное влияние на свариваемость этих сталей оказывает ее химический состав и теплофизические условия кристаллизации шва. В швах с соотношением Сгэ/№э<1,3 формируется крупнокри-сталлическая структура. Наиболее крупные кристаллы образуются в центре шва. В швах, где соотношение Сгэ/№э>1,3, формируется структура с развитой дендритной формой и высокой дисперсно¬стью. После замедленного охлаждения в швах сохраняется 5-6% феррита. Наряду со структурным составом важным параметром строения шва является схема его кристаллизации. Сварка с боль¬шими скоростями приводит к образованию неблагоприятного вы¬сокого угла встречи между двумя растущими кристаллитами, а при сварке с малыми скоростями — к возникновению осевого кристал¬лита, стыкующегося с двух сторон с двумя фронтами кристаллиза¬ции под большим углом.

В процессе однофазной кристаллизации сварных швов форми-руются крупнокристаллические столбчатые первичные структуры с ликвационной неоднородностью по Сг, N1 и др. элементам. В ре-зультате ликвации образуются легкоплавкие карбидные фазы. В указанном состоянии металл шва имеет малую пластичность, что может привести к образованию горячих трещин кристаллизацион¬ного типа в диапазоне температур 1250-1200 °С. Второй тип горя¬чих трещин может формироваться при температуре 1200-1000 °С в результате образования высокотемпературных сварочных дефор-маций межзеренного характера. Третий тип горячих трещин может образовываться в ЗТВ по строчечным выделениям сегрегатов и примесей, а в литых деталях — по ликвационным прослойкам.

Сварные соединения этих сталей, имеющие концентраторы на-пряжений (непровары, подрезы и др.), склонны к образованию тре¬щин в процессе послесварочной термообработки.

Металл ЗТВ аустенитных сталей склонен к хрупким (локаль¬ным) разрушениям при высокотемпературной эксплуатации. Тре¬щины, возникающие в металле ЗТВ, аналогичны тем, которые об¬разуются после сварки и термической обработки.

Послесварочная термообработка сварных узлов, эксплуатирую-щихся без воздействия активных сред при температуре до 500 °С, не проводится. При работе в коррозионной среде назначают стаби-лизирующий отжиг при температуре 850-950 °С. Для жаропроч¬ных термоупрочняемых материалов проводят двухступенчатый отжиг: 900 °С — 10 ч + 750 °С — 30 ч.

К аустенитным коррозионностойким относят стали, имеющие после высокотемпературного нагрева преимущественно структуру аустенита. Эти стали могут содержать также до 10% феррита. По хи-мическому составу это хромоникелевые стали типа 18-10 (-18% Сг и -10% N1), хромомарганцевые, хромомарганценикелевые, хромо- никельмолибденовые и высококремнистые стали (см. табл. 1.2).

В хромоникелевых сталях основным элементом, обеспечиваю¬щим ее высокую коррозионную стойкость, является хром (-18%), который обеспечивает ее стойкость во многих средах окислитель¬ного характера, в том числе и в азотной кислоте. Наличие никеля в стали (9-12%) делает ее структуру аустенитной, что обеспечивает ее высокую технологичность в сочетании с уникальным комплек¬сом служебных свойств. Это позволяет использовать ее как кор¬розионностойкую, жаростойкую, жаропрочную и как криогенный материал. Снижением содержания углерода (до 0,02-0,03%) либо дополнительным легированием сильными карбидообразующими элементами (титаном или ниобием) достигается ее высокая стой¬кость к МКК.

В хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталях марганец играет роль заменителя никеля. Так как марганец являет¬ся более слабым аустенизатором, чем никель, сталь дополнительно легируют никелем, азотом или обоими элементами вместе.

Марганец увеличивает стабильность аустенита при охлаждении и холодной пластической деформации. Вместе с тем марганец сооб¬щает сталям большую склонность к наклепу при пластической де¬формации.

Термическая обработка хромомарганцевых и хромомарганцево-никелевых сталей заключается в закалке от 1000-1050 °С с охлаж-дением в воде или на воздухе.

Стали этой группы предназначены для изготовления оборудо-вания, работающего в средах химических производств слабой аг-рессивности, криогенной техники до температуры -253 °С, а также в качестве жаропрочного и жаростойкого материала до 600-700 °С.

В хромоникельмолибденовые стали вводят молибден в количе¬стве 2-4% для повышения ее коррозионной стойкости в условиях воздействия фосфорной, муравьиной, уксусной кислот и других сред повышенной агрессивности. Кроме молибдена в стали этой группы вводят также титан и ниобий.

Термообработкой для хромоникельмолибденовых сталей явля¬ется закалка с 1050-1120 °С в воде. В этом состоянии стали имеют преимущественно аустенитную структуру. После сварки термооб-работка изделий в большинстве случаев не назначается. Термооб-работку применяют тогда, когда в состоянии после сварки соедине¬ния проявляют склонность к межкристаллитной ножевой корро¬зии либо предназначены для работы в условиях, вызывающих кор¬розионное растрескивание.

К аустенитно-ферритным относятся стали типа 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 03Х23Н6Т и др. Количество аустенитной и ферритной фаз колеблется в пределах 40-60%. Стали поставляются в зака¬ленном состоянии от температуры 950-1050 °С. Аустенитно- ферритные стали теряют вязкость при нагреве их в интервале температур 450-650 °С.

Аустенитно-ферритные стали отличаются повышенной склон-ностью к росту зерна в ЗТВ под воздействием термического цикла сварки. Размер зерна и ширина зоны перегрева зависят от погон¬ной энергии сварки, соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву. Соот¬ношение структурных составляющих в исходном состоянии в зна¬чительной степени зависит от содержания в стали Т1. Чем выше его содержание, тем чувствительнее сталь к перегреву. Вследствие рос¬та зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается сниже¬ние ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно-ферритных сталей. Менее чувст¬вительными к сварному нагреву являются стали, не содержащие Т\, - это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2.

Предпочтительнее для соединения этих сталей — способы свар¬ки с невысокими погонными энергиями. Швы соединений этих сталей должны иметь аустенитно-ферритную структуру. Количест¬во ферритной фазы в швах составляет 15-60% и зависит не только от применяемых сварочных материалов, но и от доли участия ос¬новного металла в металле шва. Изменение содержания ферритной фазы в шве за счет легирования или термообработки позволяет по¬лучить высокие показатели механических свойств. Оптимальные показатели достигаются при равном процентном содержании в шве аустенитной и ферритной фаз. Для улучшения пластичности свар¬ных соединений они могут быть подвергнуты термообработке — закалке от 1000 °С с охлаждением в воде.

Для повышения стойкости сварных соединений к МКК слой шва, обращенный к агрессивной среде, должен выполняться по¬следним. Положительные результаты достигаются при обработке границ шва с основным металлом с использованием технологии сварки ТИГ. При соотношении аустенитной и ферритной фаз, близким к единице, швы стойки как против МКК, так и против структурно-избирательной коррозии.

К аустенитно-мартенситным относят стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых изменяется в широких пределах. Соотношение легирующих элементов в этих сталях обеспечивает начало мартенситного превращения при 20-60 °С. К сталям этой группы по маркам относят 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 08Х17Н5МЗ и др. Стали этой группы в зависимости от термической обработки имеют структуру и обладают свойства¬ми, близкими к свойствам сталей аустенитного или мартенситного классов.

После закалки от температуры, достаточной для растворения карбидов, структура сталей в основном аустенитная. Однако этот аустенит неустойчив и при охлаждении до отрицательных темпера-тур либо пластической деформации при температурах у—>а-пре- вращения сравнительно легко превращается в мартенсит. Дефор¬мация при температуре 100-200 °С замедляет мартенситное пре¬вращение практически до нуля. Структурное состояние определяет механические характеристики сталей.

Указанные стали применяются как высокопрочные для изде¬лий, работающих в атмосферных условиях, уксусных и других со¬левых средах, а также для упругих элементов. Эти стали использу¬ются также для изготовления элементов криогенной техники, рабо¬тающих до температуры -196 °С.

После сварки этих сталей, прошедших полный цикл термичес¬кой обработки (мартенситная структура), наблюдается широкая зона, имеющая после высокотемпературного нагрева структуру ау- стенита. Структурные превращения в ЗТВ приводят к снижению пластичности и ударной вязкости металла, а также его чувстви-тельности к концентраторам напряжений. Кроме того, эти превра-щения снижают коррозионную стойкость против МКК в ЗТВ.

Холодные трещины в металле ЗТВ у этого класса сталей не об-разуются. Однако в результате выделения карбидов и образованию 8-феррита сварные соединения склонны к хрупкому разрушению в зоне структурных изменений, особенно при понижении температу¬ры до -196 °С. Решить эту проблему позволяет послесварочная термообработка (закалка, обработка холодом, отпуск) в случае ис-пользования сварочных материалов мартенситного либо аустенит- но-мартенситного классов.

К мартенситно-стареющим относят стали, обладающие осо¬бым механизмом упрочнения, основанным на выделении интерме- таллидов типа N1 (Т1, А1), Ы13Т1, №3Мо при нагреве 400-550 °С твердых растворов железа с никелем и добавки различных элемен¬тов замещения. Максимальное упрочнение при старении достига¬ется в безуглеродистых сплавах как необходимое условие предот¬вращения связывания легирующих элементов в карбиды. Поэтому образующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок и пластичен.

Основной системой легирования таких сталей является железо-никелевый сплав (18-25% №), содержащий добавки Мо, Со, Т\ и А1 (Н18К9М5Т и др.). Другой распространенной системой являет¬ся железохромоникелевый сплав (10-13% Сг и 5-10% N1) с добав¬ками Мо, Со, Т'\ и А1 (Х11Н10М2ТЮ и др.). В структуре этих ста¬лей может быть 10-40% остаточного аустенита. Третьей системой легирования мартенситно-стареющих сталей является сплав желе¬за с 12% N1 и дополнительным легированием Си, Мп, V и др. эле¬ментами (Н12М2Д2ТЮ и др.). Четвертой системой легирования является железоникелькобальтовый сплав (9% №-4% Со) с добав¬ками карбидообразующих элементов и содержанием углерода 0,2-0,4% (30Н8К4ХМФ и др.).

Микроструктуру мартенситно-стареющих сталей представляет так называемый «массивный» мартенсит в виде пакетов феррит- ных пластин, разделенных малоугловыми границами.

Мартенситно-стареющие стали используются в конструкциях, где необходима повышенная удельная прочность при низкой чув-ствительности к наличию надрезов и трещиноподобных дефектов. Из таких сталей изготавливают оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, изделия криогенного назначения и др.

Свариваемость мартенситно-стареющих сталей хорошая. Они мало чувствительны к образованию горячих и холодных трещин и обеспечивают повышенный уровень механических свойств свар¬ных соединений в нетермообработанном состоянии и возможность достижения равнопрочности основному металлу проведением по- слесварочной термообработки (старения). Высокая прокаливае- мость позволяет получить мартенситную структуру независимо от скорости охлаждения после аустенизации.

Из-за низкого уровня содержания элементов-раскислителей (Б1, Мп) в мартенситно-стареющих сталях возникают определенные трудности, связанные с предотвращением образования пористости, несплавлений и загрязненности неметаллическими включениями металла шва. Развитие указанных дефектов в определенной степе¬ни зависит от содержания А1 и Т1, которые могут неравномерно окисляться в зоне сварки и, как следствие, вызывать нестабиль¬ность состава и свойств металла шва.

Специфический дефект сварных швов при сварке мартенситно- стареющих сталей — дендритный излом, сопровождаемый резким ухудшением ударной вязкости и усталостной прочности металла шва. Для предотвращения развития грубокристаллитной структу¬ры в металле шва регламентируют содержание 1,5-4,0% 6-феррита, препятствующего прорастанию дендритов через несколько слоев.

Температура эксплуатации изделий из мартенситно-стареющих сталей не превышает 400 °С в связи с явлением старения и переста- рения. Высокая хладостойкость позволяет успешно эксплуатировать сварные изделия из этих сталей при температуре от -70 до -100 °С, а для отдельных марок сталей — и при криогенных температурах.

Высоколегированные сплавы на никелевой основе обладают, наряду с высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, значи-тельной коррозионной стойкостью в газовых, соляных и жидко-металлических средах и могут эксплуатироваться до температур 1000-1100 °С. Никелевые сплавы делят на две группы: гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные термоупрочняемые диспер-сионным твердением.

Термоупрочняемые гетерогенные сплавы никеля могут иметь несколько исходных состояний. В закаленном состоянии сплавы имеют наименьшую жаропрочность, но наибольшую пластичность. В дисперсионно-упрочненном состоянии пластичность минималь¬на, а жаропрочность максимальна и зависит от объема, химическо¬го состава и морфологии упрочняющих фаз.

Первым фактором, понижающим свариваемость, является резкое укрупнение столбчатых кристаллитов в швах. Вторым фактором яв-ляется высокий уровень легирования расплава; он обуславливает в литом металле на периферии шва ячеисто-дендритный и дендритный (в центре) тип субструктуры со значительно выраженной ликвацион- ной неоднородностью. Неоднородность химического состава приво-дит к образованию в шве менее эффективных интерметаллидных фаз по сравнению с фазами в основном металле. Третьим фактором яв-ляется транскристаллитность швов, в центре которых на больших скоростях сварки формируется «зона слабины» — стык двух фрон¬тов кристаллизации с явно выраженной зоной ликвации. При ма¬лых скоростях сварки в центре шва образуются осевые кристаллы, по границам которых возникают две зоны срастания боковых и осе¬вых кристаллов, также характеризуемые пониженными свойствами.

В ЗТВ сплавов на никелевой основе наблюдается укрупнение зерна в гомогенных сплавах, растворяются упрочняющие фазы в гетерогенных сплавах, оплавляются фазы в перестаренных сплавах. Перестаривание (при сварке состаренных сплавов) приводит к укрупнению упрочняющих фаз. Развитие вышеперечисленных не-гативных явлений зависит от длительности высокотемпературного нагрева, исходного состояния сплава и его химического состава, определяющего стабильность фаз при нагреве.

При сварке гомогенных никелевых сплавов (Х20Н45 и др.) воз-можно образование кристаллизационных и подсолидусных горя¬чих трещин в металле шва.

При сварке гетерогенных сплавов кроме горячих трещин в шве возможно образование трещин в ЗТВ.

Для предотвращения образования трещин сварку выполняют на минимальной погонной энергии, ограничивают скорость сварки, применяют внешние воздействия для измельчения элементов пер-вичной структуры, а также применяют теплопроводящую оснастку и охлаждающие среды.

При послесварочной термообработке, выполняемой для снятия сварочных напряжений, а для гетерогенных термоупрочняемых спла-вов и для восстановления жаропрочности (закалка и старение), также возможно образование трещин. Они могут возникнуть на этапе мед-ленного нагрева в интервале дисперсионного твердения. К образова-нию таких трещин весьма склонны сплавы с Е (Т1+А1) > 4%. Спла¬вы, легированные № вместо Т\ (например, ХН62МБВЮ), не склон¬ны к образованию трещин в процессе термообработки после сварки.

В процессе длительной высокотемпературной эксплуатации происходит снижение предела длительной прочности и пластично¬сти основного металла и сварных соединений. Интенсивность их снижений выше для металла шва и ЗТВ, особенно в условиях цик-лического высокотемпературного нагружения. Ослабить снижение предела длительной прочности и пластичности металла шва и ЗТВ можно путем уменьшения продолжительности высокотемператур¬ного нагрева при сварке.

1.3. Чугуны

Чугун — самый распространенный литейный сплав железа с уг-леродом (углерода по массе более 2,1%). Он имеет ряд положитель¬ных свойств, основными из которых являются хорошие литейные свойства, малая чувствительность к концентраторам напряжений, способность гасить вибрацию и хорошая обрабатываемость. Чугу¬ны имеют удовлетворительную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах и жаростойкость, а также мало подвержены короблению в условиях повышенного нагрева.

Избыточный углерод, содержащийся в чугуне, существует в ви¬де включений графита или химического соединения. Количество графита, форма, размеры и характер распределения его в металли¬ческой матрице оказывают превалирующее влияние на механичес¬кие свойства чугунов. По степени графитизации чугуны подразде¬ляют на белый, серый, высокопрочный и ковкий.

Механические и эксплуатационные свойства чугуна улучшают путем введения в него легирующих элементов, оказывающих бла-гоприятное влияние не только на металлическую основу, но и на форму, размеры графитных включений, способствующих значи-тельному измельчению структуры чугуна.

Нелегированным считают чугун, содержащий до 5,0 кремния, до 2,0 марганца, до 0,3 фосфора, до 0,25 серы и до 0,1% хрома, никеля или меди (отдельно). В низколегированном чугуне суммарная мас-совая доля легирующих элементов (хрома, никеля, меди) не превы¬шает 1,0-1,5%, в среднелегированном она может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7-10%. Добавки сотых долей про-цента магния, натрия, бора считают легирующими.

Чугуны классифицируют по механическим свойствам:

• по твердости НВ — мягкий (< 149), средней твердости (149- 197), повышенной твердости (197-269), твердый (>269);

• по временному сопротивлению ов, МПа — обыкновенной проч-ности (< 200), повышенной прочности (200-380), высокой прочности (> 380);

• по пластичности 8, % — непластичный (< 1), малопластичный (1-5), пластичный (5-10), повышенной пластичности (>10).

По специальным свойствам чугуны подразделяются на износо-стойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, немагнитные.

Белый чугун. Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии с железом в виде цементита (Ре3С). Он имеет высокую твердость и хрупкость и трудно подда¬ется обработке режущим инструментом. Как правило, эти чугуны перерабатывают в сталь, поэтому их называют передельными.

Серый чугун. Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрой (СЧ 10, СЧ 15-СЧ 45). Согласно ГОСТ 1412-85 в них нормируют также и химический состав с указанием массовой доли таких эле¬ментов, как углерод (2,9-3,7%), кремний (1,0-2,6%), марганец (0,5-1,1%), сера (0,12-0,15%) и фосфор (0,2-0,3%). Чем выше циф¬ра в обозначении марки чугуна, тем выше временное сопротивле¬ние — ав и ниже массовая доля углерода, серы и фосфора в нем. В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде гра¬фита пластинчатой формы, который располагается в ферритной, перлитной, ферритно-перлитной или аустенитной матрице. Струк¬тура чугуна и его свойства разнообразны. Существуют ферритные, ферритно-перлитные, перлитно-карбидные, бейнитные, мартенсит- ные и аустенитные чугуны.

Структура чугуна во многом определяется скоростью охлаждения: с ее уменьшением увеличиваются графитные включения, укрупняет¬ся зерно металлической основы, снижаются прочность и твердость.

Предел прочности серого чугуна на сжатие примерно в 2-4 раза выше, чем на растяжение. Отношение между пределом прочности на срез и пределом прочности на растяжение составляет 0,75-1,8. Ударная вязкость серого чугуна низкая, однако демпфирующая способность велика.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем легирования его магнием, церием и другими модификаторами. Под влиянием модификаторов в чугуне образуется шаровидный гра¬фит, что способствует повышению его механических свойств.

В зависимости от состава и термической обработки чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) бывают ферритными (ВЧ 38-17 и ВЧ 42-12), перлитно-ферритными (ВЧ 45-5 и ВЧ 50-2), перлит¬ными (от ВЧ 60-2 до ВЧ 80-3) и бейнитными (ВЧ 100-4 и ВЧ 120-4). Массовая доля легирующих элементов в ЧШГ следую¬щая, %: 3,2-3,8 С, 1,9-2,9 в бейнитных 3,4-3,6 0,4-0,9 Мп, до 0,1 Сг. Содержание примесей ограничено: до 0,02% Б и до 0,1% Р. Массовая доля магния составляет 0,03-0,08%. ЧШГ превосходят серые чугуны по износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и другим показателям. Из этих чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасонные (корпусы и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков, детали с по¬верхностной закалкой и др.).

Ковкий чугун. Если белый чугун подвергнуть длительному от¬жигу (60-100 ч), то цементит распадается, а графит приобретает хлопьевидную форму. По сравнению с серым чугуном ковкий чу¬гун (КЧ) обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную, перлитную или ферритно-перлит- ную металлическую основу. Наибольшее распространение получил ферритный КЧ, твердость которого достигает 320 НВ. Ковкие чу¬гуны (ГОСТ 1215-79) маркируют буквами КЧ и цифрами — фер- ритные от КЧ 30-6 до КЧ 37-12 и перлитные от КЧ 45-6 до КЧ 63-2. Первые цифры указывают на временное сопротивление, а следующие — на относительное удлинение. Массовая доля легиру¬ющих элементов в КЧ следующая, %: 2,3-3,0 С, 0,9-1,6 51, 0,3-0,6 Мп (при ферритной матрице) и до 1,2 Мп (при перлитной матрице). Снижение содержания углерода увеличивает прочность КЧ. Содержание фосфора и серы в КЧ меньше, чем в сером чугуне.

Свариваемость. Трудности сварки серых чугунов обусловлены высоким содержанием углерода в его составе, склонностью к обра-зованию цементита и ледебурита при кристаллизации и в случае ускоренного охлаждения, малой пластичностью основного металла и ЗТВ, относительно низким значением температуры кристаллиза¬ции металла сварочной ванны на железной или железоникелевой основе, высокой газонасыщенностью, а также наличием в чугуне микропустот и рыхлот, в которых концентрируются газы. Допол¬нительные трудности могут возникнуть при сварке деталей с изме¬ненной структурой и свойствами, которые сформировались под воздействием условий эксплуатации изделия («горелый» или про¬питанный маслом чугун).

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродными матери-алами на основе железа наблюдается глубокое проплавление основного металла, который, поступая в металл сварочной ванны, насыщает ее углеродом. При этом в стальных швах формируются метастабильные структуры, выделяется цементит по границам зе¬рен и образуется мартенсит (структура закаленной доэвтектоидной стали). Это приводит к повышению твердости и снижению плас¬тичности металла шва, возрастает склонность сварных соединений к образованию трещин. Наиболее четко эта тенденция наблюдается при сварке деталей без подогрева.

Учитывая, что чугун имеет низкую пластичность во всем диапа-зоне температур термического цикла сварки, он не выдерживает зна-чительных сварочных напряжений в околошовной зоне. Разруше¬нию соединений в процессе сварки способствует также образование неравновесных фаз (цементита, ледебурита и мартенсита) в ЗТВ.

Вредные примеси (фосфор и сера) ухудшают свариваемость чу-гуна. Так, содержание в чугуне более 0,06-0,07% серы вызывает об-разование пор в швах и повышение твердости соединения, так как способствует формированию структур с ледебуритом.

Существенное влияние на свариваемость чугуна оказывает гра-фитная фаза. Если включения графита крупные и образуют сетку, то в зоне сплавления возникает большое количество микропустот, которые снижают прочность сварного соединения.

Существенно ухудшается свариваемость деталей из чугуна, которые эксплуатировались в условиях воздействия высоких тем-ператур, частых теплосмен и агрессивных средах. Металлическая матрица таких чугунов сильно окислена, и зачастую их сварка практически невозможна.

Ремонтная сварка чугунных деталей, которые находились в кон-такте с маслами и продуктами их сгорания, затруднена. Плохо сва-риваются чугуны, поверхность которых контактировала с продук¬тами сгорания топлива — выхлопными газами.

Все перечисленные выше случаи требуют дополнительных мер, направленных на подготовку деталей под сварку (удаление «горе-лого» слоя, выжигание масла со свариваемых поверхностей, кипя-чение в щелочных ваннах и т. д.).

Существенные трудности возникают при сварке специальных чугунов. В таких случаях затруднительно получить соединения, равнопрочные и идентичные по свойствам основному металлу. Это в первую очередь относится к сварным соединениям КЧ и ЧШГ. Склонность сварных соединений к образованию трещин в ЗТВ у ЧШГ значительно выше, чем у обычных серых чугунов при одина¬ковых содержаниях углерода, кремния и марганца. Сварку таких изделий осуществляют только при предварительном высокотемпе¬ратурном подогреве всей металлоконструкции.

Поскольку у чугунов меньшая усадка, чем у сталей (примерно в

2 раза), это позволяет заваривать крупные дефекты литья без обра-зования трещин. Для предотвращения образования структур отбе- ла в металле шва и ЗТВ необходим предварительный подогрев до температуры 600-700 °С с последующим охлаждением изделия со скоростью 50-100 °С/ч.

Для сварки чугуна без предварительного подогрева «холодной сварки» используют сварочные материалы на железной основе. Стальной шов легируют сильными карбидобразующими элемента¬ми (ванадием, ниобием, титаном), которые связывают углерод в мелкие карбиды, распределяющиеся в низкоуглеродистой метал¬лической матрице. Этот способ реализуется при использовании по¬крытых электродов марки ЦЧ-4, содержащих в своем составе до 10% ванадия.

Для холодной сварки чугуна применяют также электродные ма-териалы из цветных металлов (меди и никеля) и их сплавов. При их использовании в металле шва не образуются стойкие карбиды и он остается пластичным после наплавки на чугун.

Железоникелевые сплавы с массовой долей никеля более 30% являются аустенитными при нормальной температуре. Никелевый аустенит, растворяющий большое количество углерода без образо-вания карбидов, имеет высокую пластичность и низкую твердость. Эти особенности никелевого аустенита обеспечивают высокую стойкость сварных соединений чугунов против образования тре¬щин и их хорошую обрабатываемость.

Медь так же, как и никель, не образует карбидов, но в отличие от него практически не растворяет углерод и железо. Имея высо¬кую пластичность и указанное выше отношение к углероду и желе¬зу, медь используют в качестве электродного или присадочного ма¬териала при сварке чугуна.

Металл ЗТВ при сварке чугунов имеет разнообразные структу¬ры. Это связано с тем, что температура в ЗТВ под воздействием сварочного цикла колеблется в широком диапазоне, а химические и физические характеристики чугунов характеризуются большой не-однородностью. В процессе нагрева до температуры 1150-1250 °С чугун в ЗТВ находится в жидкотвердом состоянии. Охлаждение ЗТВ происходит с высокими скоростями (10-20 °С/с и выше), при которых в металле ЗТВ формируются продукты неполного распада аустенита — мартенсит и троостит, а жидкая фаза кристаллизиру¬ется с образованием ледебурита. На конечную структуру этого уча¬стка состав электродного металла практически не влияет, поэтому при сварке без подогрева в этой зоне наблюдаются повышение прочности и твердости, а также снижение пластичности сваривае¬мого чугуна. Стойкость сварных соединений против образования трещин во многом зависит от размеров ЗТВ — чем она уже, тем меньше вероятность образования трещин.

1.4. Цветные металлы

Медь. Медь — мягкий ковкий металл (предел прочности 220 МПа, относительное удлинение 60%) с температурой плавле¬ния 1083,3 °С и плотностью 8,92 г/см3. После обработки давлением предел прочности возрастает до 400-450 МПа. Медь широко ис¬пользуют в машиностроении благодаря ее высокой теплопроводно¬сти, низкому электросопротивлению и высокой коррозионной стойкости в ряде агрессивных сред. Все указанные свойства меди тем выше, чем выше чистота металла. Это предъявляет особые тре¬бования к сварке изделий из чистой меди. В машиностроении ис¬пользуют медь различных марок (табл. П10). Химический состав и маркировка меди регламентируется ГОСТ 859-78. ГОСТ 859-2001 на территории Украины не введен. В сварных конструкциях медь используют в виде листов, лент, полос, труб и проволоки.

Тепло- и электропроводность меди резко изменяются при вве¬дении примесей (даже в небольших количествах). Физико-механи¬ческие свойства меди зависят от степени чистоты и обработки ме¬талла. Мягкая отожженная медь представляет собой пластичный металл, в то время как медь, нагартованная после холодной пласти¬ческой обработки, существенно снижает свои пластические свойст¬ва. В зависимости от способа изготовления она разделяется на че¬тыре группы: бескислородную, катодную переплавленную, раскис¬ленную и огневого рафинирования.

Марки меди обозначают буквой «М» и цифрами, которые обо-значают максимально допустимые количества вредных примесей в данной марке, но численно с ними не связанные, т. е. являющимися порядковыми номерами марок. С увеличением порядкового номера марки меди повышается максимально допустимое содержание при-месей (см. табл.ПЮ). При маркировке бескислородная и раскис¬ленная медь дополнительно содержат буквы «б» (бескислородная) и «р» (раскисленная).

Примеси, оказывающие существенное влияние на физико-хи- мические и механические свойства меди, условно разделяют на три группы:

• элементы с очень малой (десятитысячные и тысячные доли %) растворимостью в твердой меди (висмут, свинец), которые резко снижают пластичность в температурном интервале 400-800 °С и вызывают растрескивание металла при горячей обработке;

• элементы, ограниченно растворимые в твердой меди (кислород, фосфор, сера), образующие (при содержании в десятых долях %) хрупкие фазы по границам кристаллитов;

• элементы, образующие при их относительно высоком содержании (до одного и более %) твердые растворы (железо, никель, мышьяк). Примеси всех трех групп снижают тепло- и электропроводность

меди. Особенно вредное влияние оказывает кислород, снижающий

механические и технологические свойства меди, а также ее корро-зионную стойкость.

При нагреве медь реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует гидрид СиН, с углеродом — ацетиленистую медь Си2С2 (взрывчатую), с азотом не реагирует.

Свариваемость меди. Медь можно сваривать всеми способами плавления. Однако при этом необходимо учитывать специфичес¬кие свойства этого металла, из которых главными являются высо¬кая теплопроводность, большая жидкотекучесть и значительная активность металла при взаимодействии с кислородом и водоро¬дом в расплавленном состоянии. В связи с высокой теплопровод¬ностью меди (в 6 раз выше, чем у стали) для сварки необходимо применять источники нагрева с большой тепловой мощностью. Высокая теплопроводность приводит также к существенной скоро¬сти охлаждения металла шва и ЗТВ и малому времени пребывания сварочной ванны в жидком состоянии, что ухудшает формирова¬ние шва. Хорошо сформированный шов можно получить, приме¬нив предварительный подогрев, который обеспечивает более рав¬номерное распределение теплоты в сварочной ванне. Предвари¬тельный и сопутствующий подогрев, помимо снижения вероятнос¬ти образования дефектов (подрезов, наплывов, трещин, пористос¬ти), улучшает условия кристаллизации сварного шва, снижает вну¬тренние напряжения и устраняет склонность металла шва к образо¬ванию трещин.

Особенно вредное влияние на свариваемость оказывает кисло¬род, снижающий механические и технологические свойства меди, а также ее коррозионную стойкость. В процессе взаимодействия ме¬ди с кислородом образуется хорошо растворимая в жидком метал¬ле закись меди (Си20), образующая с медью легкоплавкую эвтек¬тику (Си-Си20), которая располагается при кристаллизации по границам зерен, охрупчивая металл шва.

Вредные примеси также образуют с медью легкоплавкие эвтек¬тики, которые охрупчивают основной и наплавленный металл: сера (Си-Си25), свинец (Си-РЬ0-РЬ02-РЬ03), висмут (Си-ВЮ- В1203-В1205) и др.

При содержании в меди более 0,01% кислорода не удается полу-чить металл шва без пор. Механические свойства сварных соедине¬ний также находятся в прямой зависимости от содержания кисло¬рода в металле шва. Поэтому ответственные металлоконструкции следует изготавливать из бескислородной (МОб) или раскисленной

(М1р-М3р) меди. В качестве присадочного материала также необ-ходимо использовать раскисленную или бескислородную медь.

Отрицательное влияние на свариваемость меди оказывает так¬же водород, который хорошо растворяется в жидкой меди и вызы¬вает образование пор в швах и трещины в околошовной зоне, так называемую водородную болезнь. Это обусловлено тем, что раство-рившийся в металле шва водород диффундирует в околошовную зону и при наличии в металле закиси меди взаимодействует с ней по реакции

С112О + Н2 Си + Н2О.

Образующиеся пары воды скапливаются между кристаллитами в газообразные прослойки и при охлаждении способствуют воз-никновению трещин в температурном интервале 300-350 °С (ин¬тервал хрупкости меди).

Отрицательное влияние на свариваемость меди оказывает так¬же ее большой коэффициент теплового расширения (в 1,5 раза вы¬ше, чем у углеродистых и легированных сталей), а также большая усадка, что вызывает повышенные деформации и остаточные сва¬рочные напряжения. Это способствует образованию трещин в тем¬пературном интервале 250-550 °С, когда металл обладает мини¬мальной пластичностью и прочностью. Для предотвращения обра¬зования трещин, вызванных деформациями и напряжениями, сле¬дует избегать жесткого закрепления свариваемых элементов, а так¬же проводить проковку при выполнении многослойных швов каж¬дого слоя (после первого) при температуре металла шва не выше 200 °С, когда он имеет повышенную пластичность.

Латуни. Латунями называют сплавы меди с цинком (простые латуни), содержание последнего может достигать 50%. При легиро-вании латуни другими элементами (свинец, кремний, марганец, алюминий, железо) сплав относится к сложным или специальным латуням.

В зависимости от назначения и механических свойств латуни разделяют на обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70) и ли-тейные (ГОСТ 17711-80).

Двойные (содержащие только медь и цинк) деформируемые ла¬туни обозначаются условно буквой Л, за которой следуют буквы и цифры, указывающие содержание меди (Л90 — латунь, содержа¬щая в среднем 90% меди, цинк — остальное). При обозначении сложных латуней за буквой Л следуют буквы (табл. 1.З.), показы-

вающие, какими металлами они дополнительно легированы, и ци¬фры, указывающие количество (ЛМцЖ55-3-1 — латунь с содер¬жанием меди 55%, марганца — 3, железа — 1, цинк — остальное). Содержание цинка в марках латуней, обрабатываемых давлением, не указывается, т. е. цинк — остальное.

Марки латуни, предназначенные для отливок (ГОСТ 17711 — 80), начинаются с буквы «ЛЦ», после которой следует число, ука¬зывающее среднее содержание цинка в соответствующей латуни, а не меди, как это было ранее отмечено в ГОСТ 17711-72. За этим числом следуют буквы и цифры, указывающие среднее содержание каждого легирующего элемента. Например, обозначение ЛЦ38Мц2С2 означает, что в данной марке среднее содержание цинка составляет 38%, марганца — 2 и свинца — 2, остальное — медь.

Латуни, содержащие до 10% цинка, называются томпаками (Л96, Л90), а содержащие от 10 до 20% цинка — полутомпаками (Л85, Л80).

С увеличением содержания цинка изменяются физические свой¬ства латуней (снижается плотность, теплопроводность и электропро-водность, а коэффициент линейного расширения увеличивается).

Многокомпонентные латуни в зависимости от содержания в них легирующих элементов разделяются на алюминиевые (ЛА77-2), марганцовистые (ЛМц58-2), свинцовые (ЛС59-1-1) и другие мар¬ки. При содержании в латунях нескольких легирующих элементов их называют соответственно железомарганцовыми (ЛЖМц59- 1-1), алюминиево-никелевыми (ЛАН59-3-2) и др. (табл. П11).

Каждый легирующий элемент придает латуни свои специфиче¬ские свойства, которые определяют область их применения и на¬значения:

• высокое содержание меди в латунях придает им высокую плас-тичность в холодном состоянии, поэтому они используются для изготовления полуфабрикатов холодным прессованием;

• повышенное содержание цинка в латунях позволяет легче их обрабатывать резанием, и они лучше противостоят износу без смазки;

• самыми высокими антифрикционными свойствами обладают латуни, содержащие свинец, что позволяет использовать их в ка-честве материала для изготовления подшипников трения;

• оловянные латуни обладают повышенной коррозионной стой-костью в морской воде, поэтому их широко используют в судо-строении.

Свариваемость латуней. Двойные латуни, содержащие при¬мерно до 30% цинка, имеют однофазную структуру а-твердого рас¬твора, что определяет их высокую пластичность и хорошую свари¬ваемость. При дальнейшем повышении содержания цинка в двой¬ных латунях они приобретают двойную структуру а + (3 или одно- фазную-(5, имеют пониженную пластичность, ограниченную свари¬ваемость и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Легирование латуней другими элементами (алюминием, мар-ганцем, кремнием и др.) существенно изменяет их структуру, а так¬же механические и теплофизические свойства. Повышение содер¬жания цинка в латунях снижает их тепло- и электропроводность, что способствует некоторому улучшению их свариваемости за счет более низкой температуры предварительного подогрева. Введение в латуни кремния также улучшает их свариваемость, поскольку ту¬гоплавкая пленка диоксида кремния (5Ю2), образующаяся при его взаимодействии с кислородом воздуха, в некоторой степени умень-шает испарение цинка из расплавленного металла. Кремний повы-шает также стойкость против коррозионного растрескивания, к ко-торому склонны латуни, содержащие более 20% цинка при эксплу-атации изделий в коррозионных средах в условиях растягивающих напряжений. Для повышения стойкости металлоконструкций из латуней к коррозионному растрескиванию они подвергаются низ-котемпературному отжигу при температуре 250-300 °С в течение1-2 ч. В ряде случаев изделия из латуней после сварки подвергают высокотемпературному отжигу при 400-500 °С в течение 3 ч. Это полностью снимает остаточные сварочные напряжения, исключает деформацию изделий после механической обработки, не снижая при этом механических свойств латунных сварных соединений.

Высокопрочные двухфазные латуни обладают худшей сваривае-мостью, чем однофазные, так как уменьшение в их структуре плас-тичной а-фазы снижает стойкость против образования трещин в околошовной зоне.

Малый температурный интервал кристаллизации обусловлива¬ет их высокую склонность к образованию пор в металле шва, а вы¬сокая жидкотекучесть ограничивает выполнение швов в положени¬ях, отличных от нижнего и наклонного.

Основной проблемой при сварке латуней является испарение цинка, имеющего низкую температуру кипения (907 °С), близкую к температуре плавления латуней (900-1000 °С). При этом он интен-сивно окисляется, образуя оксид цинка (7пО), который создает об¬лако белого цвета, ухудшающее видимость сварочной ванны, что затрудняет сварщику выполнение операций, связанных с формиро-ванием шва. Испарение цинка способствует также образованию пор в металле шва. Пары и оксид цинка чрезвычайно токсичны, что требует применения особых мер защиты сварщика от отравления, в первую очередь организации эффективной вентиляции и приме¬нения индивидуальных мер защиты органов дыхания сварщика, а также технологических мероприятий, заключающихся в ограниче¬нии режимов сварки, выполнении швов короткими валиками с перерывами на охлаждение после наложения каждого валика, ис¬пользование бронзовых проволок и проволок, содержащих крем¬ний в своем составе.

Безоловянные бронзы. Бронзами называют сплавы на основе меди, легированные алюминием, оловом, марганцем, железом и дру-гими элементами. Бронзы разделяются на две основные группы:

• безоловянные, которые не содержат олова в качестве легирую¬щего элемента;

• оловянные, в которых основным легирующим элементом явля¬ется олово.

Безоловянные бронзы в зависимости от основного легирующего элемента разделяются на алюминиевые, марганцовистые, кремние¬вые, хромистые, бериллиевые и др.

В зависимости от назначения и механических свойств бронзы разделяют на литейные и обрабатываемые давлением (деформиру-емые). В рамках требований ГОСТ 18175-78 (безоловянные брон¬зы) и ГОСТ 5017-74 (оловянные бронзы) принята система обозна¬чения марок деформируемых бронз. Она состоит из букв «Бр» (бронза), за которыми следуют начальные буквы русских названий легирующих элементов (см. табл. 1.3), после которых в той же по¬следовательности указывают числа, обозначающие среднее содер¬жание этих элементов в процентах по массе.

В отличие от деформируемых литейные бронзы (ГОСТ 493-79 — безоловянные бронзы и ГОСТ 613-79 — оловян¬ные бронзы) обозначают несколько по-другому. В маркировке ци¬фры, обозначающие среднее содержание легирующих элементов, указывают сразу после буквенного условного обозначения каждого легирующего элемента (БрОЗЦ12С5). Если данная марка бронзы изготавливается и как литейная, и как деформируемая, то в обозна-чении марки литейной бронзы указывают в конце букву «Л». На-пример, деформируемую бронзу обозначают БрАМц9-2, а литей¬ную — БрА9Мц2Л. Химический состав некоторых деформируемых и литейных бронз приведен в табл. I112.

Безоловянные бронзы нашли широкое применение в промыш-ленности благодаря тому, что по многим свойствам (эрозионной стойкости, жаростойкости и др.) они превосходят оловянные.

Двойные алюминиевые бронзы, содержащие до 8% алюминия (БрА5, БрА7), имеют однофазную структуру а-твердого раствора, а при более высоком содержании алюминия структура становится двухфазной — а+у2, где у2 — твердый раствор, образующийся в ре-зультате распада [3-фазы при 565 °С в условиях медленного охлажде-ния. При высоких скоростях охлаждения, характерных для свароч-ного цикла, распад (3-фазы задерживается и в шве и ЗТВ возможно наличие нераспавшейся высокотемпературной фазы ((3-фазы), ко-торая оказывает влияние на механические свойства соединений.

Однофазные алюминиевые бронзы имеют высокую пластич¬ность и хорошо обрабатываются давлением, поэтому они, как пра¬вило, применяются как деформируемые. При содержании более 14% алюминия пластичность сплава резко снижается и практичес¬ки такие бронзы не применяются. При содержании в бронзе 8-10% алюминия по сравнению с медью существенно снижается их тепло- (в 6 раз) и электропроводность (почти в 7 раз). Снижение тепло¬проводности значительно улучшает их свариваемость.

Кроме алюминия, сплавы на основе меди легируются железом, марганцем, никелем и другими элементами. Сплавы на основе сис-темы Си-А1-№-Мп (7—10% А1, 8-13% № и 1,5-2% Мп) являются дисперсионно упрочняемыми. Интервал старения таких бронз 430-440 °С. Поэтому сварку таких бронз и заварку дефектов отли¬вок необходимо производить после закалки до старения, когда сплав имеет наибольшую пластичность. К типичному представите¬лю таких бронз можно отнести сплав БрА9Н11Мц2.

Сплавы на основе системы Си-А1-№-Мп-Ре (7-9% А1, до 5,5% №, 2-3% Мп и 0,2-0,3% Бе) легированы никелем значительно эко¬номнее, и при увеличении его содержания от 0 до 5% количество (3-фазы в структуре возрастает, а зерна а-фазы измельчаются. Оп¬тимальные механические свойства при этом достигаются соотноше¬нием количества а и (3-фаз, а также отпуском при температуре 600-700 °С, что снижает возможность охрупчивания сплава в около- шовной зоне при сварке. К типичному представителю таких бронз можно отнести сплавы БрАНМцЖ8,5-4-4-1,5 и БрА8,5Н4Мц4Ж1,5.

Свариваемость безоловянных бронз. Безоловянные бронзы свариваются всеми способами сварки плавлением. При заварке де-фектов литья этот способ является основным. Более низкая тепло-проводность алюминиевых бронз по сравнению с медью улучшает ее свариваемость и позволяет выполнять сварку без подогрева тол-столистовых конструкций (20-25 мм) многослойными швами. На¬личие в составе этих бронз алюминия отрицательно влияет на их свариваемость, что вызвано образованием в расплавленном метал¬ле оксидов алюминия (А1203) с температурой плавления 2050 °С. Из этих оксидов образуется тугоплавкая пленка, препятствующая сплавлению основного и наплавленного металла. Оксиды зачастую не всплывают на поверхность сварочной ванны и остаются как не¬металлические включения в металле шва.

При сварке сложнолегированных алюминиевых бронз А1203 об-разуется также в результате проходящих в сварочной ванне реак¬ций восстановления алюминием оксидов меди, марганца, железа и других легирующих элементов, так как алюминий обладает более высоким сродством к кислороду по сравнению с этими элементами.

Пленка А1203, покрывая сварочную ванну, в ряде случаев пре-пятствует ее нормальной дегазации, что способствует образованию пор в наплавленном металле и в сварных швах. Основная составля-ющая газов, растворенных в расплавленном металле при сварке алюминиевых бронз, — водород (до 96%). Включения оксидов алю-миния (А1203) служат центрами кристаллизации в расплавленном металле, вокруг которых скапливается водород, образуя поры. Рас-творимость водорода снижается при увеличении концентрации алюминия, что является дополнительным фактором для увеличе¬ния склонности к образованию пористости при сварке и наплавке алюминиевых бронз.

Одним из значимых факторов, ухудшающих свариваемость медных сплавов, является их высокая склонность к образованию трещин. При легировании алюминиевых бронз марганцем, никелем и железом наблюдается увеличение стойкости против образования горячих трещин в сварных швах, имеющих двухфазную структуру. Легирование же однофазных бронз приводит к упрочнению а- твердого раствора, что снижает его стойкость против образования горячих трещин.

Необходимо также учитывать, что все алюминиевые бронзы (кроме марганцево-алюминиевых) имеют провал пластичности в температурном интервале 250-700 °С, что требует при сварке быст-рого охлаждения, поэтому ее выполняют короткими валиками с пе-рерывами на охлаждение ниже 200 °С. Трещины в сплавах не воз-никают в случае, если относительное удлинение сплава в темпера-турном интервале провала пластичности составляет не менее 10%.

Оловянные бронзы. К оловянным бронзам относят сплавы ме¬ди с оловом и другими легирующими элементами (фосфором, цин¬ком, никелем, свинцом и др.). Оловянные бронзы разделяют на де-формируемые и литейные. В стандартных деформируемых бронзах содержание олова находится в пределах 3-8,5, а в литейных —2-11%. Оловянные бронзы имеют высокие литейные свойства и наименьший объем усадки по сравнению с алюминиевыми бронза¬ми и латунями. С увеличением содержания олова в составе бронз возрастают их прочностные свойства и снижается пластичность и ударная вязкость.

Оловянные бронзы имеют высокие антифрикционные свойства (наиболее высокие у оловянно-свинцовых бронз) и широко ис-пользуются при изготовлении подшипников скольжения, в том числе с наплавками на сталь.

Свариваемость оловянных бронз. Дуговая сварка оловянных бронз, как правило, используется для заварки дефектов отливок, а также изготовления облицовок валов и наплавки подшипниковых пар. Их свариваемость изменяется в широких пределах и зависит от химического состава и содержания вредных примесей.

Увеличение содержания основного легирующего элемента — олова способствует ухудшению свариваемости этих бронз вследст¬вие роста склонности к образованию трещин в околошовной зоне.

Для получения сварных соединений без трещин необходимо огра-ничить содержание олова в бронзе до 9-10% и свинца не более 0,05% (по ГОСТ 613-79 - 9-11% Бп, 2-4% 1п, <0,5% РЬ). Элемен¬ты конструкции перед сваркой необходимо подвергнуть отжигу (3 ч при температуре 480-530 °С). Рекомендована также наплавка кромок бронзами БрОЦ4-3 или БрОНМц8-1-0,6, что исключает появление трещин даже при сварке в жестком контуре.

Существенное ухудшение свариваемости наблюдается при на-личии в бронзах свинца, так как он практически не растворим в них, и при кристаллизации выделяется как самостоятельная фаза, располагающаяся между дендритами, что резко ухудшает сваривае-мость бронз и способствует образованию трещин в ЗТВ. Введение свинца в состав бронз способствует существенному повышению их антифрикционных свойств. Свинец вводят в бронзы, из которых изготавливают подшипники, работающие при высоких удельных давлениях. Исследования свариваемости бронзы марки Бр05Ц5СЗ показали, что ее пластичность и прочность снижаются при темпе-ратуре свыше 250 °С, а при температуре 600 °С составляют всего около 0,5% этих показателей. Предварительный отжиг не улучшает механических свойств этих бронз. Для снижения вероятности об-разования трещин в околошовной зоне при создании соединений оловянно-свинцовых бронз рекомендуется выполнять сварку на минимальных режимах короткими валиками (50-70 мм) с их быст¬рым охлаждением (например, обдувом воздухом) и последующей проковкой каждого валика при температуре ниже 250 °С. Сниже¬ние вероятности образования трещин также достигается путем применения неоднородных с основным металлом сварочных мате-риалов из бронз БрАМц9-2, БрКМцЗ-1 или оловянных, не содер-жащих свинца БрОНМц8-1-0,6, и др. Соблюдение перечисленных выше рекомендаций позволяет получить соединения без трещин бронз БрОЗЦ5С5, Бр08Ц4С4 и БрОЗЦ7С5Н1.

Существенное отрицательное влияние на свариваемость оло-вянных бронз оказывает висмут даже при очень малых его содер-жаниях (0,005%).

К основным факторам, влияющим на образование трещин при сварке оловянных бронз, можно отнести:

• нагрев свыше температуры 300 °С, что резко снижает пластич-ность металла в околошовной зоне;

• расплавление избыточного олова, находящегося по границам кри-сталлов литых бронз, при перегреве нарушает связь между ними;

• широкий температурный интервал кристаллизации оловянных бронз, который определяет возможность ликвации олова, что способствует образованию химической неоднородности металла и соответственно различных механических свойств по сечению сварного соединения. Это обусловливает образование кристал-лизационных трещин в сварных соединениях;

• сегрегация легкоплавких вредных примесей свинца (>0,05%) и висмута (>0,005%) по границам кристаллов.

Для оловянных бронз фосфор является сильным раскислителем. При сварке он образует легкоплавкую эвтектику Си-Си3Р с темпе-ратурой плавления 714 °С. Литейные бронзы легируются фосфором до 1,0%. В деформируемых бронзах содержание фосфора ограничено (не более 0,4%). При содержании фосфора более 0,5% бронзы не мо¬гут подвергаться горячей обработке давлением, вследствие того, что эвтектика расплавляется, нарушается связь между кристаллитами и бронза разрушается. При создании соединений оловянно-фосфор¬ных бронз эвтектика Си-Си3Р также отрицательно влияет на их сва-риваемость. Под воздействием термодеформационного цикла сварки в околошовной зоне могут образовываться трещины и разрушения.

Существует целый ряд приемов, обеспечивающих технологиче-скую прочность (отсутствие трещин в швах и околошовной зоне) соединений высокооловянных бронз, к которым можно отнести:

• использование сварочных и присадочных материалов с более низким содержанием олова или проведение предварительной наплавки кромок этими материалами;

• отжиг заготовки перед сваркой;

• назначение предварительного подогрева до температуры не бо¬лее 250°С при толщине стенки более 10 мм;

• выполнение сварки (заварки дефектов отливки) на пониженных режимах с охлаждением каждого последующего валика (при многослойной сварке) до температуры 100-200 °С с последую¬щей его проковкой;

• проведение отжига изделия после сварки.

Алюминий и сплавы на его основе. Алюминий — пластичный, хладостойкий и легкий металл (у=2,7 г/см3) с высокой электро- (65% от меди) и теплопроводностью. В ряде агрессивных сред он коррозионностоек благодаря образующейся на поверхности изде¬лия пленке диоксида алюминия А1203.

В промышленности чистый алюминий имеет ограниченное при-менение вследствие низкой прочности (Ов <100 МПа), используется при изготовлении малонагруженных изделий, к которым в основном предъявляются требования по коррозионной стойкости, хладостой- кости и др. Химический состав и маркировка первичного алюминия (в чушках, слитках, катанке) регламентируется ГОСТ 11069-74. ГОСТ 11069-2001 в Украине не введен. Система маркировки пер¬вичного алюминия отражает максимально допустимое содержание примесей в каждой марке. Первичный алюминий обозначают буквой А и цифрами, которые соответствуют требуемому содержанию алю¬миния в данной марке сверх 99%. Например, обозначение А5 означа¬ет, что минимальное содержание алюминия составляет 99,5%, а со¬держание примесей не более 0,5%. Марки алюминия с дополнитель¬ным индексом Е (А5Е, А7Е) применяют при производстве кабелей, токопроводящих изделий и т. д., в которых содержание железа должно быть не менее 0,18%, а сумма всех примесей не более 0,5%.

В качестве конструкционных материалов в основном использу¬ют полуфабрикаты из алюминиевых сплавов. Все сплавы на основе алюминия можно разделить на две основные группы: деформируе¬мые (предназначенные для получения поковок, штамповок, листов, профилей и труб) и литейные. Деформируемые сплавы имеют кон-центрацию легирующих элементов меньше предела растворимости, что при нагреве обеспечивает их высокую деформационную способ-ность. Литейные сплавы имеют концентрацию легирующих элемен¬тов выше предела растворимости и содержат в структуре эвтектику, что придает им хорошие литейные свойства (жидкотекучесть), но ухудшает их деформационную способность. Деформируемые спла¬вы в свою очередь по способности упрочняться термообработкой делятся на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

В зависимрсти от количества допускаемых примесей деформи-руемый алюминий разделяется на алюминий высокой чистоты и технический. Марки деформируемого алюминия обозначают бук¬вами АД (алюминий деформируемый) или буквами и цифрами АД000, АД00, АД0, АД1, которые характеризуют его чистоту, но не отражают количественного содержания допускаемых примесей. Наиболее чистым является технический алюминий АД000 (сумма примесей не более 0,2%), а наименее чистым — марка АД (сумма примесей не более 1,2%).

Деформируемые алюминиевые сплавы не имеют единой четкой системы маркировки.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой (алюминие¬во-марганцевые и алюминиево-магниевые), маркируются, как это принято для бронз, т. е. обозначение марок состоит из первоначаль-ных букв русских названий элементов, составляющих сплава. За буквами следуют цифры, соответствующие среднему содержанию основного легирующего элемента. Например, марки АМг1, АМгЗ и АМгб означают, что в этих марках алюминиево-магниевых сплавов среднее содержание магния составляет 1, 3 и 6%. Существует также ряд марок сплавов алюминия с медью и магнием, которые обозна-чаются буквой Д. За буквами следуют цифры (например, Д1, Д16, Д18), которые не связаны с количеством в сплавах меди и являют¬ся просто порядковыми номерами сплава.

Существует также другое условное обозначение марок деформи-руемых сплавов, состоящее из букв и цифр, не связанных с химиче¬ским составом сплава или другими свойствами (ММ, В65 и др.).

Согласно ГОСТ 4784-74 деформируемые алюминиевые сплавы обозначаются с помощью цифровой системы, в которой каждой марке присвоен четырехзначный номер. Например, для алюминия марки АД — номер 1015, а для сплава Д1 номер 1110 и т. д.

В зависимости от состояния поставки сплавов на основе алюми¬ния ГОСТ 21631-76 вводит дополнительную маркировку: Н — на- гартованные; Н2 — полунагартованные; М — отожженные; Т — за-каленные и естественно состаренные; Т1 — закаленные и искусст-венно состаренные. Сплавы без термической обработки не имеют дополнительных условных обозначений.

Деформируемые термически неупрочняемые сплавы магналие- вой группы АМг1-АМг6 содержат в качестве основного легирую¬щего компонента магний (0,9-6,3%), определяющий уровень проч¬ности и пластичности металла. Сплавы характеризуются средними показателями прочности на уровне Ов = 300-330 МПа; с0 2 = 250— 280 МПа. Наиболее востребованы из них сплавы АМг5, АМгб, АМг61. Эти сплавы широко применяются в судостроении, автомо¬билестроении и других областях благодаря высокой коррозионной стойкости и хорошей свариваемости.

Сплавы системы легирования Al-Mg-(Mn) наиболее широко используются при упаковке продуктов, в транспортных средствах и в строительных конструкциях.

Разработана новая группа сплавов системы легирования Al-Mg-Sc. Введение скандия (до 0,25%) обеспечивает формирова¬ние благоприятной мелкодисперсной структуры. Сплавы сочетают в себе высокую прочность с хорошей пластичностью и обладают хорошей свариваемостью. Так, сплав 1570 в отожженном состоя¬нии характеризуется средним показателем прочности на уровне ав = 440 МПа, 5 = 18% и коэффициентом прочности сварных соеди¬нений 0,85-0,95%. Из сплавов этой группы выпускается листовой прокат, который идет на изготовление сварных конструкций, а так¬же сварных и гнутых профилей. Технология соединения новых сплавов со скандием не отличается от методов сварки известных промышленных сплавов.

Разработаны новые сплавы алюминия с литием, имеющие суще-ственно меньшую плотность (на 8-15%) и обладающие высоким модулем упругости. Высокие значения механических свойств спла¬вов определяют способность легирующих элементов к ограничен¬ной растворимости в различных температурных условиях. Качест¬во сплавов обеспечивается за счет технологий бесфлюсовой плавки в вакууме с последующей выдержкой в вакуумном миксере, а затем разливкой жидкого металла в среде инертных газов. Наиболее пер-спективными являются сплавы систем легирования Al-Mg-Li, А1-Си-Ы и Al-Mg-Cu-Li. Так, сплавы на основе системы Al-Mg-Cu-Li (1430, 1440, 1441, 1470) характеризуются средними показателями прочности на уровне ов = 460 МПа; а0)2 = 345 МПа и повышенной пластичностью 8 = 10-5-15%. Сплавы предназначены для замены дюралюмина Д16. Сплавы на основе системы А1-Си-Ы (1460) с добавками циркония и скандия характеризуют¬ся средними показателями прочности на уровне ав = 540-600 МПа. Отличительной особенностью сплава 1460 является одновремен¬ный рост показателей прочности и пластичности при сверхнизких температурах. Сплав на основе системы Al-Mg-Li-Sc (1424, 1460, 1570) характеризуются средними показателями прочности на уров¬не ав « 460-480 МПа; с0)2 = 330-360 МПа, 8 = 15-17%.

Гранулируемые алюминиевые сплавы отличаются от изготов-ленных по обычным технологиям высоким содержанием переход¬ных металлов в пересыщенном твердом растворе. Наиболее вос-требованными являются сплавы с системой легирования А1-Си-(Мп), А1 - Си -Mg- (Мп), а также высокопрочный сплав системы легирования Al-Zn-Mg-Cu (1973 Т2 ав = 560-580 МПа; а0 2 = 520-550 МПа, 8 = 10-12%). Из них изготавливают все виды деформированных полуфабрикатов (листы, профили, трубы и др.). Технологический процесс производства полуфабрикатов включает получение гранул диаметром 0,5-2 мм, дегазацию в вакууме, горя¬чее компактирование брикетов и получение деформированных полуфабрикатов. Сплавы обладают высокой прочностью и нашли применение в сварных конструкциях, работающих при темпера¬туре до 100 °С и испытывающих большие нагрузки при эксплу¬атации.

Для производства силовых конструкций востребованы термиче¬ски упрочняемые алюминиевые сплавы. Они способны изменять свойства в результате структурных превращений, происходящих при распаде пересыщенного твердого раствора в условиях вылежи¬вания в течение нескольких дней. Прочностные свойства этих сплавов возрастают почти в два раза вследствие выделения из твер¬дого раствора упрочняющих фаз. Термически упрочняемые дефор¬мированные сплавы можно разделить на несколько групп:

• сплавы системы Al-Cu-Mg (дуралюмин, дюралюминий, дю¬раль) характеризуются средними показателями прочности на уровне ав= 460 МПа; а0 2 = 280-300 МПа, 5 = 15-17%. Важней¬шие из них (Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40) слабо чувстви¬тельны к действию повторных статических и вибрационных на¬грузок, мало склонны к коррозии под напряжением, но имеют пониженную общую коррозийную стойкость;

• сплавы системы Al-Cu-Mg-Si (авиали) (АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, АК6-1 и АК8) характеризуются хорошими литейными свойствами и высокой пластичностью в горячем состоянии;

• сплавы на основе системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni (АК2, АК4, АК4-1);

• сплавы системы А1-Си-Мп (Д20, Д21) и А1-Си-Мп-П-Сс1 (ВАД-23) имеют среднюю прочность (ав = 400 МПа). Они отли¬чаются довольно высокой жаропрочностью при 200-250 °С, од¬нако у них понижена общая коррозионная стойкость (особенно в зоне сварных соединений);

• сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu (В93, В95, В96, В94);

• сплавы на основе системы Al-Mg-Zn (В92, В92Ц, АЦМ).

Из всех перечисленных выше сплавов к свариваемым можно от-нести все марки алюминия высокой и технической чистоты (АД0, АД1 и др.), термически не упрочняемые сплавы (АМц, АМг1 — АМгб и др., 1420, 1421, 1424, 1430, 1440, 1441, 1460, 1470, 1570, 1970, 1975, и др.), термически упрочняемые (АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, В92Ц и др.).

Химический состав и обозначение марок литейных алюминие¬вых сплавов регламентирует ГОСТ 1583-93. Химический состав некоторых деформируемых и литейных сплавов на основе алюми¬ния приведен в табл. П13, а механические свойства — в табл. П14. В табл. П15 приведены основные марки отечественных сплавов на основе алюминия и их зарубежные аналоги. По системе легирова- ния литейные алюминиевые сплавы разделяют на А1-51-М& А1-Б{-Си\ А1-Си, Al-Mg иА1— прочие компоненты. Обозначения марок литейных сплавов состоят из букв АЛ и цифровых порядко¬вых номеров (например, АЛ4, АЛ8 и др.). ГОСТ 1583-93 для ряда сплавов сохранил маркировку, принятую в соответствии с другими стандартами и ТУ. Некоторые марки алюминиевых сплавов обо¬значают буквами названий основных легирующих элементов и ци¬фрами, указывающими среднее содержание их в сплаве. Например, марка АК5М7 означает, что сплав содержит 5% кремния и 7% меди; остальное алюминий. Кроме стандартных марок, регламентирован¬ных ГОСТ 1583-93, в промышленности применяют нестандартные сплавы, изготавливаемые согласно ведомственным ТУ и ОСТ.

В последние годы в литейной группе алюминиевых сплавов по¬явились новые сплавы систем легирования Al-Mg (ВАЛ 16), Al-Mg-Sc и Al-Mg-Li. Они позволяют создавать интегрирован¬ные сварные конструкции с деформируемыми алюминиевыми сплавами.

Свариваемость алюминия и алюминиевых сплавов. В свар¬ных конструкциях алюминий и его сплавы используют в виде лис¬тов, труб, профилей, поковок, штамповок и проволоки. Основной проблемой при сварке алюминия и его сплавов, определяющей их свариваемость, является очень большая химическая активность алюминия. Он взаимодействует с кислородом и образует диоксид алюминия А1203 (температура плавления 2050 °С), в результате на поверхности сварочной ванны возникает плотная пленка, препят¬ствующая сплавлению наплавленного металла с основным. При многослойной сварке пленка может располагаться между отдель¬ными валиками, а также образовывать шлаковые включения в сварных швах. Высокое сродство алюминия с кислородом исклю¬чает возможность удаления пленки в процессе сварки за счет рас¬кисления металла в сварочной ванне, поэтому приходится приме¬нять другие способы ее разрушения и удаления.

Отрицательное влияние на свариваемость алюминия и его спла¬вов оказывает их высокая склонность к пористости. Установлено, что основной причиной образования пор в швах является водород, который растворяется в металле сварочной ванны и медленно вы¬деляется при ее охлаждении. Растворимость водорода резко снижа¬ется при кристаллизации металла. Он не успевает выделиться из сварочной ванны и образует поры в металле шва. Создаваемое в них большое давление может привести к образованию кристалли¬зационных трещин в сварных швах (особенно в термически упроч¬няемых сплавах). Основным источником водорода в металле шва является влага, адсорбированная поверхностью основного и элект¬родного металлов и содержащаяся в гидратированной оксидной пленке. Для исключения влияния этого источника водорода на об-разование пор используют ряд технологических мероприятий:

• травление свариваемых деталей в растворе ортофосфорной кис¬лоты или едкого натра;

• выдержка обезвоженных деталей перед сваркой не более 3 суток;

• исключение сварки на интенсивно охлаждаемых медных под¬кладках, имеющих на поверхности адсорбированную влагу;

• подогрев детали, что увеличивает длительность пребывания сва¬рочной ванны в расплавленном состоянии и способствует более полной дегазации металла;

• ограничение содержания водорода в основном и присадочном металле с помощью технологий плавки и рафинирования.

В ходе проведенных в последнее время исследований установ¬лено, что существенное влияние на образование пористости при сварке алюминия оказывают углеводородные соединения, которые диссоциируют в зоне горения дуги на углерод и водород.

На свариваемость алюминия, его сплавов и свойства сварных соединений большое влияние оказывает наличие в них примесей. В первую очередь — это железо и кремний, содержащиеся практичес¬ки во всех промышленных сплавах. Существенное значение имеет не только их количество, но и соотношение между ними, которое влияет на сопротивление образованию трещин, а также на их меха¬нические и коррозионные свойства. Если соотношение железа к кремнию в сплаве больше единицы, то они хорошо свариваются без образования трещин. Положительное влияние железа обусловлено тем, что оно связывает кремний и другие элементы в интерметал- лиды. В результате исчезает полностью или частично свободный кремний и легкоплавкая эвтектика не образуется или образуется в очень небольших количествах, что не оказывает значимого влия¬ния на прочностные и деформационные характеристики кристал¬лизирующегося металла.

Сплавы системы Al-Mg (АМг1-АМгб) имеют относительно не¬большую склонность к образованию горячих трещин при сварке. Наибольшую склонность к образованию горячих трещин при свар¬ке имеет сплав АМг2.

Снижение склонности к образованию трещин и пор в металле

I м пн при сварке сплавов системы Al-Mg-Li (1420) достигается за г чет оптимизации химического состава сплава и ограничения со¬держания железа и кремния.

Высокопрочные сплавы системы Al-Si-Mg (АВ, АК6, АК8 и др.) упрочняются при искусственном старении за счет выделения фазы Эти сплавы склонны к образованию горячих трещин

при сварке, однако если они модифицированы титаном, то могут быть использованы для изготовления несложных сварных конст¬рукций.

Сплавы системы Al-Cu-Mg (Д1, Д16) обладают высокой склонностью к образованию горячих трещин при сварке. При со¬держании меди в сплаве Д1 на нижнем уровне и легировании его титаном (до 0,1%) его свариваемость улучшается.

Сложнолегированные сплавы системы Al-Cu-Mg~Zn (В95) имеют высокую склонность к образованию горячих трещин, необ¬ходимые свойства соединений обеспечиваются длительной гомоге¬низацией. Применение сплавов Д16, АК8 и В95 для сварных конст¬рукций ограничено.

Для изготовления сварных конструкций широко используется сплав АМг61, обладающий хорошей свариваемостью.

Некоторые термически упрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg при сварке склонны к образованию не только горячих, но и холодных трещин (задержанные разрушения, появляющиеся через некоторое время после сварки). Для предотвращения образо¬вания холодных трещин применяется предварительный подогрев, при котором происходит частичное выделение и коагуляция интер¬металлических фаз из твердого раствора и снижение сварочных и структурных напряжений.

Сварные конструкции из алюминия и его сплавов склонны к короблению, что обусловлено его высоким коэффициентом тепло¬вого расширения.

Глава 2.

Источники питания дуги и оборудование для сварки

2.1. Сварочная дуга, ее физические и электрические свойства

Сварочная дуга представляет собой электрический разряд в ионизированной смеси газов, паров металлов, а также компонен¬тов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т. д. Ток в дуговом разряде протекает между электродами через ионизирован¬ный газ дугового пространства (рис. 2.1). Положительный элект¬род — анод, отрицательный электрод — катод. Различают дугу сво¬бодную (свободно расширяющуюся) и сжатую.

Установлено, что в межэлектродном пространстве существует неравномерное распределение электрического поля и, соответст¬венно, неравномерное падение напряжения по длине дуги.

Катодная область (- на электроде). Большую роль в обеспе¬чении проводимости дуги играет поток эмитированных катодом электронов. Он формируется как за счет нагрева поверхности элек¬тродов (термоэлектронная эмиссия), так и за счет развития элект¬рического поля высокой интенсивности у поверхности катода (ав- тоэлектроиная эмиссия). При нагреве электроны получают прира¬щение кинетической энергии, достаточное для того, чтобы преодо¬леть потенциальный барьер, ограждающий поверхность катода. Термоэлектронная эмиссия характеризуется работой выхода элек¬тронов, которая в зависимости от металла электродов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электриче¬ским полем, которое вытягивает их за пределы электростатическо¬го поля металла. Электроны покидают поверхность катода и пере¬мещаются к аноду. Путь, который они проходят до столкновения с

Рис. 2.1. Схема сварочной дуги и распределение напряжения в ней:

1 — анодное пятно; 2 — расплавленный металл сварочной ванны; 3 — свариваемый металл; 4 — анодная область; 5 — столб дуги; 6 — ка¬тодная область; 7- катодное пятно; 8 — электрод; а -г — кривая падения напряжения в дуге; Ь — длина дуги; к — глубина проплавления

атомами газов дуги, составляет ~10~5 см для дуг, горящих в воздухе и в парах железа. Электроны под действием электрического поля катода разгоняются и ионизируют газ столба дуги, образуя поло-жительные и отрицательные ионы. Величина падения напряжения в катодной области 11К ~ 5-20 В (для Бе — 14 В). Градиент падения напряжения колеблется от 103 до 104 В/см. Исследования показы¬вают, что доля электронного тока в катодной области может дости¬гать 60% от полного тока дуги, а плотность тока на стальном катоде может приблизиться к 25 А/мм2.

Анодная область (+ на электроде). Анодная область не эмити¬рует положительно заряженных ионов, поэтому анодный ток обус¬ловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — элек¬тронов и ионов. Это вызывает формирование вокруг анода области с избытком отрицательных зарядов, благодаря чему вокруг анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина на¬пряжения которого равна работе выхода электронов. Термоэлек¬тронная эмиссия в анодной области не работает, так как анодное падение напряжения создает для электронов непреодолимый барь¬ер. Электроны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения напряжения и приобретают дополнительную энергию, которой оказывается до-статочно для ионизации атомов, сталкивающихся с электронами. Образовавшиеся ионы ускоряются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточ¬ную энергию посредством деионизации и соударений. Протяжен¬ность анодной области составляет 10~4-10~3см. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок падение напряже¬ния в анодной области колеблется от 2 до 10 В, а градиент напря¬жения составляет 103 В/см, т. е. он ниже, чем в катодной. Доля ион¬ного тока в анодной области близка к 20% от общего тока дуги, а плотность тока для стальных электродов приближается к 15 А/мм2.

Столб дуги. Столб дуги располагается между приэлектродны- ми областями и имеет длину 0,01-1,5 см, что на несколько поряд¬ков превышает протяженность катодной и анодной областей. Заря¬женные частицы поступают в столб дуги из анодной и катодной об¬ластей, а также образуются в нем за счет термической диссоциации нейтральных частиц. Установлено, что основным процессом, про-текающим в столбе дуги и влияющим на ее свойства, является ио-низация. Столб дуги представляет собой цилиндрическую область, заполненную слабо ионизированным газом (степень ионизации х ~ 3-^-5%), нагретым до температуры 5000^-6000 К. Падение напря¬жения в столбе дуги может достигать 40 В, при этом оно прямо пропорционально длине столба. Плотность тока в столбе дуги до-стигает 20 А/мм2.

Основные параметры, которыми оценивается состояние дуги: сила тока — I, плотность тока — г, напряжение на дуге — [7Д и длина дуги - 1Л.

Общее напряжение дуги [/д определяется как сумма падений напряжения в трех ее областях (см. рис. 2.1)

иА- г/к+с/с + [/а=/(/д),

где и ик, ис, Ц.Л — падение напряжения соответственно на дуге, ка¬тоде, в столбе дуги и на аноде; /д — сила тока дуги, А.

Ориентировочный расчет энергетической составляющей раз-личных областей дуги, характерной для сварки покрытым электро¬дом диаметром Змм (сила тока дуги — 100 А), показывает, что в катодной области (длина ~10~5см) может выделиться 1,4 кВт (14 В • 100 А), в столбе дуги (длина -0,6 см) — 1,5 кВт (25 В/см •

• 0,6 см • 100 А) и в анодной области (длина ~10“4 см) — 0,25 кВт

(2,5 В* 100 А). Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что с энергетической точки зрения наиболее значимы катод¬ная область (-) и столб дуги.

В момент зажигания дуги концы электродов еще недостаточно разогреты и для поддержания дугового разряда необходима повы-шенная кинетическая энергия электронов, которая может быть по-лучена при увеличении мощности электрического поля, т. е. неко-тором повышении напряжения между электродами сравнительно с тем напряжением, которое необходимо для поддержания дуги в установившемся состоянии.

Сопротивление газового проводника нелинейно и поэтому дуга не подчиняется закону Ома.

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называ¬ют статической вольтамперной характеристикой дуги (СВАХ). Ее внешний вид представлен на рис. 2.2. Как видно из рисунка, СВАХ имеет криволинейную форму и, следовательно, является нелиней¬ным элементом электрической цепи. Активное сопротивление дуги не постоянно и меняется с изменением тока. На характеристике можно выделить три участка: падающий I, жесткий II и возрастаю¬щий III.

В маломощных дугах (диапазон токов до 100 А, участок I, см. рис. 2.2) с увеличением силы тока возрастает количество заря¬женных частиц, в первую очередь за счет нагрева и увеличения эмиссии электронов с поверхности катода, что вызывает рост иони¬зации газов в столбе дуги. Уменьшается сопротивление дугового промежутка и падает необходимое для поддержания дуги напряже¬ние. Этот диапазон токов харак¬терен для технологий РДС с использованием электродов ди¬аметром 1,6-2,5 мм, ТИГ и при сварке МИГ/МАГ тонкими проволоками (0,6-0,8 мм). Ха¬рактеристика дуги — падающая.

Рис. 2.2. Статическая вольт- амперная характеристика открытой дуги: I — падающий; II — жесткий; III — возрастающий участки

Увеличение силы тока при ограниченной площади элект¬родов приводит к тому, что столб дуги несколько сжимает¬ся и объем газа, который при¬нимает участие в переносе заря¬дов через дуговой промежуток, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заря-женных частиц. Напряжение дуги становится мало зависимым от силы тока (участок II, см. рис. 2.2). Этот диапазон токов дуги харак¬терен для технологий РДС, а также ТИГ и МИГ/МАГ. Характерис¬тика дуги — пологая.

Дальнейшее увеличение силы тока приводит к исчерпанию тер-моэмиссионной способности катода. Количество заряженных час¬тиц не увеличивается, и сопротивление дуги становится положи¬тельным и почти постоянным. Образуется высокоионизованная сжатая плазма, которая по свойствам близка к металлическим про¬водникам. На этом участке СВАХ дуга подчиняется закону Ома (участок III, см. рис. 2.2). Характеристика дуги — несколько возрас¬тающая.

Граница между I и II участками при различных способах и усло-виях сварки располагается между 50 и 100 А. Так как положение границы между II и III участками существенно зависит от площади сечения столба дуги (и электрода), то ее правильнее характеризо¬вать плотностью тока в электроде, составляющей -100 А/мм2.

При постоянных диаметрах электродов и расстояниях между ними электрические параметры дуги будут зависеть от материала и температуры электродов, а также от состава газов в дуговом про-межутке.

Сварочные дуги можно классифицировать: по материалам электродов (Ре, \У, Си и др.); по составу газов, в которых горит дуга (в воздухе, в парах металлов, в среде защитных газов); по тому, каким электродом выполняют сварку — плавящимся или неплавящимся, и т. д.

2.2. Требования к источникам питания сварочной дуги

Источник питания сварочной дуги представляет собой электро-техническое устройство, создающее или преобразующее электриче-скую энергию и обладающее определенными технологическими свойствами для обеспечения выполнения процесса сварки. Источ¬ник питания дуги должен удовлетворять целому ряду определен¬ных требований: обеспечить надежное возбуждение дуги, поддер¬живать ее устойчивое горение, способствовать благоприятному пе¬реносу электродного металла и формированию сварного шва, спо¬собностью ограничивать ток короткого замыкания, а также обеспе¬чить возможность настройки необходимых режимов сварки.

В системе источник питания — сварочная цепь — дуга — свароч-ная ванна в процессе сварки появляются возмущения, которые на-рушают равновесие системы. К ним можно отнести изменение дли¬ны дуги, короткие замыкания дугового промежутка, изменение на-пряжения питающей сети, изменение скорости подачи электрода и т. д. Под действием этих возмущений меняется проводимость дугового промежутка и в дуге возникают переходные процессы, вследствие которых изменяются ее напряжение и сварочный ток. Характер и скорость протекания переходных процессов, а также способность системы источник питания — дуга восстанавливать со¬стояние устойчивого равновесия определяют статические и дина¬мические свойства источника питания. Кроме того, основные пара¬метры источников питания должны удовлетворять требованиям технологического процесса.

Выбор источника питания для реализации технологического процесса осуществляется по его техническим и эксплуатационным характеристикам, к которым можно отнести:

• напряжение холостого хода их х, которое должно быть достаточ-ным для легкого зажигания дуги во всем диапазоне сварочного тока, начиная от 40-50 А, и устойчивого ее поддержания на всех режимах работы. Чем выше 11хх, тем легче происходит зажига¬ние дуги. Как правило, их х находится в пределах 40-90 В;

• номинальную силу сварочного тока /св н, которому соответствует номинальное рабочее напряжение С/д н, характерное для данного источника питания. Каждому текущему значению сварочного тока /св соответствует определенное значение рабочего напряже¬ния [/д. Так, для процесса сварки покрытым электродом £/д и /св связаны зависимостью, которую называют регулировочной ха-рактеристикой источника питания [/д = 20 + 0,04 /св;

• диапазон регулирования сварочного тока и рабочего напряжения;

• продолжительность работы в сварочном цикле (5 мин).

Наиболее значимой характеристикой источника питания явля¬ется зависимость между средним напряжением на выходных клем¬мах источника и силой тока нагрузки, которая называется внеш¬ней, или ВАХ источника питания, и соответствует вполне опреде¬ленному положению его регулирующего устройства. Ее параметры определяют устойчивость работы системы источник питания — ду¬га. Внешние ВАХ источника питания, как и характеристики дуги, могут быть падающими (ПВАХ), пологопадающими

Рис. 2.3. Внешние характеристики источников питания дуги: 1 — падающая (ПВАХ); 2 — пологопадающая (ППВАХ); 3 — жесткая (ЖВАХ); 4 — возрастающая

(ППВАХ), жесткими (ЖВАХ) и возрастающими (рис. 2.3). Вы¬бор источника питания дуги по типу характеристики осуществ¬ляется в зависимости от спосо¬ба сварки. В зависимости от способа формирования внеш¬ние характеристики могут быть естественными (за счет внут¬реннего сопротивления элемен¬тов трансформатора) или ис¬кусственными, получаемыми с помощью электронных методов управления. Внешняя характеристика выбирается из условия, что устойчивое горение дуги будет обеспечиваться в течение длитель¬ного времени при заданных значениях напряжения и тока.

Источники питания с ПВАХ применяют для технологий РДС покрытым электродом, ТИГ и механизированной сварке под флю¬сом на автоматах с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки. При использовании технологии РДС возможны резкие изменения длины дуги. Поэтому дуга должна иметь достаточный запас устойчивости (эластичности), которая тем больше, чем мень¬ше отклонение тока от заданного значения при колебаниях длины дуги. Максимальная эластичность дуги реализуется в источниках питания с ПВАХ. От правильного выбора характеристики источ¬ника питания зависит устойчивость горения дуги. Основным пра¬вилом при этом является следующее: в точке пересечения ВАХ (источника и дуги) ВВАХ источника питания должна быть более крутопадающей, чем характеристика сварочной дуги (рис. 2.4). Как видно из рис. 2.4, ток и напряжение, выдаваемые источником и по¬требляемые дугой, совпадают в точках Ли Б. Только в точке Б дуга горит устойчиво. В случае, если сила тока снизится, напряжение ис¬точника станет больше напряжения дуги и избыток приведет к рос¬ту силы тока, т. е. к возврату в точку Б. Если же сила тока увели¬чится, то напряжение источника питания снизится и станет мень¬ше напряжения горения дуги, поэтому сила тока уменьшится, и ре¬жим горения дуги восстановится. Эта зависимость позволяет под¬держивать постоянный режим сварки и устойчивое горение дуги.

Точка А соответствует режиму неустойчивого горения дуги, так как всякое случайное изменение силы тока развивается вплоть до обрыва дуги или до тех пор, пока сила тока не достигнет значения, соответствующего точке устойчивого горения дуги В. Из этого можно сделать вывод о том, что устойчивое горение дуги поддер¬живается только в той точке, где ВВАХ источника питания являет¬ся более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги. Правильный выбор ВВАХ источника питания позволяет сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать дуговой про¬межуток без чрезмерного увеличения силы тока.

На участке жесткой статической характеристики дуги (учас¬ток И, рис. 2.2) внешняя характеристика источника питания может быть круто- и пологопадающей. На участке возрастающей статиче¬ской характеристики дуги (участок III, рис. 2.2) применяют источ¬ники с жесткими, а в некоторых случаях даже возрастающими ВАХ.

При использовании технологий МИГ/МАГ, сварки самозащит- ными порошковыми проволоками, а также для механизированной сварки под флюсом используются системы с постоянной, не завися¬щей от напряжения, скоростью подачи электродной проволоки в со¬четании с источниками, имеющими ЖВАХ и ППВАХ. Такая систе¬ма работает по принципу саморегулирования дуги, который состоит в том, что при большой силе тока и небольшом диаметре электрода в дуге самопроизвольно устанавливается такая сила тока, при кото¬рой скорость плавления проволоки равна скорости ее подачи. При случайном уменьшении дугового промежутка ток увеличивается. Поскольку скорость плавления электрода пропорциональна току дуги, то проволока начинает плавиться быстрее. В итоге дуговой

промежуток постепенно удлиняется и приобретает первоначаль¬ную длину. Такой же процесс произойдет при случайном удлине¬нии дуги. Процесс саморегулирования дуги происходит тем интен¬сивнее, чем жестче ВАХ и чем больше скорость подачи электрода.

Процесс образования сварного соединения состоит из несколь¬ких этапов, каждый из которых предусматривает выполнение одно-временно или в заданной последовательности ряда операций:

• начало сварки (подвод к электроду и кромкам сварочного на-пряжения, возбуждение электрической дуги и установление устойчивого дугового разряда, нагрев кромок и в некоторых случаях присадочного материала);

• поддержание разряда и перемещение дуги вдоль кромок, в ряде случаев подача в зону дуги присадочного материала со скоро¬стью, равной скорости его плавления, защита зоны сварки от со-прикосновения с воздухом;

• прекращение сварки и заварка кратера в конце шва.

Форма шва и качество соединения определяются параметрами режима сварки.

Динамические характеристики системы дуга — источник пита¬ния обусловлены механизмом первоначального возбуждения и в последующем при горении дуги — характером переноса электрод¬ного металла в сварочную ванну.

Динамические свойства источника оказывают существенное влияние на длительность установления процесса горения дуги (рис. 2.5) и количество брызг при сварке. Вначале происходит ко¬роткое замыкание (1), вылет проволоки увеличивается, а сама она деформируется (2). В большей степени проволока нагревается вблизи токоподвода, где она и перегорает (3). Однако в связи с тем, что перегорающий участок имеет большую длину, дуга, как прави¬ло, обрывается (4). Затем процесс повторяется (5), однако новое

Рис. 25. Установление процесса горения дуги при сварке в среде защитного газа

перегорание происходит на уже подогретом вылете, поэтому дуга зажигается при более короткой его длине (6). Обычно надежное возбуждение дуги происходит после 2-3 перегораний проволоки. При малой скорости нарастания тока короткого замыкания в сва¬рочную ванну может поступить частично расплавленная проволо¬ка, которая относительно медленно разогревается на большом уча¬стке длины, а затем разрушается. Если скорость нарастания тока высокая, мостик между ванной и каплей электродного металла бы¬стро перегорает и разрушается со взрывом. При этом часть элект¬родного металла разбрызгивается, не попадая в сварочную ванну. С увеличением плотности тока уменьшаются размеры капель вплоть до струйного стекания металла в сварочную ванну. Значение силы тока, при котором происходит этот процесс, для определенной про¬волоки и защитной среды называют критическим током.

После установления процесса горения дуги при сварке в режи¬ме с КЗ капли расплавленного металла с определенной периодич¬ностью замыкают дуговой промежуток, изменяя силу тока и длину дуги. Упрощенная схема горения дуги показана на рис. 2.6. На ста-

Рис. 2.6. Схема переноса капли с короткими замыканиями (а) и осцил-лограммы напряжения (б) и тока (в)

дии дугового разряда (1) происходит плавление электрода и обра¬зование капли (£д=5-100 мс). Затем капля касается поверхности сварочной ванны (2) и дуга гаснет (£кз=1-10 мс), при этом напря¬жение (ик3) снижается, а ток (1КЗ) резко возрастает. Искривление линий тока, проходящего через жидкую перемычку между каплей и ванной, вызывает появление электродинамических сил, сжимаю¬щих перемычку. Капля сливается с ванной и перетекает в нее (3). Разрушение перемычки (4) происходит под действием сжимающих электродинамических сил, а также перегрева и взрывного испаре¬ния металла перемычки при возрастании тока (1КЗ) в ней. После разрыва перемычки дуга повторно зажигается (5), при этом напря¬жение источника питания изменяется от [/3 до [/д, а сила тока пада-ет до /д. Поскольку смена режима происходит в течение сотых до¬лей секунды, то источник питания должен иметь высокие динами¬ческие свойства, позволяющие с достаточной скоростью повышать напряжение при разрыве цепи и необходимую скорость нарастания тока короткого замыкания.

В настоящее время для управления процессом переноса металла в большинстве источников питания устанавливают системы, обес-печивающие наложение электрических импульсов, параметры которых (ток, напряжение, мощность) изменяются во времени по определенной программе. Параметры дугового процесса при ис¬пользовании этой системы выбираются таким образом, чтобы теп¬лоты, выделяемой дугой, питаемой от основного источника пита¬ния, в промежутке между импульсами было недостаточно для плавления электрода при заданной скорости подачи, вследствие че¬го длина дугового промежутка сокращается. Во время наложения импульса возрастает количество теплоты, выделяемой в дуговом промежутке, что способствует образованию капли. Увеличивается также электродинамическая сила, сжимающая перешеек капли у проволоки и отбрасывающая каплю в направлении оси электрода. Скорость плавления электрода во время импульса больше, чем ско¬рость его подачи, вследствие чего длина дуги восстанавливается.

Основным условием стабильного процесса сварки с использова¬нием импульсного источника питания дуги является равенство ско¬рости подачи и общей скорости плавления электрода за один цикл (импульс + пауза). Импульсные источники питания позволяют осу¬ществлять дуговой процесс при меньших плотностях тока, чем обычно, что существенно облегчает сварку во всех пространствен¬ных положениях, а также сварку конструкций из тонкого металла.

Механизированная сварка в С02 является наиболее востребо- млнным технологическим процессом МАГ, используемом в единич¬ном и мелкосерийном производстве. Он имеет ряд особенностей, которые заключаются в том, что при малом токе и падении напря¬жения на дуге сварка происходит с периодическими КЗ дугового промежутка, во время которых в сварочную ванну переносится рас¬плавленный металл электрода. Для реализации этой технологии применяются простейшие выпрямители с ППВАХ и последова¬тельно включенным в цепь дросселем. ППВАХ выпрямителя обес¬печивает саморегулирование дуги, а дроссель ограничивает ско¬рость нарастания тока во время КЗ. Энергия, накопленная в дрос¬селе во время КЗ, расходуется на плавление электрода при горении дуги. В качестве регулируемых параметров используются напряже¬ние холостого хода выпрямителя, скорость подачи плавящегося электрода и индуктивность дросселя. Процесс сварки характеризу¬ется значительным разбрызгиванием металла, которое формирует¬ся в процессе КЗ дугового промежутка. Для устранения недостат¬ков технологии сварки в С02 с КЗ созданы импульсные источники питания с повышенным быстродействием, которые снабжены си¬стемами управления формой тока и напряжения в течение каждого цикла формирования и переноса капли в соответствии с информа¬цией, полученной от процесса.

Современные источники питания для реализации технологии РДС обладают специальными функциями, облегчающими работу сварщика. Функция «ограничение напряжения холостого хода» по¬вышает безопасность труда и является обязательной при работе в особо тяжелых условиях (работа внутри металлических сосудов или при воздействии атмосферной влаги). Перед сваркой напряже¬ние холостого хода поддерживается на уровне 12 В, но с момента касания электродом изделия ЭДС источника возрастает до необхо¬димого для устойчивого горения дуги, а при окончании сварки бы¬стрее 1 с снижается до исходного уровня. Функция «горячий пуск» обеспечивает кратковременное (на 0,5-3 с) начальное увеличение силы тока до величины /гп = (1,5-2) /д, которая облегчает зажига¬ние и улучшает качество начального участка шва. Функция «защи¬та от прилипания» обеспечивает ограничение длительности корот¬кого замыкания и снижение силы тока до более низкого уровня, ес¬ли начальное время зажигания дуги превышает 0,5-1 с. Факт при¬липания при этом не устраняется, но прочность прилипания суще¬ственно снижается. Функция «форсирование дуги» предназначена для управления переносом электродного металла. Необходимый ток форсирования /ф при коротком замыкании каждой каплей фор¬мируется системой управления. Больший ток назначается для эле¬ктродов с крупнокапельным характером переноса, а меньший — для электродов с мелкокапельным переносом.

Сварочная дуга переменного тока имеет ряд особенностей. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока пере¬ходят через ноль 100 раз в секунду, изменяется полярность на элек¬троде и изделии, что вызывает изменение положения катодного пятна, являющегося источником электронов. Кроме того, за каж¬дый период сварочный ток дважды принимает нулевое значение, при котором дуга гаснет. Погасание дуги происходит несколько раньше, когда сила сварочного тока уменьшается до 5-15 А. После кратковременного прекращения горения повторное зажигание дуги может произойти только при повышенном напряжении, называе¬мом пиком зажигания [/3 (рис. 2.7, а). Из-за различных теплофизи¬ческих свойств и условий охлаждения электрода и изделия значе¬ния 113 в соседних полупериодах отличаются друг от друга. Это осо¬бенно наглядно видно на осциллограмме тока и напряжения при сварке алюминия неплавящимся вольфрамовым электродом (рис. 2.7, б). В полупериоды прямой полярности, когда катодом яв¬ляется нагретый выше 4000 К вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия обеспечивает значительный ток и ин¬тенсивное плавление основного металла. Напряжение зажигания почти равно напряжению горения дуги в аргоне (/7з пр -10 В). В по¬лупериоды обратной полярности для зажигания дуги требуется

 

Рис. 2.7. Осциллограммы тока и напряжения дуги при сварке на переменном токе покрытым электродом (а) и в среде аргона вольф-рамовым электродом (б)

значительно более высокое напряжение ([/3 0бр), так как термоэлек-тронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода незначительна. Более высокое и напряжение горения дуги обрат¬ной полярности (£/0бр> 20 В). Сила тока дуги на обратной поляр¬ности (/0бр) на 20-50% ниже по сравнению с током дуги прямой по¬лярности (7Пр). Однако в полупериоды, когда дуга горит на обрат¬ной полярности, происходит интенсивное разрушение оксидной пленки А1203 за счет ее бомбардировки положительными ионами.

Время, когда дуга не горит, зависит от амплитудного значения напряжения источника питания, напряжения зажигания дуги и ча¬стоты переменного тока. Время восстановления дуги сокращается при повышении напряжения холостого хода, использовании повы¬шенных частот подающегося на источник питания напряжения, а также при снижении напряжения зажигания.

Стабильность горения дуги можно повысить снижением напря¬жения ее зажигания, что реализуется с помощью введения в элект¬родное покрытие элементов с низким потенциалом ионизации; по¬вышением частоты подающегося на трансформаторы питающего напряжения, однако это связано с определенными техническими трудностями, а также использованием источников питания пере¬менного тока с прямоугольной формой волны.

Повышает стабильность дугового процесса при сварке на пере¬менном токе индуктивность (дроссель или дроссельная обмотка), которая встроена в источник питания дуги. Наличие в сварочной цепи дросселя позволяет выполнять сварку на переменном токе, используя сварочные трансформаторы с напряжением холостого хода 45-65 В при условии содержания в покрытии электрода до¬статочного количества ионизирующих элементов. Дроссель позво¬ляет также регулировать сварочный ток за счет изменения его ин¬дуктивного сопротивления.

Еще одним способом, обеспечивающим стабилизацию дугового разряда при сварке на переменном токе, является применение раз¬личных приставок к стандартным источникам тока. В импульсных стабилизаторах реализована идея подачи пиковых импульсов вы¬сокого напряжения, подаваемых в дугу в момент перехода тока че¬рез ноль (рис. 2.8). Путь является достаточно перспективным и не требует существенных материальных затрат и изменения техноло¬гии сварки.

Напряжение повторного зажигания зависит от ряда факторов, одним из которых является сила тока дуги. С увеличением свароч- 

ного тока напряжение зажигания дуги снижается. Существенное влияние на напряжение повторного зажигания дуги оказывает со¬став электродного покрытия. При сварке открытой дугой напряже¬ния зажигания £/3 и горения £/д связаны следующей зависимостью:

С/3 = (1,3+2,5)[/д.

Как отмечалось выше, для питания дуги применяют источники питания переменного и постоянного тока. К источникам перемен¬ного тока относятся сварочные трансформаторы, к источникам по¬стоянного тока — сварочные выпрямители, сварочные преобразова¬тели и сварочные агрегаты. Источники питания бывают однопосто¬вые, питающие один пост, и многопостовые, питающие одновре¬менно несколько сварочных постов.

Согласно стандартам для источников питания используют бук- венно-цифровое обозначение, которое содержит краткую информа¬цию об основных параметрах источника:

• первая буква — назначение источника (Т — трансформатор, В — выпрямитель, Г — генератор, У — установка, А — аппарат, П — преобразователь);

• вторая буква — способ сварки (Д — дуговая, П — плазменная);

• третья буква — защитная среда (Г — в защитных газах, Ф — под флюсом, У — универсальный для нескольких способов сварки); для ручной сварки специальная буква не проставляется. В этом случае третья буква (М или Э) означает способ регулирования сварочного тока (механический или электронный);

• четвертая буква — дополнительная информация о назначении и характеристиках источника питания (М — многопостовой, И — для импульсно-дуговой сварки); 

• две (или одна) цифры указывают значение номинального сва¬рочного тока в сотнях ампер;

• следующая буква — климатическое исполнение (У — умеренный климат, Т — тропический);

• последняя цифра — категория размещения (1 — на открытом воздухе; 2 — в помещениях, где колебания температуры и влаж¬ности незначительно отличаются от колебаний на открытом воз¬духе; 3 — в закрытых помещениях, где колебания температуры и влажности существенно меньше, чем на открытом воздухе; 4 — в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями; 5 — для помещений с повышенной влажностью).

По характеру изменения нагрузки Р во времени £ различают ос-новные режимы работы электрооборудования: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный. Для сварочного процесса наиболее характерным является повторно-кратковремен¬ный режим, при котором за рабочий период температура нагрева изо¬ляции в источниках питания не достигает устойчивого значения, а за период паузы не происходит охлаждения до температуры окружаю¬щей среды. Повторно-кратковременный режим принято характери¬зовать относительной продолжительностью включения (ПВ, %). В режиме ПВ источник питания отключается от сети во время паузы:

 

где £р, Гп, £ц — время соответственно раоочего периода (сварки), пау¬зы и общее цикла.

Для ряда источников питания (технология РДС и др.) исполь¬зуют характеристику, называемую продолжительностью нагрузки (ПН, %) или продолжительностью работы (ПР, %). При работе в таком режиме в период паузы оборудование, как правило, не от¬ключают, и оно работает на холостом ходу:

 

где £х х — время холостого хода. Такой режим работы называется перемежающимся.

Потери в современных сварочных трансформаторах, работаю¬щих на холостом ходу, незначительны и не сопоставимы с потеря¬ми, которыми сопровождается рабочий режим. Поэтому между по¬казателями ПВ и ПН (ПР) нет существенной разницы.

Каждый источник питания рассчитывается на определенную нагрузку, при которой он работает, не перегреваясь выше допустимых норм. Силу тока и напряжение, при которых он работает в данном режиме, не перегреваясь, называют номинальными. Номинальное значение тока является главным параметром источника. ГОСТ 10594-80 регламентирует ряд номинальных значений силы тока, на который рассчитывается источник (50, 80, 125, 160, 315, 400, 500, 630 А и др.). Эти показатели для источников питания на¬ходятся в прямой зависимости от стойкости к нагреву применяе¬мых в них электроизоляционных материалов. Температура наибо¬лее нагретых мест изоляции не должна превышать предельно допу¬стимую (120-150 °С). Температура нагрева зависит не только от значения тока, но и от длительности сварочного процесса. Процесс сварки чередуется с паузами (смена электрода и другие перерывы), при которых источник питания охлаждается. Источники питания для реализации технологии РДС обычно рассчитывают на работу при номинальной относительной нагрузке ЯЯН0М = 60% при пол¬ном времени сварочного цикла, которое характеризует продолжи¬тельность работы источников питания: Гцик = 5 мин. Это означает, что источник при номинальном токе /ном не будет перегреваться, если в течение 5-минутного цикла дуга будет гореть не более 3 мин. Для переносных источников монтажного и бытового назначения ЯЯпом, как правило, составляет 20 или 25%.

2.3. Источники питания переменного тока

К источникам питания переменного тока относятся одно- и двухфазные трансформаторы с ПВАХ. В странах СНГ — это наибо¬лее распространенный источник питания дуги. За рубежом свароч¬ные трансформаторы, как правило, применяются при выполнении ремонтных работ в мелких мастерских. Сварочный трансформатор преобразует сетевое напряжение 220 или 380 В частотой 50 или 60 Гц в пониженное (менее 141 В), необходимое для сварки. Требо¬вания к их конструкции и техническим характеристикам сформу¬лированы в ГОСТ 95-77 и ГОСТ 7012-77. Обобщенная схема сва¬рочного трансформатора приведена на рис. 2.9. Как и в любом дру¬гом трансформаторе, в сварочном трансформаторе имеются цилин¬дрические первичная обмотка (1) и вторичная обмотка (2), регули-рующее устройство (3) и магнитопровод (4). Электрическая энер¬гия сети подается на первичную обмотку и преобразуется в ней в энергию магнитного потока, которая по магнитопроводу передает-

Рис. 2.9. Обобщенная схема сварочного трансформатора: 1, 2 — обмотки трансформатора (первичная и вторичная); 3 — магнито- провод; 4 — регулирующее устройство, 5 — электрододержатель; 6 — свариваемое изделие

ся вторичной обмотке, возбуждая в ней электродвижущую силу (напряжение), подающееся на сварочную дугу. До тех пор, пока вторичная цепь (сварочная) не будет замкнута, тока в ней (кроме напряжения) не будет. Количество витков во вторичной обмотке сварочного трансформатора всегда меньше, чем в первичной, бла¬годаря чему напряжение на выходе трансформатора ниже напряже¬ния сети, а сила тока, которую он может обеспечить, наоборот, вы¬ше тока, отбираемого из сети.

ПВАХ в сварочных трансформаторах формируются благодаря развитому магнитному рассеянию, либо за счет дросселя индуктив¬ности, обмотка которого включена в сварочную цепь последова¬тельно. Любой трансформатор характеризуется коэффициентом магнитной связи между первичной и вторичной обмотками. В сва¬рочных трансформаторах для получения ПВАХ снижают магнит¬ную связь между первичной и вторичной обмотками, заведомо уве¬личивая магнитное рассеяние. Существует много способов получе¬ния развитого магнитного рассеяния и регулирования его степени. Наиболее часто реализуются способы, заключающиеся в разнесе¬нии первичной и вторичной обмотки по высоте магнитопровода, введении пакетов стальных пластин на пути потоков рассеяния и размещении первичной и вторичной обмоток на различных стерж¬нях магнитопровода трансформатора.

Недостатком всех сварочных трансформаторов является их низ¬кий коэффициент мощности (соБф = 0,4-Ю,5), что заложено в прин¬ципе устройства самого трансформатора, внешняя характеристика которого формируется за счет высокой индуктивности. Индуктив¬ное сопротивление способствует существенной потере мощности.

Для устойчивого зажигания дуги при использовании большин¬ства типов современных электродов диаметром 3-5 мм достаточно напряжения холостого хода трансформатора -50 В, при меньших диаметрах (2-2,5 мм) для ее устойчивого зажигания необходимо более высокое напряжение холостого хода трансформатора (11хх>60 В). Это относится и к ряду электродов с фтористо-каль- циевым покрытием (АНО-ТМ, АНО-ТМбО), устойчивое зажига¬ние которых происходит при напряжении холостого хода транс¬форматора 70 В. Напряжение горения дуги в зависимости от усло¬вий сварки и состава обмазки электрода колеблется от 18 до 36 В.

К основным параметрам, по которым оценивают основные технологические возможности трансформатора, кроме напряжения холостого хода, относят минимальный и максимальный ток ко¬роткого замыкания, значения которых определяются максималь¬ным и минимальным индуктивным сопротивлением рассеяния трансформатора.

Трансформаторы с механическим регулированием выпускают¬ся в однокорпусном исполнении. Электрические параметры этих трансформаторов определяются геометрическими размерами маг- нитопровода, катушек первичной и вторичной обмоток, а также расстоянием между катушками. Необходимые внешние характери¬стики создаются благодаря изменению реактивного сопротивления трансформатора. Силу сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками (рис. 2.10). В этом случае изменяются потоки рассеяния и регулируется сва¬рочный ток, т. е. вторичная обмотка может быть под воздействием более интенсивного магнитного потока первичной обмотки — при их сближении (максимальный ток), или более слабого магнитного потока, т. е. при максимальном удалении обмоток друг от друга (минимальный ток).

Для расширения пределов регулирования сварочного тока в не¬которых трансформаторах иногда осуществляют пересоединение катушек с параллельного включения (максимальный ток) на по¬следовательное (минимальный ток). Они достаточно востребованы и экономичны.

Еще один способ регулирования магнитного потока рассеяния производится магнитным подвижным шунтом, вводимым в окно

Рис. 2.10. Принципиальная схема сварочного трансформатора с механическим регулированием силы сварочного тока (подвижными катушками): 1,2 — катушки первичной (подвижная) и вторичной обмотки; 3 — регулирующее устройство; 4 — сердечник (магнито- провод); 5 — электрододержатель; 6 — свариваемое изделие; 7 — катушки разводятся; 8 — катушки сводятся

магнитопровода (рис. 2.11) — при этом сварочный ток уменьшает¬ся. Магнитный шунт отвлекает часть магнитного потока, действую¬щего на вторичную обмотку. Регулировка сварочного тока выпол¬няется путем перемещениям пакета (изменения зазора в магнито-

Рис.2.11. Принципиальная схема сварочного трансформатора с механическим регулированием силы сварочного тока (подвижным шунтом): 1,2 — катушка первичной и вторичной обмотки; 3 — подвижный шунт; 4 — сердечник (магнитопровод); 5 — электродо¬держатель; 6 — свариваемое изделие; 7 — шунт вводится; 8 — шунт выводится

проводе). К таким трансформаторам относятся ТДМ-121, ТДМ-180, СТШ-250 и др. Надежность работы этих трансформа¬торов определяется конструкцией регулировочного узла, с помо¬щью которого шунт вводится в окно магнитопровода.

В ряде трансформаторов с неподвижными шунтами магнитная проницаемость регулируется подмагничиванием постоянным то¬ком. Шунт таких трансформаторов снабжен специальной обмот¬кой. Изменяя значение тока подмагничивания, подающегося на об¬мотку, выполняют регулировку сварочного тока (в настоящее вре¬мя не выпускаются).

Трансформаторы с ярмовым рассеянием магнитного потока выпускаются в однокорпусном исполнении. В их конструкции от¬сутствуют подвижные части. Первичная и вторичная обмотки или их секции располагаются на различных стержнях магнитопровода. Регулирование сварочного тока осуществляется переключением обмоток трансформатора (рис. 2.12) либо различной комбинацией расположения отдельных секций первичной и вторичной обмоток. К таким трансформаторам можно отнести ТСМ-250 (диапазон ре¬гулирования номинального тока 90-250 А и др.). Осуществляют регулирование силы сварочного тока также с помощью отпаек витков дросселя индуктивности (рис. 2.13).

Рис. 2.12. Принципиальная схема сварочного трансформатора с сек-ционированием витков вторичной обмотки: 1,2 — катушка первичной и вторичной (секционированной) обмотки; 3 — сердечник (магнитопровод); 4 — переключатель отпаек вторичной обмотки; 5 — электрододержатель; 6 — свариваемое изделие

 

Рис. 2.13. Принципиальная схема сварочного трансформатора с регулированием силы сварочного тока за счет переключения отпаек витков дросселя: 1; 2 — катушки первичной и вторичной обмотки; 3 — сердечник (магнитопровод); 4 — дроссель с отпайками и регулирующим устройством; 5 — электрододержатель; 6 — свариваемое изделие

Трансформаторы с тиристорным регулированием при мень¬ших массогабаритных характеристиках обеспечивают надежное ре¬гулирование постоянной составляющей сварочного тока. Они поз¬воляют программировать параметры тока и ограничивать до безо¬пасных значения напряжения холостого хода трансформатора. При разработке конструкций таких трансформаторов используются различные схемы. К таким источникам питания можно отнести УДС-251 с плавным регулированием номинального тока в диапа¬зоне 50-275 А.

Все сварочные трансформаторы имеют сердечник (магнитопро¬вод), изготовленный из трансформаторной стали, которая пред¬ставляет собой электротехническую листовую углеродистую сталь с повышенным содержанием кремния (до 4%) и низким серы и фо¬сфора (до 0,02%). От свойств используемой стали зависит масса аппарата, т. е. чем выше магнитная проницаемость стали, тем мень¬ше ее потребуется для данного аппарата.

Марки и основные параметры некоторых сварочных трансфор¬маторов, поступающих на рынок стран СНГ, приведены в табл. 2.1.

Основные неисправности сварочных трансформаторов, возни¬кающие при их эксплуатации, и способы их устранения сведены в табл. 2.2.

 

2.4. Источники питания постоянного тока

В промышленных условиях для питания дуги постоянным то¬ком используют сварочные выпрямители, сварочные преобразова¬тели и сварочные агрегаты, которые могут быть одно- и многопос¬товыми. В настоящее время промышленностью выпускаются вы¬прямители и сварочные агрегаты.

Сварочные выпрямители можно разделить на три группы:

• с ПВАХ для технологий РДС, ТИГ и сварки под флюсом;

• с ЖВАХ и ППВАХ для технологий МИГ/МАГ;

• с универсальными ВАХ.

Сварочные выпрямители состоят из силового трансформатора, выпрямительного блока и регулирующего устройства (рис. 2.14). Для улучшения стабильности горения дуги в цепь постоянного тока включают дроссель. Силовые трансформаторы, устанавлива¬емые в выпрямитель, могут иметь различные конструктивные исполнения.

 

Рис. 2.14. Кривые напряжения (а) и принципиальная схема двухполу- периодного сварочного выпрямителя (б): 1 — сварочный трансфор-матор; 2 — блок выпрямления; 3 — дроссель; 4 — электродо- держатель; 5 — свариваемое изделие; 6 — регулирующее устройство

 

Рис. 2.15. Кривые напряжения (а) и принципиальная схема сварочно¬го выпрямителя, выполненного по трехфазной схеме с перемещающи¬мися первичными обмотками (б): 1,2 — обмотка трансформатора первичная (перемещающаяся) и вторичная; 3 — регулировочное устройство; 4 — полупроводниковые вентили; 5 — дроссель; 6 — электрододержатель; 7 — свариваемая деталь

Существуют две типовые схемы выпрямления: однофазная мос-товая схема двухполупериодного выпрямления (см. рис. 2.14) и трехфазная мостовая схема. Трехфазная мостовая схема, приведен¬ная на рис. 2.15, обеспечивает меньшую пульсацию напряжения, лучшее использование трансформатора и более равномерную за¬грузку трехфазной сети, поэтому в промышленности в основном используют трехфазные выпрямители. Для выпрямления тока раньше применяли селеновые вентили с меньшим КПД, однако они обладали большой перегрузочной способностью. В современ¬ных выпрямителях используют кремниевые вентили. Согласно ГОСТ 13821-77 выпрямители для технологии РДС выпускают на номинальные токи 200, 315 и 400 А с падающими ВАХ.

Выпрямители с механическим регулированием сварочного тока. Ряд производителей сварочного оборудования стран СНГ выпускают сварочные выпрямители, у которых для получения ПВАХ и регулирования сварочного тока используются две систе¬мы регулирования: трансформаторы с подвижным магнитным шунтом (см. рис. 2.11) или подвижными катушками (см. рис. 2.15). Эти источники питания просты и надежны в эксплуатации и име¬ют хорошие сварочно-технологические свойства. Диапазон свароч¬ных токов — 130 (ПН 20%), 200, 315 и 400 А (ПН 60%). Наиболее востребован сварочный выпрямитель ВД-306, рассчитанный на номинальный ток 315 А. Некоторые производители выпускают сварочные выпрямители, в которых регулирование сварочного то¬ка осуществляется схемно-ступенчатым переключением отводов первичной обмотки трансформатора.

Выпрямители с тиристорным регулированием сварочного тока. Выпрямители с тиристорным регулированием предназначе¬ны для работы на крупных предприятиях и в строительстве. Они надежны, долговечны и остаются работоспособными при интенсив¬ных режимах эксплуатации. Выпрямители с ЖВАХ используются для технологий механизированной сварки МИГ/МАГ проволока¬ми сплошного сечения и порошковыми проволоками сталей, алю¬миния и других сплавов. Однако в настоящее время более востре¬бованы универсальные выпрямители (ПВАХ и ЖВАХ) с тирис¬торным регулированием, которые существенно расширяют техно¬логические возможности источников. Эти источники обеспечива¬ют технологии ТИГ, МИГ/МАГ, сварку самозащитными проволо¬ками, а также технологии РДС и сварку под флюсом. Такие источ¬ники питания производит фирма «Lincoln Electric» (серия ДС на номинальный ток 400, 600, 1000 и 1500 А). В моделях с рабочим то¬ком 400 и 600 А предусмотрена возможность изменения угла на¬клона ЖВАХ, что позволяет изменять динамику колебания тока в сварочной цепи. Это оптимизирует перенос металла и улучшает формирование шва. Фирма ESAB выпускает модели на номиналь¬ный ток 400, 500 и 630 А, предназначенные для технологий МИГ/МАГ и РДС. Фирма SAF выпускает модели, рассчитанные на номинальный ток 350, 400, 450 и 500 А и др.

Этот тип выпрямителей по требованию заказчика может ком-плектоваться системами дистанционного регулирования парамет¬ров процесса сварки. Питание выпрямителей может осуществлять¬ся от стационарных сетей и автономных генераторов энергии. Ряд  выпрямителей обеспечивает изменение угла наклона II ВАХ для работы с электродами, имеющими основной и целлюлозный тип покрытия.

Инверторные сварочные выпрямители. В настоящее время ин-верторные выпрямители являются наиболее прогрессивным видом сварочного оборудования. Принципиальная схема инверторного источника питания дуги приведена на рис. 2.16. Транзисторные ин-верторные источники питания имеют малые массогабаритные по-казатели с широкими пределами регулирования тока. Они мало-чувствительны к колебаниям напряжения питающей сети, что поз-воляет применять сетевой кабель большой длины. Большинство источников питания этого типа соединены в одном корпусе с кон-кретным подающим механизмом. Наиболее простой вариант такого источника обеспечивает технологии сварки МИГ/МАГ низколеги-рованных и коррозионностойких сталей, а также алюминия. Воз¬можно использование такого полуавтомата для сварки самозащит- ной порошковой проволокой. Такие источники обеспечивают свар¬

 

Рис. 2.16. Кривые напряжения (а) и упрощенная блок-схема сва¬рочного инвертора (б): 1 — сетевой выпрямительный блок; 2 — инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное высокой частоты; 3 — понижающий трансформатор; 4 — выпря¬мительный блок; 5 — сглаживающий фильтр

ку металлов в широком диапазоне толщин с минимальным раз-брызгиванием и хорошим формированием швов. При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом инвертор позволяет полу¬чить импульсы различной формы и частоты. Наличие функции двойного импульса позволяет выполнять сварку алюминия плавя¬щимся электродом, формируя шов во всех пространственных поло¬жениях практически такого же качества, как и при сварке неплавя- щимся электродом. Инверторы оснащены также цифровыми дис¬плеями. Контроль параметров процесса сварки осуществляется с дисплея на источнике питания или с выносного пульта. В таких ин¬верторах возможна реализация функции, позволяющей регулиро¬вать одной кнопкой скорость подачи проволоки и сварочное напря¬жение. В зависимости от производителя в источник питания зало¬жено определенное количество программ, которые могут корректи¬роваться по требованию заказчика.

Разработчиками и производителями инверторных источников питания для сварки плавящимся электродом являются ведущие мировые производители сварочной техники: ЕБАВ выпускает мо¬дель, рассчитанную на номинальный ток 320-500 А, «РГОПШБ» — модель с рабочим током 210-450 А, «КЕМРР1» — модели, рассчи¬танные на номинальный ток 300, 420 и 520 А и др.

В России аналогичные по назначению инверторные источники питания дуги для сварки плавящимся электродом выпускают такие фирмы, как «ФЭБ» (инверторы «Магма-315» и «Магма-500»), а 'также ООО «Г1ТК» («Инвертор-400») и др. Эти источники пита¬ния многофункциональны и обеспечивают технологии РДС, ТИГ и МИГ/МАГ.

Многопостовые сварочные выпрямители. Многопостовые сварочные выпрямители типа ВДМ предназначены для одновре-менного питания постоянным током нескольких постов для реали¬зации технологий РДС и МИГ/МАГ. Выпрямители имеют ЖВАХ. Для изменения ее на падающую и для регулирования тока на по¬стах РДС устанавливают балластные реостаты типа РБ-302.

Источники питания дуги для сварки в защитных газах. Как отмечалось выше, для технологий сварки МИГ/МАГ применяются источники питания постоянного тока с ЖВАХ и ППВАХ. Они должны иметь определенные динамические свойства (определен¬ную скорость нарастания тока короткого замыкания 1К З, от которой зависит формирование швов). Это особенно значимо при сварке на малых токах в углекислом газе. При сварке в смесях аргона и  пк гшшых газах характеристики источника питания оказывают зна-чительно меньшее влияние на процесс формирования шва.

У 1ля сварки в защитных газах выпускается целое семейство сва-рочных выпрямителей. На некоторых из них регулировка напряже¬ния производится схемно-ступенчатым переключением отводом первичной обмотки трансформатора (рис. 2.17). Эта схема реализу¬ется в выпрямителях, используемых для комплектации оборудова¬ния, применяемого в ремонтных мастерских и малых предприяти¬ях, а также в мощных и высоконадежных источниках питания для промышленности. Необходимые изменения параметров реализу¬ются переключением (изменением) индуктивности дроссельных устройств, включенных в сварочную цепь источника. К таким ис¬точникам можно отнести ПДГ-1610 (ОАО «Завод Электрик»), 11ДГ-160, ПДГ-270 (ООО «Корунд»), ВС-300, ВС-600, КИГ-601 и др.

 

Рис. 2.17. Кривые напряжения (а) и упрощенная схема сварочного вы-прямителя с секционированием витков первичных обмоток для одно-временного регулирования напряжения холостого хода трансформа-тора и тока дуги (б): 1,2 — первичная (с отпайками) и вторичная об-мотки; 3 — регулирующее устройство; 4 — полупроводниковые венти-ли; 5 — дроссель; 6 — электрододержатель; 7 — свариваемая деталь

Аналогичные источники питания того же назначения выпуска¬ют зарубежные фирмы такие, как ЕБАВ (модели с рабочим током от 50 до 500 А), «КЕМРРІ» (модели с рабочим током от 85 до 400 А), «Оегіікоп» (модели с рабочим током до 350 А), «Егопшб» (модели с рабочим током от 70 до 360 А) и др.

В странах СНГ выпускается значительное количество универ-сальных тиристорных выпрямителей на номинальный ток от 315 до 1250 А, обеспечивающих высокие сварочно-технологические свойства при всех способах сварки. Эти выпрямители построены на схемных решениях, реализованных в выпрямителях ВДУ-306, ВДУ-506, ВДУ-1201 с ЖВАХ и ПВАХ. К ним можно отнести ВДУ-506 (ЭСВА, Калининград), ВДУ-506С, ВДУ-601С, ВДУ-1250 (ОАО «СЭЛМА»), КИУ-301, КИУ-501, КИУ-1201 (КЗЭСО,

Каховка), ВДУ-505-2 и др. (ОАО «Завод «Электрик»). Новые разработки фирмы ОАО «СЭЛМА» — выпрямители ВД-306ДК и НД-506ДК — имеют регулируемый наклон ВАХ, что существенно расширяет их технологические возможности.

Основные выпрямители для механизированных процессов сварки, реализуемые на рынке стран СНГ, приведены в табл. 2.3.

2.5. Специализированные источники питания

Оборудование для сварки в инертных газах неплавящимся электродом на постоянном токе, а также универсальное для сварки на постоянном и переменном токе выпускается с двумя видами ре-гулирования — тиристорным и с использованием высокочастотных инверторов.

К источникам питания дуги для технологии сварки ТИГ на по-стоянном токе предъявляются следующие основные требования:

• возможность плавного регулирования тока в широких пределах;

• регулирование времени продувки горелки и зоны сварки до на¬чала процесса и задержка отключения подачи защитного газа после окончания сварки;

• плавное регулирование увеличения и уменьшения значений то¬ка в процессе сварки (наличие функции заварки кратера);

• бесконтактное высокочастотное возбуждение дуги;

• регулирование по заданной программе тока импульсов, их час¬тоты и длительности в режиме импульсной сварки.

Контроль параметров режима сварки, как и в других видах сва-рочного оборудования, осуществляется с помощью цифровых дис-плеев, которые устанавливаются на источнике питания. Возможна комплектация источника выносным пультом. Некоторые совре¬менные источники питания снабжаются синергетическими регуля¬торами процесса сварки.

Фирма ЕБАВ выпускает р|нверторные источники питания с но-минальным током 160-320 А, «Егопшб» — модель с номинальным током 160-260 А и др.

Сварка алюминия и его сплавов выполняется неплавящимся электродом на переменном токе. В сварочной цепи при выполне¬нии такого процесса возникает постоянная составляющая тока. Ее наличие отражается на качестве формирования шва и на работе трансформатора (повышается намагничивающий ток, снижается коэффициент мощности и др.). Поэтому источники питания дуги переменным током, используемые для технологии ТИГ, кроме сва-рочного трансформатора, дросселя насыщения и осциллятора для первоначального возбуждения дуги, содержат блок подавления постоянной составляющей сварочного тока.

В современных источниках питания для реализации технологии ТИГ на переменном токе используются схемные решения, позволя-ющие регулировать соотношения между полуволнами обратной и прямой полярности. Это позволяет соблюдать баланс между эф¬фектом очистки, который реализуется током обратной полярности и глубиной проплавления основного металла. Параметры импульса (амплитуда -600 В, длительность 60-80 мкс) устанавливаются в соответствии с требованием технологии. Пик тока может достигать 60-800 А.

Ряд перечисленных выше решений был реализован в специали-зированных установках для сварки типа УДАР-300, УДАР-500, вы-пускаемых ранее, и современных типа УДГУ-351, УДГУ-501 и др. Основные параметры оборудования для технологии сварки ТИГ приведены в табл. 2.4.

ОАО «Завод «Электрик» выпускает установки для технологии сварки ТИГ алюминия и его сплавов только с тиристорным регу-лированием — универсальные установки серии УДГУ, рассчитан-

мыс на номинальный ток 200 и 315 А, а также установки УДГ-500, предназначенные для сварки только на переменном токе.

Практически все зарубежные фирмы выпускают для сварки алюминия инверторные источники питания. В этом случае за счет регулирования частоты формируются импульсы заданной формы, позволяющие повысить качество шва и стабильность дугового про-цесса. Такие источники питания производит фирма «Lincoln I lectric» серии Invertec-V250, фирма ES AB — Aristo Tig a.c./d.c. на номинальный ток 150-320 А, фирма «Fronius» — модель Magic Wave на номинальный ток 130-300 А и др.

Осцилляторы. Для бесконтактного возбуждения дуги при реа-лизации технологии ТИГ применяют осцилляторы. Они обеспечи¬вают подачу кратковременного импульса напряжения, который позволяет возбудить дугу без непосредственного касания электро¬дом свариваемого изделия. Осциллятор представляет собой генера¬тор затухающих по амплитуде знакопеременных импульсов высо¬кого напряжения (~3 кВ) и высокой частоты (100-3000 кГц). При подаче импульсов на промежуток между электродом и изделием происходит его пробой искрой и последовательное развитие искро¬вого разряда в дуговой. В результате создаются условия для горе¬ния сварочной дуги, питаемой от основного источника питания.

С источниками питания постоянного тока осцилляторы при-меняются для первоначального возбуждения дуги. С источником питания дуги переменного тока осциллятор используется как для первоначального возбуждения дуги, так и для возбуждения дуги при смене полярности (при переходе тока через ноль). В сва¬рочный контур осцилляторы включаются параллельно или после¬довательно.

2.6. Оборудование для сварки металлов в среде защитных газов

Как отмечалось ранее, в состав поста для реализации техно¬логий МИГ/МАГ входит баллон, редуктор или расходомер, по¬догреватель газа (если сварка выполняется в углекислом газе), смеситель газа (если смесь готовится на месте потребления), источ¬ник питания дуги, подающий механизм и горелка. В случае ис¬пользования технологии ТИГ в состав поста может входить также осциллятор.

Баллоны. Баллоны для хранения и перевозки сжатых и сжи¬женных газов, выпускаемые различной вместимости от 0,4 до 55 дм3, изготавливают из бесшовных труб из углеродистой и леги¬рованной стали. Как правило, газы и газовые смеси хранят и транс¬портируют в стальных баллонах под давлением 14,7±0,5 МПа (150 кг/см2). Баллон по ГОСТ 949-73 представляет собой сталь¬ной цельнотянутый цилиндрический сосуд с выпуклым днищем, на которое напрессовывается башмак. Вверху баллон заканчивает¬ся горловиной, в которой имеется конусное отверстие с резьбой для вворачивания запорного вентиля. На горловину для защиты вентиля навертывается предохранительный колпак. В стандартном 40-литровом баллоне при нормальных условиях хранится 6000 дм3 (6 м3) газа (табл. 2.5). Наибольшее распространение получили бал¬лоны типа 150 и 150Л. Переосвидетельствование баллонов прово¬дят каждые пять лет. Все указанные в таблице баллоны имеют жид¬костную емкость 40 дм3, размеры 1390x219 мм, толщина стенки 8 мм. Масса баллона без колпака составляет 67 кг. Баллон комп¬лектуется вентилем, который изготавливают из латуни и маркиру¬ют ВК-85, ВК-86, ВК-94 и др. Боковой штуцер вентиля имеет правую резьбу 3/4" трубную.

При возврате баллонов на заправку остаточное давление в них не должно быть ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см2).

На сварочном посту баллон устанавливают в вертикальном по-ложении и закрепляют цепью или хомутом. При подготовке балло¬на к работе необходимо отвернуть колпак и заглушку штуцера и ос¬мотреть вентиль. Затем осторожно открыть баллонный вентиль и продуть штуцер. После чего вентиль перекрывают, осматривают накидную гайку редуктора или расходомера, присоединяют его к вентилю баллона и устанавливают рабочее давление газа регулиро-

ммчиым винтом редуктора. При работе с углекислотой для предот- мращения попадания в редуктор или регулятор расхода газа загряз-нений и конденсата перед началом эксплуатации баллона необхо¬дим его отстой не менее 24 часов и слив конденсата.

В случае использования на сварочном посту баллонов с кисло-родом для создания смесей необходимо строго соблюдать требова¬нии техники безопасности при работе с ним.

Редукторы. Редукторы предназначены для понижения давле¬ния рабочего газа, поступающего из баллона или газопровода рас- 111 и‘делительного коллектора, и автоматического поддержания по-стоянного заданного рабочего давления этих газов при питании смарочных установок.

Наиболее широкое распространение получили баллонные одно-ступенчатые редукторы, которые обеспечивают редуцирование га- за, поступающего от баллона или магистрали к потребителю. Сни¬жение давления газа в них осуществляется за счет его одноступен¬чатого расширения при прохождении через зазор между седлом и клапаном и попадании в большее пространство рабочей камеры. Присоединение этих редукторов осуществляется через накидную гайку, имеющую правую трубную резьбу 3/4".

На азотные, аргоновые, кислородные, гелиевые и водородные редукторы устанавливается два манометра: один высокого, другой низкого давления. Манометр высокого давления дает информацию о давлении в баллоне или подводящей магистрали. С помощью ма-нометра низкого давления выставляется и контролируется давле¬ние в камере редуктора и магистрали, подводящей газ к установке.

Редукторы для углекислого газа выпускают в разной комплек¬тации. Они могут комплектоваться только одним манометром, с помощью которого устанавливают и контролируют давление газа в камере редуктора и магистрали, подводящей газ к полуавтомату. В этом случае наличие второго манометра на высокой стороне не тре¬буется, так как давление в баллоне зависит только от температуры окружающей среды и состава заполняющего баллон газа. Основ¬ные марки редукторов и их маркировка приведены в табл. 2.6.

При сварке используют расходомеры поплавкового и дроссель¬ного типов. Расходомер (ротаметр) поплавкового типа (рис. 2.18) состоит из стеклянной трубки (1) с внутренним коническим кана¬лом. Внутри трубки, располагающейся строго вертикально широ¬ким концом вверх, находится свободно перемещающийся поплавок (2). Газ, подающийся в нижний конец трубки и отводящийся с

                  

исрхнего конца трубки, поднимает поплавок до тех пор, пока зазор между поплавком и ггенкой трубки не достигнет такого значе¬ния, при котором напор газовой струи не уравновесит массу поплавка. Такими при¬борами комплектуется значительная часть расходомеров зарубежного производства.

Расходомеры дроссельного типа устроены па принципе измерения перепада давления в камере до и после дросселирующей диафраг- мы с отверстием малого размера. При про¬хождении газа через малое отверстие в зави¬симости от расхода до и после диафрагмы ус-танавливается различное давление. По пере¬паду давления судят о расходе газа. Пределы измерения расходов изменяют путем измене¬ния диаметра отверстия в расходной шайбе (дюзе). К таким расходомерам относятся регуляторы расхода газа, выполненные на принципе редуктора и выпускаемые в рамках требований ГОСТ 13861-89. Они предназна¬чены для понижения давления газа, поступа¬ющего из баллона, и автоматического поддер¬жания постоянным заданного расхода газа.

Регуляторы выпускают в климатическом исполнении УХЛ2 (ГОСТ 15150-69) для работы в интервале температур: от -20 до 40 °С для АР-10-2, АР-40-2, АР-150-2, Г-70-2, В-50-2, А-30-2, А-90-2; от -30 до 50°С - У-ЗОП-2; от 5 до 50°С - У-ЗОП-2 (без подогревателя).

Основные параметры и размеры регуляторов расхода газа приве-дены в табл. 2.6. Регуляторы подсоединяются к источнику газоснаб-жения накидной гайкой. Понижение давления газа, поступающего из баллона, происходит за счет его расширения при прохождении через зазор между седлом и клапаном в камере рабочего давления.

Необходимый расход газа устанавливается вращением маховика и измеряется указателем расхода газа манометрического типа, рабо-тающего совместно с втулкой с двумя дюзами. Расходная шайба (дюза) представляет собой втулку с двумя отверстиями. Со стороны отверстия меньшего диаметра имеется отличительная риска. На указателе расхода газа имеются две шкалы — черная и красная. Для

получения расхода газа по одной из шкал изменяют расположение дюз (черная шкала — дюза №1, красная — дюза №2). В регуляторах устанавливают предохранительный клапан, соединенный с рабочей камерой и отрегулированный в зависимости от типа рабочего газа.

Газовые смесители. Принцип работы смесителя основан на вы-равнивании давления смешиваемых газов и автоматическом под-держании давления этих газов равным перед дросселирующими узлами, посредством которых устанавливается заданный состав двухкомпонентной газовой смеси.

Универсальный газовый смеситель У ГСМ предназначен для по-лучения двухкомпонентных газовых смесей, используемых в каче¬стве защитной среды при сварке. Смеситель в зависимости от со¬става получаемой смеси поставляется в трех вариантах настройки:

• вариант «А» — для получения стандартной смеси аргона с угле-кислым газом;

• вариант «Б» — для получения стандартной смеси углекислого газа с кислородом;

• вариант «В» — для получения смеси, состав которой выбирается заказчиком.

Наиболее востребованными являются варианты «А» и «Б». Вариант «А» позволяет получить смесь Аг+С02 (защитный газ ДСТУ1БО 14175:1997-М24) в соотношении 75+25%, которое обеспечивается в случае, когда основной газ (Аг) подается после редуктора под давлением 0,3 МПа, а задающий (С02) — под давле¬нием 0,1 МПа. Смеситель позволяет подать в зону сварки до 30 дм3 газовой смеси в минуту.

Вариант «Б» позволяет получить смесь при соотношении кис¬лорода (основной газ) к углекислому газу 30/70% (Защитный газ ДСТУ 1БО 14175:1997—С2), которое обеспечивается, если давление кислорода на входе в смеситель составляет 0,3 МПа, а углекислого газа — 0,1 МПа. Масса смесителя — 1,5 кг, а габаритные размеры — 150x100x145 мм. Работа смесителя для смесей, в состав которых входит С02, обеспечивается в температурном интервале 5-50 °С.

Входной штуцер смесителя монтируется на выходной штуцер редуктора основного газа, который подсоединяется к баллону. За-дающий газ подается в смеситель по рукаву после его выхода из ре-дуктора, смонтированного на баллоне с задающим газом. Регули¬ровка смесителя на соответствие его паспортным характеристикам производится на заводе-изготовителе при фиксированном рабочем давлении. Поэтому при работе смесителя потребитель осуществля»4 только регулировку давления на редукторах в рамках указанных Нышс давлений. При этих давлениях смеситель обеспечивает аа ДЙНИЫЙ уровень соотношения между смешивающимися газами.

Подогреватели газа. В связи с тем, что при испарении сжижси ны(1 углекислый газ интенсивно охлаждается, на внутренней по¬верхности редуктора может образовываться сухой лед и конденси¬роваться пары воды. Для нормальной работы редуктора между ним п вентилем устанавливают подогреватель, который повышает тем¬пературу углекислого газа и препятствует образованию льда. При атом обеспечивается работоспособность редукторов и регуляторов расхода газа при температуре окружающей среды от -30 до 50 °С. Подогреватели выпускают нескольких типов в рамках требований ГОСТ 12.2.007.8-75. Наиболее распространенные — проточные, ко-торые встраиваются в газовую магистраль через присоединитель¬ную гайку на выходной штуцер запорного вентиля баллона перед редуктором или регулятором расхода газа. К такому подогревателю можно подсоединять любые редукторы и расходомеры, предназна¬ченные для работы с углекислым газом. Выпускается также специ¬ализированный подогреватель, который монтируется на хвостике корпуса редуктора (У-ЗОП-2). Все подогреватели работают от сети с напряжением 36 В ± 15%. Отбираемая от сети мощность не бо¬лее 200 Вт. Они подсоединяются через разъем на источнике пита¬ния, на который подается напряжение от дополнительного понижа¬ющего трансформатора. Современные подогреватели оснащаются термоэлементом, отключающим его при перегреве.

Подающие механизмы. Подача проволоки в зону горения дуги осуществляется с помощью подающих механизмов типа ПДГ-322; ПДГ-312-5, А-547УМ, ПДГ-508 М1, ПДГ-516, КП-016, ПДГ-603 и др. (табл. 2.7). Подающий механизм содержит катушку с проволо¬кой, подающее устройство, гибкий направляющий канал и ручной держатель или горелку. Электродная проволока сматывается с ка-тушки и проталкивается ведущим и прижимным роликом через ка¬нал держателя и горелку в зону горения дуги. В канале проволока находится в сжатом состоянии. Усилие сжатия изменяется от мак-симального при входе в канал до нулевого при входе в наконечник горелки. Проволока находится в канале держателя в виде волнооб-разной змейки с переменным шагом. Этот шаг тем меньше, чем больше сила, сжимающая проволоку. В точках контакта проволоки со стенками канала держателя возникают силы трения, которые должны быть преодолены механизмом подачи. Сопротивление

Проталкиванию проволоки имеет комбинированный характер. Для гонких проволок решающее значение имеет потеря продольной устойчивости, а для толстых — усилие изгиба. Сопротивление протикиванию зависит от изгиба гибкого направляющего канала с проволокой, от его длины, материала трущихся поверхностей и от чистоты и состояния внутренней поверхности шланга. Все это ограничивает длину направляющего шланга и, следовательно, ма-невренность шлангового полуавтомата. Надежность подачи прово¬лок повышается, если обеспечено хорошее сцепление между роли¬ками при сравнительно небольшой силе сжатия проволоки. Увели¬чение силы сжатия проволоки может привести к поперечной де¬формации проволоки, что в свою очередь повысит сопротивление 1*0 проталкивания через шланг.

Для подачи проволок различных типов и диаметров применяют устройства из одного или двух пар подающих роликов. Усилие, с ко-торым роликовый механизм подает проволоку, зависит от материала трущихся тел, конструкции фрикционного сочленения, шероховато¬сти поверхности и компоновки механизма. С возрастанием сжимаю¬щей силы (усилие сжатия роликов) возрастает усилие проталкива¬ния проволоки по каналу держателя. Однако это усилие не может возрастать беспредельно, так как это приводит к деформации прово-локи вплоть до ее сплющивания и к потере мощности в редукторе. 11оэтому конструкция механизма подачи должна обеспечить повы-шенный коэффициент сцепления между роликами и проволокой.

Повышенный коэффициент сцепления может быть достигнут за счет конструкции самих роликов. Ролики могут быть цилиндриче¬ские с гладкой канавкой (рис. 2.19, а), с насечкой (рис. 2.19, б) или насеченной канавкой (рис. 2.19, в), шестеренчатые с канавкой, на¬резанной в зубьях шестерни (рис. 2.19, г), обрезиненные (рис. 2.19, д) и др. Чаще используют гладкие ролики с канавкой. Они, как и шестеренчатые с канавкой или обрезиненные, не оставляют следов на поверхности проволоки. Насечка на проволоке способствует по¬вышенному износу токоподводящего мундштука.

Существенное влияние на работу подающего механизма оказы¬вает правильность выбора соотношения между размером канавки в подающем ролике и диаметром проволоки. При соблюдении этого соотношения между подающим и прижимным роликами остается небольшой зазор (рис. 2.20, а). В случае, когда размер канавки в по-дающих роликах больше диаметра проволоки, сцепление между ними отсутствует и проволока не подается (рис. 2.20, б). Если диа-

Рис. 2.19. Конструкция наиболее часто используемых подающих роликов: а — цилиндрические с гладкой канавкой; б — цилиндрические с насечкой; в — цилиндрические с насеченной канавкой; г — с канав¬кой, нарезанной в зубьях шестерни; д — обрезиненные

метр проволоки существенно превышает размер канавки подающе¬го ролика, проволока может деформироваться (рис. 2.20, в) и заст¬ревать в канале держателя или в токоподводящем наконечнике.

Коэффициент сцепления подающих роликов и проволоки мож¬но повысить за счет использования нескольких ведущих роликов (двух при одной паре или четырех при двух парах). Иногда приме¬няют один ролик большого диаметра, к которому проволока при¬жимается по дуге окружности.

Для тонких проволок (до 1,2 мм), как правило, применяют ци-линдрические ролики с насечкой или шестеренчатые ролики. Для подачи порошковых проволок, проволок из титана и алюминия,

Рис. 2.20. Влияние соотношения между размером канавки в подаю¬щих роликах и диаметром проволоки на устойчивость ее подачи: а — правильное; б, в — неправильное

 сопротивление проталкиванию которых намного выше, чем у сталь-ных проволок сплошного сечения, применяют несколько роликов. Наиболее востребованы шестеренчатые и обрезиненные ролики. Для работы с такими проволоками необходимо увеличить силу про-талкивания за счет повышения мощности подающего механизма.

Слишком большое расстояние между приемной втулкой канала держателя и подающими роликами может привести к изгибу про-молоки на входе в держатель (рис. 2.21). Это особенно значимо при работе с проволоками малых диаметров (0,6-1,0 мм), продольная жесткость которых низкая.

На устойчивость работы подающего механизма оказывает влия¬ние зазор между окончанием канала держателя в мундштуке и то-коподводящим наконечником. Канал держателя должен упираться и токоподводящий наконечник (рис. 2.22, а). Если зазор большой, то проволока может изгибаться и деформироваться еще до ее по¬падания в токоподводящий наконечник (рис. 2.22, б).

Усилие проталкивания проволоки через канал держателя мож¬но снизить, смазав его нейтральной смазкой (например, дисульфид

Рис. 2.22.                                  

Расположение

канала

держателя (1) и токоподводящего наконечника (2) в мундштуке: а — неправильное; б — правильное

молибдена MoS2). В этом случае усилие проталкиванию проволоки по стальному каналу держателя снижается в 1,5-2,0 раза. В ряде держателей используются каналы, изготовленные из материалов с низким коэффициентом трения (например, бронза КМц, сополи¬мер 4Д и др.). Канал из бронзы снижает сопротивление проталки¬ванию в 2-3 раза, а из сополимера 4Д — в 6-8 раз по сравнению с каналом, изготовленным из стали.

Для реализации технологии сварки МИГ/МАГ применяют одно-корпусные полуавтоматы типа Г1ДГ-200, ПДГ-351 и др. (табл. 2.8).

Разработан подающий механизм для импульсно-дуговой свар¬ки, основой которого является квазиволновой редуктор. За один поворот подающего ролика редуктор обеспечивает несколько де¬сятков импульсов подачи электродной проволоки и соответственно несколько десятков импульсов сварочного тока. Модуляция скоро¬сти подачи электродной проволоки позволяет сваривать металл во всех пространственных положениях проволоками большего диаме¬тра. Подающий механизм используют для технологий сварки МИГ/МАГ при выполнении ремонтных работ, наплавке порошко¬выми проволоками крупногабаритных изделий без термообработ¬ки, при сварке МИГ алюминия и его сплавов и в других целях. По¬дающий механизм применяется также в специальных условиях, где серийное оборудование, обеспечивающее постоянную скорость по¬дачи электродной проволоки в зону горения дуги, не дает необхо¬димого качества металла шва или наплавляемого слоя. Для пита¬ния дуги в случае применения механизмов, обеспечивающих моду¬ляцию подачи электродной проволоки, используют стандартные источники питания с различной жесткостью внешних вольтампер- ных характеристик.

В настоящее время разработана специализированная система ЭСАБ Aristo 2000-System, снижающая влияние ошибочных дейст¬вий оператора на качество соединения при ГМА-пайке. Система позволяет осуществлять процесс в импульсном режиме. Источник питания дуги имеет высокую скорость нарастания тока в импульсе, что способствует мелкокапельному переносу электродного метал¬ла. Кроме того, ЭСАБ Aristo 2000-System обеспечивает плавную подачу электродного металла в зону горения дуги, что является не¬обходимым условием для получения качественного соединения при ГМА-пайке. Процесс ГМА-пайки осуществляется в импульс¬ном режиме с цифровым управлением параметрами процесса, что уменьшает испарение цинка с участков поверхности, примыкаю-

щих к шву и на обратной стороне листа, и, кроме того, позволяет контролировать количество теплоты, введенное в зону пайки.

Горелки. Газоэлектрические горелки с гибким шлангом явля¬ются сложным многофункциональным изделием. Производители комплектуют горелки гибкими направляющими шлангами, кото¬рые обеспечивают связь между подающим механизмом и мундшту¬ком. Шланги могут быть автономные, предназначенные только для направления электродной проволоки, либо комбинированные, ког¬да через один шланг проходят электродная проволока, токоподво¬дящий провод, провода цепи управления, газ, охлаждающая вода и т. д. Шланг может комплектоваться сменной гибкой спиралью (стальной или бронзовой) или трубкой из гибкой пластмассы, об¬ладающей антифрикционными свойствами. Внутренний диаметр гибкой спирали зависит от диаметра подающейся проволоки. Так, при диаметре проволоки 0,8-1,0 мм внутренний диаметр спирали должен быть 1,4-1,8 мм, при 1,0-1,6 — 2,4-2,8, при 1,6-2,0 — 3,1-3,5, при 2,0-3,2 — 4,6-5,0 мм.

Горелка заканчивается соплом, через которое подается защит¬ный газ. Эффективность защиты зоны сварки обусловлена характе¬ром истечения газовой струи из сопла горелки, жесткостью струи и силой сварочного тока. Турбулентный поток газа приводит к под¬сосу воздуха и, следовательно, к ухудшению качества металла шва. Поэтому конструкция горелки должна обеспечить получение ла-минарного потока газа или турбулентного потока, окруженного ла-минарным слоем. Последний возникает в результате трения газа о стенки сопла. Толщина ламинарного слоя зависит от конфигура¬ции сопла, отношения длины его цилиндрической части к диамет¬ру и характера ввода газа в камеру сопла. Достаточная толщина ла-минарного потока обеспечивается при отношении длины сопла к его диаметру больше единицы. Между камерой, в которую поступа¬ет газ, и соплом необходимо установить рассекатель. При выходе из сопла толщина ламинарного потока постепенно снижается из-за наличия в окружающем воздухе факторов, разрушающих газовый поток, что наиболее значимо при малом расходе газа, когда газовый поток нежесткий. Увеличение расхода газа приводит к ужесточе¬нию газового потока. При слишком большом расходе газа происхо¬дит завихрение потока.

Горелки, выпускаемые различными производителями, рассчи¬таны на рабочий ток от 50 до 600 А. Для работы в диапазоне токов 300-600 А выпускают водоохлаждаемые горелки. Основные марки горелок для полуавтоматов, поступающих на рынок стран СНГ, приведены в табл. 2.9.

Для работы в стесненных условиях разработаны и серийно выпу-скаются горелки с дымоотсосом RAB Plus 36 KD — (300 А) длиной 3-5 м. Горелки комплектуются специализированным соплом с кожу¬хом, обеспечивающим отсос сварочных аэрозолей из зоны сварки.

Для работы в условиях монтажа, когда необходимо выполнять сварку на значительном расстоянии от подающего механизма, раз-работаны специализированные горелки типа Push-Pull (тяни-тол- кай) длиной 8 м. Горелки для реализации технологий сварки МИГ/МАГ РР-401 D (400 А) и РР-240 D (250 А) снабжены до¬полнительным встроенным в рукоятку подающим механизмом тя¬нущего типа и платой синхронизации скорости подачи проволоки между толкающим и тянущим подающими механизмами.

Горелка для технологии сварки ТИГ (табл. 2.10) содержит сис¬тему охлаждения (водяную или воздушную), электрод, закреплен¬ный в токоподводящей цанге, которая размещается в пространстве, ограниченном газозащитным соплом.

 

Токоподводящие наконечники. Токоподводящие наконечники подразделяют на два типа: 1 — без поджимного контакта (рис. 2.23, а—в); 2 — с поджимным контактом (рис. 2.23, г, д). В токоподводя¬щих наконечниках 1-го типа постоянное расположение точки кон¬такта с проволокой достигается за счет изгиба мундштука. Проволо¬ка изгибается в мундштуке и прижимается к наконечнику за счет своих пружинящих свойств. В зависимости от величины изги¬ба мундштука и диаметра

Рис. 2.24. Характерные точки касания проволоки и передачи тока в токоподводящем нако¬нечнике

прово¬локи ее контакт с наконечником может осуществляться в разных точках (рис. 2.24), что влияет на стабильность дугового процесса из-за разного расстояния между точкой, в которой осуществля¬ется подвод тока к проволоке, и ее торцом, на котором горит ду¬га (меняется вылет электрода). При использовании тонких про¬волок лучшие результаты обес¬печивают наконечники с перио¬дически поджимаемыми кон¬тактами. Чем больше диаметр проволоки, тем лучше электри¬ческий контакт.

Токоподводящие наконечники могут быть точеные (см. рис. 2.23} а) или штампованные (см. рис. 2.23, в). Материалом для изготовле¬ния наконечников служат медь, латунь, хромистая (БрХ) или бе- риллиевая (БрБ) бронзы, металлокерамика. Применение латуней, бронз и металлокерамики взамен меди связано с тем, что проволо¬ка интенсивно изнашивает контактирующую поверхность за счет механического воздействия и электрической эрозии. Ряд произво-дителей выпускают токоподводящие наконечники по специальной технологии, обеспечивающей упрочнение внутренней поверхности отверстия, что повышает их стойкость износу проволокой в 2-4 ра¬за. Диаметр отверстия в токоподводящем наконечнике зависит от диаметра используемой проволоки (табл. 2.11), а длина I колеб¬лется от 20 до 30 мм. Диаметры й?2 и в штампованных наконечни¬ках зависят от конструкции и посадочных размеров держателя.

2.7. Эксплуатация сварочного оборудования

Перед работой корпус трансформатора или выпрямителя необ-ходимо заземлить. Источники питания не рекомендуется распола¬гать вблизи источников нагрева (нагревательных приборов отопле¬ния, паропроводов), так как перегрев обмоток может вызвать вы¬ход из строя изоляции. При выполнении монтажных работ на от¬крытых площадках источники питания дуги необходимо защищать от атмосферных осадков.

В настоящее время все зарубежные фирмы и ряд отечественных производителей выпускают источники питания с классом изоля¬ции Н (180 °С). Это позволяет существенно уменьшить их массогабаритные показатели. Кроме того, в промышленности внедряется стандарт 1Р23, позволяющий применять источники питания на открытом воздухе.

Уход за сварочными трансформаторами и выпрямителями для реализации технологии РДС сводится к:

• ежедневной проверке надежности заземления и состояния (за-жатия) контактов, целостности ограждающего кожуха, работе охлаждающей системы, к контролю за превышением значений сварочного тока выше расчетных показателей источника;

• ежемесячной проверке смазки ходового винта механизма пере-мещения подвижной части сердечника (если он имеется в конст-рукции трансформатора), очищению сердечника обмотки и вен-тилей (в выпрямителях) от грязи и пыли.

Выбор источника питания для реализации технологии РДС.

Для изготовления неответственных металлоконструкций (ворот, заборов и др.) используют сталь общего назначения толщиной 1-4 мм. Для ее сварки применяют универсальные (а.с./сі.с.) элект¬роды диаметром 2-4 мм. Устойчивое горение дуги при сварке эти¬ми электродами обеспечивают переносные источники монтажного и бытового назначения, работающие в диапазоне токов 60-200 А.

Как правило, самодельные сварочные трансформаторы для тех-нологии РДС изготавливают на базе понижающих трансформато¬ров (380/220/36 В), которые имеют ЖВАХ. Для регулировки сва¬рочного тока и изменения угла наклона ВАХ в большинстве таких трансформаторов вместо дроссельных устройств (индуктивного сопротивления) применяют балластный реостат, что значительно удешевляет их производство, однако он существенно снижает КПД сварочной установки. Отсутствие дроссельных устройств в таких трансформаторах снижает устойчивость горения дуги и повышает разбрызгивание. Рекомендации по выбору самодельного сварочно¬го трансформатора дать тяжело.

Параметры сварочных трансформаторов, выпускающихся про-мышленностью, в зависимости от предполагаемых объемов свароч-ных работ и возможностей питающей сети приведены в табл. 2.12.

Все маломощные переносные источники монтажного и бытово¬го назначения имеют низкий ПН, составляющий в среднем 20% при максимальных задекларированных показателях. Однако если трансформатор рассчитан на номинальный ток 160-180 А с ПН 20%, то при использовании электрода диаметром 3 мм (ток до 120 А) ПН повысится до 40-60%.

 

В строительстве при сварке конструкций, имеющих толщину стенки более 3 мм, применяют универсальные электроды диамет¬ром 3-5 мм. Для сварки такими электродами используют перенос¬ные источники монтажного и бытового назначения, рассчитанные на номинальный ток 70-250 А и имеющие ПН более 20%.

Ряд производителей сварочного оборудования комплектуют переносные источники монтажного и бытового назначения элек-тронным блоком импульсной стабилизации горения дуги, который позволяет выполнять сварку электродами с основным типом по¬крытия (УОНИ-13/55 и др.). Блоки могут быть как автономными (с независимым питанием), так и встроенными непосредственно в сварочный трансформатор. Оба варианта выпускаются промыш-ленностью.

В условиях цеха или мастерской используются сварочные трансформаторы, рассчитанные на номинальный ток до 500 А. Они надежны, долговечны и обеспечивают весь комплекс работ по свар¬ке и резке универсальными электродами диаметром 3-6 мм.

Питающая сеть. Подсоединение сварочного оборудования, в особенности однофазного, к сетям электропитания оказывает вред¬ное влияние на других потребителей электроэнергии и вызывает увеличение потерь электроэнергии из-за неравномерной нагрузки фаз и колебания напряжения в сети, а также появления ударных токов. Для снижения влияния этих факторов на других потребите¬лей энергии осуществляют разделение сети на силовую и освети¬тельную, нагрузку равномерно распределяют по фазам, осуществ¬ляют компенсацию реактивной электроэнергии, потребляемой сварочными трансформаторами, увеличивают сечение токоподводя¬щих линий и др.

Большинство сварочных трансформаторов боятся падения на-пряжения питающей сети, поэтому если напряжение в ней снижа¬ется до 180-200 В, дуга горит неустойчиво, залипает электрод. Не¬сколько меньше влияет падение напряжения в питающей сети на работу инверторных источников питания.

Сварочная цепь. Сварочный кабель является основным состав-ляющим элементом сварочной цепи. Его длина и сечение сущест¬венно изменяют характеристики сварочного контура и оказывают влияние на дуговой процесс, изменяя в итоге характеристики ис¬точника питания. Длинный сварочный кабель является дополнительным активным сопротивлением, за счет которого падает КПД сварочной цепи и изменяется угол наклона ВАХ источника питания. Поэтому для целого ряда источников питания монтажно¬го и бытового назначения длина сварочной цепи (кабелей, идущих от источника питания к держателю и клемме массы) ограничена 3 м. В этом случае источник питания обеспечивает заложенные в нем характеристики. Площадь сечения кабеля зависит от силы тока в сварочной цепи. Расчетная нагрузка на кабель составляет 5-7 А/мм2. Ориентировочные значения сечения сварочного кабеля в зависимости от диаметра электрода приведены в табл. 2.12. В случае интенсивной работы сварочного поста необходимо увели¬чить сечение кабеля. Нагрев сварочного кабеля повышает его оми¬ческое сопротивление и снижает КПД сварочной цепи. Зависи¬мость сопротивления сварочного кабеля от сечения и температуры приведены в табл. 2.13.

Зачастую у пользователя возникает необходимость выполнять работы на некотором удалении от места подвода сетевого напряжения. В случае использования сварочных трансформаторов монтажного и бытового назначения лучшие результаты достигаются м|)п удлинении сетевого кабеля и незначительном увеличении его сечения.

Для облегчения работы сварщика при реализации технологии РДС держатель оснащают отрезком сварочного кабеля КОГ (кабель особо гибкий) длиной 2-4 м и сечением 16 (25) мм2. Через разъем или клемму он подсоединяется к основному сварочному кабелю большего сечения и длины, из которого сформирована вся сварочная цепь. В случае, если предполагается использовать сварочную цепь для разделительной резки покрытыми электродами, сечение прямого и обратного кабеля необходимо увеличить на 10-20 мм2 или уменьшить их длину.

Нередко у пользователя возникает необходимость провести ориентировочный расчет мощности, отбираемой источником пита-мия от сети. При сварке покрытым электродом основными составляющими отбираемой мощности являются: напряжение на дуге 18-33 В (зависит от типа покрытия электрода и др.); сила тока дуги 60-250 А (зависит от диаметра электрода, типа покрытия, материала стержня и др.); потери в сварочном кабеле 100-5000 Вт (зависят от длины, сечения, материала и др.); КПД источника питания (см. табл. 7.4). Если для РДС используется выпрямитель или трансформатор с ЖВАХ, в сварочную цепь дополнительно устанавливают балластный реостат типа РБ-300-2, потери в котором могут составить (макс.):

315 А-30 В = 9450 Вт.

Из приведенных выше данных можно рассчитать среднюю от-бираемую источником питания дуги (СТШ-250, КПД=0,72) мощность при использовании электрода диаметром 4 мм (120-180 А) с рутиловым (АНО-4) покрытием (напряжение дуги 22-25 В), которая составит:

150 А • 23,5 В : 0,72 КПД = 4896 Вт.

Потеря мощности в сварочном контуре при указанных выше па-раметрах составит 200-400 Вт, если сварочная цепь проложена медным кабелем сечением 35 мм2 без скруток с запаянными наконечниками и ее длина не превышает 20 м. Если для РДС используется выпрямитель с ЖВАХ (например, ВС-600), в сварочную цепь необходимо включить балластный реостат, дополнительные потери мощности в котором составят -4000-4500 Вт.

Техническое обслуживание сварочных полуавтоматов для реализации технологии МИГ/МАГ несколько отличаются от обслуживания сварочных трансформаторов и выпрямителей, применяемых для технологии РДС.

Перед началом работы необходимо проверить:

• заземление шкафа управления, источника сварочного тока;

• состояние контактного наконечника. В случае износа (отсутствует контакт) его необходимо заменить;

• крепление мундштука к сварочному кабелю. Мундштук должен быть плотно навинчен на наконечник кабеля;

• крепление газоподводящих трубок к штуцерам. Трубки должны быть плотно присоединены к штуцерам;

• состояние внутренней поверхности сопла. При загрязнении брызгами — очистить от брызг и нанести слой жидкости, препятствующей налипанию последних;

• в механизме подачи проверить наличие необходимого уровня смазки, надежность в контактах токовых разъемов, надежность в креплении резиновых трубок к штуцерам. В разъемах должен быть хороший контакт, трубки герметично подсоединены к штуцерам;

• при работе с углекислым газом проверить работу подогревателя газа на нагрев. В случае выхода его из строя — заменить. Периодически необходимо проверять:

• состояние поверхности подающих роликов на механизме подачи. В случае износа, вызывающего пробуксовывание проволоки, подающие ролики следует поменять местами или заменить;

• наличие в подающем механизме следов от медного покрытия проволоки. В случае большого количества отслоившегося медного покрытия подающий механизм необходимо почистить;

• состояние всех контактных соединений. При необходимости подтянуть гайки фиксации разъемов, зафиксировать токовые вставки сварочных проводов;

• не реже одного раза в неделю очищать канал держателя, по котрому подается сварочная проволока, от грязи;

• усилие прижима сварочной проволоки к подающим роликам. При чрезмерном прижиме возможна деформация сварочной проволоки и даже ее сплющивание. Величина прижима особо значима при использовании порошковых проволок; 

• положение входной трубки шлангового держателя. Она должна располагаться точно против канавки подающего ролика и находиться от него на расстоянии, не превышающем 2-3 мм. Способы очистки канала держателя следующие:

1-й способ. Продуть канал держателя сжатым воздухом. Воздух подают сначала с одной стороны держателя, затем с другой. Возможна продувка канала любым инертным газом. Использовать кислород для продувки канала ЗАПРЕЩЕНО.

2-й способ. Очистка производится проволокой длиной более 5 м, пропущенной через спираль, которая натягивается между двумя жестко закрепленными предметами. После очистки канал продувается сжатым воздухом низкого давления.

3-й способ. В случае сильного засорения канала его промывают авиационным бензином. После промывки бензин, его пары и остатки загрязнений удаляют продувкой канала сжатым воздухом или инертным газом на протяжении 2-3 мин.

Глава 3.

Расходуемые материалы

и подготовка основного металла

под сборку, сварку и наплавку

3.1. Классификация покрытых электродов для дуговой сварки сталей

В соответствии со стандартами электроды покрытые металличе-ские для ручной дуговой сварки классифицируются по назначе¬нию, механическим свойствам и химическому составу наплавлен¬ного металла, видам и толщине покрытия, а также некоторым сва¬рочно-технологическим характеристикам. Марки электродов стан¬дартами не регламентируются. Подразделение электродов на мар¬ки производится по техническим условиям. Каждому типу элект¬родов может соответствовать одна или несколько марок.

3.1.1. Кодирование электродов в рамках требований ГОСТ 9466-75

Согласно ГОСТ 9466-75 обозначение электродов имеет следу¬ющий вид:

1-3-3-4-5 Е-6-7-8-Э

где в верхней строке указываются основные данные электродов:

1 - тип по стандарту (ГОСТ 9467-75 или ГОСТ 10052-75);

2 — марка;

3 — диаметр, мм;

4 — группа свариваемой стали (У — углеродистые, Л — легирован¬

ные, В — высоколегированные);

5 — толщина покрытия (М — тонкое, С — среднее, Д — толстое, Г —

особо толстое).

В нижней строке приводятся условные обозначения в рамках рекомендаций 180 2560:1973. Код начинается с буквы Е (элект¬род), после которой указывается:

(> — группа цифр, характеризующих механические свойства на-плавленного металла по ГОСТ 9467-75;

7 — вид покрытия (А — кислый, Б — основной, Ц — целлюлозный,

Р —- рутиловый; смешанному соответствует двойное условное обозначение — АР или РБ и т. д.; П — прочие);

8 — цифровое обозначение допустимого пространственного поло¬

жения швов при сварке;

9 — цифровое обозначение рода применяемого тока, полярности

постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания дуги переменным током.

Кроме того, по средней линии структурной схемы условного обозначения электродов указывается:

10-ГОСТ 9466-75;

11 — ГОСТ на соответствующий тип электродов (ГОСТ 9467-75 или ГОСТ 10052-75).

Указанные выше обозначения кода распространяются на элект-роды для сварки углеродистых и низколегированных сталей с пре-делом прочности до 588 МПа.

На электроды для сварки легированных сталей с пределом прочности свыше 588 МПа в группу «6» индекса кода, обозначаю¬щего характеристики наплавленного металла, входит:

• двузначное число, соответствующее среднему содержанию угле-рода в наплавленном металле в сотых долях процента;

• буквенно-цифровое обозначение химического состава наплав-ленного металла, принятое для маркировки сталей (буквенное обозначение основного химического элемента и стоящего за ним числа, показывающего содержание этого элемента в наплавлен¬ном металле в процентах).

Буквенное обозначение остальных элементов кода не изменяется. Условное обозначение электродов указывается на этикетках или при маркировке коробок. В других видах документации условное обо-значение электродов должно состоять из марки, диаметра и указания ГОСТ 9466-75. В чертежах необходимо указать тип электрода и соот-ветствующий ему стандарт (ГОСТ 9467-75 или ГОСТ 10052-75).

Если марка электрода не соответствует типам, приведенным в стандартах, то в условном обозначении вместо типа и стандарта указывается марка электрода и техническое условие на нее.

Для обозначения марок электродов, стержни которых изго¬товлены из легированных сварочных проволок, в некоторых слу¬чаях применяется следующая методика маркировки: над чертой указывается марка электродного покрытия, под чертой — марка сварочной проволоки по ГОСТ 2246-70 или по соответствующим техническим условиям. Такая система маркировки позволяет четко определить, на основании какой проволоки изготавливается данная марка электродов, и установить ориентировочный состав наплавленного металла. Кроме того, эта система позволяет сопо-ставить различные марки электродов, относящиеся к данному типу.

Электроды, стержни которых изготовлены из проволок Св-08, Св-08А и Св-08АА, обозначаются только принятой маркой элект¬родов, например: МР-3, АНО-36 и др.

3.1.2. Кодирование электродов для сварки нелегироваиных и мелкозернистых сталей по ДСТУ ISO 2560:2004

ДСТУ ISO 2560:2004, введенный в действие с 01.01.2006 г., идентичен международному стандарту ISO 2560:2002. Согласно этому стандарту установлено, что на мировом рынке существуют два подхода к классификации покрытых электродов для ручной ду¬говой сварки нелегированных и мелкозернистых сталей и их мож¬но использовать порознь или одновременно.

Так, классификация по системе «А» в основном базируется на стандарте EN 499, а по системе «В» — на стандартах, используемых в странах Тихоокеанского региона.

Согласно стандарту покрытые электроды классифицируются по пределу текучести, пределу прочности и относительному удлине¬нию при растяжении наплавленного металла в состоянии после сварки и в состоянии термообработки после сварки применительно к нелегированным и мелкозернистым сталям с минимальным пре¬делом текучести до 500 Н/мм2 и минимальным пределом прочно¬сти до 570 Н/мм2.

В ДСТУ ISO 2560:2004 номера параграфов и таблиц, касающих¬ся электродов, которые классифицируются по системе, базирую¬щейся на пределе текучести и средней ударной вязкости 47 Дж, заканчиваются буквой «А», а базирующихся на временном сопро¬тивлении разрыву и ударной вязкости 27 Дж для наплавленного металла — буквой «Б».

Параграфы и таблицы, номера которых не имеют буквенных обозначений «А» или «Б», используются для всех покрытых элект-родов, классифицирующихся по этому стандарту.

В стандарте предусматривается обязательная и необязательная группа символов. Обязательная группа по системе «А» включает символы типа продукции, прочности и относительного удлинения, ударной вязкости, химического состава и типа покрытия. В необя-зательную группу по системе «А» могут входить символы перехода металла в сварной шов, положений при сварке, для которых этот электрод предназначен, и содержания водорода.

Обязательная группа по системе «Б» включает символ типа продукции, прочность, тип покрытия, род тока, возможные поло¬жения при сварке, химический состав и вид термообработки. Не¬обязательная группа по системе «Б» включает символы ударной вязкости 47 Дж и символ содержания водорода.

Полное обозначение размещается на упаковке электродов, а так¬же в документации производителя и в сопровождающих документах.

Классификация по пределу текучести и ударной вязкости 47 Дж (тип А). Электроды, классифицируемые по системе «А», ко¬торая базируется на пределе текучести и средней ударной вязкости 47 Дж для наплавленного металла шва, обозначаются следующим образом:

Обязательные обозначения:

1. Номер стандарта 130. Буква «А» указывает на то, что электрод классифицируется по системе, которая базируется на пределе текучести и средней ударной вязкости 47 Дж для наплавленно¬го металла шва, а буква «Е» обозначает покрытый электрод.

2. Предел текучести обозначается символами, которые указывают минимальное значение предела текучести 355, 380, 420 460 или 500 Н/мм2 соответственно (табл. 3.1).

3. Ударная вязкость по Шарпи. Температура указана в градусах Цельсия, при которой или выше которой ударная вязкость ме¬талла шва равна или выше 47 Дж. Буква «А» используется как показатель температуры испытаний +20 °С, а буква «Ъ» обозна-чает отсутствие требований к испытаниям на ударную вязкость (табл. 3.2).


4. Химический состав наплавленного металла (табл. 3.3).

5. Тип электродного покрытия (табл. 3.4).

Необязательные (дополнительные) обозначения:

6. Переход электродного металла в сварной шов и род тока (табл. 3.5).

7. Положение, в котором выполняется сварка (табл. 3.6).

8. Содержание диффузионно-подвижного водорода в наплавлен¬ном металле (табл. 3.7).

Описание характеристик каждого из типов покрытий приведено в приложении к стандарту.

 

 

Для обеих систем классификации «А» и «В» существует символ содержания водорода в наплавленном металле (см. табл. 3.7), кото¬рое определяется методом, указанным в 1БО 3690. Сварка образцов выполняется переменным или постоянным током в зависимости от рекомендаций разработчика после прокалки электродов.

Пример обозначения. Покрытый электрод для ручной дуговой сварки, обеспечивающий наплавленный металл шва с минималь¬ным пределом текучести 460 Н/мм2 (46) и средней минимальной ударной вязкостью 47 Дж при температуре -30 °С (3) с химичес¬ким составом 1,1% Мп и 0,7% N1 (1№), имеет основное покрытие (В), обеспечивает номинальную производительность при переходе в сварочный шов 140% и может быть использован в ходе сварки на постоянном и переменном токе (5) в нижнем положении стыковых и угловых швов (4), а содержание водорода в наплавленном метал¬ле не превышает 5 см3/100 г (Н5), обозначается так:

КО 2560-А-Е 46 3 1№ В 54 Н5.

Классификация по пределу прочности и ударной вязкости 27 Дж (тип В). Электроды, классифицируемые по системе «В», ко¬торая базируется на пределе прочности и средней ударной вязко¬сти 27 Дж для наплавленного металла шва, обозначаются следую¬щим образом:

Обязательные обозначения:

1. Номер стандарта 1БО. Буква «В» указывает на классификацию по системе, которая базируется на классификации по мини¬мальному временному пределу прочности и ударной вязкости 27 Дж металла шва.

Буква «Е» обозначает покрытый электрод.

2. Предел прочности (табл. 3.8).

3. Тип покрытия электрода (табл. 3.9).

4. Химический состав наплавленного металла (табл. 3.10).

5. Требования к термической обработке. Если электрод классифи-цируется в состоянии после сварки, в классификацию необхо¬димо ввести символ «А», если электрод классифицирован в со¬стоянии термообработки после сварки, к классификации необ¬ходимо добавить символ «Р». Если электрод классифицируется по обоим показателям, то необходимо добавить символ «АР». Необязательные (дополнительные) обозначения:

(>. Ударная вязкость 47 Дж при нормальной температуре испыта¬ний ударной вязкости 27 Дж.

7. Содержание диффузионно-подвижного водорода (см. табл. 3.7).

При классификации по минимальному временному пределу прочности и ударной вязкости 27 Дж специальных символов для ударной вязкости не существует. Полная классификация, приведен¬ная в табл. 3.11, определяет температуру, при которой достигается

ударная вязкость 27 Дж в состоянии после сварки или в состоянии термообработки после сварки.

Введение необязательного символа «и» сразу же после символа требований термообработки показывает, что дополнительное тре-бование ударной вязкости 47 Дж также достигается при испытани¬ях, проводимых для нормальной температуры испытаний 27 Дж.

В рассматриваемой системе кодирования символа, показываю¬щего переход металла в сварной шов и род тока, не существует. Род тока включен в символы покрытия. Переход металла в шов также не регламентируется (см. табл. 3.9).

Специальной регламентации положения шва в пространстве данная система кодирования также не имеет. Требования относи-тельно положения при сварке в пространстве включены в таблицу символов типа покрытия (см. табл. 3.9).

ДСТУ 1БО 2560:2004 вводит требования к изготовлению образ¬цов для определения химического состава наплавленного металла. В ДСТУ указано, что анализируется 5-й — 9-й слой наплавленного металла. При этом проходов в слое может быть два-три. Сварка осу-ществляется электродами диаметром 4 мм. Результаты химического анализа в ДСТУ 1БО 2560:2004 при классификации электродов по минимальному пределу прочности и ударной вязкости 27 Дж «В» должны соответствовать требованиям, изложенным в табл. 3.12.

Пример обозначения. Покрытый электрод для ручной дуговой сварки, который обеспечивает наплавленный металл с минималь¬ным пределом прочности 550 Н/мм2 (55), ударной вязкостью 47 Дж при температуре -40 °С (II), а также ударной вязкостью, ко¬торая превышает 27 Дж при -40 °С (А), и химическим составом 1,1% Мп и 1% № (-N2). Электрод имеет основной тип покрытия, которое содержит железный порошок, и может быть использован при сварке на переменном и постоянном токе во всех положениях за исключением вертикального сверху вниз (18), а также обеспечи¬вает содержание водорода в наплавленном металле, которое не пре¬вышает 5 см3/100 г (Н5), и обозначается так:

КО 2560-В-Е55 18-Ш А и Н5.

В ДСТУ 1БО 2560:2004 приводятся требования к образцам для испытания угловых швов. Установлены размеры образцов, диаметр электрода, род тока и положение шва в пространстве. Если прове-денные испытания образцов электродов не отвечают необходимым требованиям, то испытания электродов проводятся дважды.

 

 

В дополнении к стандарту описаны типы покрытий электродов с кодировкой и их влияние на сварочно-технологические и механи-ческие свойства металла шва.

3.1.3. Кодирование электродов для ручной дуговой сварки нержавеющих и жаропрочных сталей по ДСТУ /50 3581:2004

С 01.04.2006 г. в Украине введен международный стандарт ДСТУ 1БО 3581:2004, который является аналогом международного стандарта 1БО 3581:2003 «Материалы сварочные. Покрытые элект-роды для ручной дуговой сварки нержавеющих и жаропрочных сталей. Классификация». Стандарт устанавливает систему класси-фикаций покрытых электродов для сварки нержавеющих сталей по химическому составу наплавленного металла и типу электродного покрытия. Другие свойства этих электродов устанавливают в соот-ветствии с указаниями, приведенными в таблицах. Стандарт учи-тывает наличие на мировом рынке двух различных подходов для классификации сварочных материалов и разрешает использовать любой из них, а при необходимости и одновременно оба.

Если в параграфах или таблицах имеются ссылки на классифи-кацию по номинальному составу (1БО 3581-А) или классифика¬цию по типу сплава (КО 3581-В), то продукция классифицирует¬ся только по этой системе.

При отсутствии ссылок продукция может классифицироваться по любой из этих систем.

Метод классификации по номинальному составу использует обозначение составляющих, прямо указывающих на номинальные обозначения легирующих элементов, которые приводятся в уста-новленном порядке, а также некоторые символы, указывающие на-личие других элементов, которые не выражены целыми числами.

Метод классификации по типу сплава использует традиционное обозначение систем сплавов, основанных на трех или четырех эле-ментах, а также предполагает наличие дополнительного одного или нескольких символов для обозначения модификации состава каж¬дого отдельного сплава в рамках системы.

Оба метода содержат дополнительные символы, использующи¬еся для ряда других требований классификации, однако они не тождественны.

Классификация по номинальному составу (А). Данная класси-фикация содержит положения, основанные на свойствах наплав-ленного металла, полученного сваркой покрытым электродом диа-метром 4 мм, за исключением испытаний в различных пространст-венных положениях.

Классификация разделена на шесть частей, и ее структура при-ведена ниже:

Обязательные обозначения:

1. А — классификация по номинальному составу.

2. Тип продукции — согласно 1БО 3581 используется буква «Е».

3. Химический состав наплавленного металла сварного шва (табл. 3.13). Наплавленный металл сварного шва должен отве¬чать требованиям, предъявляемым к механическим свойствам, приведенным в табл. 3.14.

4. Тип электродного покрытия — основное (В) или рутиловое (II). Необязательные обозначения:

5. Обозначение эффективности использования электрода и рода тока (табл. 3.15).

6. Положение шва в пространстве при сварке (табл. 3.16).

Полное классификационное обозначение электрода приводится

на упаковке, а также в документации производителя и в сопроводи-тельных документах.

Пример обозначения электродов. Электрод имеет рутиловое покрытие (К), и его можно использовать при сварке переменным и постоянным током с эффективным коэффициентом использования 120% (3) для сварки стыковых и угловых швов в нижнем положе¬нии (4). Его обозначают так:

150 3581-А-Е 19 12 2 Я 3 4

Классификация электродов по типу сплава (В). Классифика¬ция покрытых электродов для ручной дуговой сварки нержавею¬щих и жаропрочных сталей в рамках требований 1БО 3581-В содер¬жит информацию об основных показателях наплавленного метал¬ла, полученного сваркой покрытым электродом диаметром 4 мм, за исключением испытаний на сварку в различных пространственных положениях и подготовки образцов для химического анализа металла шва.

Классификация разделена на четыре части, и ее структура в рамках требований ІБО 3581-В приведена ниже:

Обязательные обозначения:

1. Символы классификации покрытого электрода по 1БО 3581-В, которые используются для ручной дуговой сварки нержавею¬щих и жаропрочных сталей по типу сплава — «ЕБ», где буква 

«Е» показывает, что это покрытый электрод, а буква «Б» — что это не-ржавеющая или жаро¬прочная сталь.

2. Химический состав на¬плавленного металла шва (см. табл. 3.13).

.4. Символ положений, в

которых возможна сварка данным электродом (табл. 3.17).

4. Символ типа электродного покрытия, в котором также приве¬дена информация о том, каким родом тока можно выполнять сварку, где «5» — основное покрытие, предназначенное для сварки током (с[.с.); «6» — покрытие на основе рутила, позволя¬ющее выполнять сварку током (с1.с.) и (а.с.), за исключением, когда для положения сварки и типа покрытия -46 используется ток (с1.с.); «7» — модифицированное покрытие на основе рутила, которое содержит большое количество диоксида кремния и предназначено для сварки (с[.с.) и (а.с.) током, за исключением, когда для положения сварки и типа покрытия -47 используют ток (с1.с.).

Пример обозначения электрода. Покрытый электрод (Е) для ручной дуговой сварки нержавеющих и жаропрочных сталей (Б) обеспечивает наплавленный металл следующего химического со¬става 19% Сг, 12% N1 и 2% Мо (тип 316) (см. табл. 3.13). Электрод имеет рутиловое покрытие (6), и им можно сваривать на перемен¬ном и постоянном токе обратной полярности стыковые и угловые швы в нижнем положении (2). Его обозначают так:

150 3581-В-Е5316-26.

В ДСТУ 1БО 3581:2004 указывается, что химический анализ на-плавленного металла выполняется на любом пригодном для испы-тания образце как при классификации по номинальному составу (А), так и по типу сплава (В). Результаты определения состава должны отвечать требованиям, изложенным в табл. 3.13.

Испытания металла на растяжение выполняются согласно усло-виям, приведенным в специальной таблице, где оговорены темпе-ратуры предварительного подогрева металла, температуры между проходами в зависимости от типа стали, последовательность вы-полнения проходов и направление выполнения швов. 

В ДСТУ ІБО 3581:2004 приведены требования применительно к испытаниям углового шва и размеры образцов. Указано, что в слу¬чае, если испытания не отвечают задекларированным требованиям, то они (испытания) должны быть повторены дважды.

Технические требования на поставку электродов должны соот-ветствовать требованиям 150 544 и 150 14344.

В приложениях приводится информация о типах покрытия электродов. Их обозначения существенно отличаются в класси-фикациях «А» и «В».

В ДСТУ 1БО 3581:2004 даются рекомендации применительно к содержанию феррита в металле шва и его влияние на служебные характеристики металла сварного соединения. Описывается влия¬ние условий сварки на содержание в шве ферритной фазы.

3.1.4. Кодирование электродов

для сварки углеродистых и низколегированных

конструкционных сталей по стандарту ІЗО 2560:1973

В большинстве действующих в настоящее время документов, находящихся у пользователей, имеется ссылка на стандарт 150 2560:1973, который заменен 150 2560:2002. Поэтому мы по¬считали необходимым в справочнике привести также регламента¬цию электродов и по стандарту 150 2560:1973.

Структура кода электродов, предназначенных для сварки угле-родистых и низколегированных сталей по 150 2560:1973, представ-лена ниже.

Как и в версии 150 2560:2002, код разделяется на две части

индексов — обязательные и дополнительные.

Обязательные обозначения.

1. Буква «Е» — электрод.

2. Индекс из двух цифр, несет информацию об интервале значе¬ний предела прочности наплавленного металла (табл. 3.18).

3. Индекс из одной цифры, соответствует минимальному значе¬нию относительного удлинения и минимальной температуре (°С), при которой обеспечивается ударная вязкость наплавлен¬ного металла КСУ = 28 Дж/см2 (см. табл. 3.18).

 

3.1.5. Кодирование электродов для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей по стандарту А\¥Б А5.1 (США)

Структура и система кодирования электродов для сварки уг-леродистых и низколегированных конструкционных сталей по

стандарту А\УБ А5.1, приведена ниже. Она имеет существенные различия с системой международного стандарта 130 2560:1973.

1. Буква Е и индекс из двух-трех цифр, дающий информацию о прочностных свойствах наплавленного металла, нормирует как предел прочности, так и предел текучести (табл. 3.23). Размерно¬сти прочностных характеристик приведены не в метрической си¬стеме, а в метрических единицах, применяемых в англоязычных странах, — в фунтах силы на квадратный дюйм (М/т2). Они охва¬тывают диапазон от 62000 (435 МПа) до 110 ООО 1ЫУт2 (773 МПа).

2. Индекс (две цифры), характеризующий тип покрытия, род тока, полярность, производительность процесса, включает также дополнительные характеристики, относящиеся к свойствам шлака, глубине проплавления, наличию железного порошка в покрытии и др. (табл. 3.24). Первая цифра индекса, характеризующая поло¬жение швов в пространстве, устанавливает только два их вида: все положения (1), нижнее и вертикальное (2).

Система кодирования А\\^А5.1 несет меньше информации, чем система кодирования 1БО 2560:1973. В ней не предусмотрены индексы для всех сочетаний типов покрытия.* Поэтому в ряде слу¬чаев сравнение кодов электродов является условным.

3.1.6. Сравнение обозначения (кода) электродов в различных стандартах

Условные обозначения наиболее востребованных электродов для сварки углеродистых, низколегированных, теплоустойчивых и высоколегированных сталей с особыми свойствами в соответствии с требованиями ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10052-75,

Кроме того, по средней линии структурной схемы условного обозначения электродов указывается:

1 — обозначение стандарта ГОСТ 9466-75;

2 — обозначение стандарта ГОСТ 10051-75 или ТУ на соответст¬

вующий тип электродов.

Пример: электрод типа — Э-11ГЗ марки — ОЗН-ЗООУ диамет¬ром — 0 для наплавки — Не толстым покрытием — Д, обеспечива¬ющий твердость наплавленного металла 275-324 НУ или 30,5-37,0 Н11СЭ-Е-300/30, в котором твердость наплавленного металла обеспечивается без т. о. — 1, имеющий основное покрытие — Б, обеспечивающий сварку в нижнем положении — 4, постоянным то¬ком обратной полярности — 3.

Структура условного обозначения электрода марки ОЗН-ЗООУ следующая:

Э-1Ш-ОЗЯ-ЗООУ-0-Н____ _ „    300/30 _ 1 _ ш ГОСТ 9466-75, ГОСТ 10051-75

Условное обозначение наносится на этикетки, которыми снаб-жаются пачки, коробки и ящики с электродами.

Срок годности электродов при соблюдении условий транспор-тировки и хранения не ограничен. Повышенное содержание влаги в покрытии электродов устраняют их прокаливанием перед ис-пользованием по режиму, указанному на упаковке.

3.3. Расходуемые материалы для сварки и наплавки с использованием технологий ТИГ и МИГ /МАГ

3.3.1. Защитные газы для дуговой сварки (ДСТУ130 14175:2004)

С 01.07.2005 г. в Украине введен национальный стандарт, явля-ющийся дословным переводом стандарта 1БО 14341:1997, который распространяется на защитные газы и их смеси, используемые в процессе дуговой сварки и резки.

Согласно ДСТУ газы используют для:

• дуговой сварки вольфрамовым электродом в инертных газах (ТИГ);

• дуговой сварки плавящимся электродом в активных газах (МАГ);

• дуговой сварки плавящимся электродом в инертных газах (МИГ);

• плазменно-дуговой сварки;

• плазменно-дуговой резки;

§ защиты корня шва или других потребностей.

В соответствии со стандартом защитные газы классифицируют- »м в зависимости от химического состава в сочетании комбинаций илщитного газа и присадочных проволок, которые используются при сварке. Стандарт также устанавливает допуски в отношении чистоты газа и их смесей.

При сварке используются следующие защитные газы:

• аргон — инертный (негорючий и невзрывоопасный) газ, не об-разующий взрывчатых смесей с воздухом. Будучи тяжелее воздуха н 1,380 раза, он обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. При защите зоны горения дуги аргоном получают хорошо сформированные швы при сварке плавящимся и неплавящимся электродом большинства металлов. Как правило, аргон поставляет¬ся в сорокалитровых баллонах в газообразном состоянии. Объем газа в баллоне при давлении 14,7±0,5 МПа и температуре окружаю¬щей среды 20 °С составляет -6000 дм3;

• гелий — химически инертен, но в отличие от аргона значительно легче воздуха (соотношение плотности между воздухом и гелием 1:0,138), что усложняет защиту сварочной ванны и требует больше¬го расхода гелия. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает бо¬лее стабильный дуговой процесс и большую глубину проплавления основного металла (в зоне горения дуги выделяется больше тепло¬ты), что особенно значимо при сварке металлов с высокой тепло-проводностью. Для единичного и мелкосерийного производства гелий поставляется в газообразном состоянии, его объем в сорока¬литровом баллоне при давлении 14,7±0,5 МПа и температуре окру¬жающей среды 20 °С составляет -6000 дм3;

• азот — химически пассивный (негорючий и невзрывоопасный) газ. Плотность почти такая же, как и у воздуха (соотношение плот¬ности между воздухом и азотом 1:0,968). Используется в качестве инертного газа при сварке меди и ее сплавов плавящимся и непла¬вящимся электродом, может использоваться в смеси с аргоном. Объем газа в сорокалитровом баллоне при давлении 14,7±0,5 МПа и температуре окружающей среды 20 °С составляет -6000 дм3;

• диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ) — бес¬цветный газ со слабым запахом, широко используемый в пищевой промышленности, при тушении пожаров, сварке и в литейном про-изводстве. Тяжелее воздуха (соотношение плотности между возду¬хом и углекислым газом 1:1,529). Для защиты реакционной зоны применяется углекислый газ, который отвечает требованиям

ДСТУ 150 14175:2004. Этим требованиям отвечает сварочная или пищевая углекислота. Поставляется в сжиженном состоянии, как правило, в сорокалитровых баллонах, заполненных на 60-70%, Масса углекислоты в сжиженном состоянии, которая заправляется в баллон, составляет в среднем 25 кг. Жидкая углекислота превра¬щается в углекислый газ при подводе к ней теплоты. Давление и баллоне определяется температурой окружающей среды и при тем¬пературе 20 °С составляет 5,7 МПа. Плотность углекислоты в сжи¬женном состоянии при температуре 20 °С составляет 0,925 кг/дм3. При нормальных условиях (20 °С и 1,013 бар) в случае испарения одного килограмма жидкой углекислоты образуется 509 дм3 газа. Для ориентировочных расчетов можно принять объем углекислого газа, находящегося в баллоне, около 12750 дм3. Этого количества газа при среднем расходе 6-8 дм3/мин должно хватить на 28-35 ч непрерывной работы полуавтомата. Количество газа, оставшегося в баллоне, определяется только путем его взвешивания. Поэтому установка манометра на редукторе, который показывает давление в баллоне углекислого газа, не обязательна.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирова¬ния и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При температуре в рабочей зоне ниже +5 °С или расходе газа из баллона больше 10-12 дм3/мин подводи* мой теплоты из окружающей среды может быть недостаточно. При снижении температуры углекислоты ниже минус 56,6 °С образует¬ся сухой лед, который вместе с парами воды, присутствующими в С02, конденсируется на внутренних поверхностях вентиля балло¬на и редуктора, препятствуя их нормальной работе. Возможна за¬купорка редуктора замерзшей влагой и сухим льдом;

• кислород является окислительным газом при сварке. При нор-мальных условиях — это бесцветный газ, без вкуса и запаха, не-сколько тяжелее воздуха (соотношение плотности между воздухом и кислородом 1:1,105). В случае создания смесей, применяемых для защиты реакционной зоны, используется кислород, который дол¬жен отвечать требованиям ДСТУ 1БО 14175:2004. Его точка росы при давлении 1,013 бар составляет 35 °С, минимальная чистота — 99,5%. Кислород поставляется в газообразном состоянии в балло¬нах или в термоизолированных цистернах в состоянии низкотем¬пературной (криогенной) жидкости;

• водород — газ без цвета и запаха, практически не растворим в воде. Значительно легче воздуха. Соотношение плотности между ии:»духом и водородом 1:0,070. Допустимое содержание примесей регламентируется требованиями ДСТУ ISO 14175:2004 и не пре- мышает 0,5%. Точка росы при давлении 1,013 бар составляет 50 °С. Иодород поставляется в газообразном состоянии е баллонах или в состоянии низкотемпературной (криогенной) жидкости в термо- и;и)лированных цистернах.

В ДСТУ ISO 14175:2004 приведена классификация различных сочетаний составов защитных газов по группам в зависимости от гипа их реакции с присадочным и свариваемым металлами (табл. 332).

Для классификации использованы следующие символы:

R — восстановительные газовые смеси;

I — инертные газы и газовые смеси;

М — окислительные смеси, содержащие кислород (М1) или диок¬сид углерода (М2), или оба окислителя вместе (М3);

С — сильный окислительный газ или сильные окислительные смеси; I7 — химически пассивный газ или восстановительные газовые смеси.

Если в установленный классификацией состав газов добавляют газы, указанные в табл. 332, то такую смесь обозначают буквой S.

Смеси групп R и М, в зависимости от содержания гелия, имеют следующее дополнительные идентификационные числа: (1) — при его содержании >0 до 33%; (2) — при >33 до 66%; (3) — при >66 до 95% включительно.

Защитные газы обозначают словами «защитный газ», упомина-нием стандарта ДСТУ ISO 14175:2004 и символом группы и иден-тификационным числом, указанным в табл. 332.

Пример 1. Газовую смесь, содержащую 30% гелия, остальное — аргон, обозначают следующим образом:

Защитный газ ДСТУ ISO 14175-13.

Пример 2. Газовую смесь, содержащую 10% углекислого газа, 3% кислорода, остальное — аргон, обозначают следующим образом: Защитный газ ДСТУ ISO 14175-М24.

Если аргон частично заменен гелием, содержание гелия обозна-чается дополнительным идентификационным числом (см. выше). Это идентификационное число берут в скобки и ставят в конце обозначения.

Пример 3. Газовую смесь М21, содержащую 25% гелия, обознача-ют следующим образом: Защитный газ ДСТУ ISO 14175-М21 (1).

Перечень защитных газов и их смесей в зависимости от исполь-зуемых технологий и свариваемых металлов приведен в табл. 333.

Состав защитного газа оказывает существенное влияние на глубину проплавления и формирование металла шва (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Влияние состава защитного газа на характер и глубину проплавления основного металла при сварке плавящимся электродом

Инертные газы не растворяются в металле сварочной ванны и не образуют химических соединений с элементами, входящими н его состав. При сварке в инертных газах электродную и присадоч* ную проволоки применяют такого же состава, что и свариваемый металл.

В настоящее время сварка в газовых смесях является достаточ¬но востребованным технологическим процессом. Для газопитания оборудования используют баллоны с заранее приготовленной сме¬сью, специальные смесители, а в некоторых случаях — специаль¬ные двойные сопла. Преимущества защитных смесей заключаются в улучшении технологических и металлургических свойств защит¬ной атмосферы и экономии дорогих газов.

Для сварки цветных металлов и специальных сплавов наиболее эффективна двойная смесь, состоящая из аргона и гелия, которая обеспечивает хорошее формирование швов и глубокое проплавле¬ние основного металла. При ее использовании снижается разбрыз¬гивание и улучшается стабильность дугового процесса. Общая сто¬имость защитного газа значительно ниже, чем при использовании чистого гелия.

В качестве активных газов, которые при сварке взаимодейст¬вуют с металлом, используют углекислый газ (Защитный газ ДСТУ1БО 14175-С1) и его смесь с кислородом (Защитный газ ДСТУ 1БО 14175-С2). Кислород способствует большему выгора¬нию углерода из металла сварочной ванны, и при определенных концентрациях улучшает стабильность дугового разряда. Избыток кислорода в защитном газе вызывает образование пористости в ме¬талле шва, а при недостаточном содержании раскислителей в про¬волоке — снижение прочностных показателей сварных соединений.

33.2. Проволоки сплошного сечения для сварки и наплавки сталей и сплавов, выпускаемые в соответствии с ГОСТ2246-70 и ГОСТ 10543-98

В настоящее время на территории Украины ГОСТ 2246-70 дей-ствует параллельно с ДСТУ 1БО 14341:2004. В связи с этим приве-дена классификация стальных сварочных проволок, регламентиро-ванных ГОСТ 2246-70, куда включено 77 марок сварочной прово¬локи диаметром 0,3-12 мм. Кроме требований, изложенных в нем, проволоки могут выпускаться и по специальным ТУ.

В условное обозначение проволоки входит индекс Св (свароч¬ная) и цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых /мімих процента. Как и при обозначении марок стали, легирующие ї м менты, входящие в состав проволоки, обозначают буквами. Цифры, следующие за буквенными обозначениями химических игментов, указывают среднее содержание элементов в процентах.

I пш содержание легирующего элемента меньше 1%, то ставится і и/и,ко соответствующая буква. Буква А в конце условных обозна-чений низкоуглеродистых и легированных проволок указывает на Номышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. Так, проволока Св-08АА содержит не более 0,02% Б и 0,02% Р. Если проволока выпускается с омедненной поверхностью, то после мар¬ки ироволоки ставится буква «О».

І Іроволоки Св-08, Св-08 А и Св-08 А А изготавливаются из кипя-щей, а проволоки Св-08ГА, Св-ЮГА и Св-10Г2А — из полуспокой- пой стали (табл. 334).

Сварочные легированные проволоки предназначены для сварки углеродистых и легированных сталей (табл. 3.35). Так, проволоки, легированные кремнием и марганцем (Св-08Г2С и Св-08ГС), по-ставляют в бухтах (черная, омедненная и электрохимически очи-щенная) и применяют для сварки сталей в окислительных газах. Омедненную и электрохимически очищенную проволоку в боль-шинстве случаев наматывают на кассеты (ДСТУ 1БО 544:2004). Проволоки Св-08ХНМ, Св-08ХН2М, Св-08ХМФА и др., комплек¬сно легированные хромом, молибденом, никелем и ванадием, при¬меняют для сварки низколегированных высокопрочных сталей. І Іроволоки других марок используют для сварки сталей сходного с ним состава и для наплавочных работ.

При содержании в проволоке более 6% легирующих элементов проволоки относят к высоколегированным (табл. 3.36). Высоко-легированные аустенитные и ферритные проволоки используют для сварки нержаве-ющих, жаростойких и других специальных сталей.

В качестве присадочной проволоки для сварки ТИГ и для других технологических процессов согласно техническим условиям ТУ У 05416923.029-97 украинскими пред-приятиями организован выпуск сварочных проволок следующих марок: Св-08А, Св- 08ГА, Св-10Г2, Св-08ГМА, Св-08Г1МА, Св- 08Г2МА и Св-10ГН, а для технологий МИГ/МАГ согласно ТУ У 05416923.028-97 - сварочных проволок марок Св-09ГСА, Св- 09Г1СА, Св-09Г2СА и Св-08ГСНТ. Соответ-ствие этих проволок зарубежным аналогам приведено в табл. 3.37. Базовое легирование сталей для изготовления этих проволок вы-полняется согласно ГОСТ 2246, ТУУ 14-3- 373-95 и зарубежным стандартам. По согла¬сованию с потребителем сталь для проволо-ки изготавливают с низким содержанием се¬ры: для молибденсодержащих марок не бо-лее 0,010% и для остальных не более 0,015%. Проволоки поставляются без покрытия и с медным покрытием различных диаметров в катушках массой 5-15 кг, бухтах или мотках.

Проволока с омедненной поверхностью имеет некоторые преимущества перед прово¬локами без покрытия. Медное покрытие вы¬полняет ряд важных функций: снижает как коэффициент трения при подаче проволоки через канал держателя, так и контактное сопротивление между поверхностью прово¬локи и контактным наконечником (в 50- 100 раз), а также в некоторой степени защи¬щает проволоку от коррозии при хранении.

Медное покрытие на поверхность проволоки наносят, пропус¬кая ее через ванну с медным купоросом. Для его уплотнения прово¬локу подвергают дополнительной деформации, пропуская через волок с применением жидкой смазки. Толщина медного покрытия должна быть такой, чтобы масса меди в покрытии не превышала 0,10-0,15% массы проволоки. Так, для проволоки диаметром 1,2 мм оптимальная толщина медного покрытия составляет 0,15-0,20 мкм. Для более надежной антикоррозионной защиты проволоки приме¬няют ингибитированную бумагу или полиэтиленовую пленку.

Использование меди в качестве покрытия имеет и определенные недостатки. Постепенное накапливание медной пыли и стружки яв-ляется причиной засорения механизма подачи проволоки, что при-водит к пробуксовке и нестабильной подаче. Присутствие меди на поверхности проволоки способствует повышенному разбрызгива¬нию и, как правило, ухудшает свойства металла шва. В ряде стран не рекомендуется применять омедненные проволоки, так как повы-шается содержание паров оксидов и других соединений меди в сва-рочной дуге, что отрицательно сказывается на здоровье сварщика.

Ряд основных мировых производителей сварочных материалов освоили выпуск проволоки сплошного сечения для технологий сварки МИГ/МАГ, поверхность которой дополнительно обрабаты¬вают. Медь на ее поверхность не наносится. Стоимость такой про¬волоки на 5-8% выше, чем омедненной. Проволока легко проходит по каналу держателя и мало изнашивает контактный наконечник. Следы ржавчины на поверхности такой проволоки обнаруживают¬ся после года хранения, тогда как на омедненной проволоке они могут образоваться и через три месяца.

Концерн ESAB разработал и выпускает новый вид сварочной проволоки ОК AristoRod с покрытием ASC с улучшенными харак-теристиками. ASC — это технология, включающая два основных компонента: специальную поверхностную механическую обработ¬ку и нанесение микронного по толщине покрытия, являющегося ноу-хау концерна ESAB. Проволока обладает более высокими сва¬рочно-технологическими характеристиками (более высокая ста¬бильность горения дуги, уменьшенное разбрызгивание и др.) по сравнению с проволоками с омедненной поверхностью. Кроме того, при использовании проволок ОК AristoRod с покрытием ASC сни¬жается усилие ее проталкивания через канал держателя и миними¬зируется риск коррозии проволоки в течение длительного времени. Отсутствие меди на поверхности проволоки снижает содержание этого металла в сварочных дымах и газах, что способствует улуч¬шению условий труда сварщика.

Для механизированной дуговой наплавки стальных деталей ис-пользуют горячекатаную и холоднотянутую стальную проволоку по ГОСТ 10543-98 (ДСТУ 3671-97), который предусматривает из-готовление углеродистой проволоки четырех марок, легированной проволоки одиннадцати марок и высоколегированной проволоки одиннадцати марок. Эти проволоки не предназначены для изготов-ления электродов. Химический состав проволок для наплавки при-веден в табл. 3.38.

Сортамент. Проволока выпускается диаметром 0,3-8,0 мм. Проволоку диаметром менее 7 мм выпускают холоднотянутую, а диаметром 7 PI 8 мм — горячекатаную. В условном обозначении наплавочной проволоки указывают ее диаметр и марку, а также стандарт.

Пример. Проволока ЗОХГСА диаметром 3 мм обозначается так: ЗНп-ЗОХГСА ГОСТ 10543-98

ГОСТ 10543-98 имеет справочное приложение, в котором ука¬заны твердость металла, наплавленного проволоками различных марок, и примерное назначение наплавляемых изделий.

3.3.3. Электродные проволоки сплошного сечения для дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом не легированных и мелкозернистых сталей (ДСТУ1Б0 14341:2004)

С 01.10.2005 г. в Украине введен национальный стандарт ДСТУ 1БО 14341:2004 «Электродные проволоки и наплавленный металл для дуговой сварки в защитном газе плавящимся электро¬дом нелегированных и мелкозернистых сталей». Стандарт регла¬ментирует требования к классификации электродных проволок для дуговой сварки в защитных газах нелегированных и мелкозер¬нистых сталей с минимальным пределом текучести до 500 Н/мм2 и минимальным пределом прочности до 570 Н/мм2. Этот стандарт является идентичным переводом стандарта 1БО 14341:2002.

Согласно стандарту в мире существуют два разных подхода к классификации электродных проволок. Стандарт разрешает ис-пользовать их классификационные обозначения отдельно или од-новременно, в зависимости от требований рынка. Стандарт содер¬жит положения, необходимые для классификации, в которых ис-пользованы системы, базирующиеся на пределе текучести и удар¬ной вязкости 47 Дж для металла шва «А», или система, которая ба¬зируется на пределе прочности и средней ударной вязкости 27 Дж для металла шва «В». Электродные проволоки классифицируются в соответствии с их химическим составом. Наплавленный металл шва классифицируют дополнительными символами в соответствии с механическими свойствами, полученными при сварке в защитных газах определенной группы составов.

Классификация по пределу текучести и ударной вязкости 47 Дж разделена на пять частей, как показано ниже:

Обозначения.

1. Символ типа продукции и (или) процесса сварки по их иденти-фикационному обозначению (буква в).

2. Символ прочности и относительного удлинения наплавленного металла (табл. 3.39).

3. Символ, дающий информацию о температуре, при которой достигается ударная вязкость наплавленного металла 47 Дж (табл. 3.40). 

4. Символ защитного газа, который используют в процессе свар¬ки, — М, А и С в соответствии с ІБО 14175. Символ С использу¬ют, когда классификацию проводят в защитном газе С1 (диок¬сид углерода), символ М — в случае классификации в смеси М2, но без гелия, символ А — в защитном газе М13 (аргон).

5. Символ химического состава электродной проволоки (табл. 3.41). Пример. Наплавленный металл, полученный дуговой сваркой в

защитном газе плавящимся электродом с минимальным пределом текучести 460Н/мм2 (46) и минимальной ударной вязкостью 47 Дж при температуре -50 °С (5) в смеси газов (М) с использова¬нием электродной проволоки ЄЗБіІ обозначают так:

150 14341-А-О 46 5 М СЗ&І.

Электродную проволоку, химический состав которой отвечает требованиям СЗБіІ, обозначают так:

180 14341-А-С35і1.

Классификация по временному сопротивлению разрыва и ударной вязкости 27 Дж разделена на пять частей:

Обозначения.

1. Символ типа продукции и (или) процесса сварки по их иденти-фикационному обозначению.

2. Символ прочности и относительного удлинения наплавленного металла в состоянии после сварки или в состоянии термообра¬ботки после сварки (табл. 3.42).

3. Символ ударной вязкости наплавленного металла в условиях, которые установлены и для классификации по пределу текучес¬ти и ударной вязкости 47 Дж (см. табл. 3.40). Буква «и» после обозначения показывает, что наплавленный металл удовлетво¬ряет необязательному требованию средней ударной вязкости, составляющей 47 Дж, для установленной температуры испыта¬ний по Шарпи.

4. Символ защитного газа. В классификации указывают символ защитного газа М, А и С в соответствии с 1БО 14175. Символ С используют для защитного газа С1 (диоксид углерода), символ М — для защитного газа М21, но с ограниченным содержанием в аргоне углекислого газа от 20 до 25%, символ А — для аргона с добавкой от 1 до 5% 02.

5. Символ химического состава электродной проволоки (табл. 3.43).

Пример. Наплавленный металл, полученный дуговой сваркой в защитном газе плавящимся электродом с минимальным пределом прочности 490 Н/мм2 (49) и минимальной ударной вязкостью 27 Дж при температуре -60 °С (6) в условиях после сварки в смеси газов (М) с использованием электродной проволоки вЗ, обозна¬чают так:

КО 14341-В-С 49А 6 М вЗ.

Электродную проволоку, химический состав которой отвечает требованиям вЗ, обозначают так:

КО 14341-В-С3.

В классификации приведены требования относительно механи-ческих испытаний наплавленного металла, температуры предвари-тельного подогрева и максимальной температуры свариваемого об-разца между проходами, условий сварки и последовательности вы-полнения проходов, необходимости проведения термообработки после сварки, химического анализа классифицируемой проволоки и наплагленного металла, а также требования к повторным испыта¬ниям. Указано, что технические требования в случае поставки про¬дукции должны отвечать требованиям, изложенным в

 

3.3.4. Технические условия поставки проволок сплошного сечения и присадочных прутков (ДСТУ /50 544:2004)

Проволоки сплошного сечения и присадочные прутки должны поставляться потребителю в соответствии с ДСТУ ІБО 544:2004, которое введено с 01.07.2005 г. Стандарт является дословным пере-водом международного стандарта ІБО 544:2003 и распространяется на присадочные материалы для сварки плавлением, устанавливая технические условия на их поставку. В стандарте приведены разме¬ры и допуски для присадочных проволок и присадочных прутков и зависимости от процесса сварки.

Если сравнивать предельные отклонения проволок по диаметру и овальности, заложенные в ДСТУ ІБО 544:2004, и предельные отклонения проволок по диаметру и овальности, заложенные в ГОСТ 2246-70, то необходимо отметить, что в рамках требования последнего отклонения указанных выше параметров большие. Срав¬нительные характеристики предельных отклонений размеров прово¬локи в рамках требований ДСТУ и ГОСТ приведены в табл. 3.44.

Более жесткие требования в отношении диаметра и овальности, предъявляемые к проволокам в рамках ДСТУ ІБО 544:2004, позво-ляют гарантировать более высокую стабильность технологического процесса и меньший износ токоподводящего наконечника при сварке плавящимся электродом.

 

В стандарте указано, что поверхность поставляемых проволок и прутков должна быть чистой от загрязнений и поверхностных де-фектов, которые могут негативно отразиться на сварке. Разрешает- « >1 любое состояние поверхности, если оно не отражается на про¬цессе сварки и свойствах металла шва.

Проволоки и электродные ленты поставляются намотанными на барабаны, бобины-катушки, бухты, каркасные барабаны и кар¬касные катушки в соответствии с размерами, приведенными в стан¬дарте. Катушки и бухты должны иметь стойкое идентификацион¬ное обозначение, установленное производителем для данного типа продукции. Таким же образом необходимо маркировать каждый присадочный пруток, используемый для сварки неплавящимся электродом и плазменно-дуговой сварки.

На упаковке должна содержаться следующая информация:

• название производителя или поставщика;

• торговая марка;

• обозначение в соответствии со стандартом;

• размеры согласно требованиям ДСТУ 1БО 544;

• номер плавки или партии;

• род тока или полярность, если это необходимо;

• количество мест упаковки и номинальный вес-нетто;

• инструкция в отношении просушивания или другие рекоменда¬ции, если это необходимо;

• сертификат, подтверждающий соответствие, если он есть;

• указания в отношении охраны здоровья и безопасности, если это необходимо.

Материалы должны быть упакованы производителем таким обра-зом, чтобы в процессе перевозки и хранения в сухом помещении обес-печить им достаточную защиту от повреждений и ухудшения свойств.

3.3.5. Порошковые проволоки для сварки

Порошковая проволока состоит из металлической оболочки и порошкового наполнителя — сердечника. Соотношение массовых долей сердечника и оболочки оценивается коэффициентом запол-нения. Порошковые проволоки позволяют в широких пределах варьировать их состав и свойства, поэтому их используют при раз-личных способах сварки. Оболочкой порошковой проволоки мо¬жет служить низкоуглеродистая сталь, легированная хромоникеле¬вая сталь или другие металлы, обладающие достаточной пластич¬ностью при холодной деформации.

Порошковые проволоки изготавливают из трубчатой заготовки (бесшовные) или холоднокатаных лент. В зависимости от конст рукции массовая доля наполнителя в проволоке колеблется от 5 До 50%. Более высоким коэффициентом заполнения характеризуются наплавочные проволоки. Диаметр порошковых проволок колеблет* ся от 0,8 до 3,2 мм. Сердечник проволоки представляет собой меха¬ническую смесь или агломерированный флюс. Смесь включает по¬рошки металлов и сплавов, а также шлакообразующие, газообразу¬ющие материалы, стабилизаторы дуги и специальные добавки. По¬рошковые проволоки могут использоваться как газозащитные при сварке в защитных газах и как самозащитные без дополнительной защиты зоны горения дуги в монтажных и особых условиях. Не¬которые марки порошковых проволок для сварки углеродистых и легированных сталей приведены в табл. 3.45 и 3.46.

Основные требования к свойствам порошковых проволок (сва-рочно-технологические, санитарно-гигиенические, а также свойст¬ва металла шва или сварного соединения) сформулированы в национальных и международных стандартах ГОСТ 26271—91, А\¥8/8РА А5.20 и А5.29, ЕК 758 и др.

Порошковые проволоки поставляют намотанными на пластико¬вые или металлические каркасные шпули, а также в формованных мотках. Возможна поставка проволоки в мотках без рядной намот¬ки. Упаковка проволоки должна исключать ее прямой контакт с атмосферой и попадание влаги. Некоторые порошковые проволоки перед сваркой необходимо термически обработать. Требования и параметры термообработки (температура и длительность) указыва¬ются в сопроводительных документах на проволоку и ТУ.

3.3.6. Порошковые проволоки для наплавки

ГОСТ 26101-84 регламентирует классификацию, сортамент и технические требования на порошковые проволоки для механизи-рованной наплавки поверхностей с особыми свойствами. В рамках требований ГОСТа порошковая проволока классифицируется для наплавки под флюсом (Ф); наплавки в защитных газах (Г); наплав¬ки без дополнительной защиты — самозащитные (С); для наплавки под флюсом, в среде защитных газов и без дополнительной защи¬ты — универсальную (У).

В соответствии с химическим составом наплавленного металла ГОСТ 26101-84 предусматривает изготовление 23 марок наплавоч¬ных порошковых проволок (табл. 3.47).

Стандарт регламентирует изготовление проволок 11 диаметров. Конструкция проволок может быть трех видов: трубчатая стыковая (Т), трубчатая с нахлестом кромки (Н), двухслойная (Д).

Структура условного обозначения наплавочных порошковых проволок включает марку, вид конструкции проволоки, способ наплавки, диаметр (мм), стандарт.

Пример: условное обозначение наплавочной порошковой про¬волоки марки ПП-Нп-30Х5Г2СМ, трубчатой стыковой конструк¬ции (Т), самозащитной (С), диаметром 2,6 мм следующее:

ПП-Нп-30Х5Г2СМ-Т-С-2,6 ГОСТ 26101-84.

Кроме порошковых проволок, которые регламентированы ГОСТ 26101-84, проволоки выпускают и по ТУ. Перед началом на¬плавки порошковую проволоку прокаливают 2 часа при температу¬ре, указанной на ее упаковке (обычно 250-280 °С).

3.3.7. Прутки для наплавки

Для наплавки слоев металла с особыми свойствами используют литые присадочные прутки из высокохромистого чугуна по ГОСТ 21449-75 (ПР-С1, ПР-С2, ПР-С27) и специальных сплавов на основе кобальта (ПР-ВЗК, ПР-ВЗК-Р), зерновой трубчатый и ленточный релит (Релит-3, Релит-ТЗ, Релит-ЛЗ) на основе карбида вольфрама (табл. 3.48).

Литые присадочные прутки диаметром 4-8 мм применяются для наплавки поверхностей ацетилено-кислородным пламенем или

с использованием технологии ТИГ. Трубчато-зерновой релит при¬меняют для газовой, а ленточный релит — для газовой и плазмеи-

ним иаплавки. Длина трубок 380-390 мм, диаметр 4-7 мм. Ширина мгнты в ленточном релите 5-9 мм, толщина 2,5-4,0 мм.

3.3.8. Неплавящиеся электроды для технологии сварки ТИГ

Для сварки ТИГ используют вольфрамовые электроды, выпус-каемые согласно ГОСТ 23949-80 из чистого вольфрама, а также из иольфрама с активирующими присадками (диоксид тория, оксиды лантана и иттрия). Основные марки электродов в зависимости от их химического состава представлены в табл. 3.49.

Цветная маркировка наносится на торец электрода в виде поло¬сы или точек. Введение в вольфрам присадок с меньшей работой мм хода электронов усиливает их эмиссию с поверхности катода. Например, плотность тока, эмитируемого с поверхности катода из горированного вольфрама при температуре 2867 °С, примерно та¬кая же, как и у катода из чистого вольфрама при температуре 3727 °С. Использование электродов с активирующими присадками позволяет значительно увеличить допустимый сварочный ток и по- иысить их работоспособность. Так, вследствие меньшего испарения п других причин наименьший расход неплавящихся вольфрамовых электродов, который наблюдается при легировании их иттрием, со¬ставляет 0,04-0,09 г/м. Менее стойки электроды, легированные лантаном, а далее идут вольфрамовые электроды, легированные то¬рием, которые на территории бывшего СССР использовались огра¬ниченно в связи с его радиоактивностью. Все работы с применени¬ем вольфрамовых электродов марок ЭВТ-15 и ЭВТ-20 должны вы¬полняться в соответствии с «Санитарными правилами по примене¬нию торированных электродов при сварочных работах». Неплавя-

щиеся электроды, изготовленные из чистого вольфрама, наименее стойкие, их расход превышает 0,4-0,5 г/м.

Основные марки электродов, выпускаемых в соответствие с ев-ропейскими стандартами для сварки ТИГ, которые в последнее время поступают на рынок Украины, приведены в табл. 3.50.

Вольфрамовые электроды, легированные торием, \¥Т-20, и ит-трием, \VY-20 более стойки при сварке постоянным током. Они обеспечивают легкую зажигаемость дуги и высокую ее стабиль¬ность при сварке. Электроды марок \VT-30 и \VT-40 применять не рекомендуется из-за негативного воздействия тория на организм человека и окружающую среду. Вольфрамовые электроды, легиро-ванные церием, \VC-20 предназначены для сварки на постоянном токе. Они обеспечивают хорошую зажигаемость дуги и выдержива¬ют высокую токовую нагрузку. Электроды, легированные ланта¬ном, \VL-20 и \VL-15 используют, как правило, для сварки пере¬менным и постоянным током высоколегированных сталей и цвет¬ных металлов. Они обеспечивают хорошую зажигаемость дуги и выдерживают высокую токовую нагрузку. Электроды из чистого вольфрама \УЫ используются для сварки на переменном токе цвет¬ных металлов. Зажигаемость дуги затруднена. Вольфрамовые элек¬троды, легированные диоксидом циркония, \VZ-8 рекомендованы для сварки переменным током цветных металлов. Зажигаемость и устойчивость горения дуги выше, чем у чистого вольфрама.

Заметим, что диаметр электродов (табл. 3.51) рекомендуется выбирать в зависимости от силы сварочного тока и состава защит¬ного газа. 

Конец электрода при сварке на постоянном токе затачивают под углом 60° на участке длиной, равной 2-3 диаметрам электрода, или в виде четырехгранной пирамиды. При сварке на переменном токе концу электрода придают форму полусферы (рис. 3.2). Воспроиз- иодимость геометрических размеров и формы конца электрода, ко-торая достигается шлифованием конца электрода, является обяза-тельным условием обеспечения качественной сварки. Наиболее эффективно механизированное шлифование (специализированные заточные станки). Заточка вольфрамовых электродов выполняется только при наличии вытяжной вентиляции у станка. В первую оче-редь это относится к электродам, легированным торием. Вольфра-мовая пыль чрезвычайно вредна. Установлено, что протекание сва-рочного тока в основном происходит по поверхностному слою эле-ктрода и зависит от высоты не¬ровностей и расположения ри¬сок, остающихся после его меха¬нической обработки. Поэтому шлифование конца электрода необходимо выполнять строго перпендикулярно оси электрода, а высота рисок, остающихся по¬сле механической обработки, должна быть минимальной. Для заточки электродов необходимо применять карборундовые или алмазные круги. 

Рис. 3.2. Схемы заточки вольф-рамовых электродов при сварке на постоянном (а) и перемен¬ном (б) токе

На продолжительность работы электрода также влияет состо- миие его наружной поверхности. Большей стойкостью обладают имктроды со шлифованной поверхностью, так как имеют лучший контакт с цангой держателя.

Для выполнения сварки и строжки на ряде производств исполь¬зуют электроды, изготовленные из углеродистых веществ. Элект¬роды из углеродистых веществ разделяются на две группы: графи¬тные и угольные. Сопротивление графитовых электродов пример¬но в 4 раза меньше, чем угольных, по этой причине плотность тока при использовании графитовых электродов может быть в 2-3 раза иыше. Угольные электроды изготавливают из смеси кокса, камен¬ноугольной смолы, сажи и электродного боя диаметром 3, 6, 10 и 12 мм длиной 250 и 500 мм с омедненной поверхностью. Графито- ные электроды получают из угольных путем дополнительной высо¬котемпературной обработки — графитизации (длительная выдерж¬ка при температуре 2500-2600 °С). Графитовые электроды по химическому составу близки к чистому углероду.

33.9. Проволоки для сварки цветных металлов

Для сварки меди и ее сплавов применяют проволоки и прутки, химический состав которых приведен в табл. 352 и 353.

Для сварки алюминия с использованием технологий ТИГ и МИГ применяют тянутую и прессованную проволоку по ГОСТ 7871-75. Проволоку из сплава СвАКЮ изготавливают толь¬ко прессованной. Химический состав наиболее часто используемых проволок для сварки алюминия приведен в табл. 354.

В настоящее время для сварки новых сплавов алюминия, в со¬став которых введен скандий, по ТУ выпускаются проволоки сплошного сечения AMr5Sc, AMr63Sc, 1201Sc и др.

На поверхность проволок может быть нанесена консервиру¬ющая смазка. Проволоку следует хранить и транспортировать в условиях, предотвращающих нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.

При использовании технологий сварки ТИГ и МИГ алюминия и его сплавов пользователю предлагаются проволоки и прутки, хи¬мический состав и механические свойства которых регламентиро¬ваны стандартами AWS А5.10 и DIN 1732. Как правило, проволока поступает намотанная на кассеты массой 7 кг диаметром 0,8, 1,0, 1,2, 1,6 мм. Присадочные прутки поставляются в упаковках по 5 и 10 кг длиной 1 м и диаметр 1,6, 2,0, 2,4, 3,2, 4,0 и 5,0 мм. На прутке выбита марка сплава в виде номера по стандарту AWS А5.10 или DIN 1732. Основные марки проволок и присадочных прутков для технологий сварки ТИГ и МИГ, а также их химический состав представлены в табл. 355.

3.4. Подготовка основного металла под сборку, сварку и наплавку

Точность подготовки деталей к сварке, их чистота и качество сборки существенно влияют на несущую способность сварной кон-струкции. Недостаточно тщательная подготовка под сборку и свар¬ку может привести к резкому увеличению вероятности образова¬ния дефектов как в сварных соединениях, так и в конструкции н целом. Исправление дефектов не всегда приводит к полному вос¬становлению заданных показателей сварного соединения и являет¬ся трудоемкой и технически сложной операцией. Значительно лег¬че устранить дефекты, возникшие при заготовительных операциях и сборке, до проведения операций по сварке.

Для получения заготовки, которая поступает на сборку, необхо¬димо выполнить ряд операций. Прокат, предназначенный для изго¬товления деталей, подвергают правке и зачистке с целью устране¬ния загрязнений и неровностей, образовавшихся при прокатке, транспортировке и хранении металла. Правка листового материала осуществляется с помощью правильных станов, прессов и другого оборудования.

Стальной прокат, не склонный к закалке и применяемый для со-здания неответственных металлоконструкций, очищают путем быс-трого нагрева поверхностного слоя окислительным ацетилено-кис- лородным пламенем. При этом окалина окисляется, ржавчина обез-воживается, а краска сгорает. Отслаивание окалины и других за-грязнений основано на разности коэффициентов линейного расши-рения с основным металлом. Нагрев поверхностей осуществляется много пламенной горелкой. Угол наклона горелки к обрабатываемой поверхности составляет 40-60°. Наибольшая скорость очистки до-стигается при удалении рыхлого слоя ржавчины, наименьшая — краски или лака, которые не отслаиваются, а обугливаются или сго-рают. В зависимости от толщины слоя загрязнений зачистку осуще-ствляют в два-три прохода. После каждого прохода зачищаемый слой полностью охлаждается, затем оксиды и краску удаляют ме-таллической щеткой. Производительность очистки поверхности под сварку в зависимости от ее состояния может достигать 20 м2/ч.

Подготовка поверхности металла, используемого для создания ответственных металлоконструкций, в зависимости от условий и объема производства осуществляют дробе- или пескоструйным способами или травлением и пассивированием листов.

Удаление различных загрязнений или дефектов (трещин, сле- /к»и износа, остатков ранее наплавленных слоев и др.) осуществля- п си с использованием поверхностной строжки кислородом, а так* •м’ путем выплавления металла дугой (покрытым электродом или цшлавящимся угольным электродом) или воздушно-дуговой ггрожкой с последующей зачисткой полученных поверхностей и^разивным инструментом на глубину 1-2 мм.

Специализированные электроды для резки марок АНР-2М, АИР-ЗМ, ОЗР-1, ОЗР-2 или их аналоги обеспечивают при своем горении дугу стабильно высокой тепловой мощности, т. е. позволя¬ют применять повышенную силу тока и напряжение на дуге. Сила гока дуги при использовании электрода диаметром 3 мм составляет 110-170 А, диаметром 4 мм — 180-300 А, диаметром 5 мм — 220-320 А. Они предназначены для резки, строжки, прошивки от¬верстий в изделиях из сталей (включая коррозионно-стойкие), чу¬гуна и цветных металлов. Их также рационально применять для удаления дефектных швов или их участков, прихваток, заклепок, болтов, разделки трещин и т. п. Эти операции можно выполнять во всех пространственных положениях током А.с.- и а.с. Для резки и ирошивки отверстий применяют ток с1.с.+. При строгании покры¬тыми электродами создается сильный газовый поток, который вы¬дувает расплавленный металл из зоны резки. Дуга зажигается при перпендикулярном расположении электрода к изделию. Потом илектрод наклоняют под углом 5-10° к поверхности, опирают на обрабатываемую деталь и совершают возвратно-поступательные пилообразные движения. Если требуется глубокая канавка, проце¬дуру повторяют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая глубина. Получаемые при строжке канавки имеют и-образную форму, поэтому сварка и наплавка могут осуществляться без до¬полнительных подготовительных операций. Образующаяся после строжки поверхность в зависимости от металла может обрабатыва¬ться или не обрабатываться абразивным инструментом.

Использование специализированных электродов обеспечивает производительность выше, чем при механических методах удале¬ния дефектного металла (вырубке, шлифовании). Чистая поверх¬ность реза обеспечивается за счет наличия в покрытии оксидов, предотвращающих прилипание к ней частиц расплавленного ме¬талла. При использовании специализированных электродов, не имеющих в своем составе углеродсодержащих компонентов, отсут¬ствует науглероживание кромок реза.

Технологический процесс воздушно-дуговой резки основан на расплавлении металла теплотой дуги, горящей между угольным или графитовым электродом и изделием и выдувании расплавлен¬ного металла струей сжатого воздуха. Для резки и строжки исполь¬зуются специальные резаки, обеспечивающие фиксацию электрода, подвод к нему электрического тока и подачу в зону реза струи сжа¬того воздуха под давлением 0,4-0,6 МПа. Производительность рез¬ки пропорциональна силе тока. При использовании графитовых электродов диаметром 6 мм сила тока дуги (с!.с.- или а.с.) — 120-250; диаметром 8 мм — 160-320; диаметром 10 мм — 250-400 А. Технологический процесс воздушно-дуговой резки ис¬пользуется в единичном и серийном производстве, как для резки, так и для строжки. Он значительно более эффективен, чем резка и строжка покрытым металлическим электродом.

Подготовка изделий под наплавку осуществляется с целью уда-ления дефектных участков, трещин, следов износа, остатков ранее наплавленных слоев и др. Удаление металла осуществляется с помощью огневых методов (см. выше), а также с помощью меха-нической обработки режущим инструментом или шлифованием. Для обработки резанием поверхностей с твердостью 40-60 НЫС,,, как до, так и после наплавки, применяют режущий инструмент, оснащенный поликристаллическим сверхтвердым материалом (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора. Стойкость резцов из ПСМТ примерно в 20 раз выше, чем резцов, оснащенных сплавом типа Т15К6.

Для шлифования поверхностей, имеющих твердость до 40 ЬШСЭ, используют круги из электрокорунда. Круги из карбида кремния применяют для обработки износостойких поверхностей с твердостью 40-60 1ШСЭ. Более высокую производительность и ка¬чество обработки обеспечивают круги с алмазным рабочим слоем.

В единичном и мелкосерийном производстве разметку металла выполняют путем перенесения размеров заготовки с чертежа на металл, кернения металла по линии реза и маркировки детали. Об¬резку деталей производят на гильотинных ножницах, машинах кислородной резки или ручными резаками.

В серийном и крупносерийном производстве вырезку деталей под сварку осуществляют на специализированных машинах с чис¬ловым программным управлением, оснащенных резаками для кис¬лородной, плазменной, лазерной или водоабразивной резки. Ма¬шины обеспечивают также маркировку деталей.

 

Рис. 3.3. Основные конструктивные элементы, характеризующие фор¬муразделки кромок и их сборку под сварку: зазор — Ь, притупление — с, уголскоса кромок — [3, угол разделки кромок — а, равный (3 или 2(3

  Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента (рис. 3.3): зазор Ь, при-тупление с, угол скоса кромок (3 и угол разделки кромок а, равный |3 или 2(3. Основное назначение притупления с, обычно составляю¬щее 2±1 мм, — обеспечение правильного формирования и предот¬вращение прожогов в вершине шва. Обычно зазор Ь, равный 1,5-2,0 мм, необходим для провара вершины шва, однако при ис¬пользовании той или другой технологии он может быть равен нулю или достигать 8-10 мм и более.

Существующие способы дуговой сварки без разделки кромок позволяют сваривать металл ограниченной толщины. Так, при ис-пользовании технологии ТИГ за один проход рационально сварить металл толщиной до 3 мм, а при механизированном процессе свар¬ки МАГ за один проход — металл толщиной до 6 (8) мм. Поэтому при сварке металла большей толщины необходимо разделывать кромки. Угол скоса кромки обеспечивает определенный размер разделки кромок, что необходимо для доступа дуги вглубь соедине¬ния и полного проплавления кромок на всю их толщину.

Стандартный угол разделки кромок в зависимости от способа сварки и типа соединения изменяется в пределах от 60±5 до 20±5°. В зависимости от типа и значения угла разделки кромок (рис. 3.4) определяют количество необходимого дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. Применение разделки с симметричным скосом одной или двух

 

кромок (К- и Х-образные разделки) вместо разделок с обычным скосом кромок (У-образные разделки) способствует снижению массы наплавляемого металла на 30-60% в зависимости от толщи¬ны свариваемого металла. Кроме того, это также снижает уровень угловых деформаций в металлоконструкциях.

Для получения качественного сварного шва необходим полный провар кромок соединяемых элементов и внешняя форма шва как с лицевой стороны (усиление шва), так и с обратной стороны, т. е. форма так называемого обратного валика. В стыковых, особенно односторонних, швах трудно обеспечить провар кромки на всю толщину без специальных приемов, предупреждающих прожог и обеспечивающих хорошее формирование обратного валика.

Особенно важно получить плавный переход металла лицевого и обратного валика к основному металлу, так как от этого зависит прочность и работоспособность соединения при воздействии дина-мических нагрузок. В угловых швах также бывает трудно прова¬рить корень шва на всю его толщину, особенно при сварке наклон¬ным электродом. Для этих типов швов рекомендована вогнутая форма поперечного сечения шва с плавным переходом к основному металлу, что снижает концентрацию напряжений в месте перехода и повышает прочность соединений при динамических нагрузках.

Необходимую форму кромкам, подлежащим сварке, придают в соответствии с требованиями ГОСТ 5264-80, ГОСТ 16037-80 и ГОСТ 11534-80. Основные типы и конструктивные элементы швов сварных соединений, регламентированные ГОСТ 14771-76, приведены в табл. 3.56.

При выборе типа и формы разделки кромок учитывают положе¬ние шва в пространстве, толщину свариваемого металла и другие факторы. Правильный их выбор должен перевести выполнение швов в положение, наиболее благоприятное для проведения сва-

рочных работ, т. е. нижнее. Пространственные положения швов при сварке показаны на рис. 3.5. Заданную форму разделки получа¬ют обрезкой на ножницах, строганием, а также газовой резкой. Для удаления наклепанного металла, образовавшегося по кромкам при резе на ножницах, устранения неровностей, характерных для газо¬вой резки, а также удаления слоя металла после воздушно-плаз- менной резки кромки подвергают механической обработке на кромкострогальных станках или с помощью абразивного инстру¬мента. Последующая механическая обработка кромок при качест¬венной газовой резке большинства сталей не требуется.

Перед сборкой полученные заготовки очищают от ржавчины, масла и других загрязнений (ширина зоны очистки не менее 20 мм от наружной кромки разделки с каждой из сторон), которые могут привести к образованию пор и других дефектов. Особое внимание уделяют зачистке торцов соединяемых элементов. С поверхностей свариваемых деталей удаляется грязь и лед даже в том случае, если загрязнение располагается вне зоны сварки. Это необходимо для того, чтобы при транспортировке и кантовке загрязнение не попало в место расположения будущего шва. Зачистка собранного узла, как правило, не приносит требуемого результата, а иногда даже вредна в связи с тем, что продукты обработки металла и абразив,

попадая в зазор, задерживаются там. Непосредственно перед свар* кой продувают места сварки сухим сжатым воздухом или прожига¬ют газовым пламенем. В этом случае из зоны сварки удаляются по¬ил нише в зазор уже после сборки влага и грязь.

Сборка металлоконструкции (установление и фиксация деталей м предусмотренном проектом положении), являющаяся трудоем¬кой операцией, должна обеспечивать возможность качественной сварки конструкции. Для этого необходимо выдержать заданный зазор между соединяемыми деталями, установить детали в проект¬ное положение и закрепить прихваточными швами (прихватками) так, чтобы взаиморасположение деталей не нарушалось в процессе сварки и кантовки. Размер зазора при сборке под сварку зависит не только от толщины свариваемого металла и формы разделки, но и от технологического процесса, который будет использован для со¬здания металлоконструкции. Так, при сварке в среде углекислого газа и стандартных смесях на основе аргона размер зазора при сборке под сварку не должен превышать диаметра применяемой сварочной проволоки, сечение шва прихваток — 1/3 сечения шва, максимальное сечение — 25-30 мм2, длина — 20-120 мм, расстоя¬ние между прихватками — 250-700 мм. В ряде случаев прихватки заменяют сплошным швом небольшого сечения (беглым швом), который снижает вероятность нарушения взаимного расположения деталей в процессе сварки вследствие растрескивания прихваток. Прихватки и беглый шов рекомендовано выполнять с обратной стороны первого шва или слоя. Беглый шов, кроме скрепления де¬талей, способствует удержанию металла сварочной ванны в зазоре. В ряде случаев прихватки и беглый шов удаляют после наложении рабочего шва. При сварке на режимах, обеспечивающих достаточ¬ное проплавление основного металла, удаление прихваток и подва- рочного шва нерационально. Прихватки и беглый шов выполняют с использованием того же технологического процесса, который бу¬дет использован для создания металлоконструкции, либо вручную покрытыми электродами, марка которых зависит от состава свари¬ваемого металла. Выполнение прихваточных швов при использова-нии технологий МИГ/МАГ и ТИГ должно производиться в закры¬тых помещениях, защищающих место сварки от ветра и атмосфер¬ных осадков. После выполнения прихваточных швов они должны быть тщательно очищены от шлака и брызг расплавленного металла.

Для скрепления деталей перед сваркой и в процессе сварки при-меняют специальные планки-гребенки, удаляемые по мере форми¬

рования шва. Для закрепления деталей также применяют струбци¬ны, клинья, стяжные уголки и другие механические приспособлю ния (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сборочные приспособления для сборки под сварку элементов конструкций: а, б — клинового типа; в — сборочная планка с клинь¬ями; г, д — струбцины; е — прижимная вага; ж — скоба с рычагом; з — скоба с клином; и — стяжной болт с приваренными уголками; к, л, м — фиксирующая планка и скобы; н, о — распорный и стяжной винты

 

Рис. 3.7.

Планки ()ля вывода начала и конца шва за пределы изделия

По концам детали устанавливают специальные планки для вы¬вода начала и конца шва за ее пределы (рис.3.7)} которые также служат для скрепления деталей.

При сборке конструкций допускается превышение кромок одного из элементов стыкового соединения над другим, если оно не оговорено в чертеже: для толщины до 4 мм — не более 0,2 толщины элемента, для толщины свыше 4 мм — не более 0,15 толщины, но не более 1,5 мм. При разнице в толщине свариваемых деталей мест¬ные превышения кромок определяются по меньшей толщине.

Сварка алюминия с помощью технологий РДС, ТИГ и МИГ требует особо тщательной подготовки поверхности свариваемых кромок и прилегающих к ним зон шириной 25-30 мм. Под воздей¬ствием влажной атмосферы на поверхности алюминия образуется плотная пленка толщиной 80-100 нм переменного состава. На го¬рячекатаном алюминии толщина пленки может достигать 200 нм. Она защищает материал от дальнейшего окисления и сохраняет его работоспособность на воздухе и в других средах. При сварке плен¬ка оксидов препятствует сплавлению сварочной ванны с основным металлом и, оставаясь в шве, образует в нем неметаллические включения. Подготовка алюминиевых конструкций к сварке вклю¬чает обезжиривание свариваемых кромок и прилегающей к ним зоны ацетоном, уайт-спиритом, бензином или четыреххлористым углеродом. После обезжиривания производится удаление поверх¬ностной пленки алюминия механическим способом (шабером или стальной проволочной щеткой, изготовленной из нагартованной проволоки диаметром не более 0,3 мм марки 12Х18Н10Т или лю¬бой другой кислотостойкой стали). Следует знать, что создающая¬ся при механической зачистке ювенильная поверхность металла сразу же вновь покрывается пленкой оксидов, толщина которой постоянно увеличивается. 

В серийном производстве пленка оксидов алюминия удаляется химическим травлением. Химическую подготовку осуществляют м водном растворе едкого натра ЫаОН (50 г/л) при температуре* 50-60 °С в течение 3-5 мин с последующей промывкой в теплой (более 50 °С), а затем в холодной воде. Затем детали пассивируют н 10% растворе азотной кислоты при температуре 50-60 °С в течение 2-3 мин. Возможно травление в растворе, содержащем едкий натр (8-12), кальцинированную соду (40-50) и тринатрийфосфат (40-50 г/л). Детали и проволока травятся 5-20 мин в растворе с температурой 60-70 °С с последующей промывкой их в горячей, а затем в холодной воде. Затем производится осветление поверхно¬сти в растворе хромового ангидрида (100 г/л) и серной кислоты плотностью 1,84 г/см3 при температуре 15-25 °С до полного ис¬чезновения темного налета. После осветления детали промываются в горячей и холодной проточной воде и сушатся сжатым теплым воздухом.

В результате химической подготовки на поверхности деталей и проволоки создается относительно тонкая гидроксидная пленка, которая непрерывно утолщается. Она удаляется в процессе сварки. Поэтому устанавливают предельные сроки сохранности деталей до сварки. Детали и проволока хранятся на воздухе и пригодны для дуговой сварки в инертных газах в течение 12-16 ч, а герметизи-рованная проволока (в целлофановых пакетах) — 36 ч. На неко¬торых специализированных предприятиях регламентация хране¬ния деталей и проволоки в отношении пригодности для сварки более жесткая.

Основные типы соединений, применяемые при сварке алюми¬ния и его сплавов, регламентированы ГОСТ 14809-80. Наиболее востребованными являются стыковые соединения. При разделке кромок угол их раскрытия целесообразно ограничивать с целью уменьшения объема наплавленного металла, а, следовательно, и вероятности образования дефектов.

Г.!ава 4. Технологии сварки металлов покрытым электродом, ТИГ и МИГ/МАГ

4.1. Выбор и подготовка электродов к сварке

Покрытые электроды, используемые при создании и ремонте большинства металлоконструкций, как у нас, так и за рубежом, яв-ляются наиболее востребованным видом сварочных материалов. Эксплуатационная надежность сварной конструкции, создаваемой с помощью покрытых электродов, в первую очередь определяется качеством электродов, правильностью их выбора и соблюдением технологии сварки.

Каждая марка электрода обладает определенным, только ей свойственным комплексом металлургических и сварочно-техноло-гических свойств, что позволяет специалисту качественно выпол¬нить поставленную задачу применительно к конкретному изделию.

4.1.1. Выбор электродов по типам покрытия

Для получения необходимых эксплуатационных свойств созда-ваемых или ремонтируемых с помощью сварки металлоконструк¬ций необходимо подобрать электроды, которые бы обеспечили до-статочный уровень прочностных свойств и коррозионной стойкос¬ти соединений:

• металл шва с требуемой физической сплошностью (металл не должен иметь пор и шлаковых включений или их размеры и ко-личество должны быть минимальны на единицу длины шва);

• сварные швы без горячих и холодных трещин;

• достаточную эксплуатационную прочность и пластичность ме¬талла шва, которая бы сочеталась с аналогичными показателями основного металла;

205

 

• комплекс специфических свойств металла шва (коррозионной стойкости, жаропрочности, жаростойкости и др.), необходимый при создании металлоконструкций из специальных марок сталей;

• достаточную технологичность электродов, т. е. возможность сварки переменным и постоянным током, пригодность для свар¬ки в любых пространственных положениях и др.;

• обеспечение минимального уровня выделения вредных веществ в процессе сварки.

Каждая марка электрода имеет комплекс свойств, обеспечиваю-щих перечисленные выше требования, которые достигаются с по-мощью соответствующего электродного стержня и компонентов электродных покрытий, которыми могут быть руды и минералы, металлы и ферросплавы, химические и органические соединения. Каждый компонент покрытия выполняет одну или несколько функций как в процессе изготовления электрода, так и в процессе сварки. Выбор состава покрытия и разработка электродов являют¬ся сложной инженерной задачей.

Покрытие при своем плавлении обеспечивает защиту металла от взаимодействия с вредными составляющими атмосферы (азо¬том, кислородом, водородом). Надежность защиты обусловлена составом, типом и массой покрытия.

При плавлении электрода образуются шлаки, представляющие собой расплавы неметаллических соединений — оксидов, сульфи¬дов, галоидов и других соединений. Шлаки нерастворимы в рас¬плавленном металле. Их химическое взаимодействие с металлом зависит от соотношения в шлаке кислых, основных и амфотерных оксидов. Наиболее распространенными кислыми оксидами явля¬ются Si02, Ti02, Р2О5 и др., основными — CaO, MnO, FeO, Na20, К20, амфотерными — А1203, В203.

В зависимости от состава (соотношения кислых, основных и амфотерных оксидов) шлаки условно подразделяются на кислые и основные.

Электроды с кислым покрытием (А по ГОСТ 9466-75). Основу покрытий, образующих кислые шлаки, составляют руды, содержа¬щие в основном оксиды железа (гематит) и марганца (марганцевая руда), а также алюмосиликаты (полевой шпат, гранит и др.). Окис¬лительный характер кислого покрытия реализуется в результате вы¬деления в зоне горения дуги свободного кислорода при плавлении из руд. При этом происходит интенсивное выгорание легирующих компонентов из металла шва и насыщение его кислородом. В каче   с I ие газообразующих составляющих в такие покрытия вводят орга-нические вещества (крахмал, декстрин, целлюлозу и др.), которые мри диссоциации в дуге образуют защитный газ — оксид углерода. Мри диссоциации органических веществ образуется также водород, который насыщает металл шва, способствуя образованию пор и тре-щин в сварном соединении. Для электродов с этим типом покрытия недопустима высокотемпературная прокалка, так как это приводит к выгоранию органических составляющих и, как следствие, образова-нию пор. Электроды с кислым покрытием не применяют для сварки сталей, содержащих более 0,3% углерода. Поскольку эти электроды имеют низкую десульфирующую способность, они не применяются для сварки сталей с повышенным содержанием серы. Состав метал¬ла, образующегося при плавлении таких электродов, по химическо¬му составу соответствует, как правило, кипящей стали. Значения ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах до-вольно низкие. Металл шва склонен к «механическому старению».

К недостаткам электродов с кислым типом покрытия следует отнести также повышенное разбрызгивание и высокую токсич¬ность вследствие выделения при сварке большого количества аэро¬золя, содержащего значительное количество марганца.

Наряду с перечисленными выше недостатками электроды с кис-лым покрытием обладают высокой стойкостью к образованию пор при сварке металла, покрытого ржавчиной и окалиной, высокой стой-костью к образованию пор при сварке длинной дугой и на форсиро-ванных режимах, высокой стабильностью дугового процесса при свар-ке на переменном токе и легким возбуждением дуги при относитель¬но низком напряжении холостого хода трансформатора (50-65В).

Область применения электродов с кислым покрытием ограни¬чена сваркой конструкций из низкоуглеродистых сталей. По меха¬ническим свойствам наплавленного металла электроды с кислым покрытием, нанесенным на стержень из проволоки Св-08 и Св-08А, относятся, как правило, к типу Э42 по ГОСТ 9467-75.

Электроды с рутиловым покрытием (Р по ГОСТ 9466-75). Основа шлаковой системы рутиловых электродов — минерал рутил, состоящий в основном из диоксида титана (ТЮ2). Кроме того, в их состав вводят алюмосиликаты (полевой шпат, каолин и др.) и карбонаты (мрамор, магнезит и др.).

Газовая защита зоны горения дуги от взаимодействия с атмо-сферой в электродах с рутиловым покрытием обеспечивается за счет введения карбонатов.

Основными окислителями в электродах этого типа являются у г лекислый газ и пары воды. Электроды с этим покрытием требуют просушки перед выполнением сварочных работ. Так как электроды с рутиловым покрытием имеют более низкий окислительный по¬тенциал, чем электроды с кислым типом покрытия, наплавленный этими электродами металл можно отнести к полуспокойной или спокойной стали.

Эти электроды не склонны к образованию пор при сварке ме¬талла, имеющего на поверхности окалину и ржавчину, и не чувст¬вительны к изменениям длины дуги. Поры в швах образуются при сварке на повышенных режимах тока и сварке тавровых соедине¬ний с большим зазором. Они не склонны к «стартовой» пористости (образованию пор в кратере), стойкость к образованию горячих трещин в металле шва у этих электродов достаточно высокая.

Электроды этого вида обладают высокими сварочно-технологи-ческими свойствами. Они обеспечивают хорошую стабильность го-рения дуги на переменном и постоянном токе, имеют низкий коэф-фициент разбрызгивания металла, обладают легкой отделимостью шлаковой корки, а также хорошо формируют швы при сварке во всех дгространственных положениях. Формируемые швы имеют плавный переход к основному металлу.

Производительность и возможность сварки в различных прост-ранственных положениях зависит от толщины покрытия и содер-жания э нем железного порошка. При содержании в покрытии до 20% железного порошка сварка обеспечивается в любых простран¬ственных положениях, а коэффициент наплавки колеблется от 8 до 10 г/(А-ч).

Электроды с рутиловым покрытием применяются для сварки металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей в строительстве и машиностроении. Так как они имеют бо¬лее высокие сварочно-технологические и гигиенические свойства, чем электроды с кислым покрытием, они нашли широкое примене¬ние в промышленности. Внедрение электродов с рутиловым по¬крытием позволило полностью отказаться от электродов с кислым покрытием.

Электроды с рутиловым покрытием не следует применять для сварки конструкций, работающих при высоких температурах. По механическим свойствам металл швов, выполненных электродами с рутиловым покрытием, которое нанесено на проволоки Св-08 и Св-08А, относят к типам Э42 и Э46 по ГОСТ 9464-75.

208

 

Электроды с ильменитовым покрытием (АР по ГОСТ 9466-75).

Основа шлаковой системы электродов с ильменитовым покрыти¬ем минерал ильменит, содержащий оксиды титана и оксиды же- >мм;|. Кроме того, в покрытие этих электродов может входить мар- I инцевая руда, полевой шпат, каолин и др. Наличие в составе ильме-нита большого количества оксидов железа подразумевает их высо¬кий окислительный потенциал. По этому показателю они занимают промежуточное место между кислыми и рутиловыми покрытиями.

Окислительная способность покрытия находится в прямой за- мисимости от месторождения ильменита. Так, покрытия электро- дон АНО-6 и АНО-6У содержат ильменит, в котором содержание оксидов железа составляет около 35%. В составе ильменита, добы¬того на других месторождениях, содержание оксидов железа может достигать 50%.

В качестве газообразующих соединений в ильменитовые покры¬тия вводят карбонаты, а в качестве раскислителя — ферромарганец. Металл, наплавленный электродами с ильменитовым покрытием, которое нанесено на стержень из проволоки Св-08 или Св-08А, можно отнести к кипящей или полуспокойной стали (< 0,3% 81).

Область применения электродов с ильменитовым покрытием та же, что и электродов с рутиловым и кислым покрытием.

Электроды с целлюлозным покрытием (Ц по ГОСТ 9466-75). Основу целлюлозных покрытий составляют органические материа¬лы (20-50%), которые при нагреве образуют большое количество га¬за, защищающего расплавленный металл от взаимодействия с азо¬том и кислородом воздуха. В тонкое покрытие (коэффициент массы покрытия 15-25%) вводят небольшие количества шлакообразующих материалов (рутил, алюмосиликаты и др.). Поэтому при горении этих электродов образуется тонкая корка легко удаляемого шлака. Кроме СО и С02, в реакционной зоне присутствует большое количе¬ство водорода, который интенсивно насыщает расплавленный ме¬талл. Поэтому электроды с целлюлозным покрытием не следует ис-пользовать при сварке закаливающихся сталей из-за возможного об-разования холодных трещин. При сварке этими электродами наблю-дается интенсивное разбрызгивание расплавленного металла даже в случае использования постоянного тока обратной полярности. Цел-люлозные покрытия чувствительны к температуре сушки перед сваркой. Превышение температурного режима сушки приводит к выгоранию целлюлозы, что ухудшает газовую защиту металла при сварке. Температура сушки электродов этого вида — 100-120 °С.

209

 

Электроды с целлюлозным покрытием обеспечивают глубокое проплавление основного металла, что позволяет выполнять сварку корневых швов без пор и зашлаковки с гарантированным прова¬ром, даже при больших зазорах между свариваемыми кромками. Это особенно значимо при сварке трубопроводов в монтажных условиях, когда невозможно получить необходимый зазор в кор¬невой части шва.

Электроды с целлюлозным покрытием позволяют выполнять швы в любых пространственных положениях переменным и посто¬янным током. При нанесении целлюлозного покрытия на стержни из проволоки Св-08 и Св-08А металл шва соответствует полуспо- койной или спокойной стали (<0,3% 51). Механические свойства наплавленного металла соответствуют типам Э42-Э50 по ГОСТ 9467-75.

Электроды с основным покрытием (Б по ГОСТ 9466-75). Главной составляющей покрытия электродов основного типа явля-ются карбонаты кальция или магния (мрамор, магнезит и др.), а также плавиковый шпат. При диссоциации карбонатов образуется газовая фаза, состоящая из СО и С02, и шлаковая фаза с высокой основностью, содержащая оксиды кальция и магния. Металл шва, выполненный электродами с основным покрытием, имеет мини-мальное содержание водорода. Этому способствует также наличие в электродном покрытии фтористого кальция, связывающего водо¬род в термически стойкие соединения.

Низкое содержание водорода в металле швов при сварке электро-дами с основным покрытием позволяет использовать их при сварке закаливающихся сталей, склонных к образованию подваликовых трещин. Низкий окислительный потенциал газовой и шлаковой фаз обеспечивает высокий коэффициент перехода легирующих элемен¬тов из электродного стержня и покрытия в металл шва. Раскисление металла осуществляется кремнием, марганцем и титаном. Обработка расплавленного металла шлаком высокой основности способствует снижению содержания в металле шва кислорода, серы, фосфора и неметаллических включений. Это повышает стойкость швов про¬тив образования горячих трещин и позволяет выполнять много¬слойные швы на сталях с повышенным содержанием углерода и серы.

Сварка электродами с основным типом покрытия возможна в любых пространственных положениях.

К недостаткам электродов с основным покрытием можно отнес¬ти более низкую стабильность горения дуги по сравнению с други¬

210

 

ми типами покрытий. Поэтому для сварки электродами с основным покрытием применяется постоянный ток обратной полярности ((І.С.+). Для обеспечения возможности сварки электродами с основ¬ні,їм покрытием на переменном токе в его состав вводят соединения калия и натрия (К2С03 и др.) или в качестве связующего использу¬ют калиевое или калиево-натриевое жидкое стекло. При этом по¬крытие приобретает большую гигроскопичность, и перед сваркой электроды необходимо прокаливать 2 ч при температуре 350 °С.

Существенные проблемы при сварке электродами с основным покрытием возникают при удлинении дуги, что приводит к ухуд-шению защиты расплавленного металла от взаимодействия с газа¬ми атмосферы. Металл шва насыщается азотом и кислородом, и в шве образуются поры. Поэтому сварку электродами с основным покрытием необходимо выполнять только короткой дугой.

При нанесении основного покрытия на стержни из проволоки Св-08 и Св-08А металл шва соответствует спокойной стали (<0,6% Бі). Ударная вязкость металла шва составляет 150-250 Дж/см2. Металл имеет значительно меньшую склонность к старению по сравнению с металлом швов, выполненных электродами с покрытием других типов.

Механические свойства наплавленного металла соответствуют типам Э42А-Э50А по ГОСТ 9467-75.

Дополнительное легирование металла шва через стержень (ис-пользование проволок Св-18ХМА, Св-18ХГС и др.) или покрытие позволяет повысить механические свойства наплавленного металла до уровня, соответствующего типам Э60-Э150 по ГОСТ 9467-75.

Электроды с основным покрытием применяют для сварки угле-родистых и низколегированных сталей, используемых в конструк¬циях, работающих при значительных динамических и знакопере¬менных нагрузках, а также в конструкциях, работающих при отри¬цательных температурах.

4.1.2. Выбор электродов для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса

Регламентация механических свойств металла шва или наплав-ленного металла при сварке покрытыми электродами конструкций из углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей осуществляется в рамках требований ГОСТ 9467-75, а регламента¬ция этих показателей при сварке высоколегированных сталей с особыми свойствами — по ГОСТ 10052-75.

211

 

Выбор электродов для сварки конструкций из углеродистых сталей не представляет труда, так как основные прочностные пока¬затели, необходимые для создания такой металлоконструкции, чет¬ко регламентируются маркой электрода, а химический состав ме¬талла шва и свариваемого металла близки.

Технологическая прочность металла шва при сварке углеродис¬тых сталей достигается при содержании в нем меньше 0,15% угле¬рода. Более высокое содержание углерода в металле шва снижает его пластические свойства.

Выбор марки электрода при создании металлоконструкций из углеродистых и низколегированных сталей повышенной прочнос¬ти затруднен, так как химический состав металла шва и сваривае¬мого металла разнятся.

прочностных показателей наплавленного металла при создании металлоконструкций из углеродистых и низколеги¬рованных сталей повышенной прочности (ав < 600 МПа) достига¬ется путем легирования металла шва такими элементами, как крем¬ний (до 0,5%), марганец (до 1,5%), хром (до 1,5%), никель (до 2,5%), молибден (до 1%), ванадий и ниобий (до 0,5%). При этом со¬держание углерода в металле шва не должно превышать 0,15% по массе. Такая система легирования позволяет получить необходи¬мый уровень прочностных показателей металла шва с минималь¬ными потерями его пластичности.

Опыт создания и эксплуатации металлоконструкций из сталей повышенной прочности показывает, что при выборе электродов для их сварки необходимо стремиться к получению металла шва с более высокими пластическими свойствами, даже если их прочность не-сколько ниже прочности основного металла. Пластичный шов с бо¬лее низкой прочностью, чем основной металл, является «мягкой прослойкой», которая при растяжении начинает пластически де-формироваться раньше, чем достигается предел текучести основно¬го металла, что приводит к контактному упрочнению металла шва.

Следующим шагом при выборе электродов для создания метал-локонструкций является определение типа электродного покры¬тия. Тип покрытия, как отмечалось выше, определяет технологиче¬ские и металлургические свойства электродов.

Основным критерием при сварке углеродистых и низколегиро-ванных сталей является соблюдение условий равнопрочности ме¬талла шва и основного металла. Этот критерий достигается выбо¬ром соответствующего типа электрода по ГОСТ 9467-75, который

 

регламентирует минимальные показатели предела прочности, от-носительного удлинения и ударной вязкости наплавленного метал- /Iл, а также пределов прочности и угла загиба сварных соединений, мы полненных электродами диаметром менее 3 мм.

В электродах типа от Э42 до Э60 предел прочности металла шва и сварного соединения в целом регламентируются в исходном со-стоянии (без термообработки). Применительно к электродам типов от Э70 до Э150 эти показатели регламентируются в соответствии с требованиями технических условий или стандартов на электроды каждой марки (после термообработки или без термообработки).

Следует учитывать, что тип электрода характеризует минималь¬но допустимые прочностные показатели. Как правило, показатели реальных партий электродов выше. Это надо учитывать при выбо¬ре типа электродов для выполнения сварных соединений на ответ-ственных металлоконструкциях.

Способ раскисления стали, из которой формируется металло-конструкция, оказывает существенное влияние на выбор типа по-крытия электродов, используемых для ее сварки. Если конструк¬ция создается из кипящих сталей (<0,07% 81), то для ее сварки можно использовать электроды с покрытиями любого типа, в том числе кислого и ильменитового (АНО-6, АНО-6У, МР-ЗМ и др.), которые обеспечивают при сварке металл, соответствующий по составу кипящей стали.

При сварке полуспокойных сталей (0,07-0,17% 81), использую-щихся для изготовления несущих элементов сварных конструкций толщиной до 25 мм и работающих при температуре до -40 °С, назна-чаются электроды с основным покрытием, к которым относят УОНИ-13/45, УОНИ-13/45А, УОНИ-13/55 и др. Если температура эксплуатации металлоконструкции не опускается ниже -20 °С, мож¬но применить электроды с рутиловым и рутил-целлюлозным покры¬тием марок АНО-4, МР-3, АНО-21, АНО-36, АНО-37 и др.

При сварке металлоконструкций из спокойных сталей, работаю¬щих при температуре ниже -40 °С, используют электроды с основ¬ным покрытием, обеспечивающим содержание в наплавленном металле более 0,2% 81. К таким электродам можно отнести марки УОНИ-13/45, УОНИ-13/45А, УОНИ-13/55, ИТС-4С, АНО-Ю1, АНО-Ю2 и др.

Основные технологические характеристики наиболее часто используемых электродов для сварки углеродистых и низколеги-рованных сталей сведены в табл. 4.1.

4.1.3. Выбор электродов для дуговой сварки теплоустойчивых сталей перлитного и мартенситного классов

Основным критерием при выборе электродов для сварки низко-легированных теплоустойчивых сталей является жаропрочность сварных соединений (способность длительное время выдерживать рабочие напряжения в конструкции при заданных высоких темпе-ратурах, не подвергаясь при этом разрушению и не претерпевая остаточных деформаций, превосходящих допустимый уровень для данной конструкции).

217

 

 

Жаростойкость оценивается в рамках испытаний образцов на длительную прочность и пределом ползучести. Основными легиру-ющими элементами, обеспечивающими заданный уровень жаро-прочности, являются хром, молибден, вольфрам и ниобий. Содер-

218

 

 

жание углерода, кремния и марганца в наплавленном металле прак-тически одинаковое для всех типов теплоустойчивых электродов.

Если рабочая температура металлоконструкций, изготавливае¬мых из теплоустойчивых сталей, не превышает 475 °С, то применя¬ют электроды типа Э-09М, обеспечивающие легирование шва мо-либденом. Если же рабочая температура металлоконструкции не превышает 540 °С, то используются хромомолибденовые электро¬ды типов Э-09ХМ, Э-09Х1М, Э-09Х2М1 и Э-05Х2М.

В случае, если рабочая температура конструкции, изготовлен¬ной из сталей более высокого уровня легирования, не превышает 585 или 600 °С, то применяют электроды типов Э-09Х1МФ, Э- 10Х1М1НФБ и Э-10ХЗМ1БФ.

Как правило, все электроды для сварки теплоустойчивых сталей имеют основное покрытие, обеспечивающее высокий прогнозируе¬мый уровень содержания легирующих элементов в металле шва и стабильность механических свойств наплавленного металла.

Наиболее востребованы для сварки теплоустойчивых сталей электроды марок ТМЛ-1, ТМЛ-1У (тип Э-ХМ), ТМЛ-2, ТМЛ-2У и ТМЛ-3, ТМЛ-ЗУ (тип Э-ХМФ), применяемые как в условиях цеха, так и в монтажных условиях. Основные технологические ха¬рактеристики и назначение электродов для сварки теплоустойчи¬вых сталей приведены в табл. 4.2.

Сварка теплоустойчивых сталей, как правило, выполняется с предварительным подогревом для предотвращения возможности образования холодных трещин в сварных соединениях. После выполнения сварки назначается термообработка соединений.ъ

4.1.4. Выбор электродов для дуговой сварки высоколегированных сталей

В Украине для сварки высоколегированных сталей, как прави¬ло, используют электроды с основным покрытием. За рубежом — с рутиловым (-80% всего количества электродов) и основным по-крытиями. Шлаки, образующиеся при плавлении покрытия основ¬ного типа, обладают наименьшей окислительной способностью по отношению к хрому и другим легирующим элементам, которые вводятся в металл шва.

Электроды для сварки высокохромистых сталей. В зависимос¬ти от содержания в высокохромистых сталях углерода и хрома, они имеют мартенситную, ферритную или ферритно-мартенситную структуру. Эти показатели определяют их свойства и назначение, а

219

 

также позволяют выбрать технологические решения и электродные материалы для сварки.

Стали, содержащие более 12,5% хрома (см. табл. 1.2), стойкие против атмосферной коррозии и коррозии в слабоагрессивных сре¬дах. К наиболее распространенным сталям этой группы относят 08X13, 12X13, 20X13 и др. Однако к сварке каждой из этих сталей подходят по-разному. Сталь 08X13 относится к ферритному клас¬су, сталь 12X13 — к мартенситно-ферритному, а сталь 20X13 — к мартенситному классу. Поэтому стали, склонные к образованию структур закалки при сварке, необходимо предварительно подо¬греть до температуры 250-300 (12X13) или 300-400 °С (20X13). Для стали 08X13 в зависимости от толщины и конфигурации изде¬лия может быть рекомендован предварительный подогрев до 150-250 °С. Сразу после сварки конструкцию необходимо отжечь при температуре 700-740 °С. Для сварки этих сталей применяют электроды типа Э-12Х13 (марки УОНИ-13/НЖ, АНВ-1 и др.), обеспечивающие химический состав и структуру, близкие к свари¬ваемому металлу. В некоторых случаях при отсутствии требований к стойкости к МКК для сварки стали 08X13 применяют электроды типа Э-10Х25Н13Г2 (марки ОЗЛ-6 и др.).

С повышением содержания хрома в составе высокохромистых сталей возрастает их коррозионная стойкость и жаростойкость. Стали, содержащие 17-18% хрома (12X17, 08X17Т и др.), относят¬ся к кислотостойким сталям (см. табл. 1.2). Стали, содержащие 25-30% хрома (20Х23Н13, 20Х25Н20С2 и др.), обладают жаро¬стойкостью до температуры 1100 °С. Основным недостатком этих сталей является их плохая свариваемость, так как под воздействи¬ем термического цикла сварки в ЗТВ резко снижаются ударная вязкость и пластичность (практически падают до нуля) и возника¬ет склонность к МКК (см. гл. 1). Для повышения стойкости этих сталей к МКК в их состав вводят титан (реже ниобий), которые связывают углерод в карбиды и карбонитриды. Повышение стой¬кости ЗТВ к МКК достигается также путем комплексного легиро¬вания металла титаном, ванадием и азотом, что реализовано в ста¬ли марки 04X19АФТ.

Выбор электродов для сварки этой группы сталей зависит от содержания в сталях хрома. Конструкции из ферритных сталей, содержащие 17% хрома, к которым предъявляются требования по жаростойкости (до 800 °С) или по коррозионной стойкости в жидких окислительных средах, можно сваривать электродами типа

220

 

;> 10Х17Т (марки УОНИ/ЮХ17Т, ЦЛ-10 и др.). При сварке этот (пи электродов обеспечивает необходимые требования к жаростой¬кости и кислотостойкости металла шва.

Для сварки сталей, содержание хрома в которых колеблется от 'Лг> до 30%, используются электроды типа Э-08Х24Н6ТАФМ и !) 10Х25Н13Г2Б, которые после отпуска обеспечивают наплавлен¬ный металл с высокими пластическими свойствами, стойкий к МКК.

При сварке жаропрочных сталей, содержащих хром от 10 до 12% (см. табл. 1.2), назначаются электроды типов Э-12Х11НМФ (марка КТИ-9А), Э-12Х11НВМФ (марка КТИ-10) и Э-14Х11НВМФ (марка ЦЛ-32). Основные марки электродов для сварки хромистых сталей приведены в табл. 4.3.

Электроды для сварки хромоникелевых аустенитных сталей. Стали, содержащие не менее 17-18% хрома и 8-11% никеля, при быстром охлаждении сохраняют аустенитную структуру, т. е. не за¬каливаются. Однако выбор электродов для их сварки является с ложной инженерной задачей, так как они склонны к образованию горячих трещин в шве и ЗТВ, потере стойкости к МКК (см. гл. 1), охрупчиванию вследствие образования а-фазы и хрупкости при иоздействии высоких температур (475 °С).

При выполнении сварных соединений возникают сложности обеспечения в них требуемого уровня жаропрочности, жаростойко¬сти и других свойств, необходимых в каждом конкретном случае.

Опыт производства сварных конструкций из сталей аустенитно- го класса позволяет выбрать электродные материалы, которые мо¬гут обеспечить заданный уровень свойств, заложенных в проекте.

Склонность к образованию горячих трещин при сварке сталей аустенитного класса достаточно велика. Это обусловлено рядом металлургических факторов, характером кристаллизации швов, а также деформационной способностью сталей при температурах, близких к солидусу в так называемом температурном интервале хрупкости (ТИХ). Чем шире ТИХ и меньше пластичность металла в этом интервале, тем больше склонность металла к образованию горячих трещин при сварке. При сварке сталей этого класса они не возникают, если деформационная способность в ТИХ больше де-формаций, возникающих в сварном соединении под действием си-ловых факторов. Уменьшают воздействие силовых факторов с по-мощью ряда технологических мер, которые включают оптимиза¬цию режимов сварки, рациональный порядок выполнения швов, предварительный подогрев и другие приемы.

221

 

 

 

 

 

 

Существенное влияние на образование горячих трещин оканы вают металлургические факторы. Швы с однофазной аустенитмЫ! структурой склонны к образованию горячих трещин. Если в метал'! такого шва ввести элементы, способствующие образованию второй фазы (феррита или карбидов), то их стойкость к образованию горя чих трещин существенно повысится. Это объясняют различным характером кристаллизации и структурой одно- и двухфазного металла, обладающего различной деформационной способностью и диапазоне ТИХ. Швы, содержащие ферритную фазу в количеств более 2-3%, значительно более стойкие к образованию горячих трещин, чем однофазные.

Образование одно- или двухфазной ферритной структуры зави¬сит от химического состава, скорости охлаждения при кристалли¬зации, а также последующей термической обработки металлокон¬струкции.

Ряд элементов, входящих в состав металла швов высоколегиро-ванных сталей, являются аустенито- (углерод, азот, никель, марга¬нец, медь, кобальт и др.) и ферритообразующими (хром, кремний, молибден, вольфрам, ниобий, титан, ванадий, алюминий и др.). Ес¬ли в металле шва содержится достаточное количество углерода, то ферритообразующие элементы соединяются с ним (за исключени¬ем кремния и алюминия), образуя карбиды.

Соотношение между аустенито- и ферритообразующими эле-ментами в металле шва способствует образованию одно- (аустенит- ной, ферритной или мартенситной) или двухфазной (аустенитно- ферритной, аустенитно-мартенситной, мартенситно-ферритной и др.) структуры.

Для приблизительной оценки наличия ферритной фазы в ме¬талле шва используют различные числовые методы (эмпирические формулы), а также диаграмму Шеффлера. Эти методы являются оценочными и с достаточной для практических целей точностью позволяют оценить количество ферритной фазы в металле швов.

Для определения реального содержания ферритной фазы в ме¬талле шва используют магнитный метод. Точность определения за¬висит от способа измерения (объемного или контактного), типа прибора, точности его регулировки и др.

Задача создания соединений сталей аустенитного класса реша¬ется с помощью целого ряда электродов, образующих двухфазную (аустенитно-ферритную и аустенитно-карбидную) структуру ме¬талла шва. Кроме того, разработано семейство электродов, образу-

226

 

ммиих швы с однофазной аустенитной структурой. Стойкость мешлла шва против образования горячих трещин обеспечивается матированием металла шва молибденом и марганцем (6-7% в металле шва). К ним можно отнести такие типы электродов, как ;) 11Х15Н25М6АГ2, Э-09Х15Н25М6АГ2Ф, Э-28Х24Н16Г6 и др. Металл, наплавленный этими электродами, должен содержать ми¬нимальное количество кремния. Поэтому покрытие таких электро¬дом при плавлении должно обеспечивать получение шлака, препят- пнующего протеканию кремневосстановительных реакций в сва¬рочной ванне. К таким маркам электродов относят ЭА-395/9, ЦТ-Ю, НИАТ-5 и др.

Определяющим при выборе электродов для сварки хромонике- левых сталей является соотношение содержания в них хрома и ни-келя. В зависимости от этого соотношения все хромоникелевые с тали разделяются на:

• однофазные, стабильно аустенитные, у которых соотношение между хромом и никелем меньше единицы (типа 15-15, 15-25, 15-35). Для сварки этих сталей используются электроды, обес¬печивающие наплавленный металл с однофазной аустенитной структурой (тип Э-11Х15Н25М6АГ2 и др.) или с двухфазной аустенитно-карбидной структурой (тип Э-27Х15Н35ВЭГ2Б и др.);

• двухфазные аустенитно-ферритные (дуплексные), у которых соотношение хрома и никеля больше единицы (тип 18-8, 25-12, 25-20). Для сварки этих сталей назначают электроды, обеспечи-вающие наплавленный металл, имеющий также двухфазную аустенитно-ферритную структуру.

Назначение конкретной марки электрода осуществляется в зави-симости от требований, предъявляемых к данной сварной конструк-ции (коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и др.).

При создании сварных конструкций из кислотостойких сталей (см. табл. 1.2), работающих в контакте с жидкими агрессивными средами при нормальных и повышенных температурах и давлениях, основной задачей является обеспечение коррозионной стойкости ме¬талла шва и сварного соединения в целом. Выбор электродов для со¬здания таких конструкций является сложной инженерной задачей.

Наиболее агрессивными жидкими средами являются кислоты и их растворы, имеющие окислительные и неокислительные свойст¬ва. К окислительным кислотам можно отнести азотную, серную и другие кислоты, в которых при коррозии металлов происходит вос-становление анионов кислоты. К неокислительным относят соля¬

227

 

ную, фосфорную и другие кислоты, в которых при коррозии метал¬лов происходит восстановление ионов водорода.

Если хромоникелевая сталь содержит более 0,03-0,04% углеро¬да и в ее составе отсутствуют карбидообразующие элементы (нио¬бий, титан, ванадий и др.), имеющие большее сродство к кислоро¬ду, чем хром, то они склонны к МКК после сварки, а также поело выдержки в критическом температурном интервале 650-750 °С. Для сварки этих сталей назначают электроды, обеспечивающие ме¬талл швов с двухфазной аустенитно-ферритной структурой. Такой металл более стоек к МКК при работе в кислотах. Повышает стой¬кость к МКК сварного соединения и стабилизирующий отпуск при температуре 850 °С.

Для сварки металлоконструкций, работающих в щелочных средах (оборудование целлюлозно-бумажных предприятий и др.), назначаются электроды, обеспечивающие наплавленный металл с минимальным содержанием ферритной фазы или металл шва с однофазной структурой (см. табл. 4.3).

Таким образом, основные принципы борьбы с МКК следующие:

• снижение содержания углерода в свариваемом и наплавляемом металле ниже предела его растворимости (< 0,03%);

• создание в металле шва двухфазной аустенитно-ферритной структуры;

• введение в сталь и металл шва карбидообразующих элементов;

• термическая обработка сварных соединений при температуре 850 °С и выше.

Стойкость к МКК обеспечивается при соотношении между содер-жанием титана и углерода Ti/C > 5 и ниобия с углеродом Nb/C > 8.

Для сварки конструкций из кислотоустойчивых аустенитных, аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей, работа-ющих в жидких неокислительных средах при температуре до 360 °С, рекомендованы электроды типа Э-07Х19Н11МЗГ2Ф (мар¬ка ЭА-400/10Т, ЭА-400/10У и др.), Э-07Х20Н9 (марка ОЗЛ-8 и др.), Э-08Х19Н9Ф2С2 (марка ЭА-606/10) и др. Термообработка сварных соединений, выполненных этими электродами, не назна¬чается, так как после стабилизирующего отжига снижается ударная вязкость металла шва. В некоторых случаях допускается аустени- зация от температуры 950-1000 °С. Для конструкций, работающих в малоокислительных жидких средах, которым после сварки необ¬ходим отпуск с целью снятия напряжений, рекомендованы элек¬троды типа Э-08Х19Н10Г2МБ (марка ЭА-898/19 и др.). Металл,

228

 

наплавленный этими электродами, имеет повышенную стойкость к МКК как в исходном состоянии, так и в состоянии после провоци-рующего (при 650 °С) и стабилизирующего (при 850 °С) отпуска.

Для конструкций, работающих в жидких окислительных средах, рекомендованы электроды типа Э-08Х19Н10Г2Б (марок ЦЛ-11, ЦТ-15 и др.), в наплавленный металл которых вводят ниобий, по¬вышающий его стойкость к МКК.

Стали типа 18-8, легированные титаном и ниобием, склонны к сосредоточенной МКК (ножевой коррозии), которая может раз¬виться с высокой скоростью по линии сплавления сварного соеди¬нения таких сталей. Стойкость сварных соединений, работающих в жидких агрессивных средах, к ножевой коррозии обеспечивается в случае использования нестабилизированных сталей с минималь¬ным содержанием углерода. В настоящее время эффективно ис¬пользуют стали, содержащие до 0,03% углерода, вместо сталей, ста-билизированных титаном, ниобием и другими карбидообразующи¬ми элементами. Использование этих сталей решает проблему обес¬печения стойкости сварных соединений против межкристаллитной и ножевой коррозии. Для сварки таких сталей используют электро¬ды, которые обеспечивают минимальное содержание углерода в ме¬талле шва. Это электроды типа Э-04Х20Н9 (марки ОЗЛ-14А, 03JI-36), Э-02Х20Н14Г2М2 (марки 03JI-20) и др. Их покрытие построено на базе рутила с небольшим количеством карбонатов.

Электроды для сварки высокопрочных ферритно-аустенитных сталей. Сварка коррозионностойких высокопрочных ферритно- аустенитных сталей типов 21-5, 22-6, 25-5 и др. сопряжена с рядом трудностей. Их свариваемость в значительной степени определяет¬ся количественным соотношением структурных составляющих и стабильностью аустенитной фазы. Высокотемпературный нагрев околошовной зоны значительно снижает показатели ее ударной вязкости, а также ее стойкость к МКК.

Ферритно-аустенитные стали типа 25-5 и 25-6 (марки 06X21АН5 и 06Х21Н6АМ2), модифицированные азотом, значи¬тельно менее склонны к воздействию термодеформационного цик¬ла сварки. Они могут быть использованы взамен сталей марок 12Х21Н5Т и 08Х21Н6М2Т. Для сварки этих сталей используют электроды, не однотипные по структуре и химическому составу с основным металлом. Наиболее востребованы аустенитно-феррит- ные электроды типов Э-08Х20Н9Г2Б (марки ЦЛ-11, ЦТ-15-1 и др.), Э-09Х19Н10Г2М2Б (марки АНВ-36, ЭА-902/14 и др.). Для сварки

229

 

стали 08Х22Н6Т разработаны электроды марки ОЗЛ-40 (08Х22Н7Г2Б), а для стали 08Х21Н6М2Т — электроды марки ОЗЛ-41 (10Х20Н7М2Г2Б).

Электроды для сварки жаростойких (окалиностойких) сталей.

К жаростойким (окалиностойким) относят стали, способные про- тивостоять разрушению поверхности при высоких (> 850 °С) тем-пературах в атмосфере воздуха или других газов. Эти стали легиру-ются хромом (20-25%), кремнием (2-4%), алюминием (3-4%) и другими элементами (см. табл. 1.2), образующими при высоких температурах прочные защитные пленки. Для сварки этого типа сталей при температуре эксплуатации до 1000 °С применяют элект¬роды типа Э-10Х25Н13Г2 (марок ОЗЛ-4, ОЗЛ-6, ЗИО-8, СЛ-25, ЦЛ-25, УОНИ-13/НЖ-2 и др.).

Электроды типа Э-10Х25Н13Г2, Э-12Х24Н14С2 и Э-10Х17Н13С4 не применяются для сварки металлоконструкций, работающих в серосодержащих средах, из-за их склонности к сульфидной МКК, интенсивно протекающей уже при температуре 600-800 °С.

Для изготовления конструкций, работающих в контакте с атмо-сферой, содержащей сернистые соединения, применяют жаростой¬кие высокохромистые стали (15Х25Т, 15X23 и др.) или ферритно- аустенитные стали, содержащие не менее 25% хрома и минималь¬ное количество никеля. К таким сталям относят сталь типа 25-5 (см. табл. 1.2), для соединения которой применяют электроды типа Э-08Х24Н6ТАФМ.

Электроды для сварки жаропрочных сталей. К жаропрочным относят стали, способные противостоять воздействию нагрузок при высоких температурах в течение определенного времени. Жа-ропрочность сталей формируется в результате взаимодействия це¬лого ряда характеристик, основными из которых являются: предел ползучести, длительная прочность и пластичность, тепловая хруп-кость, релаксационная стойкость, термическая усталость и др. Эти характеристики достигаются в результате легирования стали хро¬мом, никелем и карбидообразующими элементами.

Основными проблемами, возникающими при сварке этого типа сталей, является повышенное содержание никеля, обусловливаю¬щее однофазную аустенитную структуру, что увеличивает их склонность к образованию горячих трещин.

С повышением содержания карбидообразующих элементов в сталях возникают проблемы свариваемости, связанные с появлени¬ем «локальных разрушений» при термической обработке, а также в

230

 

процессе эксплуатации при высоких температурах. Локальные раз-рушения образуются в околошовной зоне на расстоянии одного или нескольких зерен от линии сплавления при длительной экс¬плуатации конструкции (свыше 5-10 тыс. ч в температурном ин¬тервале 565-580 °С). Возможно также образование таких дефектов и в результате термической обработки жестких сварных узлов в температурном интервале 600-800 °С. Склонность к локальным разрушениям таких сталей возрастает с повышением содержания в и их титана, ниобия и ванадия и снижается при легировании молиб¬деном и вольфрамом.

Предполагают, что вероятными причинами образования ло¬кальных разрушений являются:

• понижение деформационной способности металла ЗТВ в ре¬зультате воздействия термодеформационного цикла сварки;

• неоднородность механических свойств металла шва, околошовной зоны и основного металла, не подвергшегося воздействию терми-ческого цикла сварки. При более высокой прочности металла шва вследствие наличия в нем ферритной или карбидной фазы, а так-же явления «самонаклепа» происходит концентрация деформа¬ций в околошовной зоне, имеющей пониженную пластичность, что способствует образованию и развитию хрупких трещин;

• высокие остаточные сварочные напряжения, которые могут сум-мироваться с рабочими и другими напряжениями, возникающи¬ми при эксплуатации.

Для снижения возможности образования локальных разруше¬ний в сварных соединениях аустенитных сталей, подвергаемых термической обработке или предназначенных для работы при вы¬соких температурах, необходимо:

• использовать стали, не содержащие титан, ниобий и другие сильные карбидообразующие элементы;

• использовать стали, содержащие минимальное количество угле-рода;

• подвергать изделия после сварки термической обработке для снятия напряжений;

• применять электродные материалы, обеспечивающие более пластичный металл шва (электроды типов Э-10Х15Н25М6АГ2 и Э-08Х16Н8М2).

При сварке металлоконструкций из жаропрочных сталей в зави-симости от системы легирования основного металла используют три группы электродов.

231

 

К первой группе можно отнести электроды, обеспечивающие аустенитно-ферритную структуру металла шва с содержанием фер-рита 2-5,5%, которые применяют при сварке жаропрочных сталей, содержащих до 16% никеля и работающих при температуре до 600-650 °С, а также для создания соединений в конструкциях, под-вергающихся стабилизирующему отпуску. Это электроды типа: Э-09Х19Н11ГЗМ2Ф (марок КТИ-5, ЦТ-7), Э-08Х19Н10Г2Б (ма¬рок ЦЛ-11, ЦТ-15) и др. Ограниченное содержание феррита в на¬плавленном этими электродами металле позволяет производить отпуск изделий после сварки при температуре 800-900 °С, а также длительно работать при температуре до 600 °С без существенного охрупчивания металла швов.

Установлено, что надежная работа сварных соединений обеспе-чивается при ограниченном содержании хрупкой фазы (< 3%), об-разующейся в аустенитно-ферритном металле швов. Для подавле¬ния процесса охрупчивания при работе конструкции в температур¬ном интервале 600-650 °С рекомендуется, кроме ограничения со¬держания ферритной фазы значением 5,5%, производить аустени- зацию сварных соединений.

При сварке корневых слоев, где перемешивание основного и электродного металла существенное, необходимо применять элект-роды типа Э-07Х19Н11МЗГ2Ф (марка ЦТ-7-1), Э-08Х20Н9Г2Б (марка ЦТ-15-1), Э-10Х20Н9Г2В2Б (марка ЦТ-16-1) и др., при плавлении которых наплавленный металл имеет ферритную фазу в количестве до 8%. В этом случае при перемешивании наплавленно¬го металла с основным обеспечивается содержание ферритной фа¬зы в корне шва, необходимое для предотвращения образования го¬рячих трещин, и требуемая жаростойкость сварного соединения.

Ко второй группе можно отнести электроды, обеспечивающие аустенитно-карбидный металл шва. Они используются при сварке жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе, работающих в температурном интервале 700-750 °С, т. е. когда жаростойкость ау- стенитно-ферритных электродов недостаточна, или когда сваривае¬мая сталь имеет повышенное содержание никеля (до 35%) и содер¬жит ниобий. Стойкость металла шва против образования горячих трещин достигается благодаря совместному легированию металла шва углеродом и ниобием. Так как наплавленный этими электрода¬ми металл чувствителен к коэффициенту формы шва, то сварку этими электродами необходимо выполнять узкими валиками без поперечных колебаний. Для повышения стойкости металла шва к

232

кристаллизационным трещинам предъявляются более жесткие тре-бования к чистоте проволоки, идущей на изготовление стержней, к вредным примесям. Аналогичные требования предъявляются и к компонентам покрытия. К этой группе относят электроды типа ; )-27Х25Ш5ВЗГ2Б2Т (марок КТИ-7, КТИ-7А), а также не предус-мотренные стандартом Э-15Х16Н14Г6В2Б (марки ЦТ-23) и др.

К третьей группе можно отнести электроды, предназначенные для сварки жаропрочных сталей, содержащих до 35% никеля, но не содержащих ниобия. Для повышения стойкости металла шва к об-^ разованию горячих трещин в состав электродов вводят молибден или марганец (5-7%). Эти электроды не применяются для сварки сталей, содержащих в своем составе ниобий. К таким электродам можно отнести электроды типа Э-11Х15Н25М6АГ2 (марок ЭА-395/9, НИАТ-5, ЦТ-10), Э-09Х15Н25М6АГ2Ф (марка ЭА-981/15). Поскольку наплавленный этими электродами металл не стоек к МКК как в исходном состоянии, так и после стабилизи¬рующей и аустенизирующей термической обработки, то электроды этой группы не применяют для сварки аустенитных сталей, рабо¬тающих в жидких агрессивных средах. Если шов контактирует с агрессивной средой, верхний слой выполняют электродами типа Э-07Х19Н11МЗ (марок ЭА-400/10У и ЭА-400/10Т).

Электроды для сварки хладостойких сталей. Для сварки хладостойкой стали 03Х20Н16АГ6 назначают электроды типа Э-03Х19Н15Г4М2АВ2 (марка АНВ-20), Э-06Х19Н18Г6АМЗ (мар¬ка АНВ-43) и Э-06Х18Н16Г4АМ2 (марка АНВ-45). Эти электроды обеспечивают вязкость и прочность сварных соединений при тем-пературе до 4,2 К. Сварка стали марки 03Х13АГ19 осуществляется покрытыми электродами типа Э-07Х20Н9 (марок ОЗЛ-8 или АНВ-29) или Э-03Х15Н9АГ4 (марка АНВ-24). При сварке этими электродами обеспечивается вязкость и прочность сварных соеди¬нений при температуре до 77 К.

Электроды для сварки разнородных сталей. Выбор электродов для соединения разнородных сталей является сложной инженер¬ной задачей. Сваркой плавлением соединяют стали как одного (конструкционные стали разной прочности и др.), так и различных структурных классов (конструкционные стали с аустенитными хромоникелевыми и др.). В связи с разным легированием основно¬го и наплавленного металлов состав шва с учетом проплавления будет промежуточным по содержанию легирующих элементов. Это создает определенные трудности в выборе состава сварочных мате-

233

 

риалов (они должны быть малочувствительны к разбавлении» основным металлом). Для сварки перлитных сталей с аустенитиы ми используют аустенитно-ферритные, аустенитные и аустенитно карбидные сварочные материалы, а также электроды на никелевой основе. Если изделие работает при температуре, не превышающей 350 °С, наиболее часто назначают электроды типа Э-10Х25Н13Г2 (марок УОНИ-13/НЖ-2, ЗИО-8, ОЗЛ-4, ОЗЛ-6, ОЗЛ-6С, ОЗЛ-19, СЛ-25, ЦЛ-25 и др.), типа Э-10Х25Н13Г2Б (марок ЗИО-7, ЦЛ-9), Э-07Х19Н11ГЗМ2Ф (марок ЭА-400/10У и ЭА-400/10Т), Э-10Х20Н9Г6С (марок НИИ-48Г, ЗИФ-1, НИИ-75, СЛ-16, УОНИ-13/НЖ-К и др.), Э-28Х24Н16Г6 (марок ОЗЛ-9, ОЗЛ-9А, ОЗЛ-9-1 и др.), которые в зависимости от режимов сварки и доли участия основного металла в шве обеспечивают минимальную ши¬рину мартенситной прослойки по линии сплавления шва с перлит¬ными сталями (<20 мкм). В зависимости от условий сварки и экс¬плуатации, а также содержания углерода в основном металле при ис¬пользовании этих типов электродов в хрупких (мартенситных) про¬слойках могут образоваться трещины при изготовлении и прежде¬временные хрупкие разрушения по этому участку при эксплуатации.

Установлено, что в случае использования переходных электро¬дов, содержащих в своем составе <25% N1 типа Э-11Х15Н25М6АГ2 (марок ЭА-395/9, НИАТ-5, ЦТ-10), Э-09Х15Н25М6АГ2Ф (марка ЭА-981/15, ЭА-112/15) и др. хрупких мартенситных прослоек в зоне сплавления не образуется. Металл, наплавленный этими электрода-ми, имеет большой запас аустенитности. Эти электродные материа¬лы применяются и для решения проблемы получения свободных от холодных трещин сварных соединений высокопрочных легирован-ных сталей ухудшенной свариваемости в термически упрочненном состоянии без последующей после сварки термической обработки.

4.1.5. Подготовка покрытых электродов, используемых для сварки сталей и сплавов на никелевой основе

Качество сварных соединений, получаемых с помощью покры¬тых металлических электродов, может снизиться при их непра¬вильном хранении и транспортировке. На качество электродов ока¬зывают влияние следующие факторы: механические повреждения покрытия, адсорбция покрытием атмосферной влаги, старение по¬крытия. Определенное влияние на качество электродов оказывает также его тип, марка электрода и диаметр.

Механические свойства покрытия близки к керамике, поэтому при небрежном отношении к электродам может произойти их ме-ханическое повреждение. При этом нарушается защита расплав-ленного металла от взаимодействия с атмосферой, что приводит к образованию дефектов в шве. Наиболее опасны отколы покрытия на горце электрода, которые вызывают образование стартовой по-ристости шва. Механические повреждения покрытия приводят гакже к его отделению в процессе сварки, при этом затрудняется контроль над горением дуги и формированием металла шва. Наи¬более чувствительны к механическим повреждениям электроды с основным покрытием, прочность которого в 1,5-2,0 раза меньше, чем рутилового. Прочность покрытия снижается с увеличением диаметра электродов. Электроды с основным типом покрытия, имеющие механические повреждения, необходимо отбраковывать.

Повышенное содержание влаги в электродах, имеющих покры¬тие основного типа, вызывает образование дефектов — пор в метал¬ле шва и трещин в ЗТВ сварных соединений. Основным источни¬ком влаги в покрытии является влага связующего покрытия (жид¬кого стекла), кристаллизационная влага, содержащаяся в минера¬лах, и влага, поглощенная покрытием из окружающей атмосферы. Термообработка электродов зависит от типа покрытия и позволяет снизить содержание влаги в нем от 0,1-0,2 (основной тип покры¬тия) до 2%. Это количество влаги является допустимым, т. е. не способствует образованию дефектов при сварке. Наиболее чувст¬вительны к атмосферной влаге электроды с основным покрытием, менее чувствительны — с рутиловым, кислым и смешанным покры¬тием, допустимое содержание влаги в которых составляет 0,5-0,9%, а у электродов с целлюлозным покрытием — 1,0-2,0%.

Количество влаги в покрытии зависит от условий их хранения (влажности и температуры хранения), технологических режимов изготовления и прокалки, а также упаковки. Покрытия, изготов¬ленные на калиевом или калиево-натриевом силикатном связую¬щем, интенсивно адсорбируют влагу. Максимальной стойкостью к адсорбции обладают покрытия, изготовленные с использованием литиевых и натриево- и/или калиево-литиевых силикатных связу-ющих. Температура прокалки электродов с основным покрытием

ограничена 450 °С.

Под действием окружающих факторов (влаги и температуры), сопровождающих хранение электродов, происходят физико-хими- ческие изменения покрытий, т. е. их старение, которое проявляется

234

235

в образовании белого налета на поверхности, ржавлении стального стержня и железного порошка, входящего в состав покрытия ряда электродов. Белый налет — результат взаимодействия щелочи жидкого стекла с углекислым газом воздуха и образование карбо¬натов натрия и/или калия. Налет сам по себе не влияет на свароч¬но-технологические свойства электродов, однако он может усилить поглощение влаги покрытием, а также уменьшить его механичес¬кую прочность. Ржавление стержня снижает прочность его связи с покрытием, вызывая отслаивание, а также может способствовать появлению пор в металле шва. Поэтому, если стержень имеет сле¬ды ржавчины на поверхности (в первую очередь электроды с основ¬ным типом покрытия), использование таких электродов для сварки ответственных металлоконструкций недопустимо.

ГОСТ 9467-75 не регламентирует длительность хранения элект-родов, однако регламентирует температурный режим в помещении, где хранятся электроды. Хранить электроды необходимо в отапли-ваемых помещениях с температурой не ниже +10 °С (для электро¬дов с рутиловым покрытием) и не ниже +15 °С (для электродов с основным покрытием) при относительной влажности не более 60%.

С 01.07.2005 г. в Украине введен стандарт ДСТУ 1БО 544:2004 «Материалы сварочные. Технические условия поставки сварочных присадочных материалов, вид продукции, размеры, допуски и мар-кировка». Этот стандарт, так же, как и ГОСТ 9467-75, не регламен-тирует длительности хранения электродов. Указано только, что электроды должны быть упакованы производителем таким обра¬зом, чтобы при транспортировке и хранении в сухом помещении обеспечить им достаточную защиту от повреждений и ухудшения качества. Электроды следует хранить в упаковке. Термоусадочная полиэтиленовая пленка, пластмассовые или металлические короб¬ки существенно снижают скорость адсорбции атмосферной влаги в покрытие электродов.

Перед работой электроды необходимо повторно просушить или прокалить при температуре, указанной на упаковке. Термообработ¬ка электродов осуществляется только в электропечах. Прокалка электродов путем нагрева покрытия газовым пламенем горелки или резака недопустима. Средние температуры термообработки электродов в зависимости от типа покрытия приведены в табл. 4.4.

После повторной термообработки электроды используются в течение 24 ч. При работе сварщика необходимо предусмотреть ме¬ры, препятствующие прямому попаданию воды на электроды, для

236

 

чего используют металлические ящики. Наиболее значимые ре-зультаты при работе с электродами, имеющими основной тип по-крытия, обеспечивают термопеналы, в которых поддерживается температура 60-80 °С. Если электроды не использованы в течение 24 ч (это в первую очередь относится к электродам с основным по-крытием), то их необходимо еще раз подвергнуть термообработке. ГОСТ 9467-75 и ДСТУ ГБО 544:2004 не регламентируют количе¬ство повторных термообработок электродов, однако в ряде внут¬ренних документов организаций такая регламентация есть (не бо¬лее двух-трех термообработок).

4.2. Основные положения технологии ручной дуговой сварки покрытым электродом

Ручная дуговая сварка выполняется покрытым электродом, ко-торый вручную подается в зону горения дуги и перемещается вдоль свариваемой детали. Дуга горит между металлическим стержнем и основным металлом. Металлический стержень плавит¬ся и стекает каплями в сварочную ванну. Покрытие электрода так-

 

Рис. 4.1. Схема горения дуги и плавления металла при сварке покрытым электродом: 1 — металл шва;

2 — покрытие;

3 — стержень;

4 — газы, расплавленный присадочный металл и шлак; 5 — сварочная ванна

же плавится, при этом образуется газовая атмосфера, защищающая зону горения дуги и расплавленный металл от взаимодействия с воздухом (рис. 4.1). Часть компонентов покрытия при плавлении образует шлак, который покрывает капли расплавленного элект-родного металла и расплавившийся основной металл. Шлак также защищает расплавленный металл от взаимодействия с воздухом и обеспечивает его металлургическую обработку. Объем газовой и шлаковой фазы зависит от состава покрытия и его толщины. Рас-плавившийся основной и присадочный (металл стержня и метал-лические составляющие, введенные в покрытие) металл образует сварочную ванну, покрытую шлаком. По мере перемещения элект¬рода сварочная ванна кристаллизуется, формируя сварной шов. Шлак после остывания образует шлаковую корку.

Наиболее востребован процесс сварки покрытым электродом при выполнении коротких и криволинейных швов во всех прост-ранственных положениях, а также при монтаже конструкций слож¬ной формы. Технология РДС обеспечивает достаточно высокое ка¬чество соединений, но имеет более низкую производительностью по сравнению с механизированными процессами.

4.2.1. Выбор основных параметров режима сварки

Под режимом сварки понимают совокупность основных контро-лируемых параметров, определяющих условия сварки.

Сила сварочного тока зависит от диаметра электрода, его дли¬ны, материала стержня, положения шва в пространстве и состава

покрытия. Чем больше сила тока, тем выше производительность.

()днако при чрезмерной силе сварочного тока стержень перегрева¬ется, повышается разбрызгивание электродного металла и наруша¬ется защита зоны горения дуги. При пониженных значениях силы снарочного тока дуга горит неустойчиво и ее мощности бывает не-достаточно для расплавления основного и электродного металла. При этом в металле шва могут образоваться дефекты. Сила свароч¬ного тока определяется по следующим формулам:

для электродов диаметром 3-6 мм /д = (20 + 6б/:)) с1э,

для электродов диаметром менее 3 мм /д = 30с1э,

где с1э — диаметр электрода.

Существует также расчетный показатель силы сварочного тока, который для сварки в нижнем положении углеродистых и низколе-гированных сталей составляет 40-50 А на 1 мм диаметра электро¬да. В случае сварки высоколегированных сталей и сплавов необхо¬димо учитывать, что эти материалы имеют большее удельное со-противление, чем углеродистые стали. В связи с этим расчетный показатель силы сварочного тока в нижнем положении у этих элек-тродов составляет всего 25-30 А на 1 мм диаметра. Кроме расчет¬ных значений тока, рекомендуемых для каждой марки электрода, сила тока проставляется на этикетке, которая наклеивается на упа¬ковку с электродами. На вертикальной плоскости силу тока снижа¬ют на 10, а в потолочном положении шва на 15-20%.

Швы, выполняемые в положении, отличном от нижнего, реко-мендуется выполнять электродами диаметром не более 4 мм. В этом случае масса ванны меньше, что облегчает выполнение сварки.

Напряжение на дуге при сварке покрытым электродом не регу-лируется. Оно зависит в основном от состава покрытия и колеблет¬ся в диапазоне от 16 до 30 В. В связи с этим напряжение дуги не является элементом режима сварки, за счет которого можно изме¬нять ширину шва и глубину проплавления основного металла в нужном направлении.

Род тока и полярность устанавливают в зависимости от соста¬ва покрытия, марки свариваемого металла и его толщины. Сварка углеродистых и низколегированных сталей электродами с основ¬ным покрытием выполняется постоянным током обратной поляр¬ности ((1.С.+). Другие виды покрытий позволяют выполнять сварку переменным током (а.с.) и постоянным током любой полярности.

239

 

Сварка высоколегированных сталей и сплавов электродами г основным покрытием осуществляется током с1.с.+. Применение электродов с рутиловым покрытием позволяет использовать дли сварки высоколегированных сталей и переменный ток.

Пользователь должен учитывать, что при РДС постоянным то¬ком обратной полярности (с1.с.+) на электроде выделяется меньше теплоты, скорость его плавления снижается, перенос электродного металла через дуговой промежуток стабилизируется, наблюдается более глубокое проплавление основного металла.

При сварке переменным током (а.с.) глубина проплавления основного металла на 15-20% ниже, чем при сварке постоянным током обратной полярности.

При РДС постоянным током прямой полярности (с1.с.-) снижает¬ся ввод теплоты в изделие, что приводит к меньшей глубине проплав-ления основного металла, электрод плавится с большей скоростью, дуговой процесс менее устойчив, разбрызгивание металла выше.

Ширина шва при сварке током с1.с.- несколько меньше, чем при сварке током с!.с.+ и а.с. Род тока и полярность принимают исходя из особенностей электродного покрытия. Они указываются в ТУ и на этикетке, которой производитель электродов снабжает упаковку.

Диаметр электрода в производственных условиях выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, положения шва в пространстве и того, какой вид шва выполняют (корневой или за-полняющий). При сварке корневого шва для обеспечения провара диаметр электрода принимают равным 2,5-3,0 мм. Диаметр электро¬да зависит от толщины свариваемого металла следующим образом:

толщина металла, мм 1,0-2,0 2,0-5,0 5,0-10,0

диаметр электрода, мм 2,0-2,5 2,5-4,0 3,0-5,0

Уменьшение диаметра электрода при той же силе тока повышает плотность тока в электроде и снижает подвижность дуги. Это спо-собствует увеличению глубины проплавления и уменьшению шири¬ны шва. Ширина шва с ростом диаметра электрода увеличивается.

Скорость сварки оказывает существенное влияние на глубину проплавления основного металла, и ее влияние на размеры шва но¬сит сложный характер. При малых скоростях сварки (1,0-1,5м/ч) глубина провара минимальна. Это обусловлено уменьшением ин¬тенсивности вытеснения сварочной ванны из-под основания дуги. У основания дуги образуется слой жидкого металла, который пре¬пятствует проплавлению основного металла.

240

Увеличение скорости сварки приводит к уменьшению ширины шва, что является следствием снижения подвижности дуги при увеличении скорости ее перемещения.

Изменение скорости сварки является весьма эффективным средством изменения ширины шва и глубины проплавления основ¬ного металла. Поперечное перемещение конца электрода позволяет изменять ширину шва и глубину проплавления. При увеличении амплитуды перемещения конца электрода снижается глубина про- илавления и значительно увеличивается ширина шва, что связано с уменьшением концентрации источника нагрева.

Глубина проплавления основного металла зависит от режима сварки (силы сварочного тока, диаметра электрода, полярности, пространственного положения, скорости сварки и поперечных ко-лебаний конца электрода), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п. Размеры сварочной ванны обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8-15 мм, длина 10-30 мм. Доля участия основного металла в металле шва колеблется в пределах 15-40%.

Начальная температура металла в пределах -60 до +80 °С не влияет на форму шва. Подогрев свариваемого изделия до 100-400 °С приводит к увеличению ширины шва и глубины про¬плавления, причем в большей степени растет ширина шва.

4.2.2. Влияние размеров сварочной ванны на процесс сварки

Способность ванны деформироваться называют текучестью. Она зависит от запаса теплоты, условий охлаждения вытекающего металла и размера ванны, так как запас теплоты в разных ее зонах неодинаков. Наиболее нагретым (а потому и наиболее подвижным) является металл головной части ванны, а в хвостовой ее части температура металла снижается и возрастает его вязкость. Вблизи стенок ванны имеется слой металла, находящийся в твердожидком состоянии. Чем больше размер ванны, тем больше ее текучесть.

На массу ванны б существенное влияние оказывает состав по-крытия электродов, по которому электроды условно подразделяют на три группы: с малым (ВСП-3, ВСО-50СК и др.), средним (УОНИ-13/45 и др.) и большим значением (? (АНО-20 и др.), что соответствует их разбивке по технологическим свойствам. Элект¬роды с наименьшей массой ванны («холодные» электроды) позво¬ляют вести сварку в любом пространственном положении, электро¬

241

ды промежуточного типа — во всех пространственных положениях, за исключением сварки сверху вниз, а электроды с наибольшей массой ванны («горячие» электроды) не пригодны для сварки в по-толочном, вертикальном и наклонном положении шва.

Изменение С при одном и том же режиме сварки (силе свароч¬ного тока и скорости сварки) для различных типов электродов объ¬ясняется разными коэффициентами расплавления ар и напряже¬нием дуги [/д. Существует понятие критической массы ванны, которая являет¬ся предельно допустимой, обеспечивающей сварку в данных техно-логических условиях, например в потолочном положении. Крити-ческая масса ванны зависит от ее положения в пространстве, тол-щины свариваемого металла и глубины проплавления. Условием правильного выбора режима сварки является обеспечение массы ванны меньше критической.

4.2.3. Техника сварки покрытым электродом

Как уже отмечалось, сварочная дуга представляет собой дуговой разряд в ионизированной атмосфере газов и паров металлов. Иони-зация дугового промежутка возникает в момент зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажи-гания сварочной дуги, как правило, включает замыкание электрода на изделие, отвод электрода и возникновение устойчивого дугового разряда. Дуга возбуждается двумя способами: касанием конца эле-ктрода свариваемого изделия и отводом от изделия перпендику¬лярно вверх на расстояние 3-4 мм («клевком» — рис. 4.2, а) или быстрым боковым движением электрода к свариваемому изделию и отводе электрода от изделия («чирканьем» электрода по изде¬лию, подобно зажиганию спички) (рис. 4.2, б). Длительность при1

 

Рис. 4.2. Способы зажигания дуги:

а — касанием электрода «клевком», «чирканьем»  

б — боковым движением

242

 

косновения электрода к изделию должна быть минимальной, иначе он приваривается (примерзает) к изделию. Второй способ удобнее, но не применим в узких разделках и неудобных местах. В момент зажигания дуговой промежуток еще недостаточно нагрет и для его ионизации необходимо некоторое увеличение напряжения между электродами сравнительно с тем напряжением, которое необходи¬мо для поддержания дуги в установившемся режиме.

Длина дуги в процессе сварки зависит от марки и диаметра эле-ктрода. Среднее значение длины дуги 1Д можно определить по формуле

1Д = (0,5-1,1К.

Длина дуги оказывает существенное влияние на качество свар¬ного шва. Если дуговой промежуток минимален, дуга горит устой¬чиво. Качество шва высокое, так как защита расплавленного метал¬ла, проходящего через короткий дуговой промежуток, лучше. Уве¬личение дугового промежутка приводит к большему окислению присадочного металла и насыщению его азотом, растут потери ме¬талла на угар и разбрызгивание, уменьшается глубина проплавле¬ния основного металла.

В процессе сварки электрод нагревается под действием прохо-дящего через него тока и сварочной дугой. Нагрев сварочной дугой является превалирующим с точки зрения обеспечения плавления электрода и покрытия. Нагрев стержня электрода проходящим то¬ком тем больше, чем выше сила тока и длительность его протека¬ния. В момент зажигания дуги электродный стержень имеет темпе¬ратуру окружающей среды, а к концу расплавления его температу¬ра может достигать 500-600 °С. Если в покрытие электрода введе¬ны органические вещества, то температура стержня к моменту окончания его плавления не должна превышать 250 °С. Нагрев стержня приводит к тому, что скорость плавления электрода (мас¬са расплавляющегося электродного стержня и покрытия) в начале и конце его горения различна. Также наблюдается изменение глу¬бины проплавления основного металла за счет изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жид¬кого металла в сварочной ванне. Это приводит к изменению соот¬ношения долей основного и электродного металла в металле шва, а значит, и свойств металла шва, выполненного одним электродом.

Расположение электрода по отношению к поверхности свариваемого металла оказывает существенное влияние на форму и качество шва. Изменяя угол наклона электрода, сварщик увеличи-

243

 

Рис. 4.3. Влияние угла наклона электрода а на формирование свароч¬ной ванны при сварке: вертикальным электродом (а), углом вперед (6), углом назад (в)

вает или уменьшает глубину проплавления основного металла. При сварке углом назад (рис. 4.3, в) происходит более интенсивное, чем при сварке вертикально расположенным электродом (рис. 4.3, а), механическое воздействие дуги на расплавленный ме¬талл сварочной ванны, который вытесняется из-под основания ду¬ги, что увеличивает глубину провара и уменьшает ширину шва. Сварка с наклоном электрода углом вперед (рис. 4.3, б) применяет¬ся тогда, когда необходимо получить минимальный провар основ¬ного металла. При наклоне электрода углом вперед столб дуги стремится занять положение, совпадающее с осью электрода, и рас¬полагается над поверхностью основного металла. Давление столба на поверхность сварочной ванны снижается, что приводит к замет¬ному уменьшению глубины провара и увеличению ширины шва по сравнению со сваркой вертикально расположенным электродом.

Наклон изделия относительно горизонтальной плоскости оказывает влияние на характер формирования шва. При сварке по-крытым электродом сверху вниз, на спуск (рис. 4.4, а), разность

 

 

уровней расплавленного металла в головной и хвостовой части сва-рочной ванны уменьшается, что увеличивает толщину слоя жидко¬го металла, расположенного под основанием дуги, и уменьшает глубину проплавления. Наблюдается более интенсивное блужда¬ние дуги по поверхности сварочной ванны, что способствует увели¬чению ширины шва. Поэтому при сварке на спуск уменьшается глубина проплавления и увеличивается ширина шва. При сварке снизу вверх, на подъем (рис. 4.4, б)у разница уровней расплавленно¬го металла в головной и хвостовой части сварочной ванны увели¬чивается, а толщина слоя жидкого металла под основанием столба дуги уменьшается, что способствует возрастанию глубины про¬плавления основного металла и снижению ширины шва за счет меньшего блуждания столба дуги. Характерное для сварки в ни¬жнем положении формирование шва достигается при наклоне из¬делия на угол не более 8-10°. При больших углах наклона наруша¬ется нормальное формирование шва из-за подтекания жидкого ме¬талла под основание дуги при сварке на спуск и подрезов по кром¬кам при сварке на подъем.

В процессе формирования шва сварщику необходимо выпол¬нять движение электродом в трех направлениях:

• поступательное по направлению оси электрода, обеспечивающее поддержание постоянной длины дуги по мере плавления стерж¬ня и обмазки электрода;

• вдоль оси формируемого валика. Скорость этого перемещения устанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, уг¬ла его наклона по отношению к свариваемым деталям, положе¬ния шва в пространстве и др.;

• поперек шва для получения заданной ширины валика. Попереч¬ное перемещение (колебание конца электрода) определяется со¬ставом покрытия, формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого металла, навыками сварщика и др. Перемещая конец электрода поперек шва, сварщик перерас-пределяет теплоту дуги, обеспечивая тем самым требуемую глу-бину проплавления основного металла.

Расположение и схемы движения конца электрода в зависимости от типа шва и положения в пространстве представлены в табл. 4.5.

При правильном выборе диаметра электрода и сварочного тока скорость перемещения конца электрода является определяющей для получения качественного шва. При высокой скорости переме¬щения электрода дуга расплавляет металл на малую глубину, что

245

 

может вызвать непровары. При низкой скорости перемещения эле ктрода в основной металл вводится слишком большое количество теплоты, что может привести к образованию прожогов. При этом расплавленный металл вытечет из сварочной ванны.

По окончании сварки или при обрыве дуги необходимо при вильно заварить кратер, являющийся зоной с наибольшим количест вом вредных примесей, которая имеет повышенную скорость охи лаждения, поэтому в нем чаще всего образуются трещины. Для за¬варки кратера не следует резко обрывать дугу и отрывать электрод от изделия. Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва, а расплавившийся при этом электродный металл заполнит кратер. В случае обрыва дуги или смены электрода дугу возбуждают на еще не расплавленном основ¬ном металле перед кратером и затем проплавляют металл в кратере.

Соединения, получаемые с помощью сварки, могут быть стыко-выми, угловыми, тавровыми и нахлесточными.

Стыковые соединения (см. табл. 3.56) — соединения, в кото¬рых свариваемые элементы примыкают друг к другу торцевыми поверхностями, обеспечивая возможность передачи усилия непо-средственно от одной детали к другой без использования промежу-точных элементов. Эти соединения являются оптимальными по ко-личеству затраченного металла и условиям работы соединения под нагрузкой. Стыковой шов должен гарантировать провар металла по всей его толщине.

Основными конструктивными элементами в стыковом соедине¬нии являются ширина шва и толщина соединяемых элементов.

В угловых соединениях (см. табл. 3.56) свариваемые элементы располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а их торцевые поверхности образуют двугранный угол. Основным ви¬дом углового соединения является угловое соединение встык, в ко¬тором торцевые поверхности одного из соединяемых элементов примыкают к боковой поверхности другого. Угловые соединения, как правило, применяют как связующие элементы в конструкциях различного типа.

Тавровые соединения — это соединения, в которых сваривае¬мые элементы располагаются в двух взаимно перпендикулярных поверхностях (см. табл. 3.56), причем торец одного из них примы¬кает к боковой поверхности другого. Тавровые соединения приме¬няют при производстве балок, стоек, колонн, каркасов и других металлоконструкций.

Пахлесточные соединения (см. табл. 3.56) — сварные соедине- м ия, в которых боковые поверхности свариваемых элементов час- I ично перекрывают друг друга. Соединения применяют при сварке .листовых конструкций, обшивок, крановых ферм и др. Такие со-единения обеспечивают значительно меньшую прочность при зна-копеременных нагрузках по сравнению со стыковыми.

Сварка в нижнем положении шва. При сварке в нижнем поло¬жении (см. рис. 3.5) обеспечивается наиболее высокое качество сварных соединений, так как облегчается дегазация сварочной ван¬ны и улучшаются условия выделения неметаллических включе¬ний. В этом положении наиболее благоприятны условия формиро¬вания металла шва.

Стыковые швы сваривают без разделки кромок или с V-, X- и

I ]-образным скосом кромок.

При сварке конструкций из тонкого металла используются узкие (ниточные) швы (Ь = 0,9-И,5<4). Электрод перемещают пря¬молинейно вдоль шва без колебательных движений (см. табл. 4.5), располагая его наклонно (углом назад 10-25°) для того, чтобы кап¬ли расплавленного металла попадали в сварочную ванну. Изменяя угол наклона электрода, сварщик может регулировать глубину про¬плавления металла, улучшать формирование шва и влиять на ско¬рость охлаждения сварочной ванны. Узкие валики накладываются при сварке корневых швов, сварке тонкого металла, сварке в верти-кальном и потолочном положениях швов. С увеличением толщины свариваемого металла возрастает ширина швов, что достигается по-перечными колебательными движениями конца электрода. Они за-медляют остывание ванны расплавленного металла, улучшают про¬грев свариваемых кромок и повышают механические свойства сварного соединения.

Сварка встык без разделки кромок выполняется сквозным про-плавлением с одной стороны шва (рис. 4.5, а). При таком способе трудно обеспечить провар корня шва и формирование обратного валика по всей длине стыка, поэтому рекомендуется применять съемные медные или остающиеся стальные подкладки (рис. 4.5, б, в). Для предотвращения вытекания расплавленного металла свароч¬ной ванны необходимо плотное поджатие подкладок к сваривае¬мым кромкам. Однако остающиеся подкладки увеличивают расход металла на создание металлоконструкции. При использовании медных подкладок возникают трудности, связанные с точным рас¬положением формирующей канавки по стыку шва. Если доступ к

Рис. 4.5. Способы сварки стыковых швов: а — однопроходный шов, выполняемый на весу; б, в — однопроходный шов соответственно на медной и на стальной остающейся подкладке; г — с подваркой корня

обратной стороне шва возможен и конструктивно допустим выпук¬лый валик, желательно осуществить подварку корня шва валиком небольшого сечения с последующей укладкой основного шва (рис. 4.5, г). При образовании непровара в корне шва дефект удаля¬ют, используя газовую или дуговую строжку, а также абразивный инструмент с последующей подваркой дефектного участка.

При многопроходной сварке стыковых швов с У-образной раз-делкой кромок обеспечивается хороший провар корневого шва, который выполняется без поперечных колебаний электродами диа-метром 2,5-3,0 мм (рис. 4.6, а). Дальнейшее заполнение разделки осуществляется электродом большего диаметра с поперечными ко-лебаниями его конца. Заполнение разделки выполняется швами (слоями) шириной на всю разделку (рис. 4.6, б) или отдельными валиками (рис. 4.6, в).

Рис. 4.6. Схемы сварки стыковых швов с У-образной разделкой кро-мок: а — однослойный шов; б — заполнение разделки швами шириной на всю разделку; в — заполнение разделки отдельными валиками (про¬ходами); 1—7 — порядок выполнения слоев шва; 0 — подварочный шов

Сварку швов с X- и и-образным скосом кромок выполняют Практически так же, как и с У-образной разделкой, однако для уменьшения уровня остаточных деформаций, если имеется воз-можность, каждый шов выполняется с противоположной стороны (с переворотом изделия). Швы с X- и и-образной разделкой имеют преимущество по сравнению с У-образной разделкой, так как в первом случае объем наплавленного металла в 1,6-1,7 раза меньше. Кроме того, уменьшается уровень угловых деформаций.

Пользователю необходимо знать, что металл многослойного шва обладает более низкой температурой перехода в хрупкое состояние, чем металл однослойного шва. Это связано с измельче¬нием структуры металла шва под воздействием теплоты, выделяе¬мой при наложении последующих слоев. Термическое воздействие повторного нагрева сходно с воздействием, оказываемым норма¬лизацией.

При сварке многослойных швов каждый следующий валик мо¬жет быть выполнен только после тщательной очистки предыдуще¬го от шлака и брызг металла, а также после удаления возможных дефектов.

При двусторонней сварке стыковых соединений с полным про-плавлением необходимо перед выполнением шва с обратной сторо¬ны удалить его корень до чистого бездефектного металла.

Начало и конец стыкового шва рекомендуется выводить за пре-делы сварного соединения на выводные планки (см.рис.3.7), уда¬ляемые после сварки. Допускается выводить шов на наплавленный металл (при условии тщательного заплавления кратера с последу¬ющей зачисткой).

Во всех случаях запрещается зажигать дугу и выводить кратер на основной металл.

Сварка протяженных швов на толстолистовом металле выпол-няется секциями. Раскладка швов (слоев) показана на рис. 4.7.

Для сварки угловых швов в нижнем положении используют два приема. Сварка вертикальным электродом «в лодочку» (рис. 4.8, а) обеспечивает наиболее благоприятную форму шва и снижает воз-можность образования дефектов в корне. Этот способ требует тща-тельной сборки с минимальными зазорами в стыке для предупреж-дения возможности вытекания из него металла. При сварке на-клонным электродом (рис. 4.8, б—г) трудно обеспечить провар шва по нижней плоскости из-за натекания на неё расплавленного ме¬талла и предупредить подрез на вертикальной плоскости ввиду сте-

Рис. 4.7. Схемы раскладки слоев при сварке протяженных швов на толстолистовом металле: а — обратноступенчатый метод, б — секционный обратноступенчатый, в — двойным слоем, г — секцион-ный двойным слоем, д — каскадом, е — секционный каскад (стрел-ками и цифрами показана последовательность выполнения швов)

кания расплавленного металла. В связи с этим такие швы выполня¬ют катетом, размер которого не превышает 6-8 мм. При сварке уг¬ловых швов наклонным электродом не всегда удается обеспечить глубокий провар корня швов, поэтому в одно- и двусторонних швах без разделки кромок может образовываться непровар, кото-

 

Рис. 4.8. Сварка угловых швов в нижнем положении: а — сварка верти¬кальным электродом «в лодочку»; б — сварка наклонным электродом в несимметричную «лодочку»; в — в угол; г — с оплавлением кромки

Рис. 4.9. Схема раскладки угловых швов: а — односторонний шов; б — двусторонний шов; 1-4 — порядок выполнения слоев шва

рый под нагрузкой способствует образованию трещин. Для преду-преждения непровара корня в соединениях металла толщиной бо¬лее 4 мм необходимо выполнять одностороннюю, а при толщине металла более 12 мм — двустороннюю разделку кромок. При свар¬ке многопроходных угловых швов вначале выполняются швы на горизонтальной плоскости (рис. 4.9, а, б, слой 1-2). Они частично удерживают следующие швы от стекания с вертикальной плоско¬сти. Для обеспечения необходимой формы швов применяют попе¬речные колебания конца электрода. От правильного их выбора и траектории зависит качество шва и наличие в нем дефектов.

Сварка в горизонтальном, вертикальном и потолочном поло-жениях шва. Сварка в этих положениях требует более высокой квалификации сварщика, поскольку под действием гравитации возможно вытекание расплавленного металла из сварочной ванны или попадание капель электродного металла за пределы сварочной ванны. Нагрев и охлаждение металла шва и соответственно размер сварочной ванны регулируются с помощью колебательного движе¬ния электрода, позволяющего рассредоточить тепловой поток в ванне, охлаждая металл при отводе электрода с того или иного уча¬стка ванны и тем самым устраняя перемещение металла в нежела¬тельном направлении. Получению качественных швов в этих поло¬жениях способствует и уменьшение ширины валика (2-3 диаметра электрода), силы тока дуги (10-20%), а также применение электро- дов меньшего диаметра.

Швы на вертикальной плоскости могут формироваться на подъем снизу вверх (рис. 4.10, а, б) или на спуск (рис. 4.10, в, г). При сварке швов на подъем обеспечивается хороший провар корня шва

 

Рис. 4.10. Схема формирования швов на вертикальной плоскости при сварке на подъем снизу вверх (а, б) и на спуск сверху вниз (в, г)

и кромок. Закристаллизовавшийся металл шва является «полоч¬кой», которая частично помогает удерживать сварочную ванну от стекания. В зависимости от состава покрытия электрода и разделки кромок сварку вертикальных швов снизу вверх можно осуществ¬лять и с периодическими замыканиями концом электрода поверх¬ности сварочной ванны (рис. 4.11). Швы, выполненные этим спосо-

Рис. 4.11. Схема формирования швов на вертикальной плоскости с периодическими короткими замыканиями электродом поверхности сварочной ванны:

1— закристаллизо-вавшийся металл;

2— расплавленный металл;

3 — движениеконца электрода

Рис. 4.12.            

Свободное формирование металла шва при сварке на вертикальной плоскости:     1— подрез;   2— наплыв     

бом, имеют грубочешуйчатую поверхность. При сварке способом сверху вниз повышается вероятность образования дефектов в ме¬талле шва за счет того, что расплавленный металл и шлак подтека¬ют под дугу. Сварочная ванна от стекания удерживается только си¬лой поверхностного натяжения и давлением дуги, однако этого бывает недостаточно и расплавленный металл из сварочной ванны вытекает. Для сварки способом сверху вниз можно использовать не¬которые марки электродов с целлюлозным и рутил-целлюлозным покрытием (например, ВСО-50СК, АНО-21, АНО-36). Остальные марки электродов для сварки способом сверху вниз не пригодны.

Сварка горизонтальных стыковых швов требует от сварщика определенных навыков, так как расплавленный металл сварочной ванны стекает на нижнюю кромку. При этом может образоваться подрез по верхней кромке шва (рис. 4.12). При сварке металла тол-щиной более 4 мм для облегчения провара корня шва выполняют односторонний скос верхней кромки (рис. 4.13). В этом случае ни-

Рис. 4.13. Схема выполнения сварки горизонтального шва на вертикальной плоскости при одностороннем скосе кромки:

1-3 — положение электрода в пространстве

 

Рис. 4.14. Схема выполнения многопроходных швов на вертикальной плоскости при двусторонней разделке кромок: 1-7 — порядок выполнения слоев шва

жняя кромка помогает удерживать металл сварочной ванны от оте-кания и швы формируются так же, как и в нижнем положении. По¬рядок выполнения швов при двусторонней разделке кромок пока¬зан на рис. 4.14.

Сварка в потолочном положении шва наиболее трудновыпол¬нима. Коэффициент наплавки у электродов, используемых для сварки в потолочном положении, не должен превышать 10 г/(А-ч). Сварку выполняют короткой дугой. В процессе сварки конец элек¬трода то удаляют, то приближают к ванне (рис. 4.15). При удалении электрода дуга периодически гаснет. В период, когда дуга не горит, сварочная ванна частично кристаллизуется и ее объем уменьшает-

 

• и 11ри очередном замыкании поверхности сварочной ванны в нее ииосится дополнительная порция расплавленного электродного металла. Электрод располагается под углом к свариваемой поверх-ности. Техника сварки угловых и тавровых соединений в потолоч¬ном положении аналогична технике сварки стыковых соединений.

Техника сварки швов во всех пространственных положениях электродами с рутиловым покрытием (например, АНО-4, МР-3) имеет свои особенности. Для получения хорошо сформиро- нинных швов при сварке в нижнем положении необходимо, чтобы расстояние между втулкой на торце электрода и поверхностями спариваемых кромок колебалось от 2 до 4 мм. Электрод рекоменду¬ется наклонить на 15-30° от вертикали к направлению сварки (сварка углом назад), чтобы не допустить затекания шлака впереди дуги. Поперечные перемещения конца электрода показаны (см. табл. 4.5). В случае сварки вертикальных тавровых соеди¬нений наилучшие результаты получаются, если электрод переме¬щается в биссектральной плоскости с наклоном к направлению сварки под углом 45-50°. При выполнении швов в потолочном по¬ложении оптимальное их формирование обеспечивается колебани¬ями электрода от кромки к кромке с постепенным перемещением всего электрода в направлении сварки (см. рис. 4.15). Угол наклона электрода к направлению сварки должен быть близок к 90°.

Техника сварки швов электродами с фтористо-кальциевым покрытием (например, УОНИ-13/55) отличается от техники сварки швов электродами с рутиловым покрытием тем, что сварка выполняется короткой (1,0-3,0 мм) дугой. Для получения хорошо сформированных швов при сварке в нижнем положении необхо¬димо, чтобы угол наклона электрода к направлению сварки состав¬лял 70-90°. Допускаются поперечные колебания электрода не бо¬лее 2-х его диаметров. При сварке металла толщиной более 8 мм, когда разделку заполняют несколькими слоями, возможно образо¬вания дефектов формирования (см. гл. 6.2). Для предупреждения их образования первый заполняющий слой накладывают на корне¬вой, при этом электродом выполняют колебания от кромки к кром¬ке (см. рис. 4.6, в). Начиная со 2-го слоя, заполнение разделки осу¬ществляется отдельными валиками. При наложении валика час¬тично переплавляют ранее выполненный шов и одну из кромок. При сварке вертикальных угловых соединений способом снизу вверх хорошее формирование шва достигается, если электрод пере¬мещается в биссектральной плоскости с наклоном к направлению

сварки под углом 130-140° с небольшими поперечным^ колебани¬ями в пределах 0,5-1,0 диаметра электрода. При выпол мнении швом в потолочном положении оптимальное их формирование обеспе¬чивается, если электрод перемещается по направление сварки под углом 80-90° с небольшим колебанием от кромки к кромке.

При сварке сталей аустенитного класса покрытом электро¬дом швы выполняют на средних и минимальных, рекомендуемых для данной марки электродов режимах, узкими валикаМи (ширина шва на 2-3 мм >с!э) с частыми продольными колебаниями конца электрода в пределах длины ванны. Такая техника выполнения швов повышает стойкость сварных соединений к образованию горячих трещин.

После окончания сварки поверхность швов и около^повную зо¬ну необходимо очистить от шлака, наплывов и брызг металла. При-варенные сборочные и монтажные приспособления удаляются без повреждения основного металла, а места приварки защищаются с удалением всех дефектов. Зачистка поверхностей выполняется абразивным инструментом и металлическими щетками. Удалять сборочные и монтажные приспособления можно и с помощью кис-лородной или воздушно-дуговой резки с последующей зачисткой поверхностей абразивным инструментом. При обработке поверхно¬стей углубление в основной металл не должно превышать 3% его толщины, но не более 1 мм.

4.2.3. Влияние магнитных полей на сварочную дугу

Намагниченность является основной характеристикой изделия как источника собственных магнитных полей. Магнитное состоя¬ние ферромагнитных конструкций, деталей и изделий в целом фор¬мируется под воздействием: 1) внешних магнитных полей при вы¬плавке и прокатке сталей; 2) погрузочно-разгрузочных работ с при¬менением электромагнитных кранов; 3) диагностики состояния трубопроводов при помощи магнитных снарядов-дефектоскопов; 4) близко расположенных линий электропередач; 5) электрохимза- щиты и др. Реальные уровни индукции магнитных полей на по¬верхности изделий из сталей, склонных к намагничиванию, могут достигать значений 1-10 мТл.

При сварке столб дуги можно рассматривать как гибкий про-водник, по которому проходит электрический ток. Взаимодействие собственного магнитного поля дуги, поля сварочного контура и магнитных полей на поверхности изделий из сталей, склонных к намагничиванию, вызывает явление, называемое магнитным дуть¬ем. Это явление проявляется в отклонении дуги от намеченной зо¬ны сварки, что затрудняет сварку дугой постоянного тока, особенно при повышенных значениях силы сварочного тока, так как сила воздействия магнитного поля приблизительно пропорциональна квадрату тока. Продольное магнитное поле улучшает технологиче¬ские свойства дуги. Под действием поперечного магнитного поля повышается разбрызгивание жидкого металла из сварочной ванны, дуга отклоняется в сторону от необходимой траектории, образуют¬ся различные дефекты (несплавления, подрезы и др.), препятству¬ющие формированию качественного шва.

Применительно к процессу сварки покрытым электродом допу-стимое значение поперечной составляющей индукции магнитного поля на расстоянии 0,02 м от поверхности конструкции составляет менее 0,1 мТл. Нестабильность электрической дуги и магнитное дутье возникает при индукции магнитного поля в стыковом соеди¬нении более 2-4 мТл.

Индукцию постоянного внешнего магнитного поля изделия из-меряют с помощью магнитометра с однокомпонентным ферромо- дуляционным датчиком, а магнитное поле стыковых соединений — магнитометром с датчиком Холла.

Технические меры по снижению остаточного магнетизма свари-ваемого изделия предусматривают воздействие на него компенсаци-онных и экранирующих магнитных полей, а также размагничивание.

Компенсацию осуществляют с помощью компенсирующих сис¬тем (постоянный магнит или обмотка), создающих поле, которое взаимодействует с магнитным полем свариваемой конструкции, минимизирует результирующее поле во всех точках внешнего про-странства. Для реализации этой технологии вдоль кромок устанав-ливают постоянные магниты (магнитные скобы), суммарная масса которых иногда соизмерима с массой свариваемого изделия. При сварке трубопроводов для получения результирующего магнитно¬го поля, при котором не появляется магнитное дутье, вблизи стыка наматывают 3-5 витков сварочного кабеля, по которому пропуска¬ют ток. Процесс компенсации контролируют по показаниям датчи¬ка поля, установленного в стыке.

Метод экранирования используют при электронно-лучевой сварке.

Размагничивание является наиболее эффективным средством снижения остаточного магнитного поля, поскольку устраняется его источник — остаточная намагниченность свариваемой конструк¬ции. Эту операцию выполняют после сборки металлоконструкции. Существуют следующие способы размагничивания:

• термическое, при котором металл нагревают до температуры выше температуры точки Кюри (для стали выше 720 °С) и охлаждают до температуры окружающей среды при отсутствии внешнего магнитного поля и механического воздействия. При¬менение способа ограничено по технологическим причинам (большой размер свариваемой конструкции, термоупрочненные стали и др.);

• статическое выполняется с помощью внешнего равномерно меняющегося магнитного поля, которое создает такую намагни-ченность материала, что при удалении внешнего магнитного по¬ля она исчезает (магнитный материал перемагничивается). Спо¬соб реализуется с помощью стационарных соленоидов или вре¬менных обмоток. Выбор параметров, при котором достигается необходимый уровень размагничивания свариваемой конструк¬ции и уменьшается взаимное влияние обработки для различных направлений действия магнитных полей, требует специальной подготовки оператора и не всегда дает необходимые результаты;

• динамическое осуществляется с помощью внешнего знакопере-менного магнитного поля. Амплитуда поля уменьшается от зна-чения, соответствующего намагниченности технического насы-щения, до нуля. При таком внешнем воздействии металл пере-магничивается и в нем происходит разрушение магнитной пре-дыстории. Этот способ наиболее востребован, так как стабиль¬ность динамического размагничивания значительно выше, чем термического и статического.

Магнитодинамический процесс размагничивания реализуется за счет энергии электромагнитного поля соленоида или специаль¬ной рабочей обмотки. Для этого:

• неподвижное изделие помещают в стационарный соленоид или вращающуюся обмотку с током, регулируемым по заданной про-грамме;

• изделие перемещают относительно неподвижного контура с пе-ременным током постоянной амплитуды и инфранизкой часто¬ты, а затухания внешнего поля достигают удалением изделия от контура;

• через изделие пропускают электрический ток, изменяющийся по определенному закону.

Способы общего размагничивания, в которых используются со-леноиды или рабочие контуры, особенно чувствительны к точности поддержания параметров обработки. Даже незначительные откло-нения параметров от оптимальных значений приводят к формиро-ванию остаточной намагниченности изделия, превышающей исход¬ную в несколько раз;

• локальное используют при дуговых процессах сварки тех участ¬ков крупногабаритных конструкций, где возникает магнитное дутье. Локальное внешнее размагничивающее поле создают вит¬ками сварочного кабеля с током или катушкой с сердечником, которые подключают к источнику переменного тока. Затухание внешнего знакопеременного магнитного поля достигается уда¬лением катушки (по спирали) с места размагничивания.

Общее размагничивание изделия под сварку более эффективно, чем локальное, однако его не всегда можно реализовать в промыш-ленных условиях.

Для размагничивания металлоконструкций в промышленности применяют специализированное оборудование: установку ББЮМ, для размагничивания трубопроводов — импульсные и компенсаци¬онные установки типа «АУРА-7001-3», «КП-1420», «СУРА-БМ» с использованием больших соленоидов (40-80 кг), потребляющие значительное количество электроэнергии (>10 кВт). На процесс размагничивания после установки оборудования затрачивается от 1 до 8 минут. Такое оборудование требует не только повышенных энергозатрат и специально подготовленных операторов, но и повы-шенной трудоемкости при установке на трубопровод.

Выпускается малогабаритное устройство локального размаг-ничивания стыков труб магистральных трубопроводов УСНТ-1. Исполнительная часть устройства представляет собой намагничи-вающий блок, магнитный поток которого замыкается через магни- топроводы, полюсные наконечники и прилегающие к стыку участ¬ки свариваемых труб. Уровень магнитного поля в зазоре стыка из-меряется встроенным тесламетром на базе датчика Холла. Элек-тронное устройство, управляющее работой намагничивающего блока, анализирует поступающую с датчика Холла информацию и формирует магнитный поток, противоположный по направлению полю намагниченности труб и равный ему по величине. В резуль¬тате наложения суммарное поле в зазоре стыка становится близ¬ким к нулю (не более 2 мТл), что исключает эффект магнитного дутья при сварке.

Рис. 4.16. Схемы отклонения сварочной дуги под влиянием магнит¬ного поля сварочного контура: а — обратный провод подключен непосредственно под дугой; б, в — провод присоединен слева и соответственно справа от дуги

Влияние магнитного дутья наиболее заметно при сварке на по-стоянном токе покрытым электродом. В этом случае на магнитное дутье оказывают влияние такие факторы, как место подвода тока к изделию, толщина свариваемого металла, конфигурация изделия и другие факторы. Под влиянием магнитных полей дуга может пере-мещаться и изменять свою форму.

На рис. 4.16 показаны схемы отклонения сварочной дуги под влиянием магнитного поля сварочного контура, которые зависят от положения обратного сварочного провода на металлоконструкции. Как видно из рис. 4.16, а, обратный провод подключен непосредст-венно под дугой. В этом случае магнитное поле сварочного контура

Рис. 4.17. Схемы отклонения сварочной дуги под влиянием магнит¬ного поля сварочного контура: а, б — влияние угла наклона электрода к свариваемым поверхностям на величину отклонения столба дуги; в, г — влияние магнитного дутья при сварке угловых и стыковых швов

п дуги уравновешено и дуга не отклоняется. Если провод присое¬динен слева от дуги (рис. 4.16, б), то магнитное поле будет откло¬нять дугу вправо, и наоборот (рис. 4.16, в).

Угол наклона электрода к свариваемым поверхностям также вли-яет на отклонение столба дуги. Чем он больше, тем больше дуга вы-дувается в сторону, противоположную наклону электрода (рис. 4.17,

а, б). Изменив угол наклона электрода, сварщик может воздейство¬вать на отклонение дуги, на которую влияет магнитное поле.

М агнитное дутье оказывает влияние как при сварке угловых (рис. 4.17, в), так и стыковых (рис. 4.17, г) швов, когда дуга отклоня¬ется на одну из кромок, затрудняя сварку.

При сварке на переменном токе магнитное дутье влияет на дугу значительно слабее.

4.2.4. Холодная сварка чугуна покрытым электродом

Чугун — сплав железа с углеродом (2-5%), в состав которого входят также марганец, кремний, сера и фосфор. Некоторые чугу- ны дополнительно легируются никелем, хромом, ванадием и други¬ми элементами. Температура плавления чугуна колеблется от 1100 до 1250 °С и зависит от содержания в нем углерода. Основные мар¬ки чугунов и проблемы, связанные с его свариваемостью, описаны в разделе 1.3.

Как отмечалось ранее, не поддаются сварке так называемые го¬релые серые чугуны, которые подвергались длительное время воз¬действию высоких температур, кислот, пара, масел и др. Это про¬исходит из-за того, что чугун окисляется на всю толщину, стано¬вится рыхлым и не смачивается никаким жидким металлом. При дуговой сварке основной металл расплавляется. Образуются (ска¬тываются) шарики из основного металла и металла электрода, ко¬торые не сплавляются с основным металлом.

С помощью холодной дуговой сварки покрытым электродом (сварка и наплавка без предварительного подогрева) можно устра¬нить дефекты в чугунных отливках, а также выполнить ремонт вы¬шедшего из строя оборудования и восстановить изношенные дета¬ли. В ряде случаев электроды могут быть применены при создании сварнолитых конструкций. Как правило, получить равнопрочное соединение при сварке чугуна не удается. Электроды для холодной сварки чугуна не стандартизированы и производятся по ТУ. Основные марки электродов, выпускаемых в странах СНГ и ис¬пользуемых для холодной сварки чугуна, приведены в табл. 4.6.

Холодная сварка изделий из чугуна при отрицательных темпе-ратурах затруднена. Желателен подогрев изделия до комнатной температуры.

Разделка трещин может быть одно- и двусторонней в зависимос¬ти от толщины детали и удобства выполнения этой разделки и свар¬ки. При выборе формы разделки трещины необходимо учитывать, что глубина проплавления основного металла при сварке электрода¬ми 03 мм составляет 1,5-2,0 мм. Для механической разделки применяются фрезы или абразивные круги. Для удаления дефектов могут быть использованы покрытые электроды марок АНР-2М, АНР-ЗМ, ОЗР-1, ОЗР-2 или их аналоги, позволяющие получить и-образную разделку, выжигается масло и графит с поверхности и снижается риск образования пор и трещин при сварке (см. раздел 3.4).

При сварке деталей толщиной 5-10 мм угол разделки кромок составляет -60°, а притупление в корне шва — 1,0-2,0 мм. При сварке более толстых деталей предпочтительна ее двусторонняя разделка. Во всех случаях конец трещины фиксируется сверловкой насквозь (сверло диаметром 3-5 мм) на расстоянии 6-10 мм от ви¬димого конца трещины.

Прихватки изделий перед сваркой, если они необходимы, вы-полняются теми же электродами, которые будут использованы для сварки изделия. Длина прихваток (15-30 мм) и их расположение определяется толщиной и конфигурацией свариваемого изделия. Прихватки по сечению не должны превышать 1/2 сечения стыко¬вого или углового шва, указанного в чертеже. Прихватки с внешни¬ми дефектами или с непроваром в корне необходимо удалять, а из¬лишние размеры — зачищать до нужного размера. Удаление при¬хваток и зачистку следует производить механическим способом. Режимы выполнения прихваток и диаметр электрода такие же, как и при сварке корневых проходов шва металла такой же толщины.

Сварка трещин осуществляется участками длиной 20-40 мм с проковкой металла шва и охлаждением до температуры 50-70°С. Корневой шов не проковывается. Участки налагаются от краев тре-щины к ее середине попеременно с двух сторон. Трещины, выходя-щие на кромку детали, завариваются также участками, начиная от засверленного конца в направлении к кромке детали.

Сварщик должен следить за тщательным сплавлением между участками и равномерным оплавлением кромок изделия, удаляя шлаковую корку после сварки каждого участка. Скорость сварки выбирается из условий получения наименьшей ширины валика с учетом обеспечения его сплавления с кромками, а также отсутст¬вия подрезов и свищей.

Заварку пробоины или технологического отверстия выполняют по контуру заплаты или вставки участками длиной 20-40 мм, рас¬полагая их вразброс. При сварке чугуна со сталью дугу направляют преимущественно на чугун. Каждый участок проковывается во вре¬мя остывания несильными частыми ударами молотка с закруглен¬ным бойком.

При ремонтной сварке, если исправляемый дефект имеет боль¬шие размеры, для уменьшения количества применяемых дорого¬стоящих расходуемых материалов возможна облицовка ремонти¬руемых кромок, например электродами марки МНЧ-2, слоем тол¬щиной 3-5 мм. Дальнейшее заполнение разделки выполняется с использованием более дешевых электродных материалов (электро¬ды УОНИ 13/45).

Для сварки чугунов используются электроды из чистого нике¬ля, сплавов на основе никель-железо, никель-медь, а также меди и легированной стали. На территории Украины наиболее востребо-ванными являются электроды марок ЦЧ-4, ОЗЧ-2 и МНЧ-2.

Электроды ЦЧ-4 имеют основной тип покрытия, которое нано¬сится на стержень из проволоки Св-08А. Легирование металла шва ванадием (-9%) и марганцем (< 2%) осуществляется через покры¬тие. Коэффициент наплавки составляет 10,0 г/(А-ч). Расход элект¬рода на 1 кг наплавленного металла 1,8 кг. Предел прочности ме¬талла шва 490 МПа. Твердость наплавленного металла не более НВ 180. Перед сваркой электроды необходимо прокалить 1 ч при температуре 160-200 °С. Сварка осуществляется в нижнем поло¬жении током с1.с.+. При высоком напряжении холостого хода трансформатора (>65 В) и малой длине сварочной цепи возможна сварка а.с. током.

Электроды ОЗЧ-2 имеют кислый тип покрытия, которое нано¬сится на медный стержень. Коэффициент наплавки 13,5 г/(А-ч). Наплавленный металл (основа — медь) через покрытие легируется марганцем (< 1,8%) и никелем (< 2,0%). Предел прочности наплав-ленного металла не превышает 250 МПа, а твердость в исходном состоянии НВ 170, что позволяет легко обрабатывать его резанием. Сварка этими электродами возможна в нижнем и вертикальном положениях шва током с!.с.+.

Электроды МНЧ-2 имеют специальное покрытие, которое на¬носится на стержень из медноникелевого сплава НМЖМц 28-2,5-

I, 5 (монель-металл). Основной составляющей наплавленного ме-талла является никель (<70%); медь — остальное. В металл шва вводится также марганец (< 2,2%). Коэффициент наплавки

II, 5г/(Ач). Расход электрода на 1 кг наплавленного металла со¬ставляет 1,5 кг. Сварка этими электродами выполняется в нижнем и вертикальном положениях шва током с1.с.+. Перед сваркой элект¬роды ОЗЧ-2 и МНЧ-2 необходимо прокалить 1 ч при температуре 190-210°С.

Для холодной сварки чугуна возможно применение электродов марок ОЗЛ-25Б, ОЗЛ-27, ОЗЛ-28, предназначенных для сварки разнородных сталей и сплавов на никелевой основе, а также, при условии дополнительной проверки, электродов марки ОЗБ-2М, предназначенных для сварки медных сплавов.

4.2.6. Сварка цветных металлов и сплавов покрытым электродом

Ручная дуговая сварка алюминия и его сплавов может выпол¬няться покрытым электродом. Этот способ является наиболее про¬стым и дешевым. Сварку покрытым электродом можно выполнять в полевых условиях и в небольших ремонтных мастерских. В по¬крытие электродов входят вещества, стабилизирующие дуговой процесс и обеспечивающие газовую и шлаковую защиту сварочной ванны от взаимодействия с газами атмосферы. При необходимости через покрытие осуществляется дополнительное легирование и раскисление металла шва. Легирование металла шва в основном осуществляется выбором соответствующего состава стержня. Для электродов диаметром 1,6-3,0 мм длина составляет 225-300 мм, а диаметром 4-6 мм — 350-450 мм.

Особенности сварки алюминия и его сплавов обусловлены высо¬кой теплопроводностью (приблизительно в три раза превышающей теплопроводность низкоуглеродистой стали), что вызывает необ-ходимость подогрева детали перед сваркой и повышенной склоннос¬тью металла к образованию пор.

Покрытие электродов для сварки алюминия и его сплавов со¬стоит из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочнозе¬мельных металлов. В странах СНГ промышленностью выпускают¬ся электроды серии ОЗА и ОЗАНА (производитель — АО «Спец- электрод», г. Москва), а также электроды серии УАНА (производи¬тели — ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины и ЗАО «С.-Петер¬бургский электродный завод»).

Покрытие электродов серии ОЗА содержит хлористые и фтори¬стые соли лития и калия, которые интенсивно взаимодействуют с оксидами алюминия, переводя его в шлак. Покрытие имеет низкую прочность и высокую гигроскопичность. Электроды ОЗА-1, выпус¬каемые со стержнем из алюминиевой проволоки СвА-1, предназна¬чены для сварки изделий из технически чистого алюминия. Элект¬роды марки ОЗА-2 со стержнем из проволоки СвАКЗ, СвАК5 или СвАКЮ предназначены для сварки алюминиево-кремнистых спла-

BOB (силуминов). Коэффициент наплавки для этих электродов со-ставляет 6,5 г/(А-ч), расход электродов на 1 кг наплавленного ме* талла — 2,0 кг. При сварке необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до 250-400 °С. Сварочный ток d.c.+ для эле-ктрода диаметром 4 мм — 100-120 А, а для электрода диаметром 5 мм — 120-150 А. Электроды необходимо прокаливать 1ч перед сваркой при температуре 150-200 °С.

Покрытие электродов серии ОЗАНА также содержит хлористые и фтористые соли лития и калия. Электроды ОЗАНА-1, выпускае¬мые со стержнем из алюминиевой проволоки АД-1 и АВ-2Т, пред¬назначены для сварки изделий из чистого алюминия. Электроды марки ОЗАНА-2 со стержнем из проволоки СвАКЗ или СвАК5 предназначены для сварки алюминиево-кремнистых сплавов (си¬луминов). Коэффициент наплавки для этих электродов составляет 8,0 г/(А*ч), расход электродов на 1 кг наплавленного металла — 1,7 кг. При сварке необходим предварительный подогрев сваривае¬мого изделия не менее чем до 200 °С. Сварочный ток d.c.+ для элек¬трода диаметром 4 мм — 90-125 А, а для электрода диаметром

5мм — 120-150 А. Электроды необходимо 0,5 ч прокаливать перед сваркой при температуре 150 °С.

Электроды серии УАН А (табл. 4.7) предназначены для дуговой сварки и наплавки конструкций и деталей из деформируемых и

литейных алюминиевых сплавов. Электроды этой серии обладают меньшей гигроскопичностью покрытия и более высокими свароч- но-технологическими свойствами по сравнению с марками ОЗА и ОЗАНА. Коэффициент наплавки этими электродами составляет 6.0- 6,8 г/(А-ч), расход электрода на 1 кг наплавленного металла 2.0- 2,2 кг. Электроды обеспечивают высокую стабильность горения дуги, хорошее формирование шва при сварке в нижнем и верти¬кальном положениях и легкую отделимость шлаковой корки. Сила тока дуги и температура предварительного подогрева в зависимости от толщины свариваемого металла приведены в табл. 4.8. Перед сваркой электроды необходимо 1,0-1,5 ч прокаливать при темпера¬туре 150-200 °С. Все детали перед сваркой необходимо подогреть до температуры 100-350 °С. Температура предварительного подо¬грева зависит от размера свариваемой детали и ее конфигурации.

После прокалки электродов серии ОЗА, ОЗАНА и УАНА их не-обходимо хранить в герметичной упаковке. Время между прокал¬кой и сваркой не должно превышать 24 ч.

Для сварки всеми перечисленными выше электродами исполь-зуются источники питания дуги постоянного тока с крутопадаю¬щей ВАХ (например, ВД-306).

Наиболее часто покрытые электроды используются для сварки стыковых швов. Если можно выполнить сварку швов с двух сторон, при толщине металла до 10 мм разделку кромок не проводят. Свар¬ки нахлесточных и тавровых соединений избегают, так как в таких соединениях возможно затекание шлака в зазор между сваривае¬мыми пластинами. Удалить шлак из зазора в таких соединениях не всегда удается. Наличие шлака в зазорах приводит к интенсивному

269

 

 

коррозионному разрушению соединения. После сварки шлак уда¬ляют с помощью металлической щетки, промывая шов горячей, а затем холодной водой с последующей сушкой изделия горячим воздухом.

Ремонт трещины начинается с фиксации ее концов сверлением. Угол разделки кромок — 60-90°. Востребована разделка трещин с помощью строжки покрытыми электродами марок АНР-2М, АНР-ЗМ, ОЗР-1, ОЗР-2 или их аналогами (см. раздел 3.4). Дефект¬ный металл можно выплавлять, используя угольные или графито¬вые электроды. В результате строжки образуется и-образная раз¬делка, выжигаются поверхностные загрязнения и снижается риск образования дефектов при сварке. После строжки поверхность по¬лученной разделки зачищают шарошками, шабером или специали¬зированным абразивным инструментом, удаляя поверхностный слой на глубину 0,5-1,0 мм (см. раздел 3.4).

При выборе скорости сварки пользователю необходимо знать, что скорость плавления алюминиевых электродов примерно в 3 раза выше, чем стальных. Расплавленный металл в процессе сварки удерживают металлическими подкладками. Внутренние напряже¬ния после сварки снимают термообработкой, нагревая изделия до температуры 300-350 °С с последующим медленным охлаждением.

Сварка меди и ее сплавов может выполняться покрытым элек¬тродом. Известно, что медь имеет высокую тепло- и электропро¬водность и повышенную жидкотекучесть в расплавленном состоя¬нии (см. раздел 1.4.). Она активно взаимодействует с кислородом и водородом, что может вызвать образование пористости и микро¬трещин в металле шва. Для предотвращения образования перечис¬ленных дефектов металл шва должен быть хорошо раскислен.

Перед сваркой необходимо тщательно зачистить металл на ши¬рину 20-25 мм в обе стороны от оси шва, удалив с его поверхности слой оксидов и жиров. В случае, если необходим предварительный подогрев, зачистку и обезжиривание кромок выполняют перед его проведением. Сварку необходимо выполнять тщательно прокален¬ными электродами.

Технология и режимы сварки прихваток, выполняющихся РДС, условия их выполнения и предварительного подогрева такие же, как и при этом виде сварки корневых валиков швов на меди тех же толщин.

Для сварки меди в настоящее время наиболее востребованы электроды марки Комсомолец-100, АНЦ-ЗМ и АНЦ/ОЗМ-2,

270

 

АНЦ/ОЗМ-З, АНЦ/ОЗМ-4 (выпускаются в России). Покрытие этих электродов наносится на стержень из медной проволоки ма¬рок М1-МЗ (ГОСТ 859-78). Электроды позволяют выполнять сварку током с!.с.+ в нижнем и наклонном положениях шва.

Электроды марки Комсомолец-100 (КС-100) предназначены для сварки и наплавки технически чистой меди марок М1, М2, М3, а также сварки меди со сталью. Электроды имеют специальное по¬крытие. Коэффициент наплавки — 14,0 г/(А-ч). Расход электрода на 1 кг наплавленного металла — 1,6 кг. Электроды перед сваркой прокаливают 1 ч при температуре 160-200 °С. При сварке электро¬дом диаметром 3 мм сварочный ток 65-80 А; диаметром 4 мм — 90-120 А; диаметром 5 мм — 130-150 А. Металл шва легирован марганцем (до 5%) и кремнием (до 1%). Наплавленный металл обеспечивает достаточно высокие механические свойства (ов — 410 МПа; От — 230 МГІа; НВ 120). Электропроводность наплав¬ленного металла по сравнению с электропроводностью чистой меди составляет около 20%. Местный подогрев до температуры 300-700 °С необходим перед сваркой изделия с толщиной стенки более 4 мм.

Электроды марки АНЦ-ЗМ (близкий аналог АНЦ/ОЗМ-З) предназначены для сварки и наплавки меди технических марок, со-держащих до 0,01% кислорода, а также меди других марок и спла¬вов на ее основе. Возможна сварка меди со сталью при условии предварительной проверки. Сила тока при сварке электродами АНЦ-ЗМ, выше, чем при сварке электродами КС-100. Так, при сварке электродом диаметром 3 мм сварочный ток 160-200 А; диа¬метром 4 мм — 200-280 А; диаметром 5 мм — 330-380 А. Электро¬ды имеют специальное покрытие. Расход электрода на 1 кг наплав¬ленного металла составляет 1,76 кг. Металл шва легирован марган¬цем, кремнием и алюминием (суммарно до 1%). Наплавленный ме¬талл обеспечивает механические свойства не менее: ав — 180 МПа; ат — 80 МПа; 5 — 25%. Электропроводность металла шва в 3-5 раз выше, чем при использовании электродов КС-100. Электроды перед сваркой прокаливают 2 ч при температуре 360 °С.

Сварку меди толщиной до 10 (15) мм электродами АНЦ-ЗМ и АНЦ/ОЗМ-З выполняют без подогрева и без разделки кромок од¬но- или двусторонним швом при поступательном или возвратно-поступательном движении электрода короткой дугой на проход. Электрод располагают перпендикулярно к изделию. Желательно избегать обрывов дуги. Участки шва с кратером следует удалять

271

 

механическим способом, а затем продолжать сварку. Необходимо тщательно зачищать каждый валик шва до наложения последую¬щих. При сварке деталей разной толщины меняется угол наклона электрода или смещается ось электрода так, чтобы дуга была на-правлена главным образом на свариваемую кромку более толстой детали. Соединения толщиной 10-25 мм предварительно подогре¬вают до температуры 200-400 °С.

Электроды ОЗБ-2М', выпускаемые промышленностью, предназ-начены для сварки и наплавки бронз (в основном оловянно-фосфо-ристых), заварки дефектов бронзового литья, наплавки на сталь и заварки дефектов чугунного литья, а также могут быть использова¬ны для сварки и наплавки латуней. Сварка этими электродами воз¬можна в нижнем, горизонтальном и вертикальном положении шва током d.c.+. Они обеспечивают коэффициент наплавки 14,0 г/(А-ч), расход электрода на 1 кг наплавленного металла составляет 1,4 кг. Наплавленный металл легирован марганцем (до 1,0%), никелем (до 1,0%), оловом (до 6,0%) и фосфором (до 0,35%), обеспечивает рав- нопрочность с основным металлом (ав — 340 МПа; ст — 230 МПа; НВ 115). Перед сваркой электроды прокаливают 1 ч при темпера¬туре 350 °С.

Для сварки металлоконструкций различного назначения из безоловянных бронз, обрабатываемых давлением, БрАЖ9-4, БрАЖМцЮ-3-1,5, БрАМц9-2 и др. (ГОСТ 18175-78) и заварки дефектов литья из литейных безоловянных бронз БрА9Мц2Л, БрА10ЖЗМц2Л и др. (ГОСТ 493-79) было разработано более 20 марок электродов. Покрытие наносилось на стержни из про¬волок марок БрАМц9-2, БрАЖМцЮ-3-1,5 и БрКМцЗ-1 (ГОСТ 16130-90), а также на литые стержни одинакового состава с основным металлом. В настоящее время эти электроды про¬мышленностью не выпускаются. Пользователю необходимо знать, что при РДС покрытыми электродами бронз в зоне сварки выде¬ляется в 2-4 раза большее количество аэрозолей, содержащих мар¬ганец и др. вредные вещества, чем при использовании технологий ТИГ и МИГ.

Для сварки изделий из оловянных бронз, обрабатываемых дав-лением, Бр0ф7-0,2, БрОФ6,5-ОД5 и др. (ГОСТ 5017-74), а также заварки дефектов литья в металлоконструкциях из оловянных литейных бронз БрОбЦбСЗ, БрОЗЦ7С5Н1, Бр04Ц7С5 и др. (ГОСТ 613-79) в условиях единичного производства используют электроды из тянутой сварочной проволоки ГОСТ 16130-90 и

272

 

литых прутков диаметром 6-8 мм. Эти проволоки и прутки ис-пользуются как стержни в электродах для сварки оловянно-фосфо-ристых и оловянно-цинковых бронз, на которые наносят различ¬ные покрытия. Промышленностью выпускаются электроды марки ОЗБ-2М (см. выше). Химический состав металла, наплавленного электродами различных марок, определяется составом применяе¬мого электродного стержня и находится, как правило, в пределах его марочного состава, кроме кремния, содержание которого увели¬чивается на 0,2-0,3% за счет материалов электродных покрытий.

Для снижения вероятности образования дефектов в сварных со-единениях высокооловянных бронз применяют следующие техно-логические меры при сварке:

• используют электроды с более низким содержанием олова, чем в основном металле, или производят предварительную наплавку кромок такими электродами;

• отжигают заготовку перед сваркой;

• перед сваркой изделия с толщиной стенки более 10 мм подогре¬вают до 200-250 °С;

• сварку выполняют на пониженных режимах с охлаждением каж-дого последующего валика до 100-200 °С с последующей его проковкой;

• производят окончательный отжиг сваренного изделия или от¬ливки с исправленными дефектами.

Проблемы, связанные со свариваемостью латуней, описаны в разделе 1.4. Электроды для сварки латуней, обрабатываемых давле-нием, по ГОСТ 15527-70 и литейных латуней по ГОСТ 17711-80 (ранее ГОСТ 17711-72) в настоящее время отечественными произ¬водителями не выпускаются. В ряде случаев (если позволяют усло¬вия эксплуатации конструкции) латуни сваривают электродами для сварки бронз марки ОЗБ-2М. Сварка латуней бронзовыми эле-ктродами существенно снижает выделение оксидов цинка из зоны сварки, а также облегчает формирование шва за счет лучшей види-мости сварочной ванны. При сварке толстостенных деталей необ-ходим предварительный подогрев до 250-300 °С. Это обусловлено тем, что теплопроводность латуней в 3-3,5 раза выше, чем у стали. Подогрев снижает вероятность появления непроваров. Техника сварки латуни аналогична технике сварки меди со следующими до-полнениями. Сварка ведется предельно короткой пульсирующей дугой. Зажигание при обрыве дуги производится на ранее выпол-ненных участках шва.

273

 

4.3. Дуговая сварка неплавящимся электродом (ТИГ)

Технология сварки в среде инертных газов неплавящимся элек тродом ТИГ применяется для создания металлоконструкций и,і жаростойких и коррозионностойких сталей, а также цветных м<* таллов и их сплавов. Она обеспечивает высокие механические свойства металла сварного соединения и хороший внешний вид шва. Схема процесса показана на рис. 4.18. Технологический про¬цесс легко осваивается сварщиком.

Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности (сі.с.—) и переменном токе (а.с.) всех типов соединений в любом про¬странственном положении шва. Для сварки применяют выпрями¬тели и преобразователи с ПВАХ.

4.3.1. Общие положения техники сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов

Техника сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов ТИГ имеет свои особенности. Сварка выполняется без приса-дочного металла, когда шов формируется за счет расплавления кромок, и с присадочным металлом, подаваемым в зону горения

 

Рис. 4.18. Схема горения дуги и формирования металла шва при сварке ТИГ без присадки (а) и с присадкой (б): 1 — электрод; 2 — цанга; 3 — сопло; 4 — дуга; 5 — сварочная ванна; 6 — присадочный пруток

 

дуги в виде сварочной проволоки или присадочных прутков. При (парке корневых швов не производится поперечное перемещение конца электрода. Дальнейшее заполнение разделки осуществляем ея при минимальных поперечных перемещениях конца электрод», что обусловлено нарушением защиты зоны сварки при больших значениях амплитуды. Угол между осью горелки и плоскостью из делия составляет 60-90°. Присадочный материал подают в зону сварки под углом 10-15° к плоскости изделия. Схемы расположе¬ния присадочного материала и дуги в зависимости от положения шва в пространстве приведены на рис. 4.19. Поток защитного газа

 

Рис. 4.20. Схемы подачи присадочного прутка при сварке тонко¬листового металла (а) и толстолистового металла с разделкой кромок (б). Стрелка А указывает направление сварки

должен надежно охватывать сварочную ванну и разогретую часть сварочной проволоки. При снижении толщины свариваемого ме¬талла угол наклона горелки к изделию уменьшают. В случае сварки металла толщиной свыше 10 мм применяют правый способ сварки, располагая горелку под углом, близким к 90°, к изделию. Приса-дочную проволоку или пруток вводят не в столб дуги, а сбоку (рис. 4.20, а), осуществляя им возвратно-поступательные движе¬ния. С увеличением толщины свариваемого металла присадочным прутком совершают серповидные поступательно-колебательные движения поперек сварочной ванны (рис. 4.20, б), следя за тем, что¬бы расплавляющийся конец не уходил из струи защитного газа. Ре¬жимы сварки выбирают в зависимости от толщины, положения в пространстве и химического состава свариваемого металла.

В качестве неплавящегося электрода при сварке постоянным то-ком прямой полярности (с!.с.-) используют вольфрам, легирован¬ный торием ЭВТ-15 (АУТ-10, \УТ-20) и иттрием ЭВИ-1-ЭВИ-3 (\VY-20, \VY-40). Электроды, легированные торием и иттрием, бо¬лее стойки при сварке постоянным током. Можно использовать универсальные электроды (<1с./а.с.), легированные лантаном ЭВЛ (\VL-10) и церием (\YC-20). Конец неплавящегося электрода зата¬чивают под углом 60° на участке длиной, равной 2-3 диаметрам электрода (см. рис. 3.2). При сварке на переменном токе (а.с.) ис¬пользуют электроды из чистого вольфрама ЭВЧ (\У11), вольфрамо¬вые электроды, легированные диоксидом циркония (\VZ-3, \VZ-8), лантаном ЭВЛ (\VL-20), церием (\УС-20), торием ЭВТ-15 (\УТ-4, \YT-10) и иттрием ЭВИ-1 — ЭВИ-3 (\VY-20, \VY-40), конец кото¬рых закругляют (см. рис. 3.2).

Сварка пульсирующей (импульсной) дугой позволяет соеди¬нять тонкий металл. При выполнении этого технологического при-

276

 

 

Рис. 4.21. Схемы изменения силы и напряжения сварочного тока при импульсной сварке неплавящимся электродом (а) и формы шва в плоскости (б) и поперечном сечении (в)

ома ток большей силы включается периодически импульсами, в пе-рерыве между которыми сварочная ванна частично кристаллизиру-ется, что снижает вероятность прожогов (рис. 4.21). В паузах между импульсами поддерживается дежурная дуга с меньшим значением силы тока. Регулировка соотношения между значением рабочего и дежурного тока, а также длительности импульсов и пауз позволяет выполнять швы на весу во всех пространственных положениях.

4.3.2. Технология сварки высоколегированных сталей и сплавов

Технология сварки ТИГ обеспечивает высокое качество метал¬ла шва. К недостаткам данного технологического процесса можно отнести его относительно низкую производительность. Сварка ТИГ высоколегированных сталей выполняется током с!.с.-. Этот технологический процесс рационально применять в случае, если толщина свариваемого металла колеблется в диапазоне 0,5-5,0 мм. В некоторых случаях, используя технологию ТИГ, сваривают коль¬цевые швы изделий с толщиной стенки 100 мм и более. Для полу¬чения качественного стыкового соединения при сварке тонкого ме¬талла необходима точная сборка стыка с минимальными зазорами. Важно, чтобы смещение кромок не превышало допустимых значе¬ний. В качестве защитного газа применяют аргон (Защитный газ ДСТУ 150 14175:2004-11). Аргон обеспечивает хорошую защиту зоны сварки от воздуха при создании соединений во всех простран¬ственных положениях и стабильный дуговой процесс. Для сварки металла больших толщин используют смеси аргона с гелием или чистый гелий (Защитный газ ДСТУ 150 14175:2004-12,13).

277

 

 

При использовании технологии ТИГ в качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку и прутки, химический состав которых аналогичен основному металлу и регламентируется ГОСТ 2246-70, действующим параллельно с ДСТУ ІБО 14341:2004 (см. табл. 3.34 — 3.36). По ТУ У 05416923.029-97 выпускаются сварочные проволоки марок Св-10Г2, Св-08ГМА, Св-08Г1МА, Св-08Г2МА и Св-ЮГН, а по ТУУ 05416923.028-97 - проволоки марок Св-09ГСА, Св-09Г1СА, Св-09Г2СА и Св-08ГСНТ. Для со¬здания поверхностей с особыми свойствами используют проволоку по ГОСТ 10543-98 (см. табл. 3.38).

Прихватки при сборке изделия под сварку необходимо выпол¬нять, используя ту же присадочную проволоку и защитный газ, что и при сварке всего изделия. Кромки и зону, прилегающую к ним на ширину до 30 мм от оси шва, а также присадочный металл перед сваркой зачищают и обезжиривают. Расположение прихваток зави¬сит от конструкции изделия, а длина — от толщины свариваемого металла и обычно колеблется от 10 до 25 мм. По сечению прихват¬ки должны быть равными половине катета шва или половине сече¬ния стыкового шва. Режимы выполнения прихваток и диаметр присадочных прутков такие же, как и при сварке корневых прохо¬дов шва металла такой же толщины. Прихватки с внешними дефек¬тами или с непроваром в корне необходимо удалять, а излишние размеры — зачищать до нужного размера. Удаление прихваток и зачистку следует производить механическим способом.

С целью улучшения защиты металла от взаимодействия с возду-хом процесс сварки осуществляют на минимальных режимах. Свар¬ку следует выполнять без перерыва. При любом обрыве дуги следу¬ет ее плавно гасить, медленно перемещая горелку на ранее выпол¬ненный участок шва, и в течение 10-15 с защищать металл шва от окисления, после чего горелку отводят и прекращают подачу газа. Заделку кратера можно выполнять без присадочной проволоки, об¬рывая дугу так, как указано выше. Расход защитного газа выбирают в зависимости от положения шва в пространстве, наличия воздуш¬ных потоков, состава защитного газа и других факторов. В среднем он составляет 6-12 дм3/мин. Режимы сварки в зависимости от тол¬щины свариваемого металла приведены в табл. 4.9.

Технология сварки ТИГ позволяет получить швы с хорошо сформированным обратным валиком во всех пространственных по-ложениях, что особо значимо при сварке трубопроводов, когда до¬ступ к внутренней поверхности затруднен. Наиболее часто техно-

278

 

логию ТИГ применяют при сварке трубопроводов с толщиной стенки до 3 мм. При большей толщине стенки, используя техноло¬гию ТИГ, выполняют только корневой шов. Дальнейшее заполне¬ние разделки производят с применением других технологических решений. При зазоре между трубами не более 0,5 мм корневой шов можно сваривать без присадки. После заварки кратера горелку бы¬стро отводят в сторону, противоположную направлению сварки, и возвращают ее на прежнее место. Сварку выполняют короткой (1-3 мм) дугой. Ее зажигание и гашение осуществляют на сварива¬емых кромках или на уже заваренном шве на расстоянии 20-25 мм позади кратера. При сварке горелку следует перемещать справа на¬лево, а проволоку подавать навстречу движению. Амплитуда коле¬бания электрода при сварке корневого валика шва 0-2, последую¬щих — 2-6 мм. Для сварки используют неплавящиеся электроды диаметром 2,0-4,0 мм. Сила тока колеблется от 50 до 150 А при на¬пряжении 10-12 В. В случае, если используется присадочная про¬волока, напряжение дуги увеличивают на 2-4 В. Скорость сварки колеблется от 5 до 10 м/ч. Расход аргона для защиты зоны горения дуги составляет 8-10 дм3/мин, а для поддува — 4-5 дм3/мин.

Сварку трубопроводов из аустенитных и аустенитно-феррит- ных сталей производят с обязательной защитой обратной стороны шва специальными средствами (подача аргона внутрь трубы или применение пастообразного флюса ФП8-2 и др.). Для подачи за-щитного газа внутрь трубопровода до сборки стыка устанавливают заглушки (рис. 4.22) с обеих сторон на расстоянии 300-400 мм от места сварки.

При сварке импульсной дугой уменьшаются размеры ЗТВ, сни-жается коробление свариваемых кромок, обеспечивается хорошее формирование шва при сварке тонкостенных изделий, измельчает-

279

 

 

Рис. 4.22. Заглушки для подачи аргона внутрь трубы: 1 — металли¬ческая накладка; 2 — полая гайка; 3 — цепь; 4 — штуцер; 5 — газовый шланг; 6 — перегородка

ся и дезориентируется структура металла шва, что снижает вероят-ность образования горячих трещин.

Часто у пользователя возникает проблема, связанная со сваркой нагревательных элементов электрических печей. Восстановить их возможно с использованием технологии ТИГ, применяя в качестве присадочной нихромовую проволоку аналогичного с основным ме-таллом состава. Перед сваркой спираль нагревательного элемента тщательно зачищают абразивным инструментом, удаляя поверхно-стный слой на глубину 0,3-0,6 мм. Режимы сварки предварительно подбирают на образцах.

4.3.3. Технология холодной сварки чугуна

Холодную сварку чугуна, т. е. сварку без предварительного по-догрева, можно выполнять с помощью технологии ТИГ током сі.с.- с защитой зоны горения дуги аргоном (Защитный газ ДСТУ 1БО 14175:2004-11). Подготовка поверхностей под сварку стандарт¬ная. В качестве присадочного материала используют проволоку марки ПАНЧ-И (ТУ 48-21-593-85) или прутки и проволоку из сплава НМЖМц28-2,5-1,5 (ГОСТ 492-73), что исключает предва¬рительный подогрев изделия. Возможно применение проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 (ГОСТ 492-73).

Режимы и техника сварки аналогичны тем, которые использу¬ются при сварке ТИГ высоколегированных сталей (см. табл. 4.9). Сварку выполняют отдельными участками (валиками) длиной

 

 

20-40 мм. Сварка следующего участка производится только при охлаждении предыдущего до температуры 50-60 °С. Технология сварки ТИГ чугуна имеет дополнительные преимущества по срав¬нению с другими технологиями, заключающиеся в том, что можно локально вводить теплоту в изделие и получать очень маленький объем ванны жидкого металла, что особенно значимо при ремонте изделий сложной конфигурации со значительным перепадом тол¬щин. Качество сварных соединений высокое. В некоторых случаях для повышения производительности труда применяют предвари¬тельный подогрев изделия до температуры 100-150 °С, что позво¬ляет проводить сварку валиками большей длины (30-80 мм) и зна¬чительно сократить время перерыва между выполнением каждого следующего валика.

При ремонтной сварке чугуна, если размеры дефекта велики, используют облицовку кромок, наплавляя на них слой металла толщиной 3-4 мм проволокой марки ПАНЧ-11 или прутками и проволокой из сплава НМЖМц28-2,5-1,5. Дальнейшее заполнение полученной разделки осуществляется с использованием других технологий менее дорогими сварочными материалами.

Проблемы могут возникнуть при выполнении ремонта изделий из чугунов, которые подверглись длительному высокотемператур¬ному нагреву или работали в контакте с маслом. Присадочный металл при сварке таких изделий не сваривается с основным.

4.3.3. Технология сварки цветных металлов

Сварка меди с помощью технологии ТИГ вследствие опреде¬ленных физических свойств металла имеет свои особенности (см. раздел 1.4). Из-за высокой теплопроводности меди для ее свар¬ки необходимо применять источники нагрева с высокой тепловой мощностью. Повышенная теплопроводность существенно увеличи¬вает время, необходимое для доведения до температуры плавления места, подлежащего сварке, и способствует интенсивному охлажде¬нию металла шва и околошовной зоны, что ухудшает формирова¬ние. Из-за высокой теплопроводности меди особые требования предъявляются к типам соединений и технике сварки. Лучшее формирование швов можно получить при симметричном располо¬жении источника нагрева по отношению к свариваемым кромкам. К таким можно отнести стыковые соединения толщиной 1-25 мм или приближающиеся к ним по характеру теплоотвода в сваривае¬мые детали (рис. 4.23) угловые соединения толщиной 1-10 мм. Для

281

Рис. 4.23. Схема стыкового (а), углового (б) и торцевого (в) швов, рекомендуемых для свар¬ки деталей из меди

сварки меди толщиной 1-2 мм

применяют стыковые односто-

ронние швы с отбортовкой двух

кромок. В некоторых случаях

выполняют сварку тавровых со-

единений с толщиной металла

2-12 мм. Сварканахлесточных

соединений меди с использова-

нием технологии ТИ Г затруднена. Наиболее рационально применять этот процесс для выполнения монтажных швов «на весу», где требуется полный провар при одностороннем шве. При импульсно-дуговой сварке соединяют медь толщиной 0,3-1,2 мм.

Сварка выполняется током сі.с.- в аргоне, гелии или смеси арго¬на с гелием (Защитный газ ДСТУ ІБО 14175:2004-11,12,13). Смесь, состоящая из 30% Не + 70% Аг, обеспечивает более эффективный нагрев основного металла, увеличивая глубину проплавления и скорость сварки, чем в случае защиты зоны горения дуги аргоном. Смесь, состоящая из 50% Не + 50% Аг, еще более эффективна в ча¬сти нагрева основного металла, чем смесь, содержащая 30% Не + + 70% Аг. Смесь, состоящая из 70% Не + 30% Аг, может сущест¬венно понизить пористость, увеличить скорость сварки и умень¬шить или даже устранить необходимость подогрева при сварке меди толщиной 10-12 мм. Сварку угловых (5-10 мм) и тавровых (4-12 мм) соединений рационально выполнять в гелии.

Прихватки при сборке изделия под сварку необходимо выпол¬нять, используя ту же присадочную проволоку и защитный газ, что и при сварке. Выполнять прихватки покрытым электродом недопу¬стимо из-за образования трещин в металле шва. Кромки изделия и зону, прилегающую к ним на ширину до 30 мм от оси шва, а также присадочный металл перед сваркой зачищают и обезжиривают. Расположение прихваток зависит от конструкции изделия, а длина прихваток — от толщины свариваемого металла, а также от длины сварного соединения и обычно колеблется от 15 до 30 мм. По сече-нию прихватки должны быть равными половине катета шва или половине сечения стыкового шва. Технология и условия выполне¬ния прихваток и предварительного подогрева (если он необходим) такие же, как и при сварке заготовок меди таких же толщин. Прихватки с внешними дефектами или с непроваром в корне необходи¬мо удалять, а излишние размеры — зачищать до нужного размера. Удаление прихваток и зачистку следует производить механичес¬ким способом.

Тонкий металл можно сваривать без подогрева в аргоне. При сварке меди толщиной более 4 мм в аргоне и более 8 мм в гелии не-обходим предварительный подогрев до 250-500 °С. Температура предварительного подогрева повышается с увеличением толщины свариваемого металла. Нагрев может производиться любыми тех-ническими средствами, при этом если соединение должно быть по-догрето, то сначала свариваемые кромки обезжиривают и протира¬ют чистой ветошью.

Использование присадочной проволоки из чистой меди МО и М1 (ГОСТ 859-78) обеспечивает получение металла шва, который по химическому составу и физическим свойствам близок к основ¬ному, однако его механические свойства низкие. Наличие пори¬стости уменьшает плотность металла шва. Если в качестве при¬садки применять проволоку из бронзы БрХ0,7 или БрКМцЗ-1 (ГОСТ 16130-90), а также прутки и проволоку из медноникелево¬го сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2 (ГОСТ 492-73), то снижается тепло- и электропроводность металла шва. Использование в качестве при-садки проволоки и прутков из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2 позволя¬ет соединять медь с бронзой, латунью и сталью, а также обеспечить наплавку этого сплава на сталь. Диаметр электрода и присадочной проволоки зависит от толщины свариваемого металла (табл. 4.10).

При использовании технологии ТИГ для сварки меди в качестве присадки можно применять низколегированную проволоку сплош-ного сечения Св-МЛ0,2 (ТУ 4821/ОП-210-80) и порошковую про-

 

волоку марки ПП-АНМ 1 (ТУ ИЭС). Проволока Св-МЛ0,2 содер¬жит небольшое (0,1-0,2%) количество элементов-раскислителей, мало влияющих на снижение тепло- и электропроводности меди. Проволока рекомендована для сварки медных шинопроводов в эле-ктромонтажном производстве. Использование этой проволоки поз-воляет получить сварные соединения кислородсодержащей меди с высокими показателями пластичности. Порошковая проволока ПП- АНМ 1 относится к категории низколегированных. Наплавленный металл содержит не более 0,35% добавок. Шихта проволоки содер¬жит небольшое количество шлакообразующих компонентов, улуч¬шающих сварочно-технологические свойства проволоки. Использо¬вание этой проволоки в качестве присадочного материала обеспечи¬вает получение плотного металла шва при многослойной сварке.

Мощность дуги и тепловыделение при сварке меди в гелии при-близительно в 2 раза выше, чем в аргоне. Расход защитного газа, за-висящий от его теплофизических свойств и плотности, для аргона составляет 8-10, а для гелия — 12-30 дм3/мин.

Сварку в аргоне выполняют как углом вперед, так и углом назад при наклоне электрода по отношению к изделию на 80-90°; угол наклона присадочной проволоки 10-15°, а вылет электрода 5-7 мм. Разогрев вольфрамового электрода выполняют на графитовой или угольной пластине, после чего дугу переносят на место сварки. Сварку начинают с подогрева начального участка. Присадочную проволоку подают в зону сварки только тогда, когда на поверхнос¬ти дна разделки или предыдущего валика появится ванночка рас-плавленного металла. Корневой валик шва выполняют напроход без поперечных колебаний горелки, все остальные валики — с плавными поперечными колебаниями горелки. При сварке стыко¬вых соединений электрод располагают перпендикулярно к свари¬ваемой поверхности. При сварке угловых и тавровых соединений (при одинаковой толщине детали) — по биссектрисе угла, а при сварке угловых и тавровых соединений с разной толщиной стенки дугу смещают так, чтобы большая часть теплоты выделялась на бо¬лее толстой детали.

Во время сварки нельзя прикасаться вольфрамовым электродом к свариваемому металлу или к металлу ванны. При случайном при-косновении следует оборвать дугу, удалить механическим спосо¬бом участок шва, где произошло прикосновение электродом, обез¬жирить и протереть чистой ветошью соединение, а затем возбудить дугу и продолжить сварку.

284

 

При любом обрыве дуги следует ее плавно гасить, медленно пе-ремещая горелку на ранее выполненный участок шва, и в течение 10-15 с защищать металл шва от окисления, после чего горелку от¬водят и прекращают подачу газа. Заделку кратера необходимо про-изводить без присадочной проволоки, обрывая дугу так, как указа¬но выше.

Каждый валик шва должен очищаться и осматриваться перед наложением последующих валиков. В случае обнаружения дефек¬тов они удаляются механическим способом, после чего выполняет¬ся следующий валик шва. При сварке участками в многопроходном шве начало каждого последующего валика должно быть смещено по отношению к предыдущему на 10-15 мм.

Сварочный ток выбирают в зависимости от диаметра электрода и типа соединения. Основные режимы сварки в среде аргона при¬ведены в табл. 4.11.

Для повышения качества швов и эффективности использования теплоты дуги применяются пастообразные флюсы на основе гало- генидов щелочных и щелочноземельных металлов (АН-М15А, АН- М17А и др.). Введение в дугу фторидов (AlF3, CaF2, MnF2) сущест-

венно увеличивает ее проплавляющую способность. Применение пастообразных флюсов позволяет расширить технологические во:» можности процесса ТИГ за счет роста диапазона толщин, сварка которых возможна за один проход, а также увеличения скорости сварки.

Технология сварки ТИГ меди в среде азота особой чистоты при-меняется ограниченно из-за низкой стойкости неплавящегося эле-ктрода. Как правило, для этого процесса используют присадочную проволоку и прутки из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2.

Медь толщиной до 15 мм можно сваривать графитовым (уголь¬ным) электродом. При использовании этой технологии разогрева¬ется широкая зона основного металла, что вызывает большую деформацию изделия. Сварку ведут током d.c.- длинной дугой (10-15 мм) при напряжении 40-55 В. Сила тока составляет при толщине металла 1 мм — 130-180; при толщине 2 мм — 190-220; при толщине 4 мм — 250-330 и при толщине 6 мм — 310-430 Д. Диаметр электрода зависит от силы тока и назначается от 4 до

10 мм. Конец электрода затачивают под углом -60°. Сварку выпол-няют без остановок со скоростью 10-15 м/ч. Рекомендуется вы-полнять только односторонние швы со сквозным проплавлением свариваемых кромок. В случае сварки изделий по от