Н. В. Нечипорук, Ю. А. Воробьев, С. Н. Лашко СВАРКА ПРИ РЕМОНТЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского „Харьковский авиационный институт” Н. В. Нечипорук, Ю. А. Воробьев, С. Н. Лашко СВАРКА ПРИ РЕМОНТЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА Учебное пособие Харьков „ХАИ” 2013 УДК 621.791:629.33 (075.8) Н59 Розглянуто способи зварювання, які застосовуються при ремонті автомобільного транспорту. Подано оцінку зварюваності матеріалів автомобільних конструкцій. Описано такі способи зварювання, як дугове зварювання у середовищі захисних газів, електроконтактне і газове зварювання, техніку виконання ремонтних робіт, а також критерії вибору матеріалів, параметрів режимів зварювання, причини утворення дефектів і заходи боротьби з ними. Для студентів механічних спеціальностей при самостійному вивченні відповідних розділів курсу "Зварювання при ремонті автомобільного транспорту". Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Н. Ф. Савченко, канд. техн. наук, доц. Н. В. Рудинец Нечипорук, Н. В. Н59 Сварка при ремонте автомобильного транспорта [Текст]: учеб. пособие / Н. В. Нечипорук, Ю. А. Воробьев, С. Н. Лашко. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского „Харьк. авиац. ин-т”, 2013. – 88 с. Рассмотрены способы сварки, применяемые при ремонте автомобильного транспорта. Дана оценка свариваемости материалов автомобильных конструкций. Описаны такие способы сварки, как дуговая сварка в среде защитных газов, электроконтактная и газовая сварка, техника выполнения ремонтных работ, а также критерии выбора материалов, режимов сварки, причины образования дефектов и меры борьбы с ними. Для студентов механических специальностей при самостоятельном изучении соответствующих разделов курса „Сварка при ремонте автомобильного транспорта”. Ил. 12. Табл.12. Библиогр.: 7 назв. УДК 621.791: 629.33 (075.38) © Нечипорук Н. В., Воробьев Ю. А., Лашко С. Н., 2013 © Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского „Харьковский авиационный институт”, 2013 ВВЕДЕНИЕ Сварка является одним из наиболее прогрессивных технологических процессов создания современной техники и металлоконструкций, отличаясь высокой производительностью, большей степенью автоматизации и меньшими, по сравнению с другими процессами создания неразъемных соединений, материальными затратами. В 1920-х годах начало интенсивно развиваться автомобилестроение. Генри Форд, организовывая массовое производство на конвейере, ориентировался на применение контактной, дуговой и газовой сварки вместо клепки, с помощью которых изготавливали первые модели. Конструкции шасси, кузовов, выхлопных труб, баков и ряда других узлов и деталей сразу проектировали с учетом технологических возможностей сварки. Шасси в виде рамной конструкции первое время сваривали ацетиленокислородным пламенем, затем плавящимся электродом. Что касается ремонта автомобилей, то в начале 1930-х годов только в США насчитывалось тысячи ремонтных цехов, мастерских и станций, где применяли все известные способы сварки, пайку латунными и оловянными припоями, газовую резку. Поверхности изношенных деталей наплавляли ацетиленокислородным пламенем с присадкой из стали и латуни. Заваривали трещины и другие дефекты в алюминиевом литье (корпуса двигателей, коробок передач и т. п.). Быстрая эволюция легковых автомобилей произошла благодаря использованию сварки при их изготовлении и ремонте. Возможности сварки позволили использовать кузова в качестве корпуса автомобиля. На основе конструкций из труб появились лонжеронные конструкции, а также конструкции с центральным несущим кузовом. Благодаря сварке разработчики автомобилей смогли дешевле и быстрее экспериментировать, изменяя форму автомобиля. В настоящее время основными способами соединения силовых деталей в единый кузов автомобиля являются: 1. Дуговая сварка. Количество сварных швов на кузов автомобиля достигает 400. Чаще всего дуговую сварку применяют для соединения различных подсборок и деталей к каркасу автомобиля в ручном и автоматическом режимах. 2. Контактная точечная сварка. Число сварных точек в кузове легкового автомобиля может составлять от 3000 до 5000 штук. Основная часть сварных точек при этом (до 95%) приходится на каркас кузова. 3. Газовая сварка. Основной объем работ газовой сварки приходится на сварку торцевых соединений из тонколистового материала, где данный способ имеет ряд технологических преимуществ. 3 Кроме вышеперечисленных традиционных способов при производстве современных автомобилей применяют лазерную, ультразвуковую, сварку трением с перемешиванием и другие передовые сварочные процессы. Несмотря на увеличение использования в автомобилестроении новых конструкционных материалов, ведущую роль в производстве продолжает играть стальной прокат. Так, в среднем на украинский легковой автомобиль приходится 75% готового проката, метизов и стальных труб, а 25% составляют литейный чугун, цветные металлы, пластмасса, резина, стекло и прочие материалы. Уступая пластмассам и легким металлам по удельному весу, стальные изделия обеспечивают более высокую прочность и, соответственно, надежность и безопасность. При этом основным видом используемого металлопроката остаются листы из мягких низколегированных сталей толщиной 0,6…2,5 мм. Они легко штампуются и применяются для изготовления дверей, капота, крыши, где требуется глубокая вытяжка. Основной недостаток обычных низкоуглеродистых сталей – низкие показатели прочности: при аварии автомобиль, выполненный из таких сталей, очень сильно деформируется, вероятность получить травмы высока. Кроме того, они имеют низкую коррозионную стойкость, что требует сложных и дорогих мероприятий по защите этих деталей от коррозии. Обычно для кузова автомобиля применяются стальные листы с одно- или двухсторонним двухслойным покрытием, которое состоит из неорганического слоя на хромовой основе и слоя, насыщенного цинком на эпоксидной основе. Используют также стальные оцинкованные листы – гальванической или горячей оцинковки с толщиной слоя цинка с каждой стороны 7.5 и 10 мкм соответственно. Высокопрочные легированные стали используют в основном для деталей силового каркаса, хотя в автомобилях иностранного производства их доля уже составляет 44% (почти весь силовой каркас, защищающий пассажиров), а 25% составляют высоколегированные стали особой прочности, которые используются в наиболее ответственных участках. В целях уменьшения массы конструкции в автомобилестроении все активнее применяют алюминиевые сплавы. К примеру, в 1994 году компания Audi представила модель пассажирской машины A8, кузов которой вместо стали был полностью выполнен из алюминия. Выигрыш в весе составил 239 кг. В Audi TT только задняя часть кузова стальная, остальная часть выполнена из алюминиевого сплава. Подсчитано, что снижение массы автомобиля на 100 кг в среднем экономит 0,3 л бензина на 100 км пробега. Кроме того, при облегчении автомобиля и уменьшении соответствующих энергозатрат можно выполнить норму Европейского союза на 2012 год по выбросу углекислого газа СО2 – не более 130 г/км. 4 В автомобилестроении главным образом используют сплавы системы Al-Mg-Si серии 6000 с хорошими свойствами горячей окраски (сохраняют прочностные свойства при нагреве до 300С). В Европе для наружных деталей корпуса преимущественно применяют хорошо деформируемый сплав EN AW 6016, в США – сплавы ANSI 6111 и 6061. Для опорных рам автомобиля и других деталей, изготавливаемых с применением дуговой сварки, в настоящее время используют сплавы системы Al-Mg с содержанием магния 2…3%. Сегодня алюминий — второй материал по процентному содержанию в общем весе автомобиля и применяется в производстве кузовов и деталей подвесок, шасси, а также в блоках цилиндров и других элементах двигателя. Содержание алюминия в общем весе автомобиля будет увеличиваться год от года. Потенциал экономии веса при использовании алюминия вместо стали составляет до 42%. Однако фактически вследствие использования современных высокопрочных сталей эта цифра снижается до 24%. Кроме того, шумоизоляционные свойства алюминиевых деталей ниже по сравнению со стальными и требуются более сложные мероприятия по обеспечению необходимой акустической характеристики автомобильного салона. При массовом изготовлении автомобилей использование стали приводит к экономии стоимости. Имея хорошую деформируемость и прочность, сталь остается важным материалом в автомобилестроении. Наиболее широко в конструкции автомобилей применяют соединения внахлестку. Важными преимуществами таких соединений являются возможность смещения свариваемых элементов относительно друг друга во время сборки (для обеспечения заданного общего размера) и, таким образом, возможность исправления погрешности размеров. Для сварки нахлесточных соединений используют высокопроизводительные виды сварки – точечную и шовную. Обычно сварка выполняется с использованием подвесных точечных или многоточечных сварочных машин (в основном клещи и пистолеты для точечной контактной сварки с малым вылетом электродов). Для деталей, которые требуют герметичности (топливные баки, брызговики, крылья и т.п.), а также для заключительных работ присоединения деталей автомобиля к кузову применяют дуговую сварку в защитных газах (для сталей преимущественно в смесях углекислого газа с аргоном, для алюминиевых сплавов – в чистом аргоне). В данном учебном пособии рассмотрим основные способы сварки, применяемые для образования неразъемных соединений деталей кузова автомобиля, и свариваемость используемых в автомобильной промышленности материалов. 5 1 СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ По определению ГОСТ 29273-92 (ИСО 4063-90) 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 образуется неразъемное сварное соединение. Сближение частиц и создание условий для их взаимодействия осуществляются выбранным способом 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. Практически все технические сплавы и чистые металлы, а также достаточно широкий ряд соединений металлов с неметаллами имеют признаки физической свариваемости. Однако физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием образования соединений сварной конструкции с потребными эксплуатационными свойствами. Технологическая свариваемость характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени. К особенностям сварки, влияющим на свариваемость, можно отнести: 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 зоне термического влияния (ЗТВ); возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин; 6 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, теплофизических свойствах, структуре и механических свойствах металла шва, которые находятся в прямой зависимости от способа сварки, а также оценка структуры, теплофизических и механических свойств околошовной зоны, склонности металла к образованию трещин. Технологические факторы, влияющие на свариваемость, можно выделить в четыре группы: 1. Способ сварки и его технологические параметры (тепловая мощность источника сварки, скорость сварки, усилие осадки и т.д.). 2. Тип сварного соединения и характер подготовки деталей под сварку (способ и тип подготовки кромок, шероховатость поверхности). 3. Свойства, состав и расход сварочных материалов (тип и химический состав присадочного материала, покрытия электрода, флюса или порошковой проволоки, защитного газа, расход газа, диаметр и скорось подачи газа и т.п.). 4. Условия сварки (состав, температура и относительная влажность окружающей среды, пространственное положение сварки и т. п.). 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 на его механические характеристики, например термическая обработка при температурах, близких к температуре сварочного процесса. Эта группа способов не может дать прямого ответа на вопросы, связанные с практическим осуществлением сварки, и они могут рассматриваться только как предварительные лабораторные испытания. Оценку технологической свариваемости рассматривают с металлургических и тепловых позиций. Оценка свариваемости с металлургических позиций необходима для выбора способа и средств защиты и металлургической обработки ванны. Оценка тепловой свариваемости важна для выбора оптимального термического цикла сварки. 7 1.1 Свариваемость сталей При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей можно описать следующим образом. Углерод —- одна из наиболее важных примесей, определяющих прочность, пластичность, закаливаемость и другие важные характеристики стали. Содержание углерода в конструкционных сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание приводит к образованию закалочных структур в металле ЗТВ и появлению трещин. Сера и фосфор — вредные примеси. Повышенное содержание серы приводит к образованию горячих трещин, а фосфора — вызывает хладноломкость. Поэтому содержание серы и фосфора в низкоуглеродистых сталях ограничивают соответственно до 0,05 и 0,04%. Кремний присутствует в стали как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании он не ухудшает свариваемость сталей. В качестве легирующего элемента при содержании его в стали до 0,8...1% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов кремния, ухудшающих свариваемость. Марганец при содержании в стали до 1,0% не затрудняет процесс сварки. При сварке сталей, содержащих марганец в количестве 1,8...2,5%, возможно появление закалочных структур в металле ЗТВ и, следовательно, трещин. Хром в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7...3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12 до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки. Никель аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных — до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость. Ванадий в легированных сталях содержится в количестве 0,2...0,8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости. Молибден в сталях ограничивается 0,8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле. 8 Титан и ниобий в коррозионно-стойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин. Медь содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15…0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8...1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости. При оценке влияния химического состава на свариваемость стали, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. Для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость: Сэкв = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Cu/15 (метод МИС); Сэкв = С+ Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод); [С]х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана), где цифры указывают содержание в стали в массовых процентах соответствующих элементов. Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эквивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой технологии сварки. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняют по формуле Сефериана. По свариваемости стали условно подразделяют на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся. К первой группе относят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]х<0,38), сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного металла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой. Для конструкций, работающих в условиях статических нагрузок, термообработку после сварки не производят. Для ответственных 9 конструкций, работающих при динамических нагрузках или высоких температурах, термообработка рекомендуется. Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]х = 0,39…0,45), при сварке которых в нормальных условиях производства трещин не образуется. В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Для отливок из стали 30Л обязателен отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск). В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь подвергают местному нагреву. Термообработка после сварки разная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов стали, содержащей более 0,35% углерода, для улучшения механических свойств и обрабатываемости необходима термическая обработка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали). К третьей группе относят углеродистые и легированные стали ([С]х = 0,46…0,59) перлитного класса, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. Свариваемость этой группы сталей обеспечивается при использовании специальных технологических мероприятий, заключающихся в их предварительной термообработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для деталей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обработанном 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 характер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный подогрев до температуры 200°С. Термообработка данной группы сталей назначается по режиму, выбираемому для конкретной стали. К четвертой группе относят углеродистые и легированные стали ([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 достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку выполняют с обязательной 10 предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Перед сваркой такая сталь должна быть отожжена. Независимо от толщины и типа соединения сталь необходимо предварительно подогреть до температуры не ниже 200°С. Термообработку изделия после сварки проводят в зависимости от марки стали и ее назначения. Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конструкций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показатели определяются системой легирования теплоустойчивых сталей. По системе легирования стали можно разделить на хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые. В этих сталях значение углеродного эквивалента изменяется в широких пределах и оценка свариваемости сталей по его значению нецелесообразна. Расчет температуры предварительного подогрева выполняется для каждой конкретной марки сталей. Разделение высоколегированных сталей по группам (нержавеющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ 5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жаростойкие являются одновременно кислотостойкими в определенных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одновременно жаропрочностью и жаростойкостью при определенных температурах. Остановимся на кратких рекомендациях по технологии сварки высоколегированных сталей, которые, как уже отмечалось, подразделяются на четыре группы. Для хорошо сваривающихся высоколегированных сталей термообработку до и после сварки не проводят. При значительном наклепе металл необходимо закалить от 1050…1100°С. Тепловой режим сварки – нормальный. К этой группе сталей можно отнести ряд кислотостойких и жаропрочных сталей с аустенитной и аустенитноферритной структурами. Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650…710°С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки – нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150...200°С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10 мм. После сварки для снятия напряжений рекомендован отпуск при 650…710°С с охлаждением на воздухе. К этой группе в первую очередь можно отнести большую часть хромистых и некоторых хромоникелевых сталей. 11 Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650…710°С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050…1100°С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200…300°С. После сварки для снятия напряжений и понижения твердости сварного соединения детали подвергают отпуску при 650…710°С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050…1100°С. Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей. Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200…300°С. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки проводится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется. 1.2 Свариваемость алюминия и алюминиевых сплавов В сварных конструкциях алюминий и его сплавы используют в виде листов, 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 Аl2О3 (температура плавления – 2050°С), в результате на поверхности сварочной ванны возникает плотная пленка, препятствующая сплавлению наплавленного металла с основным. Вследствие высокой адсорбционной способности к газам и парам воды окисная пленка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы окисной пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений и их работоспособность При многослойной сварке пленка может располагаться между отдельными валиками, а также образовывать шлаковые включения в сварных швах. Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в атмосфере инертных защитных газов. Вследствие большой химической прочности соединения А12О3 восстановление алюминия из окисла в условиях сварки практически невозможно. Не удается также связать А1203 в прочные соединения сильной кислотой или основанием. Поэтому действие флюсов для сварки алюминия основано 12 на процессах растворения и смывания диспергированной окисной пленки расплавленным флюсом. В условиях электродуговой сварки в интертных защитных газах удаление окисной пленки происходит в результате электрических процессов, происходящих у катода (катодное распыление). В этих условиях возникает необходимость повышения требований к качеству предварительной обработки деталей перед сваркой в целях получения тонкой и однородной пленки по всей поверхности свариваемых кромок. Для предупреждения дополнительного окисления и засорения ванны окислами необходимо применять защитный газ высокой чистоты. Оксидную пленку можно удалять с помощью металлических щеток или шабрением. При сварке деталей из алюминиевых сплавов, содержащих магний повышенной концентрации (например сплава АМг6), перед сваркой кромки деталей и особенно их торцевые поверхности необходимо зачищать шабером. После зачистки кромки вновь обезжиривают растворителем. Та же процедура используется для подготовки электродной проволоки. Отрицательное влияние на свариваемость алюминия и его сплавов оказывает их высокая склонность к пористости. При повышенных температурах алюминий активно взаимодействует с водородом, азотом, кислородом, парами воды, углекислым газом, различными углеводами. Установлено, что наибольшее влияние на образование пор в швах оказывает водород, который растворяется в металле сварочной ванны и медленно выделяется при ее охлаждении. Растворимость водорода резко снижается 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 кристаллизационных трещин в сварных швах (особенно в термически упрочняемых сплавах). Основным источником водорода в металле шва является влага, адсорбированная поверхностью основного и электродного металлов и содержащаяся в гидратированной оксидной пленке. Для снижения содержания водорода используют ряд технологических мероприятий: травление свариваемых деталей в растворе кислоты или едкого натра; выдержка обезвоженных деталей перед сваркой не более трех суток; исключение сварки на интенсивно охлаждаемых медных подкладках, имеющих на поверхности адсорбированную влагу; подогрев детали, что увеличивает длительность пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии и способствует более полной дегазации металла; ограничение содержания водорода в основном и присадочном металлах с помощью технологий плавки и рафинирования. Предупреждению пористости при сварке может способствовать и сокращение удельной поверхности присадочной проволоки за счет 13 увеличения ее диаметра или уменьшения доли участия присадочного металла в образовании шва. В ходе проведенных в последнее время исследований установлено, 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 практически 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 механические и коррозионные свойства. Если отношение содержания 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 интерметаллиды. В результате исчезает полностью или частично свободный кремний, и легкоплавкая эвтектика не образуется вовсе или образуется в очень небольших количествах, что не оказывает значимого влияния на прочностные и деформационные характеристики кристаллизирующегося металла. Сплавы системы Al-Mg (AМг1-AМг6) имеют относительно небольшую склонность к образованию горячих трещин при сварке. Свариваемость данных сплавов осложняется повышенной чувствительностью их к нагреву и склонностью к образованию пористости и вспочиванию в участках основного металла, непосредственно примыкающих к шву, что связано в наличием в слитках молекулярного водорода. При сварке алюминиевых сплавов, содержащих магний, с применением присадочной проволоки, содержащей кремний, в металле шва и особенно в зоне сплавления появляются иглообразные выделения Mg2Si, снижающие пластические свойства сварных соединений. Неблагоприятно влияют на свойства соединений из сплавов системы Al-Mg ничтожно малые добавки натрия, которые могут попадать в металл шва через флюсы. Улучшение кристаллической структуры металла швов может быть достигнуто модифицированием в процессе сварки. Поэтому в качестве присадочного металла все большее применение находят специальные проволоки с добавками модификаторов (Zr, Ti, B, Sc). Введение этих элементов в небольших количествах позволяет улучшить кристаллическую структуру металла швов и снизить их склонность к трещинообразованию. Перемешивание металла сварочной ванны в процессе сварки с помощью внешнего магнитного поля также снижает склонность металла швов к трещинообразованию. Снижение склонности к образованию трещин и пор в металле шва при сварке сплавов системы Al-Mg-Li (1420) достигается за счет оптимизации химического состава сплава и ограничения содержания железа и кремния. 14 Высокопрочные сплавы системы Al-Si-Mg (AB, AK6, АК8 и др.) упрочняются при искусственном старении за счет выделения фазы Mg2Si. Эти сплавы склонны к образованию при сварке горячих трещин, однако, если они модифицированы титаном, то могут быть использованы для изготовления несложных сварных конструкций. Сплавы системы Al-Cu-Mg (Д1, Д16) обладают высокой склонностью к образованию горячих трещин при сварке. Временное сопротивление разрыву их сварных соединений, выполненных без последующей термической обработки, составляет около 50% временного сопротивления основного металла в термически обработанном состоянии. Соответствующий выбор присадочного материала и режима термической обработки повышает временное сопротивление основного металла до 90% от данного показателя для основного металла. При содержании меди в сплаве Д1 на нижнем уровне и легировании его титаном (до 0,1%) свариваемость сплава улучшается. Сложнолегированные сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn (B95) имеют высокую склонность к образованию горячих трещин, необходимые свойства соединений обеспечиваются длительной гомогенизацией. Применение сплавов Д16, АК8 и В95 для сварных конструкций ограничено. Для изготовления сварных конструкций широко используется сплав AMг61, обладающий хорошей свариваемостью. Некоторые термически упрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg при сварке склонны не только к образованию горячих, но и холодных трещин (задержанному разрушению), появляющихся через некоторое время после сварки. Для предотвращения образования холодных трещин применяется предварительный подогрев, при котором происходят частичное выделение и коагуляция интерметаллических 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 теплового расширения. Снижение деформаций в конструкциях может быть достигнуто за счет рационального порядка наложения швов, выбора оптимальных режимов подогрева, сварки и термообработки. Алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло- и электропроводностью, что вызывает необходимость применения больших токов и мощных машин для электроконтактной сварки. Контактную сварку (точечную и шовную) применяют для соединения листов и профильного проката преимущественно из деформируемых алюминиевых сплавов. Для повышения эффективности нагрева и плавления целесообразно сваривать эти металлы при малой длительности импульсов тока или на больших скоростях при сварке плавлением. 15 1.3 Свариваемость алюминиевых сплавов со сталями Получение сварных соединений алюминиевых сплавов со сталями связано с большими трудностями. Они заключаются в значительном различии: - температур плавления алюминия и стали. Алюминий расплавляется при температуре 660С и становится жидким прежде, чем сталь успевает как следует прогреться (температура плавления – 1500С); - коэффициентов линейного расширения соединяемых металлов, что обусловливает возникновение значительных термических напряжений по линии перехода от стали к алюминию; - теплопроводности и теплоемкости соединяемых металлов, что также способствует возникновению термических напряжений; - в наличии тугоплавкой окисной пленки, создающей включения в сварном шве. Для растворения окисных пленок применяют специальные флюсы, так как флюсы, которые применяются при сварке алюминия, легкоплавки, жидкотекучи, они плохо смачивают поверхность шва на стали и поэтому непригодны для данного металла. Соответственно стандартные флюсы, используемые для сварки стали, реагируют с жидким алюминием, резко нарушая его состав. В результате они также не могут быть непосредственно использованы при сварке стали с алюминием. Однако основным препятствием получения сварных соединений алюминия и его сплавов со сталями является химическое взаимодействие этих металлов, приводящее к необратимому образованию интерметаллических соединений по линии перехода. Алюминий с железом образует твердые растворы, интерметаллические соединения и эвтектику. Растворимость железа в твердом алюминии весьма незначительна. При температурах 225…600°С растворимость железа в алюминии лежит в пределах 0,01…0,022%. Растворимость железа в алюминии при эвтектической температуре (654°С) составляет 0,053%. При комнатной температуре железо в алюминии совсем не растворяется. При затвердевании в структуре сплавов алюминия с железом уже при незначительных количествах введенного железа появляются кристаллы соединения FeAl3 (59,18% Аl). При содержании до 1,8% железа и при 654°С образуется эвтектика Al + FeAl3. При дальнейшем увеличении содержания железа в сплавах появляются химические соединения следующих составов: Fe2Al7 (62,93% Al), Fe2Al5 (54,71 %Аl), FeAl2 (49,13% Al), FeAl (32,57% Al) и др. Присутствующее в сплавах алюминия железо всегда находится в виде химических соединений, что и определяет их механические свойства и обрабатываемость. Введение железа вызывает повышение предела прочности и твердости и резкое снижение пластичности алюминия. Железоалюминиевые сплавы, содержащие 8…10% Fe, обладают 16 незначительной пластичностью, а еще более богатые железом – весьма хрупки, из-за чего они до настоящего времени не получили практического применения. Соединение сваркой алюминия и алюминиевых сплавов со сталями с применением одного или нескольких металлов, обладающих промежуточными физико-химическими свойствами (по аналогии, например, сварки титана со сталью), невозможно. Анализ двойных и тройных диаграмм состояния показывает, что элементы, применяющиеся для легирования алюминия (Mg, Si, Си и др.), либо имеют ничтожную растворимость в железе, либо образуют одну или несколько интерметаллических фаз с ним. В связи с этим для сварки алюминия с другими металлами необходима разработка такого метода сварки, при котором на границе контакта исключается появление интерметаллических соединений. В этом смысле заслуживают внимания сварка давлением, ультразвуковая, диффузионная, контактная оплавлением (с последующим выдавливанием хрупких составляющих из стыка). В связи с этим для соединения алюминия со сталью широко используют различные методы холодной сварки (в твердом состоянии). Соединения алюминия со сталью, выполненные холодной сваркой, сейчас широко распространены, а для многих видов изделий холодная сварка является, пожалуй, единственным практически осуществимым способом. Проблемы, связанные со сваркой плавлением алюминия со сталью, удалось решить за счет использования следующих факторов: покрытия поверхности стали металлом, который хорошо совместим с алюминием; использования переходной вставки алюминий — сталь, полученной другим способом соединения. Предложенные способы сварки плавлением стали с алюминием характеризуются общими признаками нанесения на сталь промежуточных прослоек из одного или нескольких металлов, которые, однако, не исключают образования интерметаллидных фаз на границе. При этом можно получать вполне удовлетворительную статическую прочность. Но такие соединения ненадежны для конструкций, подвергающихся при эксплуатации ударным нагрузкам. В связи с этим сталеалюминиевые конструкции можно создавать, применяя прокладки из биметалла сталь — алюминий (или его сплав), который представляет собой двухслойный металл, полученный прокаткой. При таком способе производится сварка однородных металлов, например алюминиевой детали с плакировкой биметалла из алюминиевого сплава и стальной детали со стальной основой биметалла. Применение биметалла представляет собой довольно простое решение проблемы сварки алюминия со сталью. Однако нагрев двухслойной (многослойной) металлической пластины движущимся источником при сварке этих пластин или наплавке на их поверхность 17 каких-нибудь деталей вызывает образование температурного поля внутри пластины. Это температурное поле во многих случаях необходимо знать заранее, чтобы подобрать такие режимы сварки, которые не вызывали бы перегрева линии перехода от алюминия к стали, образования хрупких интерметаллических фаз и, как следствие, полной потери деформационной способности биметалла. Способ сварки стали с алюминием с помощью биметаллической вставки является достаточно простым и технологичным, однако для его применения необходимо иметь в наличии полосы или листы из биметалла сталь — алюминий. При наличии биметалла сталь — алюминий соответствующих размеров и толщины можно сваривать соединения различных типов из стали и алюминия: стыковые, тавровые и др. При этом стальная деталь приваривается к стальному слою биметаллической вставки, а алюминиевая деталь – к слою биметаллической вставки. Дуговая сварка. Сварка неплавящимся электродом соединений стали с алюминиевыми сплавами сейчас применяется редко, хотя есть хорошие результаты для соединения стали DC05 толщиной 0,8 мм со сплавом EN AW 6016 толщиной 1,15 мм. При использовании заготовок диаметром 9,5 мм достигается коэффициент вытяжки 7,9. При большей деформации появляются трещины, зарождающиеся в алюминии. Значительные успехи достигнуты при дуговой сваркопайке плавящимся электродом в инертном газе. Сваркопайка стали с алюминием, основанная на существенной разнице температур плавления алюминия и стали, позволяет создавать со стороны алюминиевого сплава сварное соединение с закристаллизовавшимся присадочным металлом, а со стороны стали — паяное. При этом процесс следует вести таким образом, чтобы деталь нагревалась выше температуры плавления алюминиевого сплава, но ниже температуры плавления стали. Наиболее простая форма соединений, выполняемых сваркопайкой плавящимся электродом, – нахлесточная. При этом деталь из алюминиевого сплава находится со стороны плавящегося электрода, а стальная деталь преимущественно нагревается за счет теплоотвода от алюминиевой. При удалении оси дуги от кромки алюминиевой детали образование интерметаллидных фаз удается уменьшить. Для достижения оптимальных свойств стыковых и нахлесточных соединений усиление шва, а также длина выхода должны соответствовать 2,5-кратной толщине листа. Статическая прочность такого соединения находится на уровне слабейшего из партнеров. Смачиваемость стали алюминием улучшается цинковым покрытием на стали. При этом жидкий алюминий растворяет цинк. Применение проволоки из цинкового сплава усложняет подачу присадки и управление геометрией сварного соединения из-за низких твердости и температуры плавления материала. В то же время при этом типе 18 присадочной проволоки уменьшалась толщина слоя интерметаллидной фазы и увеличивалась коррозионная стойкость соединения. Существенное влияние на геометрию шва и характеристики соединения имеет покрытие поверхности стального листа. На практике используют пять различных покрытий — цинк, никель, титан, алюмокремний и алюмоцинк. Термостойкие покрытия из титана и никеля после соединения частично или полностью сохраняются. Титановый слой полностью препятствует образованию хрупких железоалюминиевых фаз, но требует повышенного тепловложения, что создает над поверхностью стали высокое усиление шва, ухудшающее условия деформируемости изделия. Никелевое покрытие также препятствует росту интерметаллидных фаз. Благодаря применению флюсующих средств удается улучшить смачиваемость поверхности стальной детали и получить плоскую геометрию шва. При алюмокремниевом покрытии, позволяющем работать без флюсующих средств, образуется очень равномерная интерметаллидная фаза со средней толщиной 5 мкм. Хотя такое покрытие не имеет преимуществ перед горячим цинкованием, оно создает хорошо смачиваемые поверхности и плавный переход от шва к стальному листу, что заметно улучшает механические показатели. Одним из способов получения удовлетворительного соединения между сталью и алюминием может быть покрытие стали медью таким образом, чтобы при импульсной сварке в инертной среде получить алюминиевую бронзу со стороны алюминия. Во многих конструкциях, где дуговая сварка не может быть успешно заменена более «деликатными» способами, для соединения стали и алюминия используют биметаллические переходники, получаемые различными способами. Точечная контактная сварка. Соединение при точечной контактной сварке, как и при всех рассмотренных выше способах, происходит при совместной кристаллизации расплавленного металла соединяемых деталей. Из-за известных и упомянутых ранее причин не удается получить удовлетворительное точечное соединение стали и алюминиевых сплавов даже при сварке на конденсаторных машинах с жестким режимом. Хорошие результаты дает применение промежуточной биметаллической ленты, полученной совместной прокаткой стали и алюминия. При сварке создаются два раздельных ядра на границах алюминий – алюминий и сталь – сталь. При ограничении тепловложения можно избежать диффузионного образования интерметаллидного слоя на внутренней границе биметаллической вставки. Статические и динамические испытания таких соединений показали, что точечные соединения по прочности сравнимы с клепаными. 19 2 ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ При дуговой сварке в защитных газах электрическая дуга горит в среде специально подаваемых в зону сварки защитных газов (инертных, активных и их смеси). При этом можно использовать как неплавящийся (возможно применение присадочной проволоки), так и плавящийся электроды, и выполнять процесс ручным, механизированным или автоматическим способом. Самый простой и распространенный способ защиты зоны сварки от воздействия воздуха – струйная защита, когда защитный газ подается в сопло сварочной горелки (истечение защитного газа из сопла должно быть ламинарным). Качество струйной защиты зависит от конструкции и диаметра сопла, от расстояния между торцом сопла и сварочной ванной, от типа сварного соединения. В целях экономии дорогих инертных газов применяют горелки с внутренним и наружным соплом. Через внутреннее сопло подается инертный газ, а через наружное сопло – более дешевый защитный газ. При сварке активных металлов применяют сварочные горелки с защитными кожухами (микрокамерами), в которые инертный газ подается через отдельный газоподводящий шланг под небольшим избыточным давлением, для газовой защиты разогретого корня шва применяют подкладку c канавкой, в которую также подается инертный газ. В этом случае защищается от воздействия воздуха не только сварочная ванна, но и значительная область сварного шва и околошовной зоны, нагретых до высоких температур. Сварные швы высокого качества получают при сварке конструкций в герметичных камерах, заполненных инертным газом (камеры с контролируемой атмосферой). Камеры для сварки негабаритных изделий имеют в стенке отверстия, в которые вставлены и герметично прикреплены к стенке гибкие рукава с резиновыми перчатками, а также загрузочные и смотровые застекленные люки. После загрузки в камеру изделия и сварочных материалов люки и отверстия герметизируют, из камеры откачивают воздух, после чего ее заполняют инертным газом. Сварщик вставляет руки в резиновые перчатки, берет в камере горелку и производит сварку изделия. Для сварки длинномерных изделий применяют сборные камеры, которые собраны из нескольких секций (каждая секция имеет рукава с перчатками и смотровые люки) или переносные мягкие надувные камеры из полиэтилена, которые после установки на свариваемое изделие заполняют инертным газом. При сварке крупногабаритных изделий применяют стационарные обитаемые камеры объемом до 2000 м3. Внутри таких камер сварщики работают в специальных скафандрах с индивидуальной системой дыхания. 20 2.1 Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся электродом Сварку, как правило, выполняют на постоянном токе прямой полярности (минус на электроде) или переменном токе. Для сварки применяют выпрямители и преобразователи с падающей вольт-амперной характеристикой (ПВАХ). Общие положения техники ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом. Техника ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (ТИГ) имеет свои особенности. При сварке корневых швов не производится поперечное перемещение конца электрода. Дальнейшее заполнение разделки осуществляется при минимальных поперечных перемещениях конца электрода, что обусловлено нарушением защиты зоны сварки при больших значениях амплитуды перемещения горелки. Угол между осью горелки и плоскостью изделия составляет 60...90°. Присадочный материал подают в зону сварки под углом 15...45° к плоскости изделия. При сварке вручную конец присадочной проволоки необходимо располагать так, чтобы он постоянно находился в струе защитного газа. Режимы сварки выбирают в зависимости от толщины, положения в пространстве и химического состава свариваемого металла. Рисунок 1 – Схема ТИГ сварки Одним из технологических приемов, позволяющим выполнять сварку тонкого металла, является сварка пульсирующей (импульсной) дугой. При выполнении этого технологического приема ток большей силы включается периодически импульсами, в перерыве между которыми сварочная ванна частично кристаллизируется, что снижает вероятность прожогов. В паузах между импульсами поддерживается дежурная дуга с меньшим значением силы тока. Регулировка соотношения между значением рабочего и дежурного тока, а также длительностью импульсов и пауз позволяет выполнять швы на весу во всех пространственных положениях. 21 Технология сварки высоколегированных сталей и сплавов Сварка ТИГ с присадочным материалом и без него обеспечивает высокое качество наплавленного металла. К недостаткам данного способа можно отнести его относительно низкую производительность. Ручная аргонодуговая сварка высоколегированных сталей выполняется неплавящимся вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности (минус на электроде). Однако этот технологический процесс рационально применять в случае, если толщина свариваемого металла колеблется в диапазоне 0,5…3,0 мм. Для получения качественного стыкового соединения при сварке тонкого металла необходима точная сборка стыка с минимальными зазорами. Важно, чтобы смещение кромок не превышало допустимых значений. В качестве неплавящегося электрода используют вольфрам, легированный иттрием, лантаном или торием, в качестве защитного газа — аргон. Аргон обеспечивает хорошую защиту зоны сварки от воздуха при создании соединений во всех пространственных положениях и стабильный дуговой процесс. Для сварки металла большой толщины возможно использование смеси аргона с гелием или чистого гелия. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом в качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку и прутки, химический состав которых аналогичен основному металлу. В целях улучшения защиты металла от взаимодействия с воздухом процесс сварки осуществляют на минимальных режимах. При ручной аргонодуговой сварке ТИГ во время подачи в зону горения дуги присадочной проволоки не допускается ее вывод из зоны защитного газа. Сварку следует выполнять без перерыва. В случае вынужденного перерыва следует перекрыть ранее выполненный шов на 10…20 мм. Подачу защитного газа следует прекращать через 5 – 15 с после окончания сварки для предотвращения окисления свариваемых поверхностей. Расход защитного газа выбирают в зависимости от положения шва в пространстве, наличия воздушных потоков, состава защитного газа и других факторов. В среднем он составляет 6…10 л/мин. Режимы сварки в зависимости от толщины свариваемого металла приведены в табл. 1. Таблица 1 – Режимы ручной аргонодуговой сварки ТИГ высоколегированных сталей Толщина свариваемого металла, мм Число проходов Диаметр электрода, мм Сила тока, А Напряжение дуги, В Расход аргона, л/мин 2...6 6...12 12...20 1...2 2...6 6...16 1,6...2,0 2,0...3,0 3,0...4,0 40...80 80...120 120...200 10...11 10...11 10...12 6...8 8...10 9...12 22 Технология сварки неплавящимся вольфрамовым электродом позволяет получить швы с хорошо сформированным обратным валиком во всех пространственных положениях. Это особенно значимо при сварке трубопроводов, когда доступ к внутренней поверхности затруднен. В связи с этим процесс ТИГ (ручной и автоматический) применяют при сварке трубопроводов с толщиной стенки до 3 мм. При большей толщине стенки аргонодуговой сваркой выполняют только корневой шов. Дальнейшее заполнение разделки осуществляют с применением других технологических решений. При зазоре между трубами не более 0,5 мм корневой слой можно сваривать без присадки. После заварки кратера горелку быстро отводят в сторону, противоположную направлению сварки, и возвращают ее на прежнее место. Сварку выполняют короткой дугой 1…2 мм. Ее зажигание и гашение осуществляют на свариваемых кромках или на уже заваренном шве на расстоянии 20…25 мм за кратером. Подачу аргона начинают на 15 – 20 с раньше момента зажигания дуги и прекращают через 10 – 15 с после обрыва дуги, направляя струю аргона на кратер. При сварке горелку следует перемещать справа налево, а проволоку подавать навстречу движению. Амплитуда колебания электрода при сварке корневого слоя – 2…4, последующих — 6…8 мм. Оплавляющийся конец проволоки необходимо постоянно держать в зоне, защищаемой аргоном. Для сварки используют неплавящиеся электроды диаметром 2,4…3,2 мм. Сила тока колеблется от 90 до 150 А при напряжении на дуге 10…12 В и скорости сварки 5…10 м/ч. В случае, если используется присадочная проволока, напряжение дуги увеличивают на 2…4 В. Расход аргона для защиты зоны горения дуги составляет 8…10 л/мин, а для поддува – 4…5 л/мин. Сварку трубопроводов из аустенитных и аустенитно-ферритных сталей производят с обязательной защитой обратной стороны шва специальными средствами (подача аргона внутрь трубы или применение флюс-пасты ФП8-2 и др.). Для подачи защитного газа внутрь трубопровода до сборки стыка устанавливают заглушки с обеих сторон на расстоянии 300…400 мм от места сварки. Технология сварки алюминия и его сплавов Сварку алюминия процессом ТИГ выполняют с присадочной проволокой либо без нее. В настоящее время это один из наиболее востребованных технологических процессов, с помощью которого собирают металлоконструкции из алюминия и его сплавов. Использование сварки ТИГ позволяет получить гладкую поверхность шва с плавным переходом к основному металлу. Технологический процесс требует существенных затрат, связанных с подготовкой поверхности свариваемого металла и фиксацией кромок перед сваркой. 23 Существенные проблемы возникают и при сварке. Они связаны с процессами, направленными на разрушение плотной и тугоплавкой пленки Al2О3 (температура плавления – 2050°С), которая оказывает основное влияние на образование характерных дефектов неметаллических включений оксидной пленки в металле шва, препятствующей также сплавлению наплавленного металла с основным и между отдельных валиков при многослойной сварке. Высокое сродство алюминия с кислородом препятствует удалению пленки в процессе сварки путем его раскисления, поэтому при сварке алюминия необходимы другие способы для ее разрушения и удаления. Установлено, что оксидная пленка разрушается под действием тока обратной полярности, когда основной металл является катодом. Однако в этом случае на электроде выделяется большее количество теплоты (60…75 %), чем на изделии, и в результате происходят его интенсивное расплавление, испарение и разрушение. Поэтому сварку алюминиевых и магниевых сплавов неплавящимся электродом выполняют синусоидальным током промышленной частоты от специализированных источников с ПВАХ. Когда электрод является анодом (обратная полуволна), оксидная пленка разрушается, а электрод «нагревается». Когда электрод является катодом (прямая полуволна), оксидная пленка не разрушается, но электрод «остывает». Особенности горения дуги переменного тока обусловлены различными физическими свойствами электрода и изделия. В полупериоде, когда катодом является нагретый вольфрам, дуга вследствие значительной термоионной эмиссии возбуждается при низком напряжении. В следующий полупериод, когда катодом является холодный металл (например алюминий) с минимальной термоионной эмиссией, возбуждение дуги требует значительного пика напряжения. В результате кривая напряжения имеет несимметричную форму, что, в свою очередь, приводит к появлению в сварочной цепи постоянной составляющей тока. Наличие постоянной составляющей изменяет рабочие характеристики трансформатора, поэтому для сварки на переменном токе используют специализированные источники питания. При соблюдении всех перечисленных выше требований и строгого контроля электрических параметров дугового процесса технология обеспечивает высокое качество швов. Сварку ТИГ алюминия и его сплавов можно выполнять пульсирующим сварочным током прямоугольной формы (рис. 2, а). Для этого используют специализированные источники, позволяющие независимо регулировать параметры тока прямой и обратной полярностей, а также их длительность независимо друг от друга. Под действием пульсирующего тока периодически изменяется объем сварочной ванны, нарушается ламинарность потоков в ее нижней части, дробится оксидная пленка и 24 выносится на поверхность сварочной ванны, где она подвергается катодному разрушению под воздействием дуги. Пульсация дуги может быть реализована также за счет асимметрии переменного сварочного тока, его низкочастотной модуляции или изменения амплитуды импульсов тока прямой полярности (рис. 2, б, в). Преобладание составляющей тока прямой полярности приводит к увеличению глубины проплавления и скорости сварки, а также к повышению стойкости вольфрамового электрода. Преобладание тока обратной полярности интенсифицирует очистку свариваемого металла от оксидной пленки и улучшает внешний вид шва. При переходе от синусоидальной формы тока к прямоугольной длительность нарастания и падения тока сокращается. Это способствует более интенсивному катодному разрушению оксидных пленок в процессе сварки. Применение асимметричного разнополярного тока прямоугольной формы (рис. 2, г) на режимах с преобладанием импульсов обратной полярности создает условия для лучшей дегазации сварочной ванны, что позволяет получить более плотный металл шва. Наиболее значимые результаты обеспечиваются, когда для сварки используют ток низкочастотной модуляции частотой 1…8 Гц. При асимметричном токе применяют те же горелки и технологические решения, что и при обычной аргонодуговой сварке переменным током. 25 I, A tи Iип tп t, с а Iио I, A Iи tп =0,02...0,1 tи =0,003...0,006 Iбп t, с Iбо Тб I, A Iи б Iб t, с Ти I, A tи =0,003 tи в tп fм t, с г Рисунок 2 – Виды пульсирующего тока Таблица 2 – Марки проволок для сварки ТИГ/МИГ одноименных алюминиевых сплавов Марка Марка сварочной свариваемого проволоки металла СвА97 А99 СвА85Т, СвА5 СвАМц CвAMг5 АД0, АД1 СвАМг6 СвАМг6 СвАМг63 СпАМг61 СвАК3, СвАК10 Св1557, СвАМг5 Свойства сварных соединений Высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах Высокая стойкость к образованию трещин АМцС, АМц АМг3 То же Высокая прочность и высокая стойкость к образованию трещин AMг5 То же AMг6 Высокая прочность и ударная вязкость, а также повышенная стойкость к образованию трещин и пор АМг61 Высокая прочность и повышенная коррозионная стойкость в морской воде АВ, АД31, АД33 Высокая стойкость к образованию трещин 1915 То же Марку присадочной проволоки выбирают в зависимости от состава свариваемого металла. В качестве защитного газа применяют аргон, смесь аргона и гелия и гелий, в качестве неплавящегося электрода – вольфрам, легированный торием, лантаном, иттрием или другими элементами. Допустимые максимальные значения переменного сварочного тока в зависимости от состава и диаметра неплавящегося вольфрамового электрода представлены в табл. 3. Таблица 3 – Марки проволоки для сварки ТИГ/МИГ разноименных алюминиевых сплавов, обеспечивающие сварным соединениям повышенную стойкость к образованию горячих трещин Рекомендуемые марки сварочной проволоки Марки свариваемых сплавов Рекомендуемые марки сварочной проволоки Марки свариваемых сплавов СвА5 СвАМг6 СвАМг6 СвАМг6 СвАМг6 СвАМг6 АД0+АМц АД0+АМгЗ АД0+АМг5 АД0+АМг6 АМц+АМг3 АМц+АМг6 СвАМг6 СвАМг6 СвАМг6, Св1557 СвАК5 СвАМг6 СвАМг6 АМг3+АМг5 АМ г3+AMг6 АМг5+1915 АД31+АМцС АД31+АМг3 АД31+АМг5 26 Таблица 4 – Допустимые значения силы переменного сварочного тока (А) в зависимости от марки и диаметра электрода Диаметр электрода, мм 1,0 1,6 2,0 3,0 4,0 6,0 ЭВЛ 10 ЭВТ 13 ЭВИ 65…75 80…100 140…160 160…200 200…220 300…340 65…75 80…100 140…160 160…200 200…220 300…340 70…80 100…150 150…210 210…260 300…350 410…480 Технология сварки ТИГ имеет существенные преимущества перед сваркой алюминия покрытым электродом или газовой сваркой, так как может быть использована для создания любых типов сварных соединений. При ее выполнении отсутствует шлак, который может вызвать дальнейшее коррозионное разрушение металлоконструкции. Наиболее слабым участком сварных соединений термически упрочненных и нагартованных алюминиевых сплавов является околошовная зона, разупрочняющаяся под воздействием термического цикла сварки. Прочностные свойства сварных соединений термически упрочненных и нагартованных сплавов становятся практически такими же, как и у отожженных или горячекатаных. Перед началом сварки дугу зажигают на технологической пластине. После достаточного нагрева конца вольфрамового электрода, не перерывая горения дуги, ее переносят на изделие. Длина выступающего из сопла конца вольфрамового электрода должна составлять 3…8 мм. При сварке стыковых швов следует уменьшать вылет электрода до минимально возможного значения. Перед началом сварки необходимо в течение 20 – 30 с продуть газовый шланг инертным газом для удаления скопившегося в нем воздуха и паров воды. Сварку алюминия и его сплавов толщиной 1…10 мм в нижнем положении выполняют «левым способом». Сварку термически упрочненных и нагартованных сплавов следует проводить с максимально возможной скоростью при минимальной поверхности сварочной ванны. Вольфрамовый электрод необходимо располагать под углом 60…80° к свариваемому изделию. Угол между вольфрамовым электродом и присадочным прутком должен составлять 80…90°. При сварке металла толщиной 7…10 мм и более места прихваток рекомендуется предварительно подогреть пламенем газовой горелки в зависимости от материала до температуры 350С (А99, АД00, АД0), до 200…250С (АМцС) и до 100°С (AMг1, АМг2, АМг3, АМг5). Выполненные прихватки перед сваркой должны быть зачищены шабером. Норы и трещины в прихватках не допускаются. При сварке металла толщиной 27 более 10 мм рекомендован сопутствующий подогрев до температуры 300…350°С для А99, 200…250С для сплава АМцС и 100С для сплавов типа АМг. Сварку следует проводить без резких обрывов дуги и перерывов. Если же он произошел, то следует перекрывать ранее выполненный шов на 10…20 мм. Для предотвращения образования трещин в кратерах необходимо заканчивать шов с интенсивной подачей в сварочную ванну присадочной проволоки до образования в кратере утолщения. Заплавлять кратер по окончании сварки необходимо плавным увеличением длины дугового промежутка. После сварки лишний наплавленный металл удаляют механическим способом. После обрыва дуги при окончании сварки подачу защитного газа прекращают через 5 – 15 с только после остывания вольфрамового электрода. При сварке алюминия и его сплавов режимы сварки могут быть даны лишь ориентировочно, так как вследствие большой теплопроводности на режим сварки кроме толщины значительное влияние оказывают конфигурация и размеры изделия. Средние показатели режима при выполнении однопроходных стыковых швов в случае сварки ТИГ алюминия в аргоне приведены в табл. 5. Таблица 5 – Режимы сварки ТИГ стыковых швов алюминия и его сплавов Тип сварного соединения Стыковое с отбортовкой Стыковое двустороннее без подкладки Диаметр Диаметр Толщина неплавящегося присадочной металла, электрода, проволоки, мм мм мм Расход аргона, л/мин 1,0 1,6…2,0 - 50…75 4…5 2,0 2,0…3,0 - 60…90 5…6 3,0 3,0…4,0 2,5…3,0 100…140 7…8 6,0 4,0…5,0 3,0…4,0 250…270 8…10 5,0 4,0…5,0 180…220 10…12 5,0 4,0…5,0 180…220 10…12 6,0 То же 240…280 10…12 2,0 2,0…3,0 1,6…2,0 100…120 3…6 3,0…4,0 3,0…4,0 2,0 120…140 7…8 7,0…8,0 5,0…6,0 4,0 280…300 8…12 Стыковое одностороннее с 5,0…12.0 разделкой кромок и подваркой Стыковое 8.0…16,0 двустороннее с разделкой кромок То же Тавровое и нахлесточное Сила тока, А 28 При большом количестве сварных швов в изделии необходимо соблюдать такую последовательность: вначале выполнять более длинные швы большего сечения, затем более короткие швы меньшего сечения; при сварке близкорасположенных швов второй шов выполнять после того, как остынет первый. Необходимо обеспечить надежную газовую защиту зоны горения дуги. При повышенной скорости сварки защитный газовый поток отклоняется и в зону горения дуги попадает воздух, вызывая ускоренное окисление вольфрамового электрода и металла сварочной ванны. При сварке в гелии, которую выполняют короткой дугой, дуговой процесс характеризуется высокой концентрацией энергии, что приводит к увеличению глубины проплавления и скорости сварки. Сварку, как правило, выполняют в автоматическом режиме от специализированных источников питания, снабженных системой автоматического регулирования напряжения дуги. Температурно-временной режим процесса способствует меньшему разупрочнению основного металла и формированию более узких швов по сравнению со швами, полученными сваркой в аргоне. Прочность соединений при этом на 10…15% выше, чем при аргонодуговой сварке. Расход газа при сварке в гелии увеличивается в 1,8 – 2,2 раза по сравнению с технологией сварки в аргоне. Сварка алюминия ТИГ обеспечивает наиболее высокие механические показатели металла шва. Так, при сварке сплава типа АМг6 предел прочности сварного соединения достигает 85…95% прочности основного металла. Применение в качестве присадочных материалов современных сплавов, легированных скандием, повышает прочность металла швов на 20…30 МПа. 2.2 Дуговая сварка в инертных газах плавящимся электродом Сварку в инертных газах плавящимся электродом (МИГ, ДСТУ ISO 14175:2004-11, 12, 13) используют в основном для сварки высоколегированных сталей, а также алюминия и его сплавов. Независимо от соединяемого металла и защитного газа при использовании этого процесса сварки существуют общие элементы технологии: обеспечивается надежная газовая защита при расстоянии между торцом сопла горелки и свариваемым металлом 8…15 мм; токоподводящий наконечник располагается либо на уровне края сопла или с выходом за пределы края сопла на 2…4 мм, а при сварке толстолистовых конструкций с глубокой разделкой выход токоподводящего наконечника за край сопла может составлять 5…10 мм; металл толщиной до 4 мм сваривают короткой дугой в режиме, характеризующемся периодическим замыканием дугового промежутка; 29 при сварке металла большей толщины значение тока дуги превышает критическое, что позволяет обеспечить мелкокапельный и струйный перенос электродного металла через дуговой промежуток и увеличить проплавление основного металла; сила тока определяется скоростью подачи электродной проволоки и ее диаметром, а напряжение дуги регулируется с помощью источника питания; сварку плавящимся электродом осуществляют с продольными и поперечными колебаниями конца электрода, что облегчает удержание сварочной ванны в положениях, отличных от нижнего, и формирование корневого шва при сварке на весу. Характер этих колебаний зависит от положения шва в пространстве, формы разделки и толщины металла; применение импульсных источников питания дуги облегчает сварку во всех пространственных положениях. При сварке швов в нижнем положении стыковые соединения выполняют с наклоном электрода углом вперед или углом назад (5…20°). Увеличение угла наклона до 30° и более ухудшает устойчивость процесса сварки и эффективность газовой защиты. Минимальная толщина свариваемого металла составляет 0,8 мм. При сварке металла толщиной до 4 мм применяют электродную проволоку диаметром 0,8…1,2 мм. Металл толщиной до 10 мм можно сваривать как без разделки, так и с V-образной разделкой кромок. При большей толщине свариваемого металла применяют V-образную и Х-образную разделку кромок с углом раскрытия 50…90°. Нахлесточные соединения металла толщиной до 1,5 мм рекомендуется сваривать на подкладке, направляя дугу на верхнюю кромку. Металл большей толщины сваривают наклонным электродом, направляя дугу в угол, образуемый срезом верхнего листа. Угловые соединения выполняют «в лодочку» и с наклоном электрода на 50…60° к полке. При сварке тонколистового металла дугу направляют в угол. При сварке более толстого металла (более 5 мм) для предотвращения образования подрезов электрод направляют в сторону полки. При сварке швов в вертикальном положении применяют электродную проволоку диаметром 0,8…1,2 мм, используя режимы, обеспечивающие частые короткие замыкания дугового промежутка или импульсно-дуговой процесс. Металл толщиной 1…2 мм сваривают сверху вниз, а металл большей толщины — снизу вверх. При сварке снизу вверх металла толщиной до 4 мм поперечных колебаний концом электрода не выполняют. С увеличением толщины свариваемого металла выполняют разводку концом электрода полумесяцем вверх или полумесяцем вниз. Корневой шов при соединении высоколегированных сталей толщиной более 6 мм рекомендуется выполнять неплавящимся электродом. Составляющие параметров режима сварки должны быть минимальными. 30 При сварке швов в горизонтальном положении швы на металле толщиной 1…6 мм выполняют тонкой проволокой с использованием режимов, для которых характерны частые короткие замыкания дугового промежутка. При сварке металла толщиной более 4 мм необходим скос кромки верхнего листа. Сварку выполняют электродом, наклоненным сверху вниз. Металл толщиной более 6 мм соединяют многопроходным швом. Сварку швов в потолочном положении выполняют проволокой диаметром 0,8…1,0 мм с использованием режимов, для которых характерны частые короткие замыкания дугового промежутка, или импульсной дугой. Напряжение горения дуги – минимальное. Сварку выполняют наклонным электродом (5…25°) углом назад. Металл толщиной до 4 мм сваривают без поперечных колебаний конца электрода, а большей толщины — с колебаниями многопроходным швом. Характер движения горелки относительно сварного соединения находится в прямой зависимости от вида соединения, количества слоев и положения шва в пространстве. Техника механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитного газа (МИГ) заключается в поступательном перемещении конца электрода вдоль оси шва, совмещенном с возвратно-поступательными движениями, а также его движением по спирали, змейкой и другими видами перемещений. Колебание электрода позволяет снизить перегрев металла сварочной ванны и в то же время получить за один проход шов большего сечения, чем при сварке без колебаний. Применение того или иного вида перемещения электрода зависит от толщины свариваемого металла и количества слоев шва. При сварке тонкого металла применяют поступательное перемещение электрода с заданной скоростью и неизменным расстоянием между мундштуком и изделием. Однослойные швы, а также подварочные слои многослойных швов выполняют при возвратнопоступательном перемещении электрода (без поперечных колебаний). Средние слои многослойного шва выполняют путем перемещения электрода по вытянутой спирали, а верхний слой – змейкой. Величины перемещений (шаг и амплитуда) выбирают в зависимости от размера сварочной ванны и ширины разделки шва. Отклонение электрода от вертикали при сварке углом назад увеличивает не только глубину проплавления основного металла, но и несколько ширину шва; при наклоне же электрода углом вперед значительно уменьшается глубина проплавления и увеличивается ширина шва. При сварке углом назад слева направо удобно наблюдать за формированием шва и неудобно за разделкой кромок. При сварке углом вперед справа налево улучшается возможность наблюдения за разделкой и ухудшается – за формированием шва. 31 При выполнении первого слоя многослойного шва, а также при сварке тонкого металла для уменьшения глубины проплавления и получения необходимой формы шва целесообразно применять сварку углом вперед справа налево, используя при этом минимальный сварочный ток. При сварке тавровых соединений используют те же приемы, что и при сварке стыковых швов. Однако угол между вертикальной стенкой изделия и осью электрода должен быть в пределах 25…35°. Современное оборудование облегчает выполнение сварки МИГ за счет возможности управления переносом металла через дуговой промежуток, которая реализуется путем изменения по определенной программе тока и напряжения дуги. Процесс можно выполнять с наложением на дугу как импульсов одинаковых параметров, так и групп импульсов различных параметров. В зависимости от силы тока и напряжения во время импульсов и пауз скорость плавления электродной проволоки и длина дуги могут существенно изменяться. Наложение импульсов на дугу и управление процессом могут проводиться по жесткой программе и программе с автокоррекцией. Использование импульснодугового процесса облегчает сварку в положениях, отличных от нижнего, а также сварку тонкого металла. Надежность защиты зоны сварки газом является определяющим фактором, обеспечивающим получение металла шва высокого качества. Защищать сварочную ванну необходимо до ее полного затвердевания. Как отмечалось ранее, защита расплавленного металла осуществляется потоком защитного газа, подающегося в зону сварки из сопла горелки. Истечение газов из сопла горелки носит турбулентный характер. С наружной стороны струя газа смешивается с воздухом, и только внутренняя ее часть состоит из чистого защитного газа. Установлено, что длина участка чистого газа в 1,5 – 4 раза больше диаметра сопла горелки. Форма потока газа и эффективность защиты зависят от рода защитного газа, типа сварного соединения, скорости сварки и движения окружающего воздуха (наличия ветра или сквозняка). При использовании углекислого газа или азота легче обеспечить надежную защиту зоны горения дуги, чем при сварке в аргоне. Наиболее трудно защитить зону горения дуги при сварке в гелии. При сварке угловых швов с внутренней стороны угла и стыковых швов защита намного лучше, чем при сварке угловых швов с наружной стороны угла. При завышенной скорости сварки эффективность защиты зоны горения дуги снижается. При наличии ветра или сквозняка эффективность защиты зависит от жесткости струи защитного газа, ее размеров и расстояния от торца горелки до свариваемого изделия. Жесткость струи определяется родом защитного газа и повышается с увеличением скорости его истечения. Поэтому при увеличении диаметра сопла необходимо одновременно повышать расход газа. Однако при чрезмерном росте скорости потока 32 газа (скорость потока газа возрастает с увеличением расхода газа и снижением диаметра сопла) вследствие турбулентности уменьшается размер зоны чистого газа и снижается эффективность защиты зоны горения дуги. При уменьшении расстояния между горелкой и деталью защита улучшается. Как отмечалось выше, исходя из условий наблюдения за дугой, это расстояние обычно принимают равным 10…30 мм. Наклон горелки углом вперед улучшает защиту зоны сварки. При большом наклоне горелки углом назад и повышенных скоростях истечения защитного газа наблюдаются подсос воздуха в зону сварки и нарушение защиты. Для защиты от ветра в монтажных условиях зону сварки защищают малогабаритными щитками или устанавливают со стороны ветра переносные палатки. Эффективность защиты зоны горения дуги и расплавленного металла также определяется конструкцией и размерами горелки, которые выбирают с учетом рода защитного газа, типоразмера сварного соединения и режима сварки. Технология сварки высоколегированных сталей Сварку высоколегированных сталей с использованием процесса МИГ в аргоне, гелии и их смесях рационально применять, когда создаваемая металлоконструкция изготавливается из сталей, содержащих элементы с высоким сродством к кислороду, т.е. аустенитные хромоникелевые стали и сплавы. Они имеют малую теплопроводность, высокий коэффициент линейного расширения и большое удельное сопротивление. В результате при сварке наблюдаются перегрев металла зоны термического влияния (ЗТВ) и большое коробление изделия. Основные проблемы при сварке возникают из-за образования трещин в металле шва и ЗТВ. Тип проволоки для сварки выбирают, исходя из состава основного металла и требований, предъявляемых к сварным соединениям. Для уменьшения склонности к образованию трещин следует тщательно готовить соединение под сварку, свести к минимуму попадание водорода в металл шва и снижать уровень напряжений, возникающих при сварке. Последнее достигается выполнением швов на минимальных режимах. Стали типа 18-8, 18-10, 17-13-2 и 17-13-3 хорошо свариваются плавящимся электродом в аргоне проволоками сходного состава. Оптимальные результаты обеспечиваются при импульсно-дуговой сварке, которая способствует некоторому измельчению структуры металла шва и снижает перегрев околошовной зоны. Процесс выполняют при полном остывании каждого из слоев, а для улучшения результатов ускоряют остывание металла швов. После выполнения сварки изделия рекомендована его термообработка при температуре 650С в течение 2 ч. Швы, выполненные плавящимся электродом в аргоне, смеси аргона и гелия и гелии, а также сваркой в смеси аргона и кислорода, обладают 33 повышенной стойкостью к межкристаллитной коррозии и равнопрочны основному металлу. Технология сварки алюминия При сварке алюминия плавящимся электродом (МИГ) по сравнению со сваркой неплавящимся электродом (ТИГ) повышается производительность, снижается тепловложение в свариваемый металл и уменьшаются остаточные напряжения и деформации. При этой технологии возможна сварка металлоконструкций самой сложной конфигурации во всех пространственных положениях. Технология эффективна при изготовлении тавровых и нахлесточных соединений. Зону горения дуги при сварке алюминия и его сплавов защищают аргоном, гелием или смесями на основе этих газов. Алюминий и его сплавы с марганцем хорошо свариваются с использованием МИГ процесса. Основные проблемы, с которыми сталкивается технолог при сварке, — это образование пор, располагающихся преимущественно внутри шва вблизи границы сплавления его с основным металлом и у поверхности шва. Основными причинами их образования являются высокая растворимость водорода в расплавленном металле и резкое скачкообразное ее снижение при кристаллизации расплава, а также медленное выделение газов при охлаждении сварочной ванны. Для предупреждения пористости перед сваркой основной металл и проволоку тщательно очищают от оксидов и других загрязнений. Время между очисткой основного металла и проволоки и началом выполнения сварки ограничено. Непосредственно перед сваркой кромки обезжиривают. При сварке толстолистового металла (более 20 мм) применяют предварительный подогрев до температуры 200...400°С. В случае применения для защиты зоны горения дуги гелия или гелийаргоновых смесей (>50% Не) также наблюдается снижение количества пор в металле шва. Это связано с тем, что температура сварочной ванны при увеличении концентрации гелия в смеси возрастает, а количество капель электродного металла снижается. При этом увеличивается время существования сварочной ванны и улучшается ее дегазация. Количество пор в металле шва снижается в 2 – 8 раз. Положительные результаты достигаются при использовании импульсно-дуговой сварки МИГ алюминия и его сплавов благодаря меньшему уровню тепловложения по сравнению со сваркой ТИГ. За счет более высокой концентрации энергии в источнике нагрева достигается минимальное разупрочнение основного металла и снижение сварочных деформаций. Изделия сваривают по возможности без перерывов. При вынужденных перерывах перекрывают ранее выполненный шов на 15…70 мм (в зависимости от толщины свариваемого металла), это перекрытие шва 34 или прихваток обеспечивает их полное расплавление. При сварке емкостей в первую очередь необходимо выполнять продольные швы, а затем – кольцевые стыки. Начинать и заканчивать сварку прямолинейных швов следует на технологических пластинах, приваренных встык к торцу изделия. Односторонняя сварка выполняется на подкладке. Необходимо предусмотреть формирование обратного валика с противоположной стороны шва. Двустороннюю сварку стыковых соединений выполняют на подкладке, причем после сварки с одной стороны корень шва удаляют механическим способом, места сварки промывают растворителем, после чего выполняют сварку с обратной стороны. При многослойной сварке поверхность каждого предыдущего шва должна быть тщательно зачищена механическим способом с последующей промывкой места сварки растворителем. Длина видимой части дуги при механизированной сварке — 2…8 мм, расстояние от торца сопла до изделия – 5…15 мм. Сварку проводят как углом вперед, так и углом назад. Угол наклона оси горели к изделию – 75…90°. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Металл малой и средней толщины сваривают в аргоне, а большой – в смеси аргона и гелия. Силу тока выбирают в зависимости от толщины металла. С увеличением диаметра электрода уменьшаются напряжение на дуге и скорость сварки, а сила тока дуги возрастает. Средние показатели режима сварки алюминиевых сплавов в аргоне в нижнем положении приведены в табл. 6. Таблица 6 – Режимы сварки стыковых и угловых швов в нижнем положении № п/п 1 2 3 4 5 Толщина Диаметр металла, электрода, мм мм 3,0 4,0 6,0 2,5…3,0 4,0…5,0 1,2 1,2…1,6 1,6…3,0 1,0…1,4 1,2…1,6 Сила тока, А Напряжение, В Вылет электрода, мм 50…80 80…150 160…250 50…100 100…200 15…18 18…20 23…26 16…18 18…22 10…15 12…18 15…30 10…15 12…18 Расход защитного газа, л/мин 7…9 8…10 12…14 6…8 10…12 Металл толщиной до 5 мм сваривают без поперечных колебаний, а большей толщины – с колебаниями. Для сварки выбирают состав проволоки, близкий к свариваемому металлу. При сварке МИГ чистого алюминия и сплава алюминия с марганцем обеспечивается прочность сварных соединений на уровне 85...95% предела прочности основного металла. Свариваемость алюминиево-магниевых и литейных сплавов несколько хуже. Сплавы типа АМг не склонны к образованию трещин, но 35 обладают повышенной склонностью к образованию пор, возникающих при попадании в зону сварки водорода, кислорода и азота. Состав проволоки выбирают с учетом более интенсивного выгорания магния из сварочной ванны. Прочность сварных соединений сплавов типа АМг в среднем составляет 75...90% предела прочности основного металла. Термически упрочняемые сплавы и дуралюмины относятся к плохо сваривающимся вследствие их склонности к образованию трещин и разупрочнению в металле ЗТВ. Склонности к образованию трещин при сварке этих сплавов уменьшаются при использовании проволок с высоким содержанием кремния марок СвАК5, СвАК10 и СвАК12. Уменьшение разупрочнения в металле ЗТВ достигается в результате применения импульсно-дуговой сварки на минимальных режимах. Прочность сварных соединений этих сплавов существенно ниже и составляет 57…72% прочности основного металла, однако она может быть повышена путем термической обработки изделия после сварки. 2.3 Дуговая сварка сталей плавящимся электродом в углекислом газе В настоящее время одним из наиболее востребованных технологических процессов, используемых в единичном, мелкосерийном и серийном производстве, является сварка МАГ (плавящимся электродом с защитой зоны горения дуги углекислым газом). Суть способа заключается в том, что электрическая дуга и расплавленный металл защищены от взаимодействия с окружающим воздухом углекислым газом. С металлургической точки зрения углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие за счет соприкосновения со смесью газов (СО, О2, О), образующихся при диссоциации углекислого газа в дуге. Эта смесь является активным окислителем по отношению к расплавленному металлу в зоне плавления. Из легирующих элементов наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно — кремний, марганец, хром, ванадий и др. Одновременно металл шва насыщается кислородом. При сварке в углекислом газе проволоками любого диаметра существуют два вида переноса металла: с периодическими замыканиями дугового промежутка и переноса без коротких замыканий. Процесс сварки в углекислом газе характеризуется высокой концентрацией энергии дуги и большей, чем при ручной дуговой сварке, проплавляющей способностью. Этот способ сварки обеспечивает высокую производительность и получение металла шва с достаточно высокими механическими свойствами и стойкостью к образованию пор. Вместе с тем этот способ имеет ряд недостатков, наиболее значимыми из которых являются: повышенное разбрызгивание металла (1...2 г/(А-ч)) при оптимальных режимах сварки; 36 низкое качество поверхности швов (неровности и грубая чешуйчатость); повышенная окислительная способность атмосферы в зоне сварки, требующая применения проволоки с более высоким содержанием раскислителей (кремния, марганца и др.), которое должно компенсировать их выгорание в реакционной зоне; неустойчивость дугового процесса, который характеризуется большим количеством коротких замыканий дугового промежутка; не всегда удовлетворительные показатели механических свойств, особенно ударной вязкости при отрицательных температурах. Повышенное разбрызгивание наблюдается прежде всего при сварке проволоками диаметром 1,6...2,0 мм и сопровождается интенсивным выбрасыванием из зоны горения дуги большого количества брызг жидкого металла различного размера. Забрызгиваются детали сварочной горелки и поверхности свариваемых изделий, что приводит к дополнительным трудозатратам, направленным на зачистку изделий (20...40%) и сварочной горелки (10...15% общей трудоемкости сварочных операций). Применение специальных спреев и жидкостей, наносимых на сварочное оборудование и околошовную зону, снижает степень налипания на них брызг. Сварку МАГ в углекислом газе выполняют от источников питания дуги с жесткой вольт-амперной характеристикой (ЖВАХ) и пологопадающей вольт-амперной характеристикой (ППВАХ). К параметрам режима сварки в углекислом газе относят: род и полярность тока, диаметр электродной проволоки, силу сварочного тока, напряжение дуги, скорость подачи проволоки, вылет электрода, расход углекислого газа, наклон электрода относительно оси шва и скорость сварки. Режимы сварки подбирают исходя из условий получения нормального (оптимального) формирования сварочного шва, т.е. получения шва с заданными размерами. Сварку в углекислом газе выполняют на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде). При сварке на прямой полярности (минус на электроде) дуга горит неустойчиво. Диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, а также параметров процесса, которые могут быть обеспечены имеющимся в наличии оборудованием. Так, при сварке стыковых швов в нижнем положении при толщине металла 0,6…1,0 мм выбирают электродную проволоку диаметром 0,6…0,8 мм, при толщине металла 1,2…2,0 — 0,8…1,0 мм, а при толщине металла 3,0…4,0 мм — 1,0…1,2 мм и т.д. В ряде случаев, особенно при сварке тонкого металла, целесообразно выбирать электродную проволоку меньшего диаметра, так как при сварке на одном и том же токе в последнем случае устойчивость горения дуги увеличивается, а разбрызгивание металла уменьшается. 37 Сила тока при механизированной сварке в углекислом газе связана пропорциональной зависимостью с диаметром электродной проволоки и скоростью ее подачи в зону сварки. Скорость подачи электродной проволоки (значение сварочного тока) выбирают в зависимости от ее диаметра, положения шва в пространстве и толщины свариваемого металла. Рекомендуемые значения силы тока в зависимости от диаметра электродной проволоки приведены в табл. 7. С увеличением силы сварочного тока возрастают проплавляющая способность дуги (глубина провара), объем сварочной ванны и производительность процесса сварки. Таблица 7 – Режимы сварки в углекислом газе при МАГ процессе Диаметр проволоки, мм 0,6 0,8 1.0 1,2 1,6 2,0 Сила тока, А Плотность тока, А /мм2 Напряжение дуги, В Расход газа, л/мин 30...70 40...100 70...120 90...200 140...300 200...500 140 100 85 80 70 65 16...20 17...22 18...24 19...27 21...32 23...34 5...10 6...12 7...13 8...15 13...20 15...22 Напряжение дуги определяет ее длину и является важнейшим параметром режима сварки. При увеличении длины дуги (напряжения на дуге) ее горение становится менее устойчивым, увеличивается разбрызгивание жидкого металла, возрастают возможность попадания воздуха в зону сварки и вероятность образования пор и подрезов. Усиливается степень выгорания элементов, содержащихся в проволоке. Наиболее значимой является длина дуги при сварке тонкой электродной проволокой. При чрезмерном укорачивании дуги (снижении напряжения) также нарушается процесс ее горения. Кроме того, с понижением напряжения дуги уменьшается ширина шва и увеличивается его высота. Напряжение дуги, достаточное для обеспечения устойчивого процесса сварки, находится в прямой зависимости от плотности сварочного тока (табл. 8). Определенное влияние на напряжение дуги оказывает расположение шва в пространстве. Скорость подачи электродной проволоки влияет на силу сварочного тока, ее подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги. Вылет электрода (длина электродной проволоки от торца токоподводящего мундштука до изделия) оказывает существенное влияние на устойчивость процесса сварки и качество сварного шва. Токоподводящий мундштук должен располагаться на уровне края сопла или утапливаться в сопло на глубину до 3 мм. При сварке угловых и 38 стыковых швов в ряде случаев контактный мундштук может выступать за край сопла на 5…10 мм. Таблица 8 – Зависимость напряжения дуги (В) от расположения шва в пространстве и диаметра электродной проволоки Диаметр электродной проволоки, мм 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 Положение шва в пространстве нижнее вертикальное, горизонтальное, потолочное 17…22 19…24 19…27 20…31 21…32 23…34 17…20 18…22 19…24 - С увеличением вылета электрода ухудшаются стабильность горения дуги и формирование шва, а также увеличивается разбрызгивание. При сварке на малом вылете затруднено наблюдение за процессом формирования сварного шва и часто подгорает токоподводящий мундштук. Вылет рекомендовано устанавливать в зависимости от диаметра электродной проволоки. Так, если диаметр электродной проволоки составляет 0,8 мм, рекомендуется вылет 6…12 мм, если 1,0 мм, то 7…13 мм, если 1,2 мм, то 8…15 мм, и т.д. Расстояние между торцом сопла горелки и изделием оказывает существенное влияние на качество металла шва. С его увеличением ухудшается газовая защита зоны горения дуги и ванны расплавленного металла за счет возможного попадания азота и кислорода воздуха в реакционную зону. При этом в металле шва возможно образование пор и других дефектов. Расстояние от торца горелки до свариваемого изделия выбирают в зависимости от диаметра электродной проволоки, расхода углекислого газа, наклона электрода относительно оси шва и скорости сварки. Так, если сварку выполняют проволокой диаметром 0,6…0,8 мм, расстояние от торца сопла горелки до изделия колеблется от 5 до 15 мм, если 1,0…1,2 мм, то 8…18 мм, если 1,6…2,0 мм, то 16…25 мм, и т.д. Наклон электрода относительно оси шва оказывает значительное влияние на глубину проплавления и качество шва. В зависимости от его значения сварку можно выполнять углом вперед и углом назад. Установлено, что при сварке углом вперед глубина проплавления основного металла уменьшается, а при сварке углом назад – увеличивается. При сварке углом вперед сварщику удобно наблюдать за разделкой кромок, но неудобно за формированием шва, при сварке углом назад – наоборот. 39 Скорость сварки устанавливает сам сварщик в зависимости от толщины металла и необходимой площади поперечного сечения шва. При завышенной скорости сварки хвостовая часть сварочной ванны может выйти из зоны защиты углекислым газом, и расплавленный металл будет взаимодействовать с кислородом и азотом воздуха. Расход углекислого газа зависит от наличия ветра (потока воздуха), типа сварного соединения, положения шва в пространстве, диаметра сварочной проволоки и силы тока. Будучи несколько тяжелее воздуха, углекислый газ обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. Средний расход углекислого газа составляет 5…20 л/мин. При силе тока 60…100 А минимальный расход углекислого газа составляет 5 л/мин. Для регулировки количества защитного газа, подаваемого в зону горения дуги, лучше всего использовать расходомер или ротаметр, которые показывают не давление в системе, а расход газа в единицу времени. Сварку в углекислом газе рекомендуется выполнять проволоками сплошного сечения марок Св-08Г2С (ГОСТ 2246-70) и A-G2S1, A-G3SH, A-G3S12, A-G4S11, B-G2, B-G3, B-G4 (ДСТУ ISO 14341:2004) диаметром 0,6…1,2 мм во всех пространственных положениях, проволокой диаметром 1,6…2,0 мм в нижнем положении, а также порошковыми проволоками. Перед сваркой любой проволокой необходимо убедиться, что ее поверхность чистая, без следов ржавчины и технологической смазки. Ржавчина с проволоки засоряет направляющую спираль шланга полуавтомата и ухудшает электрический контакт с токоподводящим мундштуком (контактным наконечником). Это приводит к повышенному разбрызгиванию электродного металла. Наличие на поверхности проволоки смазки приводит к образованию пористости в металле шва. Техника сварки в углекислом газе Техника сварки МАГ в углекислом газе аналогична технике сварки МИГ в аргоне и его смесях. Сварку в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях выполняют проволокой диаметром 0,6…1,2 мм при более низких значениях силы сварочного тока. Перед началом сварки необходимо отрегулировать расход газа и продуть 10 – 30 секунд шланг держателя до полного удаления из него воздуха. Если не продуть шланги, то в начале шва могут образоваться поры. Перед началом сварки необходимо следить, чтобы вылет проволоки из токоподводящего мундштука не превышал 20…25 мм. Зажигание дуги при большем вылете электрода приводит к ухудшению формирования начального участка шва и возможного образования в нем пор. Сварку в углекислом газе выполняют минимально возможной короткой дугой. Увеличение длины дуги повышает разбрызгивание металла. Механизированную сварку в нижнем положении выполняют проволокой диаметром 0,6…2,0 мм с наклоном горелки углом вперед или 40 углом назад. Угол может изменяться от 5 до 15°. Предпочтительно выполнять сварку углом назад, так как в этом случае обеспечивается более надежная защита зоны горения дуги и металла шва от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха и улучшается внешний вид шва. Сварку тонкого металла (до 3 мм), как правило, выполняют без колебательных движений конца электрода ниточными швами. При сварке более толстого металла осуществляют колебательные движения горелки, что позволяет оказывать термическое воздействие на металл сварочной ванны и шва, что особенно значимо при сварке сталей, склонных к закалке. При сварке металла толщиной свыше 3 мм применяют ту же технику выполнения швов, что и при ручной дуговой сварке покрытым электродом: возвратно-поступательные движения вдоль оси шва с шагом в 3…10 мм без поперечных колебаний при сварке однослойных швов, а также при выполнении первого прохода и подварочного шва при сварке многослойных швов; по вытянутой спирали средних слоев многослойных швов – с шагом 3…20 мм при ширине разводки 5…15 мм; змейкой при сварке верхних (облицовочных) слоев с шагом 2…3 мм при ширине разводки 15…25 мм. При сварке тонкого металла (1…2 мм) ниточные швы выполняют с максимально возможной скоростью, благодаря которой обеспечивается хорошее формирование сварного шва и удовлетворительная защита расплавленного металла (практически скорость сварки в этом случае колеблется от 20 до 50 м/ч). Стыковые швы на металле толщиной 1,5…3,0 мм выполняют на весу. Более тонкий металл сваривают в вертикальном положении на спуск (сверху вниз). Сварку нахлесточных соединений при толщине металла 0,8…2,0 мм осуществляют на весу или на медной подкладке. Электрод располагают вертикально и направляют его на срез верхнего листа. При наличии зазора между листами электрод следует наклонять поперек шва на угол 50…60° к горизонтали и направлять его на срез верхнего листа. Сварку угловых швов металла толщиной свыше 3 мм осуществляют петлеобразным перемещением горелки. Угол наклона горелки в этом случае составляет 45…60° к горизонтальному листу и 30…45° к вертикальному. Вертикальные швы на тонком металле (до 6 мм) выполняют сверху вниз. При зажигании дуги для получения провара в начале шва электрод располагают перпендикулярно к свариваемой поверхности, а затем несколько наклоняют вверх, углом назад. Сварку металла толщиной более 6 мм выполняют снизу вверх, а электрод при этом располагают углом назад. Глубина проплавления в этом случае больше, чем при сварке сверху вниз. 41 Сварка швов в потолочном положении требует наиболее высокой квалификации сварщика. Основное требование, предъявляемое к составляющим параметров процесса сварки, – это сварка на минимально возможном напряжении (поддержание минимальной длины дуги). Электрод располагают углом назад для предупреждения стекания ванны расплавленного металла в сторону сопла, увеличивают также расход защитного газа на 15...30%. В этом случае для уменьшения массы сварочной ванны диаметр электродной проволоки и сила тока должны быть на 15...30% меньше, чем при сварке в нижнем положении. Для получения заданного сечения шва сварку выполняют в несколько проходов. В процессе формирования шва сварщик осуществляет поперечные колебания конца электрода (3...6 мм), распределяя этим теплоту дуги и снижая температуру и подвижность сварочной ванны. При сварке конструкций с развитой поверхностью швы рекомендуется выполнять в несколько проходов. В этом случае тепловложение в металл снижается, уменьшается коробление изделия, осуществляется термообработка нижерасположенного слоя. Независимо от положения шва в пространстве режим сварки оказывает влияние на интенсивность металлургических реакций и на доли основного и электродного металлов в металле шва. Напряжение дуги наиболее значительно влияет на интенсивность металлургических реакций. Сила тока и диаметр электрода в меньшей степени влияют на интенсивность металлургических реакций и на доли основного и электродного металлов в металле шва. С повышением напряжения и уменьшением силы тока потери углерода, кремния и марганца из металла шва увеличиваются. Сварка электрозаклепками Для нахлесточных соединений металла толщиной более 0,5 мм во всех пространственных положениях возможно применение сварки в углекислом газе электрозаклепками. Если свариваемый металл имеет толщину более 1,5 мм и конструкция располагается в вертикальном или потолочном положении, в верхнем листе рекомендуется делать отверстия. При сварке в нижнем положении отверстие в верхнем листе делают, если толщина металла превышает 6 мм. Сварку электрозаклепками рекомендуется осуществлять на максимальной силе тока, допустимой для данной толщины металла, так как с увеличением силы тока возрастают диаметр и усиление точки. Напряжение дуги оказывает влияние на форму электрозаклепок. При недостаточном напряжении в центре точки образуется углубление, а при завышенном — бугорок. Оптимальное напряжение подбирают в зависимости от силы тока и диаметра электродной проволоки. При сварке электрозаклепками в начальный период горения дуги глубина проплавления существенно увеличивается, а в дальнейшем она 42 возрастает незначительно, повышается только усиление точки. Сила тока в процессе сварки металла толщиной до 2 мм не изменяется. При большей толщине металла сварку точки рекомендуется выполнять с изменением силы тока. В начале сварки силу тока увеличивают, а в конце – уменьшают и одновременно повышают напряжение. Изменение параметров режима обеспечивает глубокое проплавление, хорошую форму электрозаклепки и позволяет регулировать термический цикл при сварке. Наплавка Детали небольших размеров и диаметров, работающих в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, наплавляют в углекислом газе проволоками диаметром 0,8...1,2 мм. Детали больших размеров наплавляют проволоками диаметром 1,6...4 мм как сплошного сечения, так и порошковыми. При наплавке тонкими проволоками удается получить наплавленный слой толщиной 0,8...1,5 мм. Наплавляют детали из сталей марок Ст3, сталей 30, 40, 40Х и др. При использовании проволок марок Св-08ГС и Св08Г2С наплавленный металл имеет НВ 220...250. При наплавке сталей 40 и 40Х применяют проволоку ЗОХГСА, которая позволяет получить твердость наплавленного металла НВ 245...290. В некоторых случаях для наплавки используют проволоки Св-10Х13, Св-08Х14ГТ, 20X13, 30X13, Св-08Х18Н2ГТ и др. В этих случаях наплавленный слой отличается высокой износостойкостью, а в ряде случаев и коррозионной стойкостью. Сварка углеродистых и легированных конструкционных сталей Металлоконструкции из низкоуглеродистых сталей хорошо свариваются в углекислом газе, при этом не требуется их термическая обработка. Сварка среднеуглеродистых и особенно высокоуглеродистых сталей затруднена из-за возможного возникновения трещин в металле шва и ЗТВ. Для получения швов без трещин применяют предварительный подогрев и последующую термическую обработку. Сварка этих сталей качественнее, чем под флюсом, особенно если применять проволоки диаметром 0,8...1,2 мм. Сварка низколегированных конструкционных сталей марок 10ХСНД, 15ХСНД, 14ХГС, 09Г2 и др. в углекислом газе дает хорошие результаты и не требует термообработки. При этом применяют проволоку Св-08Г2С диаметром до 1,2 мм. Сварка среднелегированных сталей марок 20ХГС и 25ХГС в углекислом газе дает удовлетворительный результат. При толщине металла более 10 мм изделие предварительно подогревают до температуры 150...200С. При сварке углеродистых и среднелеги43 рованных сталей с помощью проволоки Св-08Г2С диаметром до 1,2 мм обеспечиваются механические свойства металла шва такие же, как и при использовании покрытых электродов типов Э50А, Э55. Более пластичный металл шва получают при формировании шва в два прохода и более. При использовании проволок большего диаметра механические свойства металла шва снижаются, прежде всего показатели ударной вязкости при отрицательных температурах. Сталь 30ХГС толщиной до 4 мм сваривается в углекислом газе без разделки кромок за один проход с помощью проволоки марок Св-10ГСМ, Св-10ГСМТ, Св-08Г2СМ. Режимы сварки выбирают такие же, как и при сварке низколегированных сталей. Металл толщиной более 4 мм сваривают с разделкой кромок в несколько проходов, используя проволоку Св-08Х3Г2СМ, которая обеспечивает получение высоких механических свойств после термообработки. Металл толщиной до 10 мм сваривают без подогрева, а более 10 мм — с подогревом. Корневой шов можно выполнять проволокой Св-08Г2С или Св-10ГСМТ. Сварка высоколегированных сталей и сплавов Технологический процесс МАГ применяют при сварке высоколегированных сталей. Хром при сварке в углекислом газе окисляется незначительно. Переход титана из сварочной проволоки в металл шва не превышает 50%. Если проволока содержит повышенное количество углерода, возможно науглероживание шва и снижение его стойкости к межкристаллитной коррозии. При сварке МАГ высоколегированных сталей применяются специальные проволоки сплошного сечения, дополнительно легированные такими элементами, как титан, ниобий, кремний, алюминий, хром. Стали 08X13 толщиной до 16 мм, 12X13 до 12 мм и 20X13 до 10 мм при малой жесткости соединений сваривают без предварительного и сопутствующего подогрева. Для сварки применяют проволоки Св-10Х13 и Св-06Х14, обеспечивающие получение металла шва с высокими показателями механических свойств и хрупкостью. Сразу же после сварки металлоконструкцию подвергают отпуску при температуре 700°С для снижения хрупкости металла шва и ЗТВ. Если невозможно выполнить термическую обработку после сварки, металлоконструкцию из стали 08X13 рекомендуется сваривать проволоками аустенитного класса типа Св-06Х25Н12ТЮ, Св-13Х25Н18 и др., обеспечивающими получение металла шва с высокой пластичностью. Металлоконструкции, изготавливаемые из сталей марок 12X13 и 20X13, требуют термообработки при температуре 700°С сразу же после сварки. Сталь 20X13 толщиной до 10 мм можно сваривать без предварительного подогрева проволокой Св-08Х14ГТ, которая обеспечивает удовлетворительные механические свойства сварного соединения после высокого отпуска. 44 Сталь 14Х17Н2 толщиной до 8 мм можно сваривать без предварительного подогрева. Если сварное соединение не подвергается действию кислот, то для сварки можно использовать проволоки Св-10Х13 и Св-06Х14, которые после высокого отпуска (700°С в течение 3 часов) обеспечивают получение швов, близких по механическим свойствам к основному металлу. Если соединения стали 14Х17Н2 подвергаются воздействию кислот, то для сварки рекомендуется проволока Св-08Х18Н2ГТ. После высокого отпуска сварные соединения имеют удовлетворительные механические свойства. Проволоки аустенитного класса применяют для сварки стали 14X17Н2 только в случае, когда соединение не испытывает значительных нагрузок (табл. 9). Таблица 9 – Средние показатели режима механизированной сварки МАГ сталей аустенитного класса Диаметр проволоки, мм 0,5 0,8 0,8...1,2 1,0...1,2 1,2 1,6 2,0 Толщина металла, мм 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Сила тока, А 30...40 40...80 100...140 110...150 140...160 150...170 180...190 Напряжение на дуге, В 17...18 17...19 18...20 Скорость сварки, м/с 8,3...11,1 19...21 23...27 25...28 5,5...9,7 6,9...11,1 6,9...8,3 Расход газа, л/мин 6 6...7 6...9 9...12 12...15 15...20 Для сварки стали типа 18-10 (08Х18Н10Т) в углекислом газе применяют сварочную проволоку Св-08Х20Н9С2БТЮ, а для стали типа 18-12 (12Х18Н12Т) – проволоку Св-08Х25Н13БТЮ, которые дополнительно легированы кремнием, ниобием, титаном, алюминием и содержат повышенное количество хрома. Термическая обработка изделий из сталей с аустенитной и аустенитно-ферритной структурами назначается в зависимости от типа изделия, условий его эксплуатации и марки стали. Разработана специальная переходная проволока сплошного сечения марки Св-08Х20Н9Г7Т, позволяющая выполнять сварку разнородных сталей (углеродистая + нержавеющая хромистая и хромоникелевая), а также высокоуглеродистых и легированных сталей. Проволока пригодна также для сварки сталей типа 18-10 и 18-12 однопроходными швами. Швы, выполненные этими проволоками в среде углекислого газа, имеют удовлетворительные прочностные показатели и достаточно высокую стойкость к общей и межкристаллитной коррозии. Дуговой процесс при сварке высоколегированных сталей в углекислом газе характеризуется неустойчивым горением дуги и повышенным разбрызгиванием электродного металла (6...12%). Наблюдается образование очагов коррозии в местах приваривания брызг 45 к поверхности свариваемого металла. Использование электродных проволок диаметром 0,8...1,6 мм уменьшает разбрызгивание и несколько стабилизирует дуговой процесс. 2.4 Дуговая сварка сталей плавящимся электродом в смесях газов Технология сварки сталей в смесях инертных и активных газов В настоящее время широкое развитие получила сварка в смесях инертных и активных газов (МАГ), применяемая для соединений сталей различных классов. Добавка к аргону небольшого количества кислорода или другого окислительного газа повышает устойчивость горения дуги и качество формирования сварных швов. Так, при сварке в смесях Ar + CO2, Ar + CO2 + O2 область режимов сварки с короткими замыканиями дугового промежутка отсутствует. Существует область сварки с капельным переносом и область сварки со струйным переносом. Изменение характера переноса при замене защитной среды обеспечивает ряд технологических преимуществ, к которым можно отнести: меньшую интенсивность химического воздействия на металл сварочной ванны по сравнению со сваркой в активных газах, большие коэффициенты расплавления, наплавки, массы переплавленного основного металла и формы провара, меньшие разбрызгивание и набрызгивание на основной металл и сопло. Ширина швов, выполненных сваркой в смеси Аг + СО2, на 9...12% больше, чем при сварке в углекислом газе, соответственно усиление шва на 4...15% меньше. Наиболее востребованными при сварке МАГ углеродистых и низколегированных сталей во всех пространственных положениях являются стандартные смеси аргона и углекислого газа (защитный газ МИКС-1, ДСТУ ISO 14175:2004-M21), а также смеси аргона, углекислого газа и кислорода (защитный газ МИКС-2, ДСТУ ISO 14175:2004-М24). Смесь МИКС-2 имеет более высокий окислительный потенциал по сравнению со смесью МИКС-1, что обеспечивает повышенную стойкость швов к образованию пор. По химическому воздействию на металл сварочной ванны эти смеси приближаются к углекислому газу. При сварке в этих смесях по сравнению со сваркой в углекислом газе обеспечиваются: хорошее формирование металла шва (гладкая поверхность с плавным переходом на основной металл); уменьшение потерь металла на разбрызгивание в 3 – 4 раза; снижение трудоемкости при зачистке детали от брызг в 8 – 10 раз; вероятность использования импульсно-дугового процесса; возможность сварки на прямой полярности и удлиненном вылете; повышение показателей механических свойств металла шва, в том числе значений ударной вязкости при отрицательных температурах. 46 К недостаткам сварки в аргоновых смесях можно отнести повышенное световое и тепловое излучение сварочной дуги и более высокую стоимость смесей по сравнению со сваркой в углекислом газе. Сварку МАГ в смесях Ar + CO2 и Ar + CO2 + O2 выполняют на постоянном токе от источников питания с ЖВАХ и ППВАХ. Смеси на основе аргона позволяют выполнять сварку на токе прямой полярности, обеспечивая при этом хорошее формирование шва с небольшим содержанием в нем основного металла. При использовании для сварки импульсно-дугового процесса смеси на основе аргона обеспечивается мелкокапельный перенос электродного металла через дуговой промежуток при более низком значении силы сварочного тока. Многокомпонентные смеси поставляются, как правило, в 40-литровых баллонах. Количество газовой смеси при температуре 20°С и давлении в баллоне 14,7 ± 0,5 МПа должно составлять 6000 л, которого должно хватить на 11 – 13 ч непрерывной работы полуавтомата при среднем расходе 7...10 л/мин. При больших объемах сварочных работ двухкомпонентную газовую смесь Аг + СО2 можно получать на месте с помощью газовых смесителей типа УГС-1, АКУП-1 или УКП-1-71. На заводах с большим количеством постов используют рамповые смесители УКР-1-72 или УСД-1Б. Смесь, полученная с применением смесителя, обходится пользователю на 30...40% дешевле, чем поставляемая в баллонах. Аппаратура для газопитания поста механизированной сварки в среде защитных газов (МАГ) состоит из баллона с газом и редуктора. При использовании для сварки газовых смесей типа МИКС-1, МИКС-2 и др. подогреватель между редуктором и полуавтоматом не устанавливается. В качестве электродного материала при сварке углеродистых и низколегированных сталей используют проволоки сплошного сечения Св-08Г2С, Св-08ГС (ГОСТ 2246-70) и A-G2S1, A-G3S11, B-G2, B-G3, B-G4 (ДСТУ ISO 14341:2004) диаметром 0,6...1,2 мм во всех пространственных положениях и проволоку диаметром 1,6...2,0 мм в нижнем положении, применение которых в случае защиты зоны горения дуги смесями на основе аргона обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности металла шва. Параметры режима сварки, за исключением напряжения дуги, близки тем, которые формируются при создании соединений в случае защиты зоны горения дуги углекислым газом. Напряжение горения дуги при сварке в этих смесях должно быть на 2…3 В ниже по сравнению со сваркой в чистом углекислом газе при том же сварочном токе. Расход газовых смесей в 1,1 – 1,4 раза выше расхода углекислого газа при тех же условиях сварки. Необходимо также отметить, что проплавляющая способность дуги при сварке в смесях аргона и углекислого газа снижается на 10...20% по сравнению со сваркой в углекислом газе, 47 поэтому сила сварочного тока для получения той же глубины проплавления основного металла должна быть выше. Техника выполнения швов при защите зоны горения дуги смесями аналогична той, которая используется при создании соединений в случае защиты зоны горения дуги углекислым газом. Сварку высоколегированных хромистых (ферритных) сталей марок 08X13, 12Х1708Х17Т, хромоникелевых (аустенитных) сталей марок 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 06Х18Н11 и др. также можно выполнять с защитой реакционной зоны смесями инертных и активных газов типа МИКС-1, МИКС-2 и МИКС-3. При этом используют проволоки марок СВ-06Х19Ш, Св-06Х19Н9Т, Св-04Х19Н9 и др. Дуговой процесс характеризуется мелкокапельным и струйным переносом электродного металла, разбрызгивание металла – незначительное, швы хорошо сформированы. Применение смесей позволяет увеличить глубину проплавления основного металла по сравнению со сваркой в чистом аргоне (МИГ) и выполнять сварку во всех пространственных положениях. Использование смесей на основе аргона обеспечивает получение равнопрочных соединений этих сталей с высокими эксплуатационными свойствами. При использовании смесей инертных и активных защитных газов Аг + О2, Аг + СО2, Аг + СО2 + О2 и других наблюдается окисление водорода, кремния, серы и фосфора из металла шва, в результате повышается стойкость швов к образованию горячих трещин. Недостатками при сварке в смесях активных и инертных защитных газов являются повышенная потеря титана, снижение коррозионной стойкости соединений и образование на поверхности шва прочной трудноудаляемой пленки оксидов. Прочность ее сцепления со швом тем выше, чем больше она содержит оксидов хрома. Сварка МАГ в смесях МИКС-1, МИКС-2 и других с помощью проволок марок Сн-08Х20Н9Г7Т и Св-10Х16Н25АМ6 (переходные) позволяет получать соединения нержавеющих хромистых и хромоникелевых сталей с низколегированными и углеродистыми сталями. Технология сварки сталей в смеси активных газов Смесью активных газов для сварки углеродистых и низколегированных сталей, дающей наибольшие технологические преимущества, является смесь СО2 + О2. Добавление к углекислому газу кислорода в количестве до 30% несколько уменьшает разбрызгивание, улучшает формирование шва и снижает стоимость смеси защитных газов. Введение кислорода повышает окислительный потенциал защитной атмосферы. При этом на поверхности капель образуется шлаковая пленка. В результате приваривание капель к поверхности основного металла существенно 48 снижается. При использовании этой смеси существенно повышается стойкость металла шва к образованию пор, вызванных водородом. По остальным показателям качество швов, выполненных в смесях СО2 + O2, не уступает качеству швов, полученных в углекислом газе. Основные составляющие режима сварки в зависимости от расположения шва в пространстве приведены в табл. 10. Для сварки в смеси СО2 + О2 применяют стандартную проволоку сплошного сечения Св-08Г2С. Сварка в смеси СО2 + О2 возможна во всех пространственных положениях. Вылет электродной проволоки диаметром 0,8...1,2 мм составляет 8...15 мм, а расход газовой смеси - 6...12 л/мин. С увеличением диаметра электродной проволоки (например 1,6 мм) ее свободный вылет возрастает до 14...20 мм, а расход газовой смеси составляет 10...18 л/мин. Таблица 10 - Режимы сварки в смеси СО2 + О2 в зависимости от диаметра электрода и расположения шва в пространстве Диаметр электрода, мм 0,8 1,0 1,2 1,6 Положение в пространстве Нижнее Вертикальное Потолочное Нижнее Вертикальное Потолочное Нижнее Вертикальное Потолочное Нижнее Сила тока, А Напряжение дуги, В 50...100 50...100 40...80 60...180 50...160 50...110 120...250 110...220 100...170 150...350 15...18 15...17 14...16 17...22 16...20 15...18 19...26 18...22 17...20 20...30 На ряде производств применяют технологию сварки в смеси СО2 + О2 электродной проволокой диаметром 1,2...2,0 мм с увеличенным свободным вылетом, которая повышает производительность наплавки за счет увеличения скорости подачи электродной проволоки при неизменном значении силы сварочного тока. Сварку выполняют в нижнем положении. Технология позволяет получить хорошо сформированный шов с плавным переходом на основной металл. Швы имеют более высокую стойкость к образованию пор и кристаллизационных трещин, чем аналогичные швы, выполненные в углекислом газе с обычным вылетом электрода. Соединения, полученные при использовании технологии сварки с увеличенным вылетом электрода в смеси СО2 + О2, имеют такие же механические свойства, что и швы, выполненные проволокой Св-08Г2С в углекислом газе. 49 Технология ремонта металлоконструкций Ремонт металлоконструкций является сложной инженерной задачей, которая может быть решена специалистами с большим опытом работы в области сварки. Ремонт начинается с детального обследования объекта и определения реального расположения трещин и других дефектов с помощью методов неразрушающего контроля. При наличии трещин в стенках резервуаров, сосудах, котлах их предварительно подготавливают к ремонту. Концы трещин фиксируют (засверливают) на всю глубину сверлом диаметром 5…8 мм. Дефектный металл должен быть полностью удален с помощью абразивного инструмента или термической резки с последующей зачисткой разделки до металлического блеска. Длина удаляемой части трещины равна ее длине плюс не менее 15 мм с каждой стороны. После удаления металла термической резкой полученную разделку необходимо обработать абразивным инструментом, сняв поверхностный слой на глубину не менее 1 мм. Сварку выполняют от краев трещины к середине. Если сталь склонна к закалке, края трещины подогревают газовым пламенем, а боковые стороны охлаждают. Для вварки заплаты поврежденное место вырезают, придают ему форму круга или овала, а по краям выреза снимают фаску. Заплату подгоняют встык с неравномерным зазором. Сварку начинают со стороны большего зазора. Иногда заплате придают выпуклую форму для компенсации усадки. Если толщина стенки не превышает 8...10 мм, заплата может быть установлена внахлестку таким образом, чтобы перекрытие дефекта было не менее пятикратной толщины листа. Сварку заплаты проводят с двух сторон. Установка заплаты внахлестку возможна только на металлоконструкциях, которые не подвергаются значительным знакопеременным нагрузкам. Все прижоги поверхности основного металла сварочной дугой после сварки должны быть зачищены абразивными кругами на глубину 0,5...0,7 мм. На практике возникает необходимость усиления угловых сварных швов (стыковые швы усилению не подлежат) в конструкциях, находящихся под нагрузкой, что возможно при увеличении длины сварного шва. Это наиболее простой способ усиления, осуществляющийся за счет выполнения дополнительных (лобовых) швов, располагающихся перпендикулярно к направлению действующего усилия, если они отсутствуют в усиливаемых элементах. Значительно чаще возникает необходимость в увеличении катета угловых швов. При этом необходимо: в первую очередь усиливать растянутые швы, а затем сжатые; вносить возможно меньшее количество теплоты в детали конструкции. Для этого применяют электродную проволоку диаметром не более 1,2 мм и выполняют сварку на минимально возможных режимах; применять технологии сварки в смесях защитных газов, сварку порошковой проволокой или сварку неплавящимся электродом, 50 обеспечивающие наиболее пластичный металл; не сваривать одновременно все элементы, сходящиеся в данном узле, а делать перерывы. Толщина каждого слоя не должна превышать 2 мм. Конструкции можно усиливать только в том случае, если перед сваркой их разгрузили в соответствии с требованиями проекта производства работ. Достаточно часто возникает необходимость в ремонте сварных соединений. Дефекты в них могут возникать как в процессе эксплуатации металлоконструкции, так и при ее сварке. Они должны быть полностью удалены с помощью абразивного инструмента или термической резки с последующей зачисткой разделки до металлического блеска. Длина удаляемой части шва равна длине дефектного участка плюс 15...100 мм с каждой стороны в зависимости от толщины ремонтируемого металла и характера дефекта. Все прижоги поверхности основного металла сварочной дугой должны быть зачищены абразивными кругами на глубину 0,5...0,7 мм. Подчеканка неплотностей в швах не допускается. Ремонтируемые места сварных соединений рекомендуется заваривать с применением электродной проволоки меньшего диаметра на минимальных режимах, установленных технологическим процессом, соблюдая соответствующие указания по подготовке под сварку, предварительному подогреву и т.д. Исправлять дефекты следует по указанию ответственного за производство сварочных работ на монтируемом объекте (мастера по сварке или прораба). Исправление эксплуатационных дефектов сварных соединений, узлов или конструкций проводят согласно технологической документации на ремонтную сварку, представленной специализированной службой. Ремонт сварных соединений допускается не более двух раз. При ремонте корпусных деталей нередко затруднительно определить марку свариваемой стали. У большинства литых деталей содержание углерода в металле колеблется от 0,1 до 0,45%. Зачастую такую корпусную деталь нельзя подогреть. Поэтому для выполнения сварных швов на таких деталях используют переходные проволоки марки Св-10Х16Н25ЛМ6 или Св-08Х20Н9Г7Т, которые выпускают по ГОСТ 2246-70. Все эти проволоки обеспечивают аустенитную структуру металла шва с пределом прочности в> 590 МПа и относительным удлинением > 80%. Подваликовых трещин и трещин откола при использовании этих электродных материалов не образуется. Если позволяют условия ремонта, расход проволоки марки Св-10Х16Н25АМ6 или Св-08Х20Н9Г7Т можно уменьшить, применив предварительную наплавку кромок с использованием технологий сварки ТИГ и МИГ/МАГ. Наплавку следует выполнять в несколько слоев валиками небольшого сечения. При этом толщина наплавляемого слоя должна быть не менее 4 мм. Эта технология позволяет предупредить также 51 образование холодных трещин и околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного напряженного состояния по линии сплавления металл шва — основной металл. Дальнейшее заполнение разделки по облицованным кромкам выполняют электродами с основным покрытием типа УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 или с использованием технологии сварки МИГ/МАГ. 2.5 Дефекты сварных соединений, причины их образования и способы устранения Эксплуатационная надежность сварных соединений зависит от наличия в них дефектов — отклонений от заданных свойств, формы и сплошности металла шва, свойств и сплошности металла ЗТВ. Дефекты могут привести к нарушению герметичности, прочности и других эксплуатационных характеристик конструкции, а в некоторых случаях вызвать и ее разрушение. Формирование сварного соединения без дефектов является объективным показателем правильности выбора технологического процесса, качества используемых материалов и квалификации специалистов. Усложнение технологии, использование более дорогих электродных материалов и увеличение затрат на вспомогательные операции в целях снижения вероятности образования дефектов в целом ряде случаев является оправданным. Дефекты в сварных соединениях можно разделить по месту их возникновения на наружные и внутренние, а также по причинам возникновения: дефекты, связанные с металлургическими и термическими явлениями, происходящими в сварочной ванне и ЗТВ во время кристаллизации металла шва и остывания сварного соединения кристаллизационные и холодные трещины, поры, шлаковые включения, зоны несплавления, а также отклонения от необходимых прочностных и пластических свойств металла шва и ЗТВ; дефекты формирования швов: непровары, подрезы, наплывы, прожоги и другие дефекты, обусловленные неправильным выполнением технологического процесса, нарушением режимов сварки, нарушением работы оборудования или недостаточным уровнем подготовки специалистов; кристаллизационные трещины в металле шва. Кристаллизационными трещинами называют макро- и микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе кристаллизации металла шва, когда он находится в твердожидком состоянии. Они могут развиваться и при остывании металла. Их характерной особенностью является межкристаллический вид разрушения. Трещины связаны с первичной структурой металла шва и располагаются вдоль роста столбчатых кристаллитов. Они могут выходить и не выходить на поверхность металла и располагаются как вдоль, так и поперек оси шва. 52 Стойкость швов к образованию кристаллизационных трещин зависит от таких факторов: величины и скорости нарастания, действующих в процессе кристаллизации растягивающих напряжений; химического состава металла шва; формы сварочной ванны; размера первичных кристаллов. Известно, что химический состав металла шва оказывает существенное влияние на стойкость к образованию кристаллизационных трещин. К химическим элементам, которые больше всего снижают стойкость шва к образованию кристаллизационных трещин при сварке углеродистых и низколегированных сталей, относят серу, фосфор, углерод и кремний. Повышают стойкость к образованию кристаллизационных трещин никель, марганец, хром и кислород. Конфигурацию швов при сварке характеризует коэффициент формы шва, значение которого в пределах 3...6 является благоприятным с точки зрения снижения склонности соединений к образованию в них горячих трещин. Холодные трещины в шве и ЗТВ. Холодные трещины образуются при температуре сварного соединения ниже 200°С. К этому времени металл шва и ЗТВ приобретает все упругие свойства, присущие ему в дальнейшем. Холодные трещины при сварке ТИГ и МИГ/МАГ, как правило, поражают металл ЗТВ, значительно реже – шов. Холодному растрескиванию подвержены соединения углеродистых и низколегированных сталей, углеродный эквивалент которых превышает 0,4. Основными причинами возникновения холодных трещин при сварке являются структурные превращения в металле шва и ЗТВ (в первую очередь закалочные явления), суммарные напряжения (сварочные и от внешних нагрузок) и высокая концентрация водорода в зоне сварки. Снизить склонность соединений к образованию холодных трещин можно различными способами. Основные из них — уменьшение концентрации и скорости массопереноса водорода в металле шва и снижение скорости охлаждения ЗТВ. Снизить концентрацию водорода в сварочной ванне можно путем уменьшения концентрации водорода в газовой фазе зоны горения дуги, которая достигается за счет очистки проволоки и присадочных прутков от следов смазки и ржавчины, подсушки свариваемых кромок и очистки их от ржавчины и других загрязнений, очистки зон, прилегающих ко шву, на ширину 15...25 мм, применения защитного газа, соответствующего по составу требованиям ДСТУ ISO 14175:2004 и др. Термический цикл сварки оказывает существенное влияние на склонность соединений сталей к холодному растрескиванию. При сварке его можно изменить, использовав предварительный и сопутствующий подогрев. Применение предварительного и сопутствующего подогрева 53 способствует уменьшению скорости охлаждения сварного соединения и снижению вероятности образования закалочных структур и, как следствие, подваликовых трещин. Уменьшить скорость охлаждения сварного соединения можно путем теплоизоляции свариваемого изделия в процессе выполнения работы. Применение этого технологического приема позволяет существенно снизить твердость металла в ЗТВ. Образование пор при сварке. Типичный дефект при сварке плавящимся и неплавящимся электродами в среде защитных газов – пористость металла шва. Установлено, что образование пористости в первую очередь связано с высокой концентрацией в металле шва водорода, азота и оксида углерода. Роль других газов менее значима. Если образование и выделение газов происходит в период, когда металл ванны находится в жидком состоянии и протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться, что не только не приводит к образованию пористости, но и оказывает рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасыщенность. Если выделение газов из расплавленного металла протекает медленно, то выделение газов смещается на период затвердевания ванны и пузырьки не успевают всплыть, оставаясь в металле шва в виде пор. Поры, возникшие при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов, располагаются цепочкой по оси шва или отдельными группами по оси шва и по его сечению, а также вблизи границы сплавления. Поры могут выходить или не выходить на поверхность шва. Поры, выходящие на поверхность шва, называют свищами. Поры могут быть микроскопическими (несколько микрометров) и крупными (4...6 мм). Они являются недопустимым дефектом сварных швов для аппаратуры, работающей под давлением и под вакуумом или предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие пор в сварном соединении во всех случаях нежелательно. Меры по предупреждению образования пор те же, что и для уменьшения содержания водорода в металле шва, а именно: очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги, масла, краски и других содержащих водород веществ, при низких температурах просушка свариваемых кромок газовым пламенем; применение для защиты зоны горения дуги газовых смесей, содержащих кислород, которые снижают вероятность образования пористости при сварке по плохо зачищенному металлу, и др. Неметаллические включения. Известно, что неметаллические включения не относятся к числу явных дефектов металла шва, однако их форма, распределение и химический состав оказывают существенное 54 влияние на механические свойства и работоспособность сварных соединений. Неметаллические включения, образующиеся при формировании металла шва в условиях сварки в различных газовых средах плавящимся и неплавящимся электродами, имеют свою специфику. Их количество и химический состав при сварке сталей в основном определяются условиями протекания окислительно-восстановительных реакций кремния, марганца и углерода. На условия протекания окислительновосстановительных реакций влияют состав защитной атмосферы, а также параметры режима сварки. При сварке углеродистых сталей типичный состав неметаллических включений — оксиды железа, кремния и марганца. В зависимости от содержания в электродном и свариваемом металлах серы и фосфора в шве могут присутствовать также сульфидные и фосфорсодержащие включения. Дефекты формирования металла шва. Как отмечалось выше, при сварке в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродами нарушение режимов, техники выполнения швов, плохая подготовка под сварку элементов конструкций и низкая квалификация сварщика могут привести к образованию дефектов, связанных с неудовлетворительным формированием швов: зон несплавления, непроваров, подрезов, наплывов, прожогов, кратеров и неравномерности ширины шва. Шлаковый канал представляет собой полость внутри шва, заполненную шлаком. Образование таких дефектов возможно при использовании для сварки порошковых проволок. Как правило, шлаковый канал может образоваться при сварке односторонних швов с полным проваром кромок. Вероятность образования дефекта возрастает с увеличением зазора между свариваемыми элементами. Значительно реже шлаковые каналы образуются при сварке угловых швов. Зону несплавления характеризует образование зазора между оплавленным основным металлом и металлом шва. Как правило, зазор заполнен шлаком. Зона несплавления образуется, когда сварочный процесс выполняют на форсированных режимах и повышенной скорости сварки. Начальной стадией дефекта являются глубокие подрезы по границе шва. Для предотвращения образования этого дефекта необходимо строго соблюдать технологические параметры процесса сварки. Непровар — это отсутствие сплавления между металлом шва и основным металлом или при многослойной сварке между слоями металла. Непровары могут образовываться в одно- и многослойных стыковых и угловых швах. Наиболее часто непровары образуются при сварке корневых и угловых швов, когда нарушают технику выполнения разводки. Непровары могут быть также вызваны неправильным выбором технологических параметров режима сварки. Эти дефекты наблюдаются и при сварке многопроходных швов. Непровары уменьшают сечение шва и 55 вызывают значительную концентрацию напряжений, что может привести к образованию трещины. Подрезы представляют собой углубления (канавки) вдоль границы шва. Подрез приводит к резкой концентрации напряжений, если металлоконструкция подвержена воздействию динамических нагрузок, и может вызвать ее разрушение. Наиболее часто подрез возникает при сварке угловых швов и первых слоев многослойных стыковых швов. При сварке угловых швов иногда возникает односторонний подрез с наплывом на другую сторону свариваемой конструкции. В большинстве случаев подрез является следствием нарушения техники выполнения швов. Наплыв (натек) связан с натеканием металла сварочной ванны на холодный основной металл. Натекший металл не сплавляется с основным. Наплыв образуется, как правило, при сварке однослойных стыковых швов без разделки кромок. Причиной образования наплыва является нарушение технологических параметров режима сварки или наличие на свариваемых поверхностях слоя оксидов. Для предупреждения образования наплыва необходимо увеличить сварочный ток, изменить технику выполнения шва и обеспечить защиту свариваемых поверхностей от ржавчины и следов лакокрасочного покрытия. Прожог – полость в шве, образовавшаяся в результате вытекания металла сварочной ванны. Прожоги образуются при нарушении параметров режима сварки (завышенного сварочного тока и диаметра электродной проволоки), увеличении зазора между свариваемыми кромками, а также при изменении наклона электрода. Прожоги обнаруживают при внешнем осмотре. Они являются недопустимыми дефектами сварного соединения. Кратер – углубление на поверхности шва, образующееся после обрыва дуги в конце шва, возникающее в конце каждого участка шва, который сварен за одно перемещение. Кратер в конце шва обычно устраняют заваркой. На участке, где образовался кратер, шов имеет уменьшенное сечение. В кратере, как правило, возникают усадочные рыхлоты, часто переходящие в трещины. Для того чтобы заварить кратер, необходимо приостановить продольное перемещение электрода и заполнить углубление металлом, образующимся при его плавлении. Не следует выводить кратер на основной металл. При сварке ответственных швов металл на участке, где образовался кратер, необходимо удалить механическим путем или выплавить. Если сварку выполняют без выводных планок, то кратер в конце шва необходимо тщательно заваривать и обрывать дугу на заваренном участке шва. Неравномерность ширины шва образуется за счет резких колебаний напряжения дуги или скорости сварки. Значительные изменения ширины шва сопровождаются изменением глубины проплавления и могут привести к образованию непроваров. 56 3 ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА Электроконтактная сварка представляет собой процесс образования неразъемных соединений в результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. Протекающий через детали ток за счет тепловой энергии Q, выделяющейся на сопротивлении этих деталей, нагревает их до температуры плавления или температуры пластического состояния. Принципиально процесс можно проводить в двух вариантах: 1) с нагревом металла до пластичного состояния без расплавления; 2) с плавлением металла в зоне сварки и образованием литой структуры (литого ядра). По технологическому способу различают точечную, шовную, стыковую и рельефную сварку. Возможна также классификация по конструкции соединений: нахлесточное или стыковое; по состоянию металла в зоне сварки: в твердой или жидкой фазе; по роду применяемого импульса тока: переменный, постоянный, монополярный. Джоулево тепло как источник нагрева Общее количество теплоты Q, выделяемое в электрическом контакте свариваемых элементов, в соответствии с законом Джоуля - Ленца определяется как Q= Iсв2R tсв, где I – ток, текущий через контакт; R – контактное сопротивление; tсв – время протекания тока через сварные детали. Ток Iсв в течение термомеханического цикла контактной сварки меняется в связи с изменением сопротивления деталей R, вызванного увеличением удельного сопротивления нагреваемого металла и изменением площади и объема V участка детали, через который протекает ток. При точечной и шовной сварке этот объем V представляет собой столбик металла, сжатого между электродами или роликами, при стыковой сварке – объем свариваемых деталей между медными зажимами, через которые подводят ток. Для реальных металлов сопротивление R обычно мало (единицыдесятки микроом), время tсв также нельзя выбирать большим из-за возможности получения равновесного состояния по тепловложению. Одновременно с тепловыделением в свариваемых деталях происходит отвод тепла в медные электроды или ролики, или медные зажимы, которые имеют высокую теплопроводность и обычно охлаждаются водой. В результате для выделения достаточного количества энергии при контактной сварке необходимо применять значительные токи Iсв, что в основном и определяет специфику оборудования для контактной сварки. 57 3.1 Контактная точечная сварка Впервые контактную точечную сварку применил в 1887 году русский ученый Н. Н. Бенардос. Он использовал стержневые угольные электроды. В 1900 году американский ученый Томсон для точечной сварки применил медные электроды, этот метод точечной сварки нашел наибольшее применение. Схема точечной сварки переменным током показана на рис. 3. Рисунок 3 – Схема точечной сварки: 1 – медные электроды; 2 – свариваемые детали; Т – сварочный трансформатор; S1 – переключатель ступеней мощности; S2 – включатель тока (контактор); Р – усилие сжатия электродов При точечной сварке основной тип соединения – нахлесточный. Две детали накладываются друг на друга и сжимаются медными электродами усилием Р так, чтобы между деталями образовался надежный металлический контакт. Сварочный трансформатор Т включается в электрическую сеть включателем тока (тиристорным контактором) S2. Со второй обмотки трансформатора, которая обычно имеет всего один виток, на электроды подается напряжение и через свариваемые детали протекает ток. При этом на сопротивлении R столбика металла диаметром DF, сжатого между электродами, за время сварки выделяется тепловая энергия в соответствии с законом Джоуля – Ленца (рис. 4). Общее сопротивление на участке электрод–электрод Rээ складывается из контактных сопротивлений деталь–деталь Rдд и электрод–деталь Rэд и собственного сопротивления металла деталей Rд: Rээ = Rд + Rдд + 2Rэд. В течение термомеханического цикла сварки все составляющие Rээ непрерывно изменяются. После сжатия электродами деталей в холодном состоянии Rдд+2Rэд>Rд, так как площадь металлического контакта между поверхностями деталей и электродами зависит от шероховатости поверхности, наличия окисных пленок, окалины. 58 С увеличением силы сжатия Р площадь фактического контакта растет за счет смятия неровностей при пластической деформации и разрушения окисных пленок. Контактные сопротивления при этом уменьшаются. После включения тока за время 0.1 – 0.01tсв контактные сопротивления 2Rэд + Rдд существенно уменьшаются и практически не влияют на тепловыделение в зоне сварки. Поэтому можно принять RээRд. Основное тепло выделяется на сопротивлении Rд столбика металла диаметром, равным диаметру DF площади контакта электрода с деталью. Растекание тока в свариваемые детали за границы боковой поверхности столбика диаметром DF незначительно (см. рис. 4). Степень этого растекания тока зависит от соотношения DF/S, где S – толщина свариваемых деталей, и удельного сопротивления металла . С уменьшением S и увеличением степень растекания тока уменьшается. Рисунок 4 – Схема протекания тока через свариваемые детали Максимальный нагрев и расплавление металла происходит в зоне столбика металла, наиболее удаленной от медных охлаждаемых водой электродов. После выключения сварного тока детали некоторое время находятся в сжатом состоянии, чтобы расплавленный металл успел закристаллизоваться. В столбике металла образуется литое ядро точечного сварного соединения. Схема сварной точки в разрезе показана на рис. 5. Следует указать на важную роль в формировании сварной точки кольца 2, которое образуется в процессе расплавления ядра. Это кольцо удерживает в закрытом объеме расплавленный металл и не дает ему выплеснуться в зазор между деталями. Если свариваются детали разной толщины, то ядро смещается на середину суммарной толщины деталей, т.е. в более толстую деталь. В этом случае площадь расплавления в контакте деталь – деталь может существенно уменьшится. Эту особенность формирования литого ядра необходимо учитывать при проектировании изделий из деталей разной толщины, для изготовления которых применяется точечная сварка. 59 Рисунок 5 – Схема сварной точки в разрезе: 1 – сварочное литое ядро диаметром d, высотой h; 2 – кольцо сварки металла, находящегося в пластическом состоянии; 3 – вмятины от электродов; 4 – зазор между деталями вокруг сварного соединения В зависимости от толщины s свариваемых деталей оптимальными считаются такие размеры сварной точки: d = (4...3)s, h = 1.6s (для толщин s = 0.5...6 мм ). Основные параметры режима точечной сварки Анализ параметров, от которых зависит тепловая энергия Q = I2Rtсв, затрачиваемая на расплавление металла ядра необходимых размеров, с учетом потерь на нагрев электродов и окружающего ядро металла, позволяет выделить основные параметры режима сварки, которые устанавливаются на машине точечной сварки (рис. 6): 1 – сварочный ток I; 2 – время сварки tсв; 3 – сила сжатия свариваемых деталей электродами P; 4 – площадь контакта между деталью и электродом F. От двух последних параметров Р и F зависит сопротивление на участке электрод–электрод Rээ = Rд + Rдд + 2Rэд. Сопротивление столбика металла Rд, на котором выделяется до 95% тепловой энергии Q, зависит от площади контакта F, которая в свою очередь зависит от силы сжатия Р, особенно в том случае, если применяют сферическую поверхность торцов электродов. Такие электроды рекомендуются для точечной сварки конструкций летательных аппаратов. Величину сварного тока Iсв и его изменение в процессе сварки данного материала (если известен характер изменения Rээ) можно определить по внешним характеристикам машины для точечной сварки (рис. 6), выражающим зависимость между напряжением на электродах U и сварочным током I. Пересечение кривых с осью абсцисс соответствует режиму короткого замыкания (Rээ 0), а пересечение с осью ординат – холостому ходу (Rээ ). Пересечение прямых, соответствующих различным Rээ, с внешними характеристиками дают величины сварочных токов при данном Rээ. Машины для точечной сварки имеют спектр внешних характеристик во всем диапазоне регулирования мощности машины. 60 Рисунок 6 – Внешние характеристики машины переменного тока 1 и машины постоянного тока 2 при одинаковом токе короткого замыкания: прямая 3 – для Rээ = 100 мкОм; прямая 4 – для Rээ = 400 мкОм Влияние основных параметров режима точечной сварки на прочность сварной точки Прочность сварной точки зависит в основном от размеров литого ядра. Максимальный диаметр ядра не превышает диаметр контактной площади электрода. С увеличением Iсв и tсв до оптимальных значений растут диаметр и высота ядра. При превышении оптимальных значений Iсв и tсв прочность сварной точки уменьшается вследствие перегрева металла вокруг ядра (снятие наклепа, отжиг металла), увеличения глубины вмятины. При этом возможен также выплеск расплавленного металла в зазор между деталями (внутренний выплеск) или из-под электродов (наружный выплеск). Для конкретной толщины и материала свариваемых изделий сила сжатия электродов не должна быть меньше Рmin. Если Р меньше Рmin, то нет надежного металлического контакта между деталями, между электродами и деталями, что приводит к наружному или внутреннему выплеску в момент включения тока. При увеличении усилия сжатия от Рmin до Ропт улучшается металлический контакт, увеличивается площадь сечения токопроводящего столбика металла до оптимальной величины, формируется расплавленное ядро оптимальных размеров. Если Р больше Ропт, то увеличивается глубина вмятин, уменьшается плотность тока вследствие чрезмерного увеличения диаметра контактов между деталями и электродами, что приводит к уменьшению размеров ядра. На практике применяют электроды, имеющие на торце плоскую или сферическую поверхность. Диаметр контактной площади плоского электрода или радиус сферической поверхности торца электродов выбирают таким, чтобы при сжатии деталей электродами диаметр контактной площади был равен диаметру ядра оптимальных размеров. В 61 процессе сварки происходит износ, деформация торцов электродов, что приводит к увеличению диаметра контактной площадки, падению плотности тока. Диаметр ядра уменьшается, прочность точки также уменьшается. В справочниках по сварке, в производственных инструкциях по контактной сварке различных материалов в зависимости от толщины свариваемых деталей названные выше параметры приводятся в таблицах режимов точечной сварки. В зависимости от теплофизических свойств свариваемых металлов для точечной сварки рекомендуют так называемые мягкие и жесткие режимы сварки. Мягкие режимы – меньший ток Iсв, больше время сварки tсв; жесткий режим – больший ток Iсв, меньше время сварки tсв. На мягких режимах сварки затрачивается больше тепловой энергии для образования ядра заданных размеров, так как увеличиваются потери тепла на нагрев металла, окружающего расплавленное ядро. Более мягкие режимы точечной сварки рекомендуют для металлов и сплавов, склонных к закалке. В некоторых случаях применяют режимы точечной сварки, где сварочный ток изменяется в процессе сварки (ступенчатое или плавное нарастание и падение тока), иногда в процессе сварки вводят временные паузы, когда ток выключают. На машине для точечной сварки для получения одной сварной точки задается временной цикл, который состоит из времени сжатия tсж, времени сварки tсв (времени нагрева детали сварочным током), времени проковки tпр (времени выдержки зоны сварки под давлением электродов до завершения кристаллизации расплавленного ядра). При автоматическом режиме машины точечной сварки во временной цикл добавляется время паузы tп (время перемещения изделия для сварки следующей точки). Шунтирование тока При последовательной сварке нескольких точек часть тока протекает через ранее сваренные точки (рис. 7). В этом случае сварочный ток I2, протекающий через свариваемую точку, уменьшается на ток шунтирования IS, I2 = I1 - IS, что приводит к уменьшению размеров ядра этой точки. С увеличением толщины деталей и уменьшением удельного сопротивления металла ток шунтирования возрастает. При расположении точек на изделии в один ряд ток шунтирования IS мало влияет на I2, если шаг между точками L больше Lmin. Для сталей, титановых сплавов Lmin = 20s, для алюминиевых сплавов Lmin = 50s. Если Lmin Lmin, то после сварки первой точки увеличивают ток I1 или время сварки tСВ. 62 Рисунок 7 – Шунтирование тока при точечной сварке При размещении точек на изделии, например в шахматном порядке, необходимо задавать последовательность сварки этих точек и для каждой точки задавать свой режим сварки. Разновидности точечной сварки По способу подвода тока к свариваемым деталям точечная сварка может быть двухсторонней и односторонней. Двухсторонняя одноточечная сварка рассмотрена выше, она нашла наибольшее применение. В некоторых случаях применяют многоточечную двухстороннюю сварку. В этом случае детали сжимают одновременно несколькими электродами и подключают ток ко всем электродам, если достаточна мощность источника питания или электроды подключаются к источнику питания последовательно группами. За один цикл сжатия сваривают несколько точек. При этом способе точечной сварки стабильность качества сварных точек невысокая. Односторонняя двухточечная сварка (рис. 8) нашла широкое применение при сварке узлов из конструкционных сталей, высоколегированных и титановых сплавов с толщиной деталей со стороны электродов 0.1…3 мм и с противоположной стороны до 8 мм. При односторонней двухточечной сварке ток подводится к двум электродам, которые прижимаются к одной из деталей. Сварные точки образуются под этими электродами при нагреве зоны сварки током I2 или током I2+I3. Важная особенность односторонней сварки – шунтирование части общего тока в верхнюю деталь. Ток шунтирования I1 не участвует в формировании ядра, нагревает верхнюю деталь, усиливает ее деформацию, искажает температурное поле в зоне сварки, может быть причиной наружного выплеска. Разновидностью односторонней точечной сварки есть сварка сдвоенным электродом. В этом случае медный электрод разделен на две половинки изоляционной прокладкой, к каждой половинке электрода подводится ток от источника питания. Сварочные установки с такими 63 электродами широко радиоэлектронике. применяются для точечной сварки в Рисунок 8 – Схемы односторонней двухточечной сварки: 1 – без подкладки; 2 – с токопроводящей подкладкой; 3 – с токопроводящей подкладкой и установленными на ней электродами Односторонняя двухточечная сварка выполняется, как правило, малогабаритными переносными пистолетами. Односторонней точечной сваркой можно сваривать изделия и узлы с односторонним доступом к месту сварки. При этом уменьшается деформация свариваемых узлов, повышается производительность процесса (за один цикл сварки свариваются две точки). Стабильность качества точечных соединений ниже, чем при двухсторонней точечной сварке, практически невозможно сваривать изделия из металлов с высокой электропроводностью, например из алюминиевых сплавов. В самолетостроении односторонняя двухточечная сварка применяется в основном для прихватки при сборке изделия в приспособлении. 3.2 Kонтактная шовная сварка После контактной точечной сварки контактная шовная сварка нашла наибольшее применение при производстве летательных аппаратов. Шовная сварка – способ контактной сварки, при котором подвод тока к деталям и их перемещение осуществляются с помощью двух вращающихся дисковых электродов-роликов (рис. 9). После сжатия деталей роликами усилием P включается вращение роликов и контактором S напряжение сети подается на первичную обмотку трансформатора. Ток на ролики может подаваться непрерывно (непрерывная шовная сварка) или отдельными импульсами (импульсная шовная сварка). Тепловые процессы и образование литого ядра сварного соединения такие же, как и при точечной сварке. 64 Рисунок 9 – Схема процесса шовной сварки: 1 – ролики; 2 – деталь; S – контактор; T – трансформатор Наиболее часто шовная сварка применяется для получения герметичных швов путем постановки последовательного ряда частично перекрывающих друг друга сварных точек. Применяется также шовная сварка для получения прерывистых швов вместо точечной сварки. Импульсы тока могут подаваться при непрерывном вращении роликов или в момент их кратковременной остановки (шовная шаговая сварка). Для шовной сварки применяют машины, которые подобны машинам для точечной сварки: машины переменного тока, низкочастотные машины, машины постоянного тока. Для шовной сварки чаще всего применяют универсальные машины, на которых можно сваривать как продольные, так и поперечные швы, в том числе кольцевые швы. Универсальные машины имеют верхнюю электродную головку, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси на 90. Нижняя консоль комплектуется двумя токоподводящими вставками с роликами для продольной и поперечной сварки. Привод для вращения обычно подключается к верхнему ролику, нижний ролик вращается от силы трения при перемещении свариваемого изделия между роликами. При шовной сварке герметичных швов или швов с небольшим шагом между точками наблюдается значительное шунтирование тока через сваренные участки, вследствие чего происходит дополнительный разогрев металла за роликами. Влияние шунтирования тока на нагрев металла существенно меньше при импульсной шовной сварке. Основные параметры шовной сварки, определяющие нагрев металла в зоне сварки, такие же, как и при точечной сварке. Это сварочный ток Iсв, длительность импульса тока tи, усилие сжатия Р и площадь контакта Fk ролика с деталью. Fk зависит в свою очередь от ширины роликов bp, диаметра роликов dp и усилия сжатия роликов Р. При импульсной шовной сварке шаг между точками зависит от длительности паузы tп между импульсами тока и скорости вращения роликов Vр. 65 При шаговой шовной сварке сварная точка мало чем отличается от сварного соединения, выполненного точечной сваркой. Если импульс сварочного тока подается на вращающиеся ролики, то литые ядра сварных точек получаются вытянутыми в направлении перемещения деталей между роликами. Длина зоны расплавления в этом направлении растет при увеличении tи или Vсв. При изменении, например Vр, необходимо корректировать другие параметры режима сварки, чтобы обеспечить получение качественного сварного шва. 3.3 Требования к конструированию узлов и деталей под контактную точечную и шовную сварку Узлы летательных аппаратов, соединяемые точечной и шовной сваркой, по конструктивному признаку можно разделить на несколько групп: различные емкости типа тел вращения, плоские панели, панели одинарной и двойной кривизны, узлы сложной пространственной формы, трехслойные сотовые панели. Для повышения жесткости обшивку подкрепляют обычно силовым набором из продольных стрингеров, поперечных шпангоутов, нервюр, диафрагм, поясов. Герметичные соединения получают шовной сваркой, а соединения внутреннего набора - чаще точечной. При изготовлении емкости толщина элементов внутреннего набора должна быть меньше толщины обшивки, иначе при разрушении соединения емкость разгерметизируется. Плоские или изогнутые панели усиливаются обычно продольнопоперечным набором из профилей или гофрированных листов. В зависимости от доступности к месту сварки конструктивные элементы можно разделить на три типа: открытые, полуоткрытые и закрытые. Первые, как наиболее технологичные в условиях контактной сварки, предпочтительнее, чем вторые. Третий тип элементов резко усложняет процесс сварки из-за ограниченного доступа к месту сварки, требует применения фигурных электродов или токопроводящих подкладок, специального сварочного оборудования. При проектировании сложных пространственных конструкций под точечную и шовную сварку необходимо предусмотреть рациональную последовательность сварки элементов, обеспечивающей доступ к зоне сварки и контроль качества сварных соединений. Сварные соединения должны быть спроектированы с учетом специфики точечной и шовной сварки из металла с хорошей свариваемостью, допустимого соотношения толщины свариваемых деталей, при строгом соблюдении номинальных размеров литого ядра, глубины вмятины, ширины шва, величины нахлестки, ширины полки профиля, расстояния от центра точки до края детали, шага между точками. 66 В стандартах, производственных инструкциях и в справочной литературе по контактной сварке эти данные приводятся в зависимости от толщины и свойств металла свариваемых изделий. 3.4 Особенности точечной и шовной сварки отдельных металлов и сплавов При контактной сварке металл в зоне образования сварного соединения подвергается термомеханическому воздействию, вызывающему протекание ряда процессов, определяющих в конечном счете качество сварного соединения. Специальными режимами сварки необходимо устранить или уменьшить влияние этих процессов на качество сварки. Исходными данными для определения оптимального режима сварки служат свойства металла и толщина металла деталей, а также особенности сварочного оборудования. Основные конструкционные металлы, свариваемые контактной сваркой, можно условно разделить на шесть групп. Для каждой группы можно выделить общие требования к режиму точечной или шовной сварки. Металлы первой группы – малоуглеродистые конструкционные стали свариваются в широком диапазоне параметров режимов из-за малой чувствительности к термическому циклу, небольшой склонности к трещинообразованию. В связи с относительно высокой теплопроводностью и электропроводностью предпочтение отдают более жестким режимам. Металлы второй группы – углеродистые стали, малолегированные стали - в зоне термического влияния образуют закалочные структуры. Высокая скорость охлаждения способствует образованию твердого и хрупкого мартенсита, что может привести к образованию трещин. Сварку этих сталей ведут на мягких режимах, время сварки в три раза больше, чем для низкоуглеродистых сталей. Если позволяет машина, то производят термообработку сварного соединения между электродами с помощью дополнительного импульса тока. При сварке деталей толщиной больше 3 мм рекомендуется трехимпульсный режим. Второй импульс тока - замедляющий процесс кристаллизации ядра, третий - термообрабатывающий импульс. Более высокая прочность сталей второй группы требует увеличения усилия сжатия в 1.5 раза. Металлы третьей группы – высоколегированные стали различных классов (коррозионно-стойкие, жаропрочные теплостойкие стали). Общими свойствами этих сталей являются низкая электропроводность и теплопроводность, повышенная прочность. Для каждого класса сталей рекомендуются свои оптимальные режимы точечной и шовной сварки. Так, коррозионно-стойкие стали аустенитного класса для предупреждения 67 образования карбидов хрома по границам зерен (межкристаллитной коррозии) необходимо сваривать на жестких режимах. Наибольшим сопротивлением деформации и большей чувствительностью к выплеску отличаются жаропрочные стали и сплавы. Для этих металлов характерен большой интервал кристаллизации и связанный с ним температурный интервал хрупкости, который влияет на склонность к образованию горячих трещин. Для качественной сварки этих сталей применяется повышенное усилие сжатия, подогревающий импульс тока, мягкие режимы сварки, увеличенное усилие проковки. Металлы четвертой группы – титановые сплавы имеют низкую электропроводность и теплопроводность, малую жаропрочность, хорошо свариваются как на мягких, так и жестких режимах точечной и шовной сварки. Металлы пятой группы – алюминиевые сплавы имеют ряд свойств, которые усиливаются при точечной и шовной сварке. Алюминиевые сплавы покрыты тугоплавкой окисной пленкой (температура плавления AL2O3 – 2050C), которая не позволяет при образовании ядра получить сплошного расплавления по стыку. Перед сваркой окисную пленку обычно удаляют химическим травлением. Вследствие высокой электропроводности и теплопроводности алюминиевых сплавов при контактной сварке требуются большие плотности тока. Так, при сварке легированных сталей с толщиной деталей 1 мм плотность тока равна 400…500 А/мм2, а для алюминиевых сплавов – 2800…3200 А/мм2, что требует применения мощных машин для контактной сварки. Большая усадка металла при кристаллизации расплавленного металла ядра, узкий температурный интервал требуют применения машин с малоинерционными приводами, обеспечивающими быстрое увеличение усилия сжатия при проковке (за 0.02 с после выключения сварочного импульса тока). Опоздание приложения усилия проковки приводит к тому, что усадочные раковины, горячие трещины в затвердевшем металле ядра не залечиваются. Усилие проковки превышает усилие сжатия при пропускании тока примерно в два раза. Чтобы обеспечить необходимый цикл изменения усилия сжатия в процессе сварки и проковки для шовной сварки алюминиевых сплавов применяют машины, обеспечивающие шаговую шовную сварку с остановкой вращения роликов на время образования сварного соединения. Для сравнительно пластичных металлов при температурах сварки (АМц, Д16) толщиной до 3 мм можно использовать конденсаторную сварку. Сплавы с повышенным содержанием магния целесообразно сваривать на машинах постоянного тока или на низкочастотных машинах током с более длительными импульсами. 68 Сварочное усилие FCB возрастает при увеличении и снижении длительности сварочного импульса. При сварке сплава АМг6 на конденсаторных машинах сварочное усилие должно составлять 800…1000S, где S – толщина деталей. При шовной сварке значения тока сварки Iсв и FCB меньше, чем при точечной, из-за повышенного теплосодержания металла шва. При этом в основном рекомендуются машины постоянного тока с шаговым перемещением роликов. Большинство свариваемых алюминиевых сплавов отличается широким интервалом кристаллизации и значительной усадкой. Поэтому для предупреждения образования трещин и раковин в литом металле ядра используется ковочное усилие FK, время приложения которого по отношению к моменту выключения тока составляет 0,02…0,08 с в зависимости от толщины деталей tK = (0,01…0,015)S. Вероятность образования трещин определяется объемом расплавленного металла, и поэтому проковку рекомендуется производить при сварке деталей толщиной более 2 мм. Для облегчения условий проковки и снижения FK можно использовать дополнительный импульс тока, следующий через некоторую паузу после сварочного. Снижение сопротивления деформации и склонности к образованию выплесков достигается при применении предварительного импульса тока, который по силе и длительности меньше сварочного. Для этой цели рекомендуется плавное или ступенчатое повышение сварочного усилия по мере нагрева и плавления металла. Электроды и ролики для точечной и шовной сварки алюминиевых сплавов изготовляют из металлов с высокой теплои электропроводностью, например из кадмиевой бронзы БрКд1. Электроды и ролики зачищают для удаления продуктов взаимодействия и восстановления исходного профиля рабочей поверхности через 100 точек. Металлы шестой группы – магниевые сплавы в отличие от алюминиевых сплавов имеют повышенную пластичность, поэтому их можно сваривать без выплеска на более жестких режимах и с меньшими усилиями сжатия. Металлы седьмой группы – латуни, низколегированные бронзы отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. Эти сплавы сваривают на жестких режимах и больших плотностях тока, приближающихся к условиям сварки алюминиевых сплавов. Чистую медь можно сваривать точечной сваркой на весьма жестких режимах с применением мощных конденсаторных машин и тепловых экранов под электродами или электродных вставок из вольфрама, уменьшающих отвод теплоты в электроды. 69 3.5 Типичные дефекты сварных соединений и их исправление К дефектам сварных узлов относится нарушение геометрических размеров и формы, заданных чертежом. Причинами этих дефектов могут быть сварочные деформации элементов узла, возникающие вследствие термомеханического воздействия на металл в процессе сварки; технологические деформации, связанные с работой оборудования, приспособлений и положением узла при сварке; дефекты собственно сварных соединений; несоблюдение геометрических размеров при сборке и прихватке деталей узла. Вопросы, связанные с деформациями при точечной и шовной сварке, являются достаточно специфическими и сложными. Известно, что стабильные свойства соединений, выполняемых точечной и шовной сваркой, могут быть получены только при наличии зоны взаимного расплавления соединяемых деталей. Основными дефектами являются непровар, выплески, вмятины, несплошности зоны сварки (трещины, раковины, поры), снижение коррозионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения структуры металла, хрупкость и нарушение герметичности. Непровар — наиболее опасный и трудно выявляемый дефект, при котором зона взаимного расплавления меньше требуемой в чертеже изделия. Непровар может проявляться в виде полного отсутствия или уменьшения литого ядра, а также при частичном или полном сохранении оксидной пленки или плакирующего слоя в контакте деталь-деталь. Наиболее опасен непровар, в котором образуется соединение в твердом состоянии по микрорельефам поверхности. Такое соединение трудно выявить, оно может выдержать иногда относительно большие статистические срезывающие нагрузки и хрупко разрушиться при небольших напряжениях отрыва и знакопеременных нагрузках. Общей причиной этого дефекта считают нарушение температурного поля, что может произойти вследствие изменения параметров режима сварки, а также других технологических факторов (малые нахлестка и расстояние между точками, большие зазоры), приводящие к снижению плотности тока (тепловыделения). Для предупреждения непроваров следует обеспечить стабильность технологических факторов и работы сварочного оборудования, а также удалить перед сваркой тугоплавкие оксиды и плакирующий слой, препятствующий процессу образования зоны взаимного расплавления деталей. Выплески — распространенный дефект сварки. Это выброс части расплавленного металла из зоны сварки. Их разделяют на наружные и внутренние. Наружный выплеск связан с перегревом металла в контакте электрод — деталь. Внутренний выплеск может быть начальным или конечным. Начальный выплеск часто образуется при работе машин на 70 скоростных режимах, особенно при включении тока асинхронными контакторами. Конечный выплеск связан с локальным образованием зазора в уплотняющем пояске. Выплески обычно увеличивают глубину вмятины, выявляются они внешним осмотром. Наружные выплески ухудшают внешний вид изделия. Внутренние выплески часто препятствуют дальнейшему росту ядра. Конечные выплески часто сопровождаются образованием трещин, раковин и глубоких вмятин, поэтому считаются наиболее опасными. Причины выплесков: недостаточное усилие сжатия, большая сила сварочного тока и длительное его протекание, высокое контактное сопротивление, малое усилие сжатия, неправильная установка и заправка электродов. Общая причина появления этого дефекта состоит в отставании скорости деформации от скорости нагрева. Образование конечного внутреннего выплеска связано с раскрытием зазора, вызванного тепловым расширением металла, потерей герметичности соединения и выбросом жидкого металла, находящегося под высоким давлением. Кроме того, предупредить раскрытие зазора и конечный выплеск можно путем повышения усилия на 15…20% на конечной стадии цикла нагрева, размещения между деталями ленты или плакирующего слоя из пластичного металла. Вмятины глубиной более 20…25% толщины детали снижают прочность соединения. Этот дефект выявляется при внешнем осмотре, и его легко замерить обычным индикатором со специальной стойкой. Причинами дефекта являются чрезмерное увеличение силы сварочного тока, времени сварки или малая рабочая поверхность электрода. Односторонние вмятины обычно возникают в результате износа нижнего электрода с развитой поверхностью, неправильной заправки рабочей поверхности электрода, нарушения соосности и параллельности рабочих поверхностей электродов. Дефекты литой зоны сварного соединения — это трещины, рыхлости и усадочные раковины. Трещины образуются под действием растягивающих напряжений, возникающих в месте сварки вследствие неравномерного нагрева и интенсивного охлаждения. В этих условиях появляются в основном горячие трещины, они образуются в температурном интервале хрупкости. Основные причины возникновения трещин — слишком жесткий режим и несвоевременное приложение усилия проковки. В центре ядра возможно образование различных несплошностей (рыхлот, раковин). Причинами этого дефекта являются загрязнение поверхности и недостаточное усилие сжатия при сварке. При шовной сварке деталей толщиной 2…3 мм кристаллизация металла может происходить без внешнего давления, так как ролик уже переместился на шаг. При этом преимущественно образуются трещины, расположенные перпендикулярно к оси шва. При сварке последующей точки в зависимости от шага возможны следующие способы устранения дефектов: переплав металла 71 предыдущей точки (при малом шаге или перекрытии более 50%), заполнение несплошностей жидким металлом (при большем шаге или перекрытии 50%) или заполнение этой несплошности нагретым металлом в результате его пластической деформации (большой шаг — перекрытие 30…40%). Хрупкое соединение характерно для закаливающихся сталей. Закалка снижает пластичность соединения. Дефект распознается по характеру излома, который обычно происходит по сечению точки. Причина дефекта — слишком жесткий режим или выбор неправильного цикла термической обработки в электродах машины. Негерметичность шовной сварки возникает при отклонениях параметров режима сварки. Слишком большая сила тока может привести к выплескам. Уменьшение силы сварочного тока, времени импульса и паузы приводит к уменьшению литого ядра. Перекрытие точек исчезает, и между точками появляются участки непровара, нарушающие герметичность. Контроль герметичности выполняют испытанием воздухом при избыточном давлении или другими способами. Снижение коррозионной стойкости соединений возникает в результате переноса части электродного металла на поверхность вмятины и может вызвать усиленную коррозию в этой части соединения, особенно на сплавах, чувствительных к коррозии в контакте с электроположительными элементами, например на алюминиевых и магниевых сплавах в контакте с медью. Этот дефект называется в практике контактной сварки «загрязнением» поверхностей деталей. Следствием подобного изменения свойств является увеличение температуры в контакте с деталями как за счет повышения тепловыделения, так и за счет снижения теплоотвода (эффект теплового экранирования). Это явление приводит к росту объема расплавленного металла (глубины проплавления), что часто сопровождается образованием трещин, выходящих на поверхность деталей, и выплесков. Таким образом, на определенной стадии процесса возникает необходимость периодической зачистки рабочей поверхности электродов для удаления продуктов взаимодействия, что снижает производительность процесса сварки. Момент зачистки обычно соответствует глубине проплавления 80…90% и зависит от свойств металла и состояния поверхностей деталей и режима сварки. В качестве электрического параметра для оценки состояния поверхностей электрода может служить сопротивление электрод – деталь. Заметное снижение коррозионной стойкости соединений в основном характерно для химически активных металлов — сплавов на основе магния, алюминия, никеля, покрытий из алюминия и цинка. Для уменьшения вероятности снижения коррозионной стойкости соединений следует принимать меры по торможению процессов массопереноса. К таким технологическим мероприятиям можно отнести следующие: 72 1. Тщательная подготовка поверхности деталей перед сваркой, желательно химическим способом, для удаления продуктов, содержащих влагу и способствующих вторичному окислению поверхности электрода. 2. Использование жестких режимов, сокращающих пребывание металла при повышенных температурах. 3. Применение предварительного обжатия деталей перед сваркой. 4. Нанесение на поверхность деталей барьерных веществ (минеральных масел), препятствующих массопереносу (схватыванию) и вторичному окислению электродов. 5. Интенсивное охлаждение электродов и роликов водой и в ряде случаев жидкими газами; использование электродных материалов с высокой теплопроводностью, например технической меди при точечной сварке магниевых сплавов. 6. Удаление продуктов массопереноса с поверхности соединений после сварки путем зачистки ее металлическими щетками. Термодеформационный цикл сварки в зависимости от свойств конкретного металла может вызвать образование гаммы неблагоприятных структур в шве и околошовной зоне сварного соединения. Однако роль этих изменений в большинстве случаев относительно невелика из-за концентрации напряжений у границ шва, а также малой ширины зоны термического влияния и незавершенности процесса структурных изменений вследствие кратковременности нагрева. Дефекты рельефной сварки и их причины в большинстве случаев те же, что и при точечной сварке. Однако в ряде случаев допускается рельефная сварка в твердой фазе. Большие пластические деформации, возникающие при осадке рельефа, стабилизируют прочностные показатели. Причиной дефектов рельефной сварки кроме нарушения параметров режима сварки может быть изменение размеров рельефов по высоте. В многорельефном соединении это нарушает равномерное распределение тока по рельефам, что приводит к перегреву отдельных рельефов, внутренним выплескам или к полному отсутствию соединения. При рельефной сварке один из электродов изнашивается быстрее. На его рабочей поверхности появляются лунки. На детали в этом месте образуется декоративный дефект в виде выпуклости. При увеличении выпуклости снижается прочность соединения. Исправление дефектов контактной сварки обычно технологически сложно и трудоемко. Точечная или шовная сварка по ранее сваренному месту возможна, но выполняется редко и на особо подобранных режимах. При этом способе исправления обычно трудно обеспечить соосность соединений. Чаще дефектную точку или шов исправляют сваркой дополнительных точек или наложением параллельного сварного шва. Исправление дефектного соединения способами сварки плавлением или пайкой почти всегда возможно, но трудоемко. 73 Глубокие вмятины на лицевых поверхностях исправляют пайкой или заполняют их пластмассой, используя способ напыления. Дефекты стыковой сварки обычно невозможно исправить. При сварке кольцевых деталей иногда разрушают дефектное соединение и сваривают детали вновь. Допустимость дефектов и необходимость их исправления зависит от степени ответственности данного соединения сварного узла (изделия) и указывается в ТУ и действующих технологических инструкциях по сварке. В зависимости от вида, расположения и размера дефекта его исправляют повторной точечной или шовной сваркой; обработкой резанием дефектного места и последующей газовой или дуговой электросваркой в среде защитных газов; сверлением отверстий и постановкой заклепок; зачисткой поверхности сварных швов; термической обработкой сварного узла. Дефекты сварных узлов (изменение формы и размеров) исправляют путем местного нагрева, постановки «холостых точек», прокаткой между стальными роликами, а также правкой ударом и обжатием. Для своевременного предупреждения образования дефектов необходимо контролировать операции технологического процесса, предшествующие сварке: подготовку формы и поверхности деталей, сборку и прихватку. Контроль подготовки поверхности особенно важен при точечной сварке легких сплавов. Его выполняют измерением сопротивления холодных деталей, совмещенных, как при сварке, и сжатых заданным усилием. 3.6 Технология рихтовки споттером Spotter (споттер от англ. spot – точка) – аппарат односторонней точечной сварки. Принцип действия основан на выделении большого количества тепла в зоне контакта свариваемых материалов при прохождении тока. Споттер используют для выправления крупных деталей кузова автомобиля, к которым без разборки нет возможности добраться с обратной стороны ремонтируемой детали (например двери, пороги и т.п.). Споттеры практически незаменимы при производстве кузовных работ и обеспечивают удаление вмятин в случае затрудненного доступа к обратной стороне зоны деформаций. В таких случаях рихтовочное усилие можно приложить только с внешней стороны панели. Для этого с помощью споттера в зоне деформаций временно приваривают ряд штучных временных крепежных элементов (гвоздей, шпилек, шайб, крючков и т.п.). Временные элементы играют роль точек приложения вытягивающего усилия. Оно может быть ударным, что характерно при применении инерционного (обратного) молотка, или плавным в случае использования рычажных устройств. После выправления дефекта временные элементы удаляются. С применением споттера трудоемкость работ значительно снижается за счет уменьшения количества арматурных и ремонтных работ. Другими положительными сторонами такой технологии ремонта 74 являются сохранение «родных» швов и стыков на панелях и соответственно заводского антикоррозионного покрытия. Во многих случаях повреждений наличие споттера дает возможность проводить восстановление автомобиля без приобретения новой ремонтной детали, работы потребуют гораздо меньшей зоны ремонта и соответственно будет сведено к минимуму время производства ремонтных работ. Технологический процесс состоит из следующих операций: 1. Подготовка поверхности. Деформированную поверхность необходимо предварительно зачистить от лакокрасочного покрытия или ржавчины, если таковая имеется. К данному процессу нужно отнестись особенно ответственно, так как от этого зависит надежность соединения крепежных элементов с кузовом. 2. Заземление. К подготовленной поверхности крепится контакт заземления. Для некоторых деталей лучше использовать магнитный контакт. 3. Сварка. Точечной сваркой привариваются крепежные элементы (это могут быть треугольники, шайбы, шпильки, обратный молоток). 4. Вытяжка. Осуществить поочередный или одновременный захват крепежных элементов и, используя специальные приспособления для правки, произвести вытяжку деформированной поверхности. В качестве приспособления для правки используют стапели, гидроцилиндры, механические растяжки, стяжки, обратный молоток. После правки крепежная деталь удаляется вручную (вращательными движениями) и проводится зачистка шлифовальным инструментом. При сварке необходимо учитывать толщину металла, правильно выбрать крепежный элемент, определить время сварки. Если кузов машины алюминиевый, то нельзя использовать обратный молоток, процесс правки должен быть более плавным. При использовании точечной сварки нет необходимости проводить такие операции, как разборка и сборка элементов (например дверей). Но при этом нужно учитывать, что с внутренней стороны детали будет повреждено антикоррозионное покрытие (вследствие нагрева ) и не будет лишним выполнить обработку доступным способом. Самые дешевые споттеры – это отдельно стоящие трансформаторы однофазного переменного тока. Они не пригодны для использования в работе с кузовами из оцинкованной стали или стали с высокой упорной прочностью. Споттеры с большей мощностью имеют трансформатор трехфазного постоянного тока. В современных споттерах вместо трансформаторов используют инвертор, в таком исполнении они более компактные и легкие. С помощью такого оборудования сварное соединение имеет высокое качество (т.к. может быть получен ток высокой частоты до 2000 Гц). Таким аппаратом можно осуществить сварку любых металлов, используемых для изготовления автомобилей. 75 4 ГАЗОВАЯ СВАРКА В газовой сварке используют тепло, которое выделяется при сгорании горючих газов. Газовая сварка имеет следующие достоинства: 1. Возможность сваривания обширной номенклатуры материалов. 2. Плавное и простое регулирование мощности пламени, вследствие чего можно сваривать тонкие листы. Недостатки газовой сварки: 1. Большая зона разогрева свариваемых узлов, что вызывает их большое коробление. 2. Пониженная прочность сварного шва для некоторых материалов. 3. Большое количество выделяемых газов. 4. Неудобство применения, связанное с необходимостью иметь кислород, горючий газ и многочисленную аппаратуру. Газовую сварку в настоящее время применяют для сварки сплавов цветных металлов (алюминиевых, магниевых и медных), для сварки деталей из тонкого листового материала различных марок. Для производительной сварки металлов необходима высокая температура. Стали, например, затруднительно сваривать, если температура подогревающего источника ниже 3000ºС. При сгорании газа тепло расходуется на нагревание металла, продуктов сгорания и окружающей атмосферы. Для повышения температуры сгорания необходимо уменьшить массу нагреваемых газов. Если сжигать газ в воздухе, то масса газов, не участвующих в реакции, а лишь отбирающих тепло, получится большой (в основном за счет азота), и температура пламени падает. Поэтому для сварки газы сжигают в технически чистом кислороде. Температура пламени известных в технике газов при их сжигании в кислороде приведена в табл. 11. Таблица 11 – Температура пламени газов Газ Ацетилен Метан Пропан Водород Температура пламени, С 3150 2000 2000 2100 Газ Температура пламени, С Нефтяной газ 2100 Природный газ 2000 Сланцевый газ 2000 76 Пары керосина 2400 Коксовый газ 2000 Пары бензина 2600 4.1 Кислородно-ацетиленовая сварка Под газовой обычно понимают кислородно-ацетиленовую сварку, поскольку ацетилен даёт самую высокую температуру и широко распространен. Остальные газы применяются значительно реже и считаются заменителями ацетилена. Если применён газ-заменитель ацетилена, то сварка называется иначе, например, “сварка природным газом”, “водородная сварка”. Процесс горения ацетилена Если в трубке диаметром dт и толщиной стенок δст находится горючая смесь, подожженная с одного конца, то фронт пламени распространяется по трубке с некоторой скоростью, зависящей от состава смеси и размеров трубки, Vгор = f (dт, δст). Если смесь движется по трубке и скорость истечения Vист больше скорости горения Vгор , то пламя по трубке не распространяется и смесь будет гореть у торца. Если Vист намного превышает Vгор , то пламя оторвется от трубки и погаснет. Поэтому в сварочных горелках для устойчивого горения Vист должна находиться в пределах 70…180 м/с. В пламени горелки имеются три зоны (рис. 10): 1 – ядро; 2 – сварочная зона (восстановительная); 3 – окислительная зона. Рисунок 10 – Строение ацетилено-кислородного пламени Максимальная температура пламени лежит в середине второй зоны и составляет 3100ºС. Сварку нужно вести так, чтобы поверхность металла находилась в зоне 2. Горение ацетилена – это очень сложный процесс. Он представляет собой серию непрерывных реакций. Наиболее важные из них следующие: 1. В ядре идет диссоциация и частичное окисление углерода с образованием окиси углерода: С2Н2 = 2С + Н2 +Q 2С + О2 = 2СО + Q 2. В восстановительной зоне происходит как полное, так и неполное сгорание углерода: 2С + О2 = 2СО +Q 2СО + О2 = 2СО2 + Q 77 3. В факеле за счет кислорода воздуха происходит догорание окиси углерода и водорода: 2СО + О2 = 2СО2 + Q Н2 + О2 = Н2О + Q В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода в горючей смеси пламя может быть: а) окислительным, когда в смеси имеется избыток кислорода; б) нормальным ( или восстановительным), когда соотношение между кислородом и ацетиленом поддерживается нормальным: Vк = 1.3…1.1 Va; в) науглероживающим, когда в смеси имеется избыток ацетилена: Vк ≤ 0,95 Va. При окислительном пламени ядро и средняя зона уменьшаются, максимальная температура несколько возрастает и приближается к горелке, появляется характерный шум. При науглероживающем пламени явления протекают в обратном направлении. Кроме того, появляется зеленый венчик на конце ядра, а пламя в целом принимает желтую окраску. Сварку необходимо вести нормальным пламенем. Такое пламя обладает слабыми восстановительными свойствами. Оно раскисляет металл, частично восстанавливая его, благодаря чему металл шва получается однородным и прочным, без газовых пузырей и окислов. Окислительное пламя сильно окисляет свариваемый металл, что приводит к получению хрупкого и пористого шва, а науглероживающее пламя приводит к переходу углерода в жидкий металл, что также ухудшает пластичность шва. Ацетилен, его свойства и получение Ацетилен – это искусственный газ, обладающий самой высокой теплотворной способностью из всех газов. Он неустойчив и поэтому в природе его в свободном состоянии не существует. Представляет собой углеводород ненасыщенного ряда С2Н2. Получается реакцией карбида кальция СаС2 с водой: СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2 +Q Карбид кальция в свою очередь получают в специальных печах сплавлением кокса с негашеной известью: СаО + 3С = СаС2 +СО – Q Карбид кальция бурно реагирует не только с водой, но и с её парами, поэтому длительное хранение СаС2 на воздухе не допускается. Реакция СаС2 с водой идёт с выделением тепла и должна регулироваться. Вследствие этого ацетилен получают в особых устройствах, называемых ацетиленовыми генераторами. Отметим следующие важные свойства ацетилена: 1. Смесь ацетилена с воздухом взрывоопасна. Пределы 78 воспламенения ацетилена в воздухе – 2.2…81%. Взрыв может произойти от искры, сильного местного нагрева и по другим причинам. 2. Чистый ацетилен также взрывоопасен при давлении выше 15 атм и температуре выше 500ºС. При этих условиях он диссоциирует по формуле С2Н2 ↔ 2С + Н2 с выделением тепла. Диссоциация может иметь характер взрыва. Поэтому ацетилен при t = 500ºC применяется под давлением не выше 15 атм. 3. Ацетилен способен растворяться в большом количестве в некоторых жидкостях и особенно в ацетоне. Поэтому С2Н2 можно хранить и транспортировать в растворенном виде. Снабжение потребителя ацетиленом осуществляется двумя путями: 1. Потребителю поставляют карбид кальция в герметичных бочонках. Из карбида кальция получают ацетилен в специальных ацетиленовых генераторах. Ацетиленовые генераторы бывают высокого, среднего и низкого давления. Соответственно и ацетилен получается высокого, среднего и низкого давления. 2. Поставка ацетилена в баллонах в растворенном виде. Ацетилен здесь находится под высоким давлением (15 атм). Растворенный ацетилен В одном литре ацетона при давлении 1 атм и температуре 20ºС растворяется 52 л ацетона, при 15ºС – 23 л и при 40ºС – 13 л. Количество растворенного ацетилена возрастает пропорционально увеличению давления. Для растворения ацетилена используют специальные баллоны, заполненные пористой массой ( активированный уголь, пемза и др.). Пористая масса заливается ацетоном, а затем под давлением 15 атм подается ацетилен. В верхней части остается воздушная подушка, чтобы избежать опасного повышения давления при нагревании баллона. Ацетилен, находясь в капиллярах пористой массы, рассредотачивается и становится менее взрывоопасным. Кроме того, пористая масса увеличивает поверхность контактирования ацетилена с ацетоном, что убыстряет процесс растворения. Так как растворимость при уменьшении давления падает, то при открытии вентиля баллона ацетилен выделяется из жидкости и выходит из баллона. Пористость массы – 75%, удельный вес – 0,3…0,4 г/см3, объем воздушной подушки – 6…10%. При этих данных в одном литре объема баллона вмещается 100 – 110 л ацетилена. Преимущества растворенного ацетилена: 1. Высокая чистота ацетилена, что улучшает процесс сварки и повышает качество шва. 2. Высокое давление, что позволяет вести сварку при значительной длине подводящих шлангов и любыми горелками. 3. Чистота рабочего места. 4. Большая безопасность. 79 Кислород и его получение Кислород - это бесцветный газ, являющийся сильным окислителем. Для сварки кислород иногда получают разложением воды Н2О на водород и кислород ( если нужен и водород и кислород). Если нужен только кислород, его получают из воздуха, который превращают в жидкость путем глубокого охлаждения. В такой жидкости содержится 79% азота и 21% кислорода (содержание остальных примесей незначительно). Температура кипения азота составляет -196°С, а кислорода – -183°С, т.е. азот закипает раньше. Разница в температуре кипения на 13°С позволяет выделить азот из жидкого воздуха и получить технически чистый жидкий кислород. Потребители получают жидкий кислород в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией (в сосудах Дюара или специальных цистернах). Затем в специальных устройствах (газификаторах) жидкий кислород превращают в газообразный, накачивают в баллоны и используют для сварки. На рабочее место кислород поступает по шлангам от баллонов. Давление кислорода в баллонах – 150 атм. Для снижения давления (перед подачей в горелку) используют специальные редукторы, снижающие давление кислорода на входе в горелку и поддерживающие его постоянным. 4.2 Оборудование и расходные материалы Сварочные горелки Сварочная горелка является основным инструментом при газовой сварке. Она предназначена для сжигания ацетилена в кислороде и образования нагревающего пламени. Горелки бывают двух типов: 1) инжекторные (рис. 11, а), принцип работы которых основан на инжекции. Работают при любом давлении ацетилена (свыше 0,005 атм); 2) безынжекторные (рис. 11, б), в которые кислород и ацетилен поступают под высоким давлением (но не ниже 0,5 атм). Так как инжекторная горелка может работать при любом давлении ацетилена (т.е. от любого ацетиленового генератора, что является её преимуществом), она считается универсальной. В инжекторную горелку входят: 1. Ниппель для кислорода. 2. Ниппель для ацетилена. 3. Корпус горелки. 4. Вентили. 5. Инжектор. 6. Смесительная камера. 7. Трубка наконечника. 8. Мундштук. 80 Устройство горелки высокого давления показано на рис. 11. Недостатки инжекторной горелки по сравнению с горелкой высокого давления следующие: а) состав смеси и пламя менее стабильны; б) повышенная опасность проникновения пламени по ацетиленовому каналу (так называемый обратный удар пламени). Рисунок 11 – Схемы сварочных горелок: а – инжекторной; б – высокого давления, или безынжекторной Показателем эффективной работы инжектора служит коэффициент инжекции ξ = Ga/Gk , т.е. отношение веса инжектируемого газа (ацетилена) к весу инжектирующего газа (кислорода). Чтобы инжекция ацетилена была достаточной, необходимо подавать кислород под давлением 4…4,5 атм и очень тщательно конструировать горелку. В безынжекторной горелке смесь более стабильна по составу. Однако давление ацетилена в ней должно быть высоким (не менее 0,5 атм). Кислород подаётся под давлением 0,5…0,7 атм. Флюсы для газовой сварки Флюсы – это вещества, вводимые в сварочную ванну для раскисления металла шва и извлечения из него образующихся окислов и неметаллических включений. Кроме того, флюсы образуют шлаковую пленку на поверхности сварочной ванны, предохраняя металл от дальнейшего окисления. При сварке меди, железа, никеля восстановление металла из окислов осуществляется водородом и окисью углерода, которые присутствуют в пламени. Но окислы таких металлов, как алюминий, цинк, магний, очень устойчивы, не восстанавливаются с помощью водорода и угарного газа и требуют более сильных восстановителей. В этом случае металл раскисляют с помощью флюса. Раскисление идёт по следующей формуле: окисел металла + флюс = соль. 81 Соль, образующаяся в результате реакции, должна быть легкоплавкой и легкой, при сварке она расплавляется и всплывает на поверхность сварного шва. Флюс также должен быть более легкоплавким и более легким, чем свариваемый металл, чтобы он находился на поверхности металла. Кроме того, флюс должен иметь высокую реакционную способность, иначе металл затвердеет до окончания реакции раскисления. Если окисел металла имеет кислый характер, то флюс должен содержать основной окисел, и наоборот, если окисел металла является основным, то окисел флюса должен быть кислым. Кислые флюсы необходимы для таких металлов, как алюминий, латунь, бронза, медь, поскольку окислы этих металлов основные. Основные флюсы необходимы для чугуна. Для алюминиевых сплавов часто в флюс входят вещества, растворяющие окислы в жидком состоянии, благодаря чему окислы переходят в флюс. Наиболее сильным флюсом для алюминиевых сплавов является хлористый литий (LiCl). Раскисление происходит по такой реакции: 6LiCl + 2Al2O3 = 2AlCl3 + 3Li2O При этом AlCl2 и Li2O являются легкоплавкими и легкими веществами, всплывающими на поверхность металла. Флюсы наносятся либо на кромки шва в виде пасты, порошка или кашицы, либо на прутки присадочного материала. Присадочный материал Основная задача сварки - получить соединение, равнопрочное основному металлу. Свойства наплавленного металла в значительной мере определяются качеством и составом присадочного материала, поэтому требования к нему очень высокие. Присадочная проволока должна содержать минимальное содержание вредных примесей. Рассмотрим влияние различных примесей при сварке углеродистых сталей. 1. Углерод ухудшает свариваемость стали. С повышением содержания углерода увеличивается прочность шва, но резко снижается его пластичность. В сварочной проволоке должно содержаться не более 0,1…0,8% углерода. 2. Сера приводит к красноломкости стали вследствие образования легкоплавкой эвтектики FeS. Содержание серы в присадочной проволоке ограничивается 0,04%. 3. Фосфор снижает пластичность и вызывает хладноломкость стали. В присадочной проволоке содержание фосфора ограничивается 0,04%. 4. Кремний приводит к пористости металла шва, так как способствует образованию на поверхности металла вязкого, тугоплавкого шлака, препятствующего выходу газов из расплавленного металла; содержание кремния ограничивается 0,03%. Для повышения прочности и пластичности шва в присадочный материал вводят легирующие примеси. 82 Полезной примесью является, например, марганец. Будучи хорошим раскислителем, он повышает прочность шва без снижения пластичности. При содержании в присадочной проволоке 1% марганца прочность получается максимальной при высокой пластичности. Марки проволоки для сварки малоуглеродистых сталей следующие: СВ-1, CB1-A, СВ-1Г, СВ-1ГА, СВ-2, СВ-2С. Первые две марки применяют для получения швов повышенной пластичности, а остальные – повышенной прочности. Проволоку с буквой "А" используют для конструкций ответственного назначения. Для сварки специальных сталей, а также цветных металлов присадочный материал должен быть по составу примерно таким же, как и исходный свариваемый металл, но, как правило, с меньшим содержанием вредных примесей и с повышенным содержанием легирующих примесей. 4.3 Техника газовой сварки Существует правый и левый способы газовой сварки (рис. 12). При правом способе горелка движется направо, при левом – налево. Присадочный материал в обоих случаях располагается слева от горелки. а б Рисунок 12 – Способы газовой сварки: а – левый; б – правый Для правого способа характерно следующее: а) отсутствие предварительного подогрева свариваемого металла; б) сваренный металл подвергается последующему нагреву, благодаря чему остывание шва происходит медленнее и защита шва от окисления лучше; в) струя пламени направлена перпендикулярно к поверхности сварочной ванны, и тепло используется лучше. При левом способе пламя скользит по поверхности сварочной ванны. Металл предварительно нагревается струей пламени, но после сварки шов остывает быстрее. Этот способ применяют для соединения тонких листов, так как опасность сквозного проплавления при этом способе меньше. Режим газовой сварки характеризуют следующие величины: 1. Угол наклона горелки к поверхности металла. Чем тоньше металл, тем больше угол наклона. 83 2. Мощность пламени определяется расходом кислорода и ацетилена. Зависит от толщины металла и его теплофизических свойств. 3. Диаметр присадочной проволоки: dпр = S/2 +1 – для левого способа сварки; dпр = S/2 – для правого способа сварки, где S – толщина свариваемого металла, мм. Газовая сварка сталей Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются кислородноацетиленовым пламенем без применения флюса. Причем, чем меньше содержание углерода в металле, тем легче осуществляется процесс сварки. С увеличением содержания углерода растет вероятность образования хрупких структур и пористости металла шва. Улучшение структуры достигается последующей проковкой металла шва при температуре вишнево-красного каления с медленным охлаждением. Это особенно существенно, когда сварное соединение должно работать на изгиб, растяжение и удар. Пористость металла шва устраняется использованием присадочного металла с пониженным по отношению к основному металлу содержанию углерода. Газовая сварка преимущественно применяется для сварки тонколистового металла (толщиной до 5 мм). Сварку металла большей толщины рационально производить более производительными процессами дуговой сварки. Дуговая сварка также рекомендуется для сварки углеродистых сталей с содержанием углерода более 4%. В качестве присадочной проволоки для газовой сварки следует применять проволоку с раскислителями (марганцем и кремнием), чтобы избежать выгорания углерода и образования пористого шва. Хромистые стали (1Х13, 2Х13, Х14) представляют определенные трудности для газовой сварки. Эти стали обладают резко выраженной склонностью к закалке на воздухе, в результате чего при сварке возможно образование холодных трещин. Во избежание их появления следует медленно подогревать факелом пламени металл в радиусе 20…40 мм вокруг места окончания сварки. После сварки изделие следует подвергнуть режиму, предусмотренному для данной стали. Газовая сварка алюминия и его сплавов При сварке алюминиевых сплавов необходимо учитывать их склонность к порообразованию из-за растворения водорода, содержащегося в пламени. Для уменьшения вероятности возникновения пористости необходимо уменьшить скорость сварки и использовать предварительный подогрев свариваемых деталей. При газовой сварке алюминия и его сплавов чаще всего применяют ацетилен, но может быть применен и водород (для толщины до 1,2 мм), пропан-бутан (для толщины до 3 мм) и другие газы-заменители. 84 Сварка должна производиться мягким (при давлении кислорода 0,15…0,2 МПа) нормальным пламенем. Использование пламени с избытком ацетилена приводит к увеличению пористости сварного соединения, а применение окислительного пламени недопустимо, так как оно способствует образованию оксида алюминия. Рекомендуемые режимы газовой сварки алюминиевых сплавов приведены в табл. 12. Толщина детали, мм Номер наконечника горелки Таблица 12 – Режимы газовой сварки алюминиевых сплавов Диаметр присадочной проволоки, мм До 1,5 1,5…3,0 3,0…5,0 5,0…10,0 10,0…15,0 15,0…25,0 Св. 25,0 0–1 1–2 2–3 3–5 3–6 5–6 5–6 1.5…2,5 2,5…3,0 3,0…4,0 4,0…6,0 5,0…8,0 5,0…8,0 8,0…10,0 Давление Расход кислорода, ацетилена, МПа л/мин Способ сварки 50…100 100…200 200…400 400…700 700…1200 900…1200 900…1200 Левый Левый Левый Правый Правый Правый Правый 0,15 0,2 0,2…0,25 0,25…0,3 0,3…0,35 0,35…0,4 0,4…0,6 Наибольшее распространение получил флюс АФ-4А (АМТУ 219-60) на основе хлорных соединений калия, натрия и лития. Основным видом соединений при газовой сварке алюминия и его сплавов является стыковое, выполняемое с различной разделкой кромок. Тавровые и нахлесточные соединения, из которых флюсы и шлаки устранять затруднительно, применять не рекомендуется. Сварку следует производить в нижнем положении, желательно за один проход. Для толщины до 5 мм чаще применяют левый способ, а при толщине более 5 мм— правый способ. 85 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Сварка в машиностроении: справ. в 4 т. [Текст] / редкол.: Г. А. Николаев (пред.) и др. – Т. 2 / под ред. А. И. Акулова, – М. : Машиностроение, 1978. – 462 с. 2. Кононенко, В.Я. Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом [Текст] / В. Я. Кононенко. – К. : ТОВ «НикаПринт», 2007. – 266 с. 3. Чулошников, П. Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов [Текст] / П. Л. Чулошников. – М.: Машиностроение, 1974. – 232 с. 4. Никифоров, Н.И. Справочник газосварщика и газорезчика [Текст] / Н. И. Никифоров, С.П. Нешумова, И.А. Антонов. – 2-е изд., испр. – М. : Высш. шк.; Изд. центр «Академия», 1999. – 239 с. 5. Сливінський, О. А. Здатність до зварювання конструкційних матеріалів [Текст] : навч. посіб. / О. А. Сливінський. – К. : НТУУ «КПИ», 2010. – 260 с. 6. Кривов, Г. О. Виробництво зварних конструкцій: підруч. для студ. ВНЗ напряму "Зварювання" [Текст] / Г. О. Кривов, К. О. Зворикін. — К. : КВІЦ, 2012. — 894 с. 7. Рабкин, Д. М. Сварка разнородных металлов / Д. М. Рабкин, В. Р. Рябов, С. М. Гуревич. – М. : Техника, 1975. – 208 с. 86 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 3 1 СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ .................................................................. 6 1.1 Свариваемость сталей........................................................................... 8 1.2 Свариваемость алюминия и алюминиевых сплавов.......................... 12 1.3 Свариваемость алюминиевых сплавов со сталями ........................... 16 2 ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ ................................................ 20 2.1 Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся электродом .......... 21 2.2 Дуговая сварка в инертных газах плавящимся электродом .............. 29 2.3 Дуговая сварка сталей плавящимся электродом в углекислом газе. 36 2.4 Дуговая сварка сталей плавящимся электродом в смесях газов ...... 46 2.5 Дефекты сварных соединений, причины их образования и способы устранения .......................................................................... 52 3 ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА.............................................................. 57 3.1 Контактная точечная сварка ................................................................ 58 3.2 Kонтактная шовная сварка .................................................................. 64 3.3 Требования к конструированию узлов и деталей под контактную точечную и шовную сварку .................................................................. 66 3.4 Особенности точечной и шовной сварки отдельных металлов и сплавов .............................................................................................. 67 3.5 Типичные дефекты сварных соединений и их исправление ............. 70 3.6 Технология рихтовки споттером .......................................................... 74 4 ГАЗОВАЯ СВАРКА ..................................................................................... 76 4.1 Кислородно-ацетиленовая сварка ...................................................... 77 4.2 Оборудование и расходные материалы ............................................. 80 4.3 Техника газовой сварки........................................................................ 83 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................................... 86 87 Навчальне видання Нечипорук Микола Васильович Воробйов Юрій Анатолійович Лашко Сергій Миколайович ЗВАРЮВАННЯ ПРИ РЕМОНТІ АВТОМОБІЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ (Російською мовою) Редактор Н. М. Сікульська Зв. план, 2013 Підписано до друку 12.03.2013 Формат 60х84 1/16. Папір офс. № 2. Офс. друк Ум. друк. арк. 4,9. Обл.- вид. арк. 5,56. Наклад 100 пр. Замовлення 87. Ціна вільна Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” 61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17 http://www.khai.edu Видавничий центр „ХАІ” 61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17 [email protected] Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру видавців, виготовлювачів і розповсюджувачів видавничої продукції сер. ДК № 391 від 30.03.2001
