г I11

LI ДЛЯ ТЕХНИКУМОВ

С. II. Дцмов

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Третье издание, переработанное и дополненное

Допущено Министерством ныгш-'го и среднего специального образования СССР в качестве учебника для учащихся машиностроительных техникумов

Ленинград

"Машиност роение"

Ленинградское отделение 1987

HPI ДИГЛОГИЕHPI ДИГЛОГИЕББК 34.641 я7

HPI ДИГЛОГИЕ

HPI ДИГЛОГИЕ

Д82

УДК 621,791.7.011 (075.3)

Рецензент Б. Н. Гололобов

Думов С. И.

Д82 Технология электрической сварки плавлением — Учебник для машиностроительных техникумов. — 3-е изд., перераб. и допол. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. — 461 с.: ил.

(В пер.) 1 р. 10 к.

„ 2704060000-058 гоББК 34.641я7

Д oaecoihW- №87«"« а

© Излательство «Машиностроение», 1978.

© Издательство «Машиностроение», 1987, с изменениями.

П । iii iiiiii 1.1'ыч, намеченных XXVII съездом I IН ‘ । ннчшю । лч ни пре тукппи, эффективности п| '*н ч ui мы и ।'и iii iiiiii му подъему социалистической н fin а и, (I iake оiвидится шлчпгслыюс место. Опре- h in । ос ikihiiuk направлення развития сварочного произ- 11। в панн и ( грант замена клепаных, литых, кованых

। • к ।ру 1чпни более жономичными— сварными; строи- и ню I пениалп шpoii.niiH>ix предприятий и цехов для । 11 ралп пл ашин о изготовления сварных конструкций; ши- дронт* n niocot Юнкой наплавки деталей машин и м^чапп змов; расширенно производства сварочных материл,-ion, внедрение высокопроизводительных методов ав- юма । пчеекой сварки.

( нарка широко применяется в основных отраслях upon нюдст ва, потребляющих металлопрокат, так как резко । окращаег расход металла, сроки выполнения работ и трудоемкость производственных процессов. Сварка может 1,11 ж • выполняться под водой.

Выпуск сварных конструкций и уровень механизации ( нарочных работ ра< тот из года в год. Получаемая за счет применения сварки ежегодная экономия в народном хо- ншгтве исчисляется многими сотнями миллионов рублей.

Достигнутые успехи в области автоматизации и меха- пн ации сварочных процессов позволили коренным обра- юм изменить технологию изготовления таких важных объектов, как доменные печи, мосты, трубопроводы, суда, Химическое оборудование, гидротурбины.

11римеиение сварки способствует совершенствованию машиностроения и развитию новых отраслей техники — ракетостроения, атомной энергетики, радиоэлектроники.

Сварка позволяет уменьшить затраты на единицу продукции, сократить длительность производственного цикла, улучшить качество изделий.

Проводятся работы по выполнению сварки и резки в открытом космосе. Впервые в открытом космосе была осуществлена автоматическая сварка и резка в 1969 г. космонавтами Валерием Кубасовым и Георгием Шопн- лым. Продолжая эти работы в 1961 г., космонавты Светлана Савицкая, Владимир Джанибеков, используя разработанный Институтом электросварки им. L. О. Патона специальный универсальный ручной инструмент, провели в открытом космосе ручную сварку, резку и пайку различных металлов и продолжили работы по напылению металлических покрытий. Тем самым созданы условия в недалеком будущем для выполнения монтажно-сварочных работ в открытом космосе.

В настоящем учебнике описана технология всех способов электрической сварки плавлением в соответствии с программой для техникумов, выпускающих специалистов сварочного производства. При этом особое внимание уделено новым перспективным видам и способам сварки. В книге рассмотрены вопросы теории сварочной дуги, тепловых и металлургических процессов сварки, сварочных напряжений и деформаций, сварки легированных сталей, разнородных металлов, цветных металлов, а также технологии изготовления сварных конструкций.

Материал учебника базируется на сведениях по химии, физике, технологии металлов, электротехнике, а также на ряде специальных одновременно изучаемых предметов.

Автор будет благодарен всем читателям книги за замечания и пожелания, которые следует направлять по адресу: 191065, Ленинград, ул. Дзержинскою, 10, ЛО изд-ва «Машиностроение».

ВВЕДЕНИЕ

Сварка является одним из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили ее широкое применение в народном хозяйстве; без нее сейчас немыслимо производство судов, турбин, котлов, самолетов, мостов, реакторов и других конструкций. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Сварное соединение металлов характеризуется непрерывностью структур. Для получения сварного соединения необходимо осуществить межмолекулярное сцепление между свариваемыми деталями, приводящее к установлению атомарной связи в пограничном слое.

Если зачищенные поверхности двух соединяемых металлических деталей при сжатии под большим давлением сблизить настолько, чтобы могло возникнуть общее электронное облачко, взаимодействующее с ионизированными атомами обеих металлических поверхностей, получим прочное сварное соединение. На этом принципе осуществляется холодная сварка пластичных металлов.

При повышении температуры в месте соединения деталей амплитуды колебания атомов относительно постоянных точек их равновесного состояния увеличиваются, и тем самым создаются условия более легкого получения связи между соединяемыми деталями. Чем выше температура нагрева, тем меньшее давление требуется для осу-

ществлсппя сварки, а при нагреве до температур плавления необходимое давление становится равным нулю.

Сварка плавлением осуществляется нагревом свариваемых кромок до температуры плавления без сдавливания свариваемых деталей.

Все существующие способы сварки могут быть разделены на две основные группы: сварку давлением (контактная, газопрессовая, трением, холодная, ультразвуком) и сварку плавлением (газовая, термитная, электродуго- вая, элсктрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная).

Наибольшее распространение получили различные способы электрической сварки плавлением, а ведущее место занимает дуговая сварка, источником теплоты при которой служит электрическая дуга.

13 1802 г. русский ученый В. В. Петров (1761 —1834 гг.) открыл электрический дуговой разряд и указал на возможность его использования для расплавления металлов. Своим открытием Петров положил начало развитию новых отраслей технических знаний, получивших впоследствии практическое применение сначала в электродуговом освещении, а затем при электрическом нагреве, плавке и сварке металлов. В 1882 г. русский инженер Н. Н. Бе- нардос (1842—1904 гг.), работая над созданием крупных аккумуляторных батарей, открыл способ электродуго- вой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им были также разработаны способы дуговой сварки в защитном газе, дуговой резки металлов и др.

Способ дуговой сварки получил дальнейшее развитие в работах русского инженера Н. Г. Славянова (1854— 1897 гг.), предложившего в 1888 г. производить сварку плавящимся металлическим электродом. С именем Сла- вянова связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, создание первого автоматического регулятора длины дуги и первого сварочного генератора. Им предложены флюсы, позволяющие получить высококачественный металл сварных швов.

Изобретения Бенардоса и Славянова были запатентованы и использованы не только в России, но и во всех промышленно развитых странах.

Отсталая промышленность дореволюционной России не смогла в должном объеме использовать дуговую сварку. Широкое промышленное применение и развитие сварки в нашей стране началось после победы Великой Октябрьской социалистической революции.

В развитии сварки в СССР наблюдались следующие особенности: в 1924—1935 гг. сварочные процессы осуществлялись вручную электродами без покрытия или с тонкими ионизирующими покрытиями. Уже тогда под руководством В. П. Вологдина были изготовлены первые сварные котлы и корпуса нескольких судов. С 1935—- 1939 гг. на базе применения толстопокрытых электродов, электродных стержней из легированных сталей и других сплавов сварка широко внедрялась во всех отраслях промышленности. 1939 год характеризуется началом внедрения автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса, разработанной под руководство.м Героя Социалистического труда академика АН УССР Евгения Оскаровича Патона (1870—1953) в руководимом им Институте электросварки.

Сварка под флюсом за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной защиты зоны сварки от окружающего воздуха позволяет значительно (в 5—10 раз) повысить производительность процесса, обеспечить хорошее качество сварного соединения, улучшить условия труда, повысить экономию материалов и средств. Сварка под слоем флюса позволила механизировать и усовершенствовать технологию производства металлоконструкций, судов, барабанов, котлов, турбин, сварных резервуаров, машин и механизмов. Особенно эффективным для таких отраслей промышленности, как котлостроение, турбостроение и других, оказалось применение электрошлаковой сварки, разработанной в начале пятидесятых годов Институтом электросварки им. Е. О. Патона под руководством акад. Б. Е. Патона и д-ра техн, наук Г. 3. Волошкевича и отмеченной Ленинской премией. Разработка этого вида сварки позволила механизировать сварку вертикальных швов практически неограниченной толщины. Это также позволило заменить литые и кованые детали сварными (рис. 1). На основе электрошлакового процесса создан новый способ получения металлов и сплавов с особыми свойствами, получивший название электрошлакового переплава.

С 1948 г. получили промышленное применение способы дуговой сварки в инертных защитных газах: ручная неплавящимся электродом, полуавтоматическая и автоматическая неплавящимся и плавящимся электродом.

13 1950—1952 гг. в ЦНИИТмаше была разработана сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей в среде углекислого газа — процесса высокопроизводи-

7

тельного и обеспечивающего хорошее качество сварных соединений. За разработку этого способа сварки группе советских ученых во главе с д-ром техн, наук проф. К. Ф. Любавским была присуждена Ленинская премия.

Полуавтоматическая и автоматическая сварка в среде углекислого газа стала широко применяться в СССР и за рубежом. Возникла возможность дальнейшей механизации процесса сварки во всех пространственных поло-

Рис. 1. Лито-сварная конструкция рабочего колеса гидротурбины Красноярской ГЭСРис. 1. Лито-сварная конструкция рабочего колеса гидротурбины Красноярской ГЭСжениях. В настоящее время сварка в среде углекислого газа составляет более 25 % объема всех сварочных работ в нашей стране.

Рис. 1. Лито-сварная конструкция рабочего колеса гидротурбины Красноярской ГЭС

Рис. 1. Лито-сварная конструкция рабочего колеса гидротурбины Красноярской ГЭС

Для соединения тугоплавких, химически активных металлов и сплавов и ряда специальных сталей в конце пятидесятых годов французскими учеными был создан новый вид электрической сварки плавлением, получивший название электронно-лучевой сварки. Этот способ

сварки применяется и в нашей промышленности.

Большие заслуги в деле развития и совершенствования

теории и практики сварочного производства имеют коллективы Института электросварки им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, ЦНИИТмаша. ЛПИ им. Калинина, МВТУ им. Баумана, Института металлургии им. Байкова АН СССР, объединения Кировский завод, заводов: «Электрик», Балтийского, Уралмаша и др.

Преимущество сварных конструкций в настоящее время

не вызывает сомнений. Применение сварки дает не только экономию металла (на 20—25 % по сравнению с клепкой и до 50 % по сравнению с литьем), времени и рабочей силы, уменьшение расходов на оборудование цехов по изготовлению металлоконструкций, улучшение условий

труда, по и позволяет решить ряд сложных технических задач но созданию принципиально новых конструкций. Например, только благодаря применению сварки стало возможным изготовление очень экономичных шаровых емкостей для химической промышленности, уникальных

гидравлических и паровых турбин, при изготовлении которых применяются детали и узлы сложных форм, больших толщин из различных легированных сталей; двухслойных металлов (биметалл), представляющих собой малоуглеродистую или низколегированную сталь толщиной выше 6 мм, покрытую тонким слоем высоколегированной стали или алюминиево-магниевым сплавом. Это позволяет получить большую экономию дорогостоящих и дефицитных материалов. Двухслойные материалы широко используются в аппаратуре химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

1111

11

11

ГЛАВА I. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ЭЛ1 КТРН'Н ( КОИ ( ВАРКИ НЛЛВЛ1 НИ 1 м

I КЛ Х< ( ИФИКАЦИЯ электрической ДНОВОВ (ВАРКИ

Электрическую снарку плавлением в зависи- мости or характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки (схема 1):

электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая дуга;

электрошлаковая сварка, где основным источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;

электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей производятся направленным потоком электронов, излучаемых раскаленным катодом;

лазерная, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей происходят направленным сфокусированным мощным световым лучом микрочастиц — фотонов.

При электрической дуговой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока.

Классификация дуговой сварки производится в за- гисимости от степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги, свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

10

Л 4Л 4Рис. 2. Ручная сварка покрытым элек!родом:Рис. 2. Ручная сварка покрытым элек!родом:1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — кратер; 4 — сварочная дуга; 5 — проплавленный металл; 6 — наплавленный металл; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 — стержень электрода; 11 .— элсктрододержатель; 12 — сварочная цепь; 13 — источник питания;14 — чехольчик1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — кратер; 4 — сварочная дуга; 5 — проплавленный металл; 6 — наплавленный металл; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 — стержень электрода; 11 .— элсктрододержатель; 12 — сварочная цепь; 13 — источник питания;14 — чехольчикформы, перемещение элек' и прекращение процессаформы, перемещение элек' и прекращение процессаРис. 3. Полуавтоматическая сварка:Рис. 3. Полуавтоматическая сварка:1 — держатель; 2 — гибкий шланг;3 — кассета с проволокой; 4 — подаю-#щий механизм1 — держатель; 2 — гибкий шланг;3 — кассета с проволокой; 4 — подаю-#щий механизмпо линии наложения шва эки. При ручной сварке (рис. 2) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.При полуавтоматической сварке плавящимся электродом (рис. 3) механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную.При автоматической сварке под флюсом (рис. 4)по линии наложения шва эки. При ручной сварке (рис. 2) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.При полуавтоматической сварке плавящимся электродом (рис. 3) механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную.При автоматической сварке под флюсом (рис. 4)механизируются операции по возбуждению дуги, поддер-жанию определенной длины дуги, перемещению дуги помеханизируются операции по возбуждению дуги, поддер-жанию определенной длины дуги, перемещению дуги по

Л 4

Л 4

Рис. 2. Ручная сварка покрытым элек!родом:

Рис. 2. Ручная сварка покрытым элек!родом:

1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — кратер; 4 — сварочная дуга; 5 — проплавленный металл; 6 — наплавленный металл; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 — стержень электрода; 11 .— элсктрододержатель; 12 — сварочная цепь; 13 — источник питания;

14 — чехольчик

1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — кратер; 4 — сварочная дуга; 5 — проплавленный металл; 6 — наплавленный металл; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 — стержень электрода; 11 .— элсктрододержатель; 12 — сварочная цепь; 13 — источник питания;

14 — чехольчик

формы, перемещение элек' и прекращение процесса

формы, перемещение элек' и прекращение процесса

Рис. 3. Полуавтоматическая сварка:

Рис. 3. Полуавтоматическая сварка:

1 — держатель; 2 — гибкий шланг;

3 — кассета с проволокой; 4 — подаю-

#щий механизм

1 — держатель; 2 — гибкий шланг;

3 — кассета с проволокой; 4 — подаю-

#щий механизм

по линии наложения шва эки. При ручной сварке (рис. 2) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом (рис. 3) механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную.

При автоматической сварке под флюсом (рис. 4)

по линии наложения шва эки. При ручной сварке (рис. 2) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом (рис. 3) механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную.

При автоматической сварке под флюсом (рис. 4)

механизируются операции по возбуждению дуги, поддер-жанию определенной длины дуги, перемещению дуги по

механизируются операции по возбуждению дуги, поддер-жанию определенной длины дуги, перемещению дуги по

По степени механизации различают сварку ручную, полуавтоматическую, автоматическую. Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной

линии наложения шва.

Автоматическая сварка плавящимся электродом ведется сварочной проволокой диаметром 1—6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус на электроде) или обратной (плюс на электроде) полярности или переменным током. В зави-

Рис. 4. Автоматическая дуговая сварка под флюсом: 1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — сварочная головка; 4 — тележка; 5 — пульт управления

симости от способов сварки применяют ту или иную полярность. Сварка под флюсом и в среде защитных газов обычно производится на обратной полярности.

По типу дуги различают дугу прямого действия (зависимую дугу) и дугу косвенного действия (независимую Дугу). В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляется преимущественно за счет теплоотдачи от газов столба дуги.

В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное применение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно используемор! тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По свойствам электрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольным, графитовым или вольфрамовым).

Сварка плавящимся электродом является самым распространенным способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Нели два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называю г двухэлектродной сваркой, а если больше — много- электродпой сваркой пучком электродов.

Сели каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой сваркой). При дуговой сварке плавлением коэффициент полезного действия дуги достигает 0,7—0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую Дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стекла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах.

Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе—шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима.

Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна ее часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу (см. рис. 155).

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают следующие способы сварки: баз защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде газов) с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся они тонким слоем на стержни 14

шва.шва.ДополнительныйДополнительныйРис. 5. Автоматическая сварка ферромагнитным порошком:/ — ферромагнитный порошок; 2 — наконечник; 3 — сварочная проволока; 4 — мундштукРис. 5. Автоматическая сварка ферромагнитным порошком:/ — ферромагнитный порошок; 2 — наконечник; 3 — сварочная проволока; 4 — мундштукэлектродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

шва.

шва.

Дополнительный

Дополнительный

Рис. 5. Автоматическая сварка ферромагнитным порошком:

/ — ферромагнитный порошок; 2 — наконечник; 3 — сварочная проволока; 4 — мундштук

Рис. 5. Автоматическая сварка ферромагнитным порошком:

/ — ферромагнитный порошок; 2 — наконечник; 3 — сварочная проволока; 4 — мундштук

Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать мета/ Наибольшее применение имеют средне- и толстопокрытые электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки и изготовляемые в специальных цехах или заводах.

Применяются также магнитные покрытия, которые наносятся на проволоку в процессе сварки за счет электромагнитных сил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным порошком, находящимся в бункере, через который про

ходит электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке.

Иногда это еще сопровождается дополнительной подачей защитного газа (рис. 5).

СУЩНОСТЬ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Сварка покрытыми электродами производится плавящимся электродом с покрытием (см. рис. 2) или неплавящимся электродом без защиты и с газовой защитой. Под действием теплоты сварочной дуги плавится основной металл, а в случае применения плавящихся электродов— и электроды с покрытием. После кристаллизации расплавленного металла образуется шов.

При сварке под флюсом (см. рис. 4) сварочная проволока и гранулированный флюс подаются в зону дуги,

15

вает, образуя легко отделяющуюся от шва шлаковуювает, образуя легко отделяющуюся от шва шлаковуюРис. 6. Электрошлаковая сварка проволочным электродомРис. 6. Электрошлаковая сварка проволочным электродом

вает, образуя легко отделяющуюся от шва шлаковую

вает, образуя легко отделяющуюся от шва шлаковую

Рис. 6. Электрошлаковая сварка проволочным электродом

Рис. 6. Электрошлаковая сварка проволочным электродом

горящей в волости, заполненной парами металла и материалов флюса.

Под воздействием теплоты сварочной дуги плавятся

кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса. По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает па поверхность сварочной ванны, осты

корку, а металл сварочной ванны кристаллизуется в форме сварного шва. Шлак защищает расплавленный металл от воздействия кислороде! и азота воздуха, легирует и замедляет охлаждение металла шва, что способствует получению качественного наплавленного металла при высокой производительности.

При электрошлаковой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления основного и электродного металла, поступает за счет прохождения электрического тока

через расплавленный флюс — шлак. Сварка этим способом осуществляется обычно при

вертикальном расположении свариваемых деталей и с принудительным формированием металла шва (рис. 6).

Подлежащие сварке детали 1 собираются на скобах 2

с зазором 20—30 мм. Чтобы предотвратить вытекание

жидкого металла и шлака из плавильного пространства и обеспечить нормальное формирование шва 3, по обе стороны зазора стыка прижимаются охлаждаемые водой медные ползуны или пластины 4.

Шлаковая ванна 5 образуется за счет расплавленного флюса, занимающего пространство между кромками соединяемых деталей и формирующими устройствами. Образование шлаковой ванны обычно осуществляется дуговым процессом. Возбуждаемая в начальный период сварки дуга между электродной проволокой и дном «кармана» 10, после расплавления некоторого количества флюса шунтируется расплавленным электропроводным шлаком и гаснет.

Рис. 7. Сварка в среде защитных газов плавящимся (п), не- плавящимся (б) электродомРис. 7. Сварка в среде защитных газов плавящимся (п), не- плавящимся (б) электродомДуговой процесс заменяется шлаковым. Электродная проволока 6 подается в плавильное пространство роликами 7 механизма подачи с заданной скоростью. К электроду ток подводится при помощи мундштука 8. Электрический ток, проходящий между электродной проволокой и основным металлом через шлаковую ванну, нагревает расплав и поддерживает в нем температуру выше температуры плавления основного металла и электрода. За счет этого шлак расплавляет электродную проволоку и кромки

Рис. 7. Сварка в среде защитных газов плавящимся (п), не- плавящимся (б) электродом

Рис. 7. Сварка в среде защитных газов плавящимся (п), не- плавящимся (б) электродом

свариваемых деталей. Расплавленный металл стекает на дно шлаковой ванны, образуя металлическую (сварочную) ванну 9. Вследствие отвода теплоты в основной

металл и медные ползуны металл ванны охлаждается и в нижней части кристаллизируется в сварной шов, соединяющий кромки свариваемых деталей.

Механизм для подачи электродной проволоки и формирующие ползуны соединены с подвижной частью тележки электрошлаковой установки и по мере выполнения

шва перемещаются вверх со скоростью сварки.

С помощью электрошлаковой сварки за один проход можно сваривать металл толщиной от 12 мм и более, и это наиболее производительный процесс из всех существующих способов сварки плавлением.

При сварке в среде защитных газов (газоэлектрическая сварка, рис. 7) защитной средой служат инертные газы (аргон, гелий), активные газы (углекислый газ, водород, азот) и смеси газов (аргона с гелием, аргона с кислородом, углекислого газа с кислородом и др.). Газ предназначен

оттеснить кислород и азот воздуха от расплавленного

металла, а при сварке активных металлов — и от нагретых

’ Г>'ГЛИОТЕКА

i* или зла ИПК

1 Манстаккопрома СССДа г. Воронеж,

до высоких температур участков основного металла. К газоэлектрической сварке также относится атомноводородная сварка.

Нг->2Н — Q (1)Нг->2Н — Q (1)При атомно-водородной сварке расплавление металла происходит за счет теплоты электрической дуги косвенного действия, горящей между двумя неплавящимися вольфрамовыми электродами, укрепленными в специальной горелке, позволяющей подавать водород в зону горения дуги (рис. 8). Под действием теплоты дуги водород диссоциирует по реакции

Нг->2Н — Q (1)

Нг->2Н — Q (1)

и частично ионизируется. Атомарный водород, соприкасаясь со свариваемым металлом, объединяется в молекулы, выделяя теплоту, расходуемую на диссоциацию. Некоторое количество теплоты также выделяется за счет

Рис. 8. Атомпо-водородная сварка сгорания углерода и рекомбинации.

При увеличении расстояния между электродами и объема подаваемого водорода дуга приобретает веерообразную форму и издает звенящий звук; напряжение возрастает до 70—150 В; такую дугу называют «звенящей».

Для питания дуги применяют переменный ток от специальных трансформаторов с напряжением холостого хода 250—300 В, позволяющих регулировать сварочный ток в пределах 20—100 А, что требует уделять особое внимание вопросам создания безопасных условий работы.

Для атомно-водородпой сварки применяют вольфрамовые электроды диаметром 1—4 мм, водород по ГОСТ 3022—80 или диссоциированный аммиак, который при нагревании до температуры 350—600 °C в присутствии катализатора диссоциирует по уравнению

2NH3 -> N2 + ЗН2.(2)

Наличие азота в газе, поступающем в горелку, не ухудшает качество металла шва, так как в присутствии водорода нитриды разлагаются.

Сварка трехфазной дугой применяется при ручном и механизированных способах сварки. Сущность этого спо-

соба (рис. 9) состоит в том, что к двум электродам /, 2, закрепленным в специальном устройстве, конструкция которого зависит от способа сварки, и к свариваемому изделию 4 подводится переменный ток от трехфазного источника питания. После возбуждения горит не одна дуга, как обычно, а одновременно три однофазные дуги: по одной между каждым из электродов и изделием (дуги 5 и 5) и дуга 6 между обоими электродами. Эта дуга по отношению к свариваемому изделию является независимой и

может гореть отдельно между двумя электродами.

Сварка трехфазной дугой характеризуется высокой

стабильностью процесса, так как угасание дуг происходит

Рис. 9. Сварка трехфазной дугойРис. 9. Сварка трехфазной дугойпопеременно в определенной последовательности. В связи с этим дуговой промежуток всегда поддерживается в ионизированном состоянии.

Рис. 9. Сварка трехфазной дугой

Рис. 9. Сварка трехфазной дугой

Разновидностью дуговой сварки неплавящимся электродом в защитном газе является способ сварки сжатой дугой. При этом способе сварки неплавящимся вольфрамовым электродом используется свой-

ство столба дуги при искусственном сжатии повышать свою температуру и устойчивость.

Сварку малых толщин производят сжатой дугой, возникающей между вольфрамовым электродом и охлаждаемым медным наконечником с подачей аргона для защиты вольфрамового электрода и вытеснения столба дуги из наконечника (рис. 10, aY Такая сжатая дуга имеет температуру до 16 000 °C, в то время как сжатая дуга прямого действия (рис. 10,6) может иметь температуру до 30 000—50 000 °C. Благодаря высокой температуре сжатой

дуги можно значительно увеличить скорость сварки, которая при обычной аргоподуговой сварке мала; при этом значительно уменьшается расход аргона по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой и возможна ручная, автоматическая и полуавтоматическая

сварка.

Сварка в камерах с контролируемой атмосферой (рис. 11) применяется для соединения легко окисляющихся металлов и их сплавов. В такой камере имеется возможность создания атмосферы из инертных газов, что обеспе-

22пропускании через него переменного тока низкого напряжения излучает мощный поток электронов. Проходя че-пропускании через него переменного тока низкого напряжения излучает мощный поток электронов. Проходя че-Рис. 10. Сварка сжатой дугой косвенного (а) и прямого (б) действия с подачей присадочной проволоки:1 — вольфрамовый электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги;3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токового реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — присадочная проволока; 8 — основной металл; 9 — сжатая дуга; 10 — наконечникРис. 10. Сварка сжатой дугой косвенного (а) и прямого (б) действия с подачей присадочной проволоки:1 — вольфрамовый электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги;3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токового реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — присадочная проволока; 8 — основной металл; 9 — сжатая дуга; 10 — наконечник^^. <»^^. <»@кта@ктаРис. 12. Схема формированиипучка электронов при электрон-но-лучевой сваркеРис. 12. Схема формированиипучка электронов при электрон-но-лучевой сварке

2

2

пропускании через него переменного тока низкого напряжения излучает мощный поток электронов. Проходя че-

пропускании через него переменного тока низкого напряжения излучает мощный поток электронов. Проходя че-

Рис. 10. Сварка сжатой дугой косвенного (а) и прямого (б) действия с подачей присадочной проволоки:

1 — вольфрамовый электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги;

3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токового реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — присадочная проволока; 8 — основной металл; 9 — сжатая дуга; 10 — наконечник

Рис. 10. Сварка сжатой дугой косвенного (а) и прямого (б) действия с подачей присадочной проволоки:

1 — вольфрамовый электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги;

3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токового реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — присадочная проволока; 8 — основной металл; 9 — сжатая дуга; 10 — наконечник

^^. <»

^^. <»

@кта

@кта

Рис. 12. Схема формированиипучка электронов при электрон-но-лучевой сварке

Рис. 12. Схема формированиипучка электронов при электрон-но-лучевой сварке

чивает высокие механические свойства сварного соединения

Подготовка камеры к сварке заключается в следующем: свариваемые изделия устанавливают в камере, куда также загружают электроды и присадочную проволоку. После чего загрузочные люки и отверстия для перчаток герметизируют, и в камере с помощью вакуумных насосов создается вакуум до 13 мПа. Для предохранения резиновых перча!ок от разрыва воздух откачивают с наружной

о)

стороны люков, перекрывающих отверстие с перчагками. После откачки камеру заполняют инертным газом до атмосферного давления.

Сварку в камере производят на тех же режимах, что и при сварке в инертных газах на воздухе. Пластичность металла сварного соединения приближается к пластичности основного металла.

Автоматическая дуговая сварка в камерах с контролируемой атмосферой обеспечивает более стабильное качество сварных соединений.

При электронно-лучевой сварке в вакууме энергия, необходимая для нагрева и плавления металла, получается в результате интенсивной бомбардировки места сварки быстродвнжущнмнся в вакууме электронами.

Вакуум порядка 13-К)-3—13-10*5 Па, создаваемый в сварочной камере, подобной приведенной на рис. 11, необходим для того, чтобы резко уменьшить расход эпер- 20

гии электронов на ионизацию и удалить из зоны сварки газы, имеющие большое сродство к свариваемым металлам. Схема формирования пучка электронов при электронно-лучевой сварке приведена на рис. 12. Через загрузочный люк свариваемые детали помещаются на сварочный стол в вакуумной камере, из которой беспрерывно откачиваются газы.

Вольфрамовый или металлокерамический катод 1, размещенный внутри фокусирующей головки 2, при

Рис. 11. Сварка в контролируемой атмосфере:

1 — электрод; 2 —смотровое окно; 3 — свариваемое изделие; 4—патрубок Для присоединения насоса; 5 — ось поворот- ногостола; 6 — камера; 7 — капал Для подачи защитного газа

рез анод 3, магнитную линзу 4 и отклоняющую магнитную систему 5, он фокусируется в узкий луч электронов и направляется на место сварки деталей 6. Для ускорения движения электронов к катоду и аноду подводится выпрямленный ток напряжением 30—100 кВ.

При ударе электронов о поверхность деталей большая часть их кинетической энергии переходит в тепловую, и на узком участке металл плавится, образуя шов после кристаллизации. Наблюдение за процессом сварки ведется

Рис. 13. Принципиальная схема лазера с твердым рубиновым излуча-Рис. 13. Принципиальная схема лазера с твердым рубиновым излуча-телемтелема)а)

Рис. 13. Принципиальная схема лазера с твердым рубиновым излуча-

Рис. 13. Принципиальная схема лазера с твердым рубиновым излуча-

телем

телем

а)

а)

через смотровое окно. Электронно-лучевая сварка применяется при изготовлении деталей из тугоплавких хи

мически активных металлов.

Наряду с электронно-лучевой сваркой применяется лазерная сварка. Термин «лазер» получил свое название по первым буквам английской фразы (Light Amplifica-

tion by Stimulated Emission of Radiation—laser), которая в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения. Эта сварка основана на использовании светового излучения, являющегося следствием взаимодействия фотонов (микрочастиц световой природы) с атомами системы.

В твердотельном руби

новом лазере применяется искусственный рубин. Он представляет собой стержень, состоящий из корунда А12О3 с примесью хромпика Сг2О3. Схема действия рубинового лазера приведена на рис. 13.

Рис. 14. Схема лавинообразного нарастания потока фотонов в кристалле рубина под влиянием внешнего возбуждения

Здесь рубиновый кристалл 1 расположен в кварцевой трубке 2, которая представляет собой газоразрядную лампу, наполненную ксеноном. Эта лампа, называемая лампой накачки, благодаря разрядам высоковольтного конденсатора 3 дает импульсные вспышки света определенной частоты и нужной энергии, которые и обеспечивают поток фотонов внутрь рубинового кристалла. 22

Фотоны, проникая внутрь вещества, возбуждают его атомы. Этот процесс схематически показан на рис. 14.

На рис. 14, а показан рубиновый стержень, в котором атомы не возбуждены и их электроны находятся на основных уровнях. Невозбужденные атомы изображены черными точками. Рубиновый стержень показан с одним зачерненным торцом и другим заштрихованным. Это сделано потому, что в действительности торцы рубинового стержня строго параллельны, посеребрены, но так что один из торцов (зачерненный) отражает все лучи, а второй (заштрихованный) пропускает световой поток при его достаточной интенсивности.

На рис. 14, б стрелками показано, как фотоны лампы накачки проникают в рубиновый кристалл и как некоторые невозбужденные до этого атомы хрома (черные точки) превращаются в возбужденные до различных уровней атомы (кружочки). Так в рубиновом стержне получается огромное количество атомов хрома различной степени возбуждения. Однако все они в таком состоянии могут просуществовать лишь миллиардные доли секунды, так как их электроны стремятся перейти на более низкий уровень возбуждения. Этот переход происходит без лучеиспускания. Вся энергия перехода превращается в тепловую энергию внутри кристалла, поэтому он должен в процессе работы охлаждаться.

Самое главное происходит тогда, когда множество электронов возбужденных атомов накапливается и задерживается на определенном уровне (на промежуточной орбите). Хотя эта задержка, как уже говорилось, оказывается всего только в несколько тысячных долей секунды, но именно это свойство задержки и накопления большого количества электронов в одинаковом состоянии возбуждения является одним из решающих.

Как только возбужденных атомов будет больше половины, достаточно одного внешнего стимулирующего (синхронного) фотона, чтобы вызвать лавинный процесс «перехода» электронов всех возбужденных атомов с уровня задержки на основной. Именно так и происходит в рубине. Последний синхронный фотон/(рис. 14, в) вызывает лавину стимулированных фотонов (происходит излучение — испускание квантов энергии атомами, обозначенными стрелками). Лавина фотонов мгновенно умножается за счет зеркальных поверхностей торцов рубина. Умножение происходит вследствие того, что на своем

пути фотоны, ударяясь о возбужденные атомы, заставляют их испускать дополнительный поток фотонов.

('оставляя еще недостаточно интенсивное излучение, фотоны отражаются от правого торца со слабым носереб- ренисм. Отразившись от пего (рис. 14, а), они уже в огромной степени умноженные, бьются о зеркало левого торца и, отразившись от пего, еще более умноженные, прорываются через правое зеркало, образуя наружный тонкий пучок красного света (рис. 14, д и с). Тут же вслед за выходом пучка (ротонов из кристалла все электроны атомов рубина до следующего импульса возвращаются на основные уровни, и атомы становятся нейтральными (черные точки, рис. 14, о). Таким образом, лазер не только генерирует световой пучок, по и усиливает его интенсивность. Выходной луч является узконаправленным и очень мощным.

Коэффициент полезного действия рубиновых лазеров невелик и составляет 0,1 %; разработаны лазеры с более высоким КПД.

ГЛАВА 11. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

СВАРОЧНАЯ ДУГА И СУЩНОСТЬ ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕЙ ПРОЦЕССОВ

Состояние вещества характеризуется взаимосвязью молекул и атомов. Различие свойств твердого, жидкого и газообразного состояния определяется различием средних расстояний между молекулами.

В твердом и жидком состоянии они очень малы, чем и объясняется малая сжимаемость этих веществ и общее их название «конденсированное состояние». В газах это расстояние велико, поэтому они могут сравнительно легко сжиматься под действием внешнего давления. Этим же объясняется различие в электропроводности конденсированного состояния и газов.

В конденсированных веществах крайние электроны легко теряют связь с ядрами своих атомов и свободно перемещаются по веществу. Такие свободные электроны, называемые электронами проводимости, и являются носи-

телями тока в проводнике. В газах электроны притягиваются только к своим ядрам, поэтому при обычных условиях газы ток не проводят.

В электрической дуге (плазме) газ ионизирован, благодаря чему он, сохраняя способность сжиматься,приобретает электропроводность вещества, находящегося в конденсированном состоянии. Это и есть четвертое агрегатное состояние вещества — плазма. В целом же плазма электрически нейтральна, так как сумма зарядов в любой части объема равна нулю.

Сварочной дугой называют длительный разряд электрического тока в газовой среде между находящимися под напряжением твердыми или жидкими проводниками (электродами), который является концентрированным источником теплоты,'используемым для плавления металла при сварке (см. рис. 16).

Электрические заряды в сварочной дуге переносятся электрически заряженными частицами — электронами, а также положительно и отрицательно заряженными ионами.

Электроном называется материальная частица, обладающая отрицательным зарядом электричества. Масса электрона очень мала и составляет 9,1-10-28 г.

Положительным ионом называют атом или молекулу, потерявшие один электрон (однократная ионизация) или несколько электронов (многократная ионизация). Отрицательным ионом называют материальную частицу, присоединившую к себе избыточный электрон. Наименьшей массой обладает ион (протон) водорода 1,67-10-24 г. Следовательно, масса электрона в 1840 раз меньше массы протона водорода.

Процесс, при котором в газе образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией, а такой газ ионизированным.

Положительные ноны могут образоваться из атомов всех элементов, отрицательные — не всех. Легче всего отрицательные ионы образуют так называемые электроотрицательные элементы — голоиды: (F, Cl, Вг, J), кислород и др., обладающие значительным сродством к электрону. Этот фактор существенно влияет на условия горения сварочной дуги, но недостаточно изучен.

При изучении процессов ионизации за единицу энергии, сообщенной частице, принимается электронвольт (эВ). Эта единица численно равна энергии, которую получает

электрон, проходя через электрическое поле с разностью потенциалов в 1 В

1 эВ = 1,6 - 10-1в Дж. (3)

В зависимости от количества энергии, сообщенной электрону в атоме или молекуле, они могут возбудиться или ионизироваться. Приняты следующие названия характеристик этих процессов: потенциал возбуждения, потенциал ионизации, работа выхода и сродство к электрону.

Потенциал возбуждения UB характеризует энергию, которую необходимо затратить для перемещения электрона атома элемента, находящегося в газообразном состоянии, на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. Возбужденное состояние частицы неустойчиво, и электроны мгновенно возвращаются на стационарную орбиту, а энергия возбуждения выделяется в окружающее пространство в виде электромагнитного излучения. Атом или молекула возвращается в нейтральное состояние.

Потенциал ионизации Un характеризует энергию, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома элемента, находящегося в газообразном состоянии, с превращением его в положительный ион.

Потенциал возбуждения и потенциал ионизации зависят от строения атома и от энергетического уровня, с которого удаляется электрон.

Работа выхода ^э равна энергии, необходимой для выделения электрона с поверхности твердого или жидкого проводника и удаления его из сферы действия сил электростатического притяжения.

Работа выхода электрона обратно пропорциональна межатомарному расстоянию, и по этой причине у щелочных и щелочноземельных металлов работа выхода электрона меньше, чем у других элементов. Работа выхода также зависит от свойств, чистоты и температуры поверхности электрода (катода). Окисление поверхности или нанесение на нее другого металла при определенных условиях снижает работу выхода электрона. Например, введение в состав вольфрамового электрода окиси тория ТЮ2 или лантана La2O3 значительно увеличивает эмиссию (испускание) электронов с поверхности катода. Так, эмиссия с катода вольфрамового электрода, содержащего 0,5 % ThO2, увеличивается в тысячи раз.

Таблица 1. Значения потенциала возбуждения, потенциала ионизации, работы выхода и сродства к электрону некоторых элементов

Параметр

Cs

К

Na

AI

Са

Ti

Ге

UB, В

—

1,6

2,1

1,9

3,3

4,7

иИ, В

3,8

4,3

5,1

5,9

6,1

6,8

7,8

<Рэ, эВ

—

2,2

2,3

4,2

2,9

3,9

4,1

иС1 в

—

—

0,7

0,6

—

—

—

Параметр

с

о

н

N

Аг

Г

Не

ив. в

—

7,9

10,2

6,3

11,6

11,6

19,7

иИ, В

11,2

13,2

13,5

14,5

15,7

18,6

24,5

Тэ- эВ

4,3

—

—

—

—

—

—

ис, в

1,1

3,8

0,7

0,6

—

3,9

0,37

Сродство к электрону Uc характеризует энергию, которая выделяется при присоединении электрона к атому или положительно заряженному иону. Наибольшее сродство к электрону имеют фтор, кислород, хлор; наличие этих элементов в дуговом промежутке сказывается на условии горения дуги.

Значения потенциалов возбуждения и ионизации, работы выхода, сродства к электрону некоторых элементов приведены в табл. 1.

Эмиссию электронов с катода и ионизацию в дуговом промежутке вызывает ряд факторов. Так, в частности, выделение электронов с поверхности катода достигается за счет термоэлектронной эмиссии, автоэлектронной и эмиссии в результате ударов тяжелых ионов по катоду.

Термоэлектронная эмиссия заключается в способности раскаленной поверхности электрода (катода) испускать электроны. Необходимая для этого энергия получается за счет изменения при высоких температурах собственной энергии электронов проводимости материала. В результате создаются условия, при которых электроны способны оторваться от поверхности электрода и покинуть его пределы. При этом будет затрачена энергия, равная работе выхода.

Электроны, ушедшие из металла в результате эмиссии, пополняются из внешнего источника тока, служащего для питания дуги. Чем выше температура катода, тем

больше плотность тока термоэлектронной эмиссии и тем больше электронов будет обладать энергией, необходимой для выхода электронов из катода.

Для плавящихся электродов термоэлектронная эмиссия не играет основной роли в ионизации дугового промежутка вследствие низкой температуры их кипения и малой плотности тока. При термоэлектронной эмиссии наблюдается охлаждение электрода, являющегося катодом, за счет уноса электронами значительной энергии.

Автоэлектронная эмиссия характеризуется тем, что энергия, необходимая для вырыва электронов с поверхности катода, сообщается внешним электрическим нолем, создаваемым источником питания. Внешнее электрическое поле облегчает выход электронов; оно как бы вытягивает электроны за пределы действия силы притяжения электрона оставшимся в металле положительным зарядом, поэтому при той же температуре увеличивается плотность тока эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия возможна даже при низкой температуре катода. При сварке электродами с низкой температурой кипения автоэлектронная эмиссия является, вероятно, одной из основных причин эмиссии электронов.

Эмиссия электронов в результате ударов ионов по катоду возникает в тех случаях, когда положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и передают им энергию, достаточную для выбивания электронов. Этот вид эмиссии играет значительную роль в создании мощного потока электронов в сварочной дуге, и благодаря выделению на катоде потенциальной и кинетической энергии иоиов увеличивается скорость плавления электрода.

Изучив основные условия эмиссии электронов, рассмотрим основные виды ионизации в газах.

На условия стабильного горения сварочной дуги наряду с процессами, связанными с эмиссией электронов, существенное влияние оказывают процессы возникновения заряженных частиц в объеме нейтрального газа — объемная ионизация.

Различают три вида ионизации в газах: соударением, облучением (фотоионизация), нагревом (термическая ионизация).

Ионизация соударением заключается в том, что электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, ударяются о них, выби-

вают электроны, ионизируют атомы. Такие соударения называют неупругими соударениями в отличие от упругих, вызывающих только повышение температуры газа. Количество энергии, которое необходимо затратить для отрыва электрона от ядра, называют работой ионизации eU. Если работа ионизации eU измеряется в электронвольтах, а потенциал ионизации ^и — в вольтах, то их численные значения равны. Кинетическую энергию для ионизации электроны приобретают под действием сил электрического поля, и скорость их движения пропорциональна разности потенциалов поля на участке пути их пробега без соударения.

Зная, что на основании закона сохранения энергии приращение кинетической энергии электрона щгг/2 должно равняться работе, затраченной на перемещение электрона, можно написать следующее уравнение:

птиЧ^ = eU, (4)

где т — масса электрона (9,1-10-31), кг; и — скорость электрона, м/с; е— заряд электрона (1,6-10~19), Кл, U — разность потенциалов на участке пути, пройденном электроном, В.

Из уравнения (4) определим скорость электрона

(5)

Подставляя в это выражение значения е и т, получим и = б-Ю5-^U м/с или и = 600 VU км/с. Пользуясь этой формулой, можно подсчитать необходимую скорость для осуществления ионизации соударением.

Пример. Требуется определить, какую скорость должны приобретать электроны, чтобы за счет соударения осуществить ионизацию атомов железа, калия, азота: vpe — 600 । 7,8 = 1680 км/с; ик = = 600 1/4,3 = 1254 км/с; vN = 600 у 14,5 = 2280 км/с.

Ионизация облучением — процесс образования заряженных частиц за счет поглощения газом световых квантов. Для ионизации облучением требуется, чтобы энергия световых квантов была равна или больше энергии, необходимой для ионизации газа. Видимый свет не может ионизировать газы.

Ультрафиолетовые лучи спектра вызывают ионизацию паров щелочных и щелочно-земельных металлов. Кванты

рентгеновских и гамма-лучей способны ионизировать все без исключения газы.

Ионизация нагревом (термическая ионизация) протекает при высоких температурах за счет неупругих столкновений частиц газа, имеющих большую кинетическую энергию. Термическую ионизацию может вызвать столкновение нейтральных частиц, а также столкновение нейтральных частиц с заряженными.

В газе, подвергнутом высоким температурам, даже при отсутствии каких бы то пи было ускоряющих потенциалов или воздействий облучения извне, возникают возбужденные и ионизированные атомы. Термическая ионизация практически заметна уже при температуре 1750 °C, поэтому соприкосновение нейтральных атомов с капельками перегретого расплавленного металла приводит к повышению кинетической энергии хаотического движения атомов, а следовательно, к усилению ионизации.

Для осуществления термической ионизации всех частиц газа, заключенных в рассматриваемом объеме, требуется определенный нагрев, что при сварке может иметь место только тогда, когда столб дуги заполнен газом с низким потенциалом ионизации. Обычно в нагретом газе уравновешиваются процессы возникновения заряженных частиц и их исчезновение, и в объеме газа при данной температуре устанавливается постоянная степень ионизации.

Степень ионизации газа характеризует отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных и заряженных частиц. Степень термической ионизации однородного газа может быть определена по графику, который построен расчетным путем (рис. 15). Из графика видно, что с повышением температуры степень ионизации возрастает, асимптотически приближаясь к единице, так как наряду с ионизацией имеет место рекомбинация.

Рекомбинацией называется процесс образования ней- тральных частиц из ионов разных знаков или из положительных ионов и электронов.

По кривым, приведенным на рис. 15, видно, что чем ниже потенциал ионизации вещества, тем больше степень его ионизации при данной температуре. Так, при температуре 6000 К степень ионизации паров калия составляет около 0,4, а для паров железа степень ионизации 30

очень мала. Уменьшение степени ионизации приводит к уменьшению проводимости дугового промежутка.

В реальных условиях сварки плавящимся электродом дуговой промежуток заполнен не одним газом, а смесью газов. Ионизация каждого из газов, входящих в смесь, будет протекать не так, как однородного газа, поэтому вводится понятие об эффективном потенциале ионизации (/П.эф.

Рис. 15. Зависимость степени ионизации от температуры для различных веществ

Под эффективным потенциалом ионизации газовой смеси подразумевают потенциал ионизации газа (условно однородного), который давал бы при заданной температуре ту же степень ионизации, что и смесь газов заданного состава. Результаты расчета эффективного потенциала ионизации в газовой смеси паров калия и железа при Т = 5800 К следующие:

Содержание атомов К, % (^и =

= 4,3 эВ) 0125

Содержание атомов Fe, % (Си =

= 7,8 эВ) 100999895

Эффективный потенциал ионизации

Си. Эф, В 7,836,356,085,46

Содержание атомов К, % (Си =

= 4,3 эВ) . . . .102050100

Содержание атомов Fe, % (Си =

= 7,8 эВ) 9080500

Эффективным потенциал ионизации

Ри. эф» В 5,28 5,05 4,61 4,3

Из приведенных данных следует, что при введении в атмосферу дуги уже сравнительно небольшой массы вещества с низким потенциалом ионизации эффективный потенциал ионизации газовой смеси значительно снижается

1 | Катод-I I ная —^область у1 | Катод-I I ная —^область у/е*А=А**2ех/е*А=А**2ех!2e^2A-2AWe\ /WWWIHy §jr.e+NA-NA *2пе\/НИНшЩиЖ!2e^2A-2AWe\ /WWWIHy §jr.e+NA-NA *2пе\/НИНшЩиЖ

1 | Катод-I I ная —^область у

1 | Катод-I I ная —^область у

/е*А=А**2ех

/е*А=А**2ех

!2e^2A-2AWe\ /WWWIHy §

jr.e+NA-NA *2пе\

/НИНшЩиЖ

!2e^2A-2AWe\ /WWWIHy §

jr.e+NA-NA *2пе\

/НИНшЩиЖ

по сравнению с потенциалом ионизации газов, входящих в смесь, что обеспечивает устойчивое горение дуги. На этом эффекте основано введение в покрытия и флюсы стабилизирующих веществ с низким потенциалом ионизации.

ПРОЦЕССЫ НА ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКАХ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Процесс зажигания дуги при сварке плавящимся электродом начинается с короткого замыкания электрода с основным металлом.

Из-за шероховатости поверхности электродов касание при коротком замыкании происходит отдельными выступающими участками, которые под действием выделяющейся теплоты мгновенно расплавляются, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом. При отводе электрода жидкая перемычка растягивается, сечение ее уменьшается, сопротивление и температура возрастают. В момент достижения расплавленным металлом перемычки температуры кипения в легко ионизирующихся парах металла возникает дуга. Процесс возникновения и развития дуги длится доли секунды. При сварке неплавящимся электродом происходят те же процессы, но жидкая перемычка образуется за счет плавления только основного металла. Очень часто зажигание дуги осуществляется без замыкания электродов: за счет повышенного напряжения между ними. В этом случае применяются осцилляторы, являющиеся источником вспомогательного тока высокого напряжения и частоты.

В силу различной природы физических явлений в катодной, анодной области и столбе дуги дуговой промежуток обычно разделяют на область, примыкающую к катоду, называемую катодной, примыкающую к аноду — анодной областью, а промежуток между ними — столбом дуги (рис. 16). На поверхности катода и анода образуются катодные и анодные активные пятна, через которые проходит весь ток сварочной дуги и поэтому они наиболее нагреты. Высокая температура катодного пятна является непременным условием существования дуговою разряда.

Рассмотрим основные физические процессы, протекающие на участках дуги.

В катодной области из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в области катодного падения напряжения, попа-

32

дают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе дуги с нейтральными частицами, электроны их ионизируют

е + Д° = Д+ + 2емсдл,(6)

в результате получаются два медленных электрона и положительный ион.

Положительные ионы, обладая положительным зарядом, движутся к катодному пятну. Если предположить, что каждый эмиттированный катодным пятном электрон ионизирует однократно нейтральную частицу, то коли-

Рис. 16. Схема сварочной дуги: а — перенос зарядов; б — падение напряжения (Сд — падение напряжения на дуге; UK — падение напряжения в катодной области; (/ст — падение напряжения в столбе дуги; Ua — падение напряжения в анодной области)

Анодная

честно ионов будет равно количеству электронов. Но из-за большой массы ионов скорость их движения в катодной области будет меньше, чем электронов, и в каждый данный момент времени положительный заряд всех ионов будет больше отрицательного заряда электронов. В области катодного падения напряжения создается избыточный объемный положительный заряд, возникновение которого в прикатодной области и создает в ней повышенную напряженность электрического поля. В катодной области на длине около 10-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения ик.

В анодной области около анодного пятна на участке, равном длине свободного пробега электрона, наблюдается резкое падение напряжения, так называемое анодное падение напряжения Ua, вызванное наличием большего некомпенсированного объемного отрицательного заряда. Это имеет место вследствие того, что электроны, возник-

Думов С. И. 33

шие в столбе дуги па расстоянии от анода, равном или меньшем длины их свободного пробега в направлении электрического поля, направляются непосредственно на анод. На этом участке дуги почти отсутствует ионизация и пет положительных ионов, заряд которых мог бы компенсировать заряд электронов. Поэтому электроны, проходя анодную область, резко увеличивают скорость своего движения н, попадая на анодное пятно, тормозятся и нейтрализуются. При торможении электронов выделяется вся приобретенная ими в области анодного падения напряжения кинетическая энергия, а нейтрализация сопровождается выделением энергии, равной работе выхода.

результате выделения электронами энергии температура электрода в анодном пятне близка к температуре кипения материала анода.

Столб дуги (плазма) — область, расположенная между катодным и анодным падением напряжения. Атмосфера столба дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов (в некоторых случаях отрицательных ионов), а также нейтральных атомов.

Столб дуги в целом не имеет заряда. Он нейтрален. В каждом данном сечении столба дуги одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположных знаков.

Установлено, что градиент падения напряжения в столбе дуги постоянен, и при дуговой сварке электродами из низкоуглеродистой стали колеблется в пределах 20— 40 В/см. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине:

(7)(8)(7)(8)^д — ^н + Uа -ф- UCT;

(7)

(8)

(7)

(8)

Сп = a + bl,

где a — сумма падения напряжения в прикатодной и приаподиой области; b — падение напряжения па единицу столба дуги, В/мм; / — длина столба дуги, мм.

Энергия, необходимая для поддержания постоянства дугового промежутка, поступает от источника питания дуги.

Температура столба дуги зависит от эффективного потенциала ионизации газов, заполняющих дуговой промежуток, напряженности поля, плотности тока в электроде, полярности и др. При равном токе и напряженности поля температура изменяется пропорционально изменению эффективного потенциала ионизации. Для прибли- 34

женных подсчетов температуры дугового промежутка в зависимости только от эффективного потенциала ионизации можно пользоваться уравнением Хренова

7СТ = 810^и.зф.(9)

Здесь Тст—температура столба дуги, К; ии.Эф —эффективный потенциал ионизации, В.

Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть столба дуги. Увеличение плотности тока приводит к увеличению температуры столба дуги. Так, при сварке под флюсом переменным током 450 А при диаметре электрода 5 мм температура столба дуги составляет 6000 К, а при диаметре электрода 2 мм — 7800 К.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

И УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОГО ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Сварочная дуга должна иметь определенные технологические свойства, обеспечивающие быстрое ее зажи га ни ед устойчивое горение, малую чувствительность к изменению ее длины в определенных пределах, быстрое ее повторное зажигание после погашения, нужное—проплавление основного металла и др. Все это создает усло- вия iTOJiynennH-качёствешного" сварного соединения.

Влияние на технологические свойства дуги некоторых факторов рассматривались ранее, поэтому ознакомимся с влиянием тока, напряжения, рода тока, состава газа, характера переноса металла в дуге.

Влияние соотношения между током и напряжением

Для нормального протекания процесса электрической сварки плавлением ток и напряжение на дуге должны находиться в определенной зависимости друг от друга.

Зависимость между установившимся значениями тока и напряжением дуги при постоянной ее длине называется статической (вольт-амперной) характеристикой дуги и при сварке под флюсом может быть представлена кривой (рис. 17), по которой видно, что напряжение дуги с увеличением сварочного тока сначала круто снижается, потом почти не меняется, а затем опять возрастает. Это 2*35

имеет место вследствие того, что с увеличением тока законы изменения активных пятен, поперечного сечения, плотности тока и электропроводности столба дуги различны, что приводит к изменению сопротивления, и как следствие, — к определенному изменению напряжения в столбе дуги с изменением тока.

На первом участке кривой по абсциссе до тока 60— 60 Л статическая характеристика дуги Ua = / (/д), будет падающей, т. е. напряжение на дуге уменьшается с уве- лпченнем тока. Объясняется это тем, что при маломощных

Рис. 17. Статическая характеристика дуги; UB = / (/д) при постоянной длине дуги

дугах сумма катодного и анодного падения напряжения не зависит от тока. Падение напряжения в столбе дуги уменьшается с увеличением тока, так как площадь сечения и электропроводность увеличиваются, а плотность тока в столбе дуги уменьшается.

На втором участке кривой в пределах тока 80—800 А напряжение на дуге не зависит от тока. Это объясняется тем, что при данных значениях тока площадь сечения столба дуги, катодных и анодных пятен увеличивается пропорционально току, поэтому плотность тока и падение напряжения на всех участках дуги сохраняются постоянными и статическая характеристика для этого случая жесткая. Дуга с такой характеристикой находит широкое применение в сварочной технике.

На третьем участке кривой при токах выше 800 А увеличение тока приводит к увеличению напряжения дуги, т. е. форма статической характеристики становится возрастающей. Это есть результат того, что при большой плотности тока, когда катодное пятно занимает всю поверхность торца электрода, интенсивность увеличения площади сечения столба дуги с возрастанием тока уменьшается, сопротивление столба дуги будет расти незначительно, а градиент потенциала и падение напряжения в столбе дуги будут расти с увеличением сварочного тока. Дуга с возрастающей статической характеристикой используется при сварке под флюсом и в защитных газах.

Из рассмотренного следует, что статическая характеристика дуги иц = f (/д) ДЛЯ диапазона изменений сварочного тока в реальных условиях сварки имеет -—-образную форму, т. е. переходит из падающей в жесткую и, наконец, при больших значениях тока становится возрастающей.

Влияние рода тока

Все ранее рассмотренное по условиям горения дуги относилось к случаю питания ее от источников постоянного тока. Но при питании дуги от источников

Рис. 18. Кривые изменения тока и напряжения дуги во времени при сварке переменным током: /д — тек в дуге; Un — напряжение дуги; (/8 — напряжение повторного зажигания дуги

переменного тока электрические и тепловые процессы несколько отличаются от процессов, происходящих в дуге постоянного тока. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга угасает и температура активных пятен и дугового промежутка снижается (рис. 18). Это вызывает деионизацию газовой смеси и уменьшение электропроводности столба дуги. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу основного металла.

В следующий за угасанием дуги момент напряжение на дуговом промежутке меняет полярность, и создавшиеся в прошедшем полуперподе объемные разряды у катода и анода под действием электрического поля нового направления устремляются друг к другу и рекомбинируют, что вызывает дополнительную деионизацию газов в столбе дуги.

Понижение температуры столба дуги, активных пятен и процессы рекомбинации резко снижают степень ионизации дугового промежутка, и повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода обычно происходит только при повышенном напряжении между электродами, называемым пиком зажигания, или напряжением повторного

зажигания дуги, которое всегда выше напряжения дуги, соответствующего стационарному ее горению. Установлено, что пик зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле (в связи с относительно большим отводом теплоты).

Наличие в дуге паров элементов с низким потенциалом ионизации снижает эффективный потенциал ионизации газа в дуге, в результате чего в каждом полупериоде тока после угасания дуги электропроводность дуги сохраняется более продолжительное время (до более низких температур), пик зажигания становится меньше, дуга возбуждается легче и горит устойчивее. На этом основано применение стабилизирующих элементов, особенно при сварке на переменном токе.

Введение же в дуговой промежуток элементов, имеющих большое сродство к электрону, — F, О, О (см. табл. 1) и образующих отрицательные ионы, приводит к увеличению рекомбинации, деионизации газов и повышению пика зажигания дуги.

Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем выше должен быть пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги.

Влияние состава газа на условия горения дуги

Для защиты расплавленного металла в зону горения дуги часто специально вводят газы (табл. 2). Рассмотрим, как они будут влиять на условия горения дуги при аргоподуговой сварке и сварке в среде углекислого газа.

Таблица 2. Физические свойства некоторых газов

Газ

Относительная атомная или относительная молекулярная масса

Масса одного литра, г

Температура сжижения, °C

Аргон

39,94

1,78

— 185,5

Гелий

4,00

0,17

—268,9

Водород

1,00

0,09

—253

Азот

14,00

1,25

— 196

Кислород

15,99

1,43

— 183

Углекислый газ

44,00

1,96

—56

Введение газа приводит к охлаждению катода и столба дуги, что является причиной относительно ускоренного прекращения эмиссии электронов с катода и падения проводимости межэлектродного промежутка после угасания дуги, вследствие чего повторное зажигание дуги в каждом полупериоде тока еще больше затрудняется. Но различные газы по-разному влияют на условия зажигания и горения дуги переменного тока. Рассмотрим влияние некоторых из них.

Вольфрам Вольфрам fnвф*———^-,Вольфрам Вольфрам fnвф*———^-,является является анодом катодомявляется является анодом катодомИнертные газы. Аргон, а особенно гелий, имеют высокий потенциал возбуждения и потенциал ионизации,

Вольфрам Вольфрам fnвф*———^-,

Вольфрам Вольфрам fnвф*———^-,

является является анодом катодом

является является анодом катодом

Рис. 19. Изменение кривых тока и напряжения при горении дуги переменного тока между электродами с различными теплофизическими свойствами: Ux. х—напряжение холостого хода источника тока

поэтому зажигание дуги затруднено. Но, возникнув, дуга горит устойчиво вследствие того, что отсутствуют потери энергии на диссоциацию, имеющую место при многоатомных газах. Кроме того, атомы инертных газов имеют целиком заполненные электронами внешние орбиты, хорошо защищающие приближающийся к атому лишний электрон от действия положительного заряда ядра, что исключает образование отрицательных ионов и снижает коэффициент рекомбинации, повышая устойчивость дуги.

При горении дуги между электродами с разньши теплофизическими свойствами, например между вольфрамом и алюминием, в те полупериоды, когда катодом является вольфрам, дуговой разряд проходит в основном за счет термоэлектронной эмиссии. Благодаря высокой температуре кипения и относительно низкой теплопроводности вольфрама напряжение зажигания невелико, и дуга горит при меньшем напряжении (рис. 19). В те полупериоды, когда катодом является алюминий (обратная

полярность), напряжение зажигания дуги относительно велико. Зажигание дуги в обоих случаях происходит с некоторым опозданием, и кривая напряжения дуги имеет несимметричную форму; в ней имеется постоянная составляющая, которая вызывает появление в сварочной цепи постоянной составляющей юка, значение которой тем больше, чем больше разница в теплофизических свойствах материала электрода и изделия. Если при указанных условиях сварки в цепь дуги включить амперметр постоянного тока, то отклонение стрелки его будет пропорционально составляющей постоянного тока.

Постоянная составляющая сварочного тока создает постоянное магнитное поле в сердечнике трансформатора и дросселя. Это ухудшает устойчивость дуги и отрицательно сказывается на технологических свойствах ее. Тогда даже незначительное содержание О2 и N2 в аргоне приводит к образованию тугоплавкой пленки окислов и нитридов на поверхности алюминиевого сплава в месте сварки, препятствующей сплавлению кромок и формированию шва.

Для полного или частичного устранения составляющей постоянного тока в сварочную цепь последовательно включают следующие элементы: конденсаторы, активное и индуктивное сопротивление и другие устройства.

Сварочная дуга, горящая между вольфрамовым электродом и изделием в инертных газах, обладает способностью к катодному распылению, заключающемуся в том, что под действием положительных ионов, бомбардирующих катод (изделие), с поверхности сварочной ванны и соседних относительно холодных зон происходит вырывание (испарение) частиц металла. Вместе с ними удаляются окисные пленки, даже такие тугоплавкие как А12О3, что улучшает условия сварки.

В среде аргона наблюдается более интенсивное катодное распыление, чем в среде гелия.

Углекислый газ. Под действием теплоты сварочной дуги углекислый газ СО2 диссоциирует на окись углерода и атомарный кислород, и атмосфера дуги насыщается кислородом, имеющим большой потенциал ионизации и большое сродство к электрону (см. табл. 1). Вследствие большого сродства к электрону атомы кислорода захватывают электроны, образуя отрицательные ионы, которые, соединяясь с положительными ионами, рекомбинируют.

Захват электронов атомами кислорода и нейтрализация положительных ионов приводят к уменьшению общего количества заряженных частиц в дуговом промежутке, а уменьшение количества положительных ионов уменьшает положительный объемный заряд у катода, и электроны не получают должного ускорения в катодной области.

Электроны, обладающие меньшей кинетической энергией, легче захватываются атомами кислорода и положительными ионами, и в результате степень ионизации резко падает. При питании дуги переменным током это еще усугубляется и тем, что часть отрицательных ионов, накапливаясь у анода, увеличивает объемно-отрицательный заряд у анода, и в момент смены полярности, когда объемные заряды у катода и анода устремляются друг к другу, рекомбинируют. В связи с этим деионизация газов в столбе дуги, в котором находятся атомы кислорода, будет больше, чем в дуге переменного тока, в которой отсутствуют элементы, имеющие большое сродство к электрону. Поэтому переменный ток для сварки в углекислом газе почти не применяется, а применяется постоянный ток преимущественно обратной полярности.

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАСС

НА СВАРОЧНУЮ ДУГУ

Устойчивость сварочной дуги и возможность направления ее в определенное место при сварке постоянным током зависят от направления действия результирующего магнитного поля вокруг дуги, которая часто вызывает отклонение от нормального положения. Такое явление называют магнитным дутьем.

Причина возникновения магнитного дутья заключается в следующем: столб сварочной дуги представляет собой гибкий проводник, который под воздействием магнитного поля, как и обычный проводник с током, может выталкиваться с места, где магнитные силовые линии более сгущены, в направлении, где силовые линии менее сгущены.

Рассмотрим влияние на сварочную дугу постоянного тока различных магнитных полей и ферромагнитных масс.

Влияние собственного магнитного поля

воздействие па столб дуги,воздействие па столб дуги,Под собственным магнитным полем принято понимать круговое магнитное поле тока, возникающее при прохождении тока по элементам сварочной цепи, в том числе и по основному металлу. В этом случае, если токоподвод подключен к свариваемому изделию вблизи дуги, магнитное поле оказывает равномерное симметричное

воздействие па столб дуги,

воздействие па столб дуги,

Рис. 20. Действие собственных магнитных полей па дугуРис. 20. Действие собственных магнитных полей па дугуи дуга не отклоняется (рис. 20, а). Если же токоподвод подключен вдали от места горения дуги, то за счет усиления (сгущения) магнитного поля со стороны токоподвода дуга отклоняется в противоположную сторону (рис. 20, б\

Рис. 20. Действие собственных магнитных полей па дугу

Рис. 20. Действие собственных магнитных полей па дугу

ся очень заметным при сваркеся очень заметным при сваркеСила, отклоняющая дугу, пропорциональна квадрату тока, вследствие чего магнитное дутье становит- на постоянном токе в 300 А и

ся очень заметным при сварке

ся очень заметным при сварке

более. Соответствующим переносом места подключения то

или устранитьили устранитькоподвода к изделию можно уменьшить

или устранить

или устранить

Рис. 21. Влияние наклона электрода на электромагнитное отдувание дуги

отклонение дуги. Отклонение дуги от нормального положения уменьшается при сварке с наклоном электрода в сторону магнитного отдувания дуги (рис. 21, о). Следовательно, небольшим наклоном электрода в сторону, противоположную отдуванию, можно заметно уменьшить магнитное отдувание дуги. Этим широко пользуются на практике.

При сварке дугой косвенного действия регулирование величины магнитного отдувания достигается изменением утла сс между электродами (рис. 21, б). Чем меньше угол, тем больше выдувается дуга.

Влияние постороннего магнитного поля

Подковообразным магнитом можно создать поперечное магнитное поле (рис. 22), которое будет взаимодействовать с кольцевым магнитным полем, возникающим вокруг дуги при прохождении тока. В результате такого взаимодействия увеличивается напряженность поля с той стороны дуги, где направление силовых линий совпадает,

а со стороны, где силовые линии встречаются, напряженность поля уменьшается. Появляется результирующая электромагнитная сила F, отклоняющая дугу в сторону.

На направление откло

нения дуги влияет полярность подключения и направление постороннего магнитного поля. Если постороннее поле достаточно сильное, оно может совсем оборвать дугу. Под

Рис. 22. Действие поперечного магнитного поля на сварочную ДугуРис. 22. Действие поперечного магнитного поля на сварочную Дугудействием магнитного поля небольшой напряженности дуга будет откло-

Рис. 22. Действие поперечного магнитного поля на сварочную Дугу

Рис. 22. Действие поперечного магнитного поля на сварочную Дугу

няться до тех пор, пока

не наступит равновесие действующих на нее сил. Равновесие наступает вследствие того, что с отклонением дуги от нормального положения происходит ее деформация и магнитные поля с обеих сторон дуги уравновешиваются.

Продольное магнитное поле направлено по оси сварочной дуги и совпадает с направлением электрического поля дуги. Оно может быть получено при размещении дуги в соленоиде (рис. 23, а). Такое магнитное поле не оказывает никакого действия на заряженные частицы, движущиеся в направлении электрического поля, но на заряженные частицы, перемещающиеся поперек этого поля, оно оказывает заметное влияние.

Ранее нами было отмечено, что температура центральной части столба дуги выше периферийной, следовательно, степень ионизации и концентрации заряженных частиц (ионов) в центральной части тоже будет выше. И, как следствие, начнется диффузия частиц с центральной

части к периферии, т. е. от области большей концентрации к области меньшей концентрации. При движении в радиальном направлении заряженные частицы пересекают магнитное поле, которое, взаимодействуя с ним, создает силу, действующую на частицы в направлении, перпендикулярном к магнитному полю и к направлению их движения вследствие диффузии.

Направление действия сил будет зависеть от направления магнитного поля соленоида, но не от рода и полярности тока, В результате частицы столба дуги будут вращаться по окружности вокруг оси дуги (рис. 23, 6).

Рис. 23. Действие продольного магнитного поля на дугу

Вращение ионов и электронов происходит (в соответствии с различными знаками зарядов) в разные стороны. При столкновении с нейтральными частицами они увлекают их за собой и приводят во вращение. Ввиду малой массы электроны не оказывают существенного воздействия на нейтральные атомы и молекулы, и весь столб дуги вращается в направлении вращения ионов. Наряду с вращением частиц вокруг оси столба дуги, наблюдается концентрация частиц по оси столба дуги, чему в известной мере способствует и центростремительная сила, возникающая при вращении частиц.

Направление вращения можно определить, зная направление продольного магнитного поля. При этом, если смотреть по направлению магнитных силовых линий, столб дуги будет вращаться против часовой стрелки. Но кроме продольного магнитного поля на заряженные частицы действует и продольное электрическое поле, под действием которого частица перемещается по вертикали.

Таким образом, совместное действие продольного магнитного и электрического полей заставляет заряженную частицу двигаться по спирали (рис. 23, в). Возникающая при этом центростремительная сила стягивает столб дуги к вертикальной оси. Сечение столба душ уменьшается, дуга становится более жесткой, а нагрев более концентрированным, технологические свойства дуги улучшаются и этим иногда пользуются на практике.

Действие ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи раз больше магнитной

Рис. 24. Влияние фер- ! ромагнитных масс на * отклонение сварочной дугиРис. 24. Влияние фер- ! ромагнитных масс на * отклонение сварочной дуги

Рис. 24. Влияние фер- ! ромагнитных масс на * отклонение сварочной дуги

Рис. 24. Влияние фер- ! ромагнитных масс на * отклонение сварочной дуги

проницаемости воздуха, а нам известно, что магнитные силовые линии стремятся пройти по среде с наименьшим магнитным сопротивлением. Поэтому, если возле дуги находится ферромагнитное тело, концентрическое магнитное поле вокруг дуги исказится вследствие того, что силовые линии, расположенные вблизи ферромагнитного тела, легко пронизывают его, создавая разрежение в этой части магнитного поля, а другая часть силовых линий, расположенных с противоположной стороны дуги, вместе с первой частью будет также подтянута к ферромагнитному телу, и на этой стороне дуги силовые линии магнитного поля сгустятся. Дуга как гибкий проводник окажется прижатой к ферромагнитному телу (рис. 24, а). Это свойство дуги проявляется при сварке соединений впритык и встык (рис. 24, б), когда дуга отклоняется к одной из кромок. Характерно, что влияние на дугу ферромагнитной массы может оказаться более интенсивным, чем влияние собственного магнитного поля дуги. Так, в случае, иллюстрируемом на рис. 24, в, можно

было бы ожидать отклонения дуги с края пластины, но в действительности вследствие влияния ферромагнитной массы властны дуга будет отклоняться на пластину.

Для уменьшения магнитного отдувания дуги наряду с наклоном электрода в сторону отдувания дуги и перемещением токоподвода можно рекомендовать и временное размещение ферромагнитного материала в начале и конце соединений для создания симметричного магнитного поля пли замену постоянного тока переменным, при котором магнитное дутье значительно меньше.

ПЕРЕНОС МЕТАЛЛА

ЧЕРЕЗ ДУГУ

Знание основных закономерностей переноса металла через дугу при электрической сварке плавлением имеет большое практическое значение, так как характер переноса металла оказывает влияние на технологические и металлургические процессы, качество и внешний вид шва.

Как установлено исследованиями и скоростной киносъемкой, перенос металла в электрической дуге осуществляется каплями разных размеров, причем независимо от положения, при котором выполняется сварка, капли всегда переходят с электрода на изделие.

Образование капель, их отрыв от электрода и перенос в дуге вызван рядом факторов: электромагнитными силами, силой тяжести, силой поверхностного натяжения жидкого металла, неравномерной напряженностью электрического поля, давлением образующихся газов внутри капли и реактивным действием потока газов, образующихся в «чехольчике» покрытия при сварке толстопокрытыми электродами. Рассмотрим влияние отдельных факторов.

Электромагнитные силы возникают вследствие появления магнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Они оказывают сжимающее действие на проводник и в том числе на каплю металла, образующуюся на торце электрода. Магнитное сжатие способствует образованию «шейки» (рис. 25), и тем самым отрыву капли от электрода и переходу ее на свариваемое изделие.

Сила тяжести капли, проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз; она способствует 46

переносу капли через дугу при нижней сварке, но противодействует переносу капли при потолочной и частично при вертикальной сварке.

Сила поверхностного натяжения, обусловленная действием межмолекулярного притяжения, стремится придать расплавленному металлу на конце электрода сферическую форму, а капле — форму шара при ее перемещениях в дуге, и способствует слиянию капли с жидким металлом ванны. Сила поверхностного натяжения связана прямой зависимостью с размером капли: чем больше сила поверхностного натяжения, тем больше размер капли. Введением в атмосферу дуги элементов, снижающих поверхностное натяжение металла, можно уменьшить размер капель.

Сила поверхностного натяжения способствует также удержанию жидкого металла ванны от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Неравномерность напряженности электрического поля возникает вследствие того, что плотность тока в электроде значительно выше плотности тока в изделии, в связи с чем и напряженность электрического поля зоны электрода больше напряженности электрического поля зоны сварочной ванны. Поэтому создается продольная сила, которая направлена от высокой напряженности к низкой, т. е. от электрода к сварочной ванне. Эта сила и содействует переносу капли от электрода к изделию.

Сила внутреннего давления газов возникает в результате протекания металлургических процессов в расплавленном металле «шейки» и капли, сопровождающихся образованием газообразной окиси углерода, объем которой во много раз превышает объем расплавленного металла. Вследствие этого мгновенно выделяющийся из металла газ способствует отрыву, дроблению и переходу капли на изделие.

Сила реактивного действия газов, образующихся в чехольчике (см. рис. 2) при сварке толсто покрытыми электродами, возникает вследствие того, что покрытие в первую очередь расплавляется и частично испаряется внутри чехольчика, где образуется большое количество газов, значительно увеличивающееся в объеме вследствие интенсивного нагревания. Это и приводит к появлению реактивной силы газов, отбрасывающих капли от электрода к изделию.

Установлено, что чем меньше размер капель, тем меньше время их нахождения на торце электрода, благодаря

чему металл капли меньше нагревается, а скорость плавления электрода увеличивается, так как передача теплоты дуги твердому металлу происходит через меньший слой жидкого металла.

Мел кока пельпый перенос металла улучшает стабильность горения дуги. Поэтому часто применяют специальные меры по уменьшению размеров капель путем вибрации электрода с амплитудой в десятые доли миллиметра за счет специальных устройств, что наряду с измельчением капель ускоряет плавление электродной проволоки.

Рис. 26. Схема образования и переноса капли через дугу при сварке с повышенной силой токаРис. 26. Схема образования и переноса капли через дугу при сварке с повышенной силой токаРис. 25. Сжимающее действие силовых магнитных линий на конец расплавленного электрода

Рис. 26. Схема образования и переноса капли через дугу при сварке с повышенной силой тока

Рис. 26. Схема образования и переноса капли через дугу при сварке с повышенной силой тока

Повышение силы сварочного тока при том же диаметре сварочной проволоки приводит к мелкокапельному переходу металла. Так как при этом катодное или анодное пятно начинает располагаться на боковой поверхности электрода, благодаря чему конец электрода приобретает конусообразную форму (рис. 26), и капли начинают образовываться на вершине конуса — перенос металла через дугу приобретает мелкокапельный характер.

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА МЕТАЛЛА ПРИ ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Увеличение производства сварных конструкций из тонких материалов при необходимости их сварки во всех пространственных положениях потребовало раз-

работки способа дуговой сварки, при котором имелась бы возможность управления процессом плавления и переноса электродного металла, формой проплавления и шва, а также ходом металлургических реакций. Это достигается применением импульсно-дуговой сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом.

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом за счет импульсного устройства (рис. 27, а) на основные параметры режима (/св, Up) дополнительно накладываются импульсы тока и напряжения (/и, U^

Рис. 27. Элементы процесса импульсн о-дуговой сварки: а — схема подключения источника питания дуги ИП генератора импульсов ГИ к электроду и изделию; б — характер изменения силы тока и напряжения при импульсно - дуговой сварке плавящимся электродом; /д- д и 1/д. д — ток и напряжение дежурной дуги; /ц — длительность цикла

продолжительностью ^и и интервалами — паузами tn. Упрощенно это можно себе представить так, что в цепь дуги с определенными параметрами /св и ид вводятся импульсы тока и напряжения с регулируемой частотой, амплитудой и длительностью (рис. 27, б). Благодаря изменению этих параметров достигается управление плавлением и переносом электродного металла, проплавлением свариваемых кромок, ходом металлургических процессов и, в итоге, свойствами сварного соединения. Стабильный процесс с мелкокапельным переходом может быть получен в диапазоне значительно меньших токов, чем при обычном процессе дуговой сварки. Основной особенностью переноса металла при импульсно-дуговой сварке является то, что при импульсном увеличении тока возрастает электромагнитная сила, сжимающая перешеек жидкой капли у нерасплавившейся проволоки и сбрасывающая каплю в определенные заданные моменты времени строго в направлении оси электрода.

Для нормального протекания процесса импульснодуговой сварки длительность импульсов и пауз выбирают

из условий так, чтобы во время пауз осуществлялось лишь расплавление конца электрода, а отрыв капли металла происходил бы в момент окончания импульса сварочного тока.

а)а)При ведении процесса, когда каждый импульс сбрасывает по одной капле, можно, изменив частоту следования импульсов, достаточно точно управлять ходом ряда процессов при сварке. А это приводит к тому, что окисление металла, угар примесей и насыщение шва вредными газами при импульсно-дуговой сварке меньше, чем при обычном процессе сварки плавящимся электродом на тех же токах. Кроме того, но сравнению с обычной дуго-

а)

а)

Рис. 28. Схема образования сварного шва при импульсно-дуговой сварке неплавящимся электродом путем перекрытия сварочной ванны: а — вид сверху; б — вид в продольном сечении; п — перекрытие; L — длина сварочной ванны; S — шаг; h — глубина провара

вой сваркой плавящимся электродом в защитных газах импульсно-дуговая сварка обладает следующими преимуществами :

возникает возможность управления процессом переноса металла;

улучшается формирование шва;

значительно уменьшается разбрызгивание;

возникает возможность производить сварку во всех пространственных положениях;

увеличивается диапазон сварочного тока для всех диаметров проволоки;

повышается производительность процесса.

Все это обусловило внедрение импульсно- дуговой сварки плавящимся электродом в инертных газах алюминиевых, титановых и других активных металлов малых и средних толщин.

Импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом заключается в том, что плавление металла производится дугой, горящей периодически, отдельными импульсами с определенными интервалами во времени. Сплошной шов при этом получается путем расплавления отдельных точек с заданным перекрытием предыдущей точки (рис. 28). Каждая предыдущая точка является жесткой связью

при расплавлении и застывании последующей точки, что устраняет «провисание» металла шва при сварке «на весу» и уменьшает остаточные деформации на 20—35 %.

Необходимым условием получения качественных швов при сварке неплавящимся электродом импульсной дугой являются стабильное возбуждение дуги и достаточно точная регулировка длительности импульса и паузы. Первоначальное зажигание дуги обычно осуществляется осциллятором, который затем отключается. Для обеспечения стабильности повторного возбуждения импульсной дуги между вольфрамовым электродом и свариваемым изделием постоянно поддерживается, от самостоятельного источника питания, маломощная дуга, на которую накладывается импульсная дуга. Ток «дежурной» дуги и поддерживает дуговой промежуток в ионизированном состоянии. Регулировка длительности импульса и паузы достигается за счет соответствующего устройства источника импульсов.

Импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом позволяет регулировать тепловую энергию, вводимую в металл не только за счет изменения сварочного тока, но также за счет изменения длительности импульса и паузы. Это позволяет регулировать в широких пределах проплавляющую способность дуги, что очень важно при сварке малых толщин, где она и находит преимущественное применение и дает возможность улучшить физические и механические свойства сварного шва; избежать вероятности появления пор, прожогов и непроваров; уменьшить остаточные деформации.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Электрическая, тепловая и эффективная тепловая мощность процесса электрической сварки плавлением

Сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты; большая часть электрической энергии, потребляемой дугой, превращается в тепловую. Распределение теплоты вдоль дугового промежутка происходит в соответствии с падением напряжения в его

сл №

Потери на нагрев ЭЛВК mpoQa ^; 2Р°/о

а) Рассеивание В о к ри - / жагоицуго среду У20%

Рассеивание в окрцжающцю среду = 207»

v

Переносе каплями расплавленного металла «287.

Плавление флюса я 1в7»

§

Разбрызгивание

^«

Поглощение основнымметаллом ~ 54 %

Xе оК

Поглощение основ-, ным металлом* 50%

Потери на разбрызгивание -5%

Поглоще-р ние зле кт-, рода=зоУо--

Пепе нос с каплями расплавленного металла* 25%

^8

Нагрев ползунов отНагреВ кромок

г)металлической ванныотошла новой

НагреВползуновВанны^1,3%»

От шлаковой Ваннык2 6%

О'

Поглощение основным металлом^58,2%

электрода ».г^б% /

*=10,57»^

?^ Наплавление х На перегрев нетал- ^ Ъ^ злРкт^пНп А Лической ванны S

НагреВ ползунов от сварибаемых кромок**? 8%

Рис. 29. Тепловой бал. лис электрической сварки плавлением: а — неплавящимся - б — покрытым электродом; в — автоматическая под слоем флюса; г — электрошлаковая сварка

электродом (угольным);

металла, т. е. собственно на сварку, что и характеризует эффективную тепловую мощность процесса. Эффективная тепловая мощность процесса электрической сварки плавлением есть количество теплоты, введенное источником нагрева в изделие в единицу времени.

xp

to ч to а

я to

to я

Я

Sa to я Sa to Я Я to

О to Я О я я о 6

to Sa to Я

p

я о я о

О

Sa

to

я о

to я Sai о

to

to

Я

се

Da

О

Я

О

to to

Sa

О S'

to я Sa О я о я=

о Е я о to -3 Я

Я

О я to to to to

to

Я

я я to Da to Я Я

X

я о to

to

Sa

о я о

C\ to

я

to Я

я

to О

сс

to

Я

to to to to

to

о

5

Я to to Я

2 о

to я -3 to

to to X о

to я

я=

Я

я to

to я

to

ст

Я

о и

5 E <т> 2

to я

я

Sa

о

to н to

о

я

-4 я

о

to я Sa о

E Sa to Я

м

Xp

я=

to to to

to а

я

С\ to Sa

я

to

Sa я to a

to

я to я о Sa

to о to to я

а

о

я о

а

E Sa to Я о to

Sa Я

о я о

Я

to to

-з to

я я

to я я а

о

о

to to to

2

о

2 о to

Dato

О

to

я to я

я to я

я н to Sa я

Я»

to я Sa о to о

2 о Е я о to i-З я

О

о -

Я« -

я

to о о

E Sa to Я to

Е

Л)

to

to

to

я to

я to Я О Sa Я to

to

to а

я о Sa Я

5

to

§ a £

2

CD

to

to to

E Sa to Я О

а

to

Sa О н to

to и

3 E

to я

я

я

я

а Е cd

to 2

Я

о

E to я

а

2 to Е Da

X о Sa

2

to я о to

to

2 о

я=

to to я я

to

Sa о

s to

s

to

я

о

toо

to to

2 О to

to Sa a to 2

a

to Я to a cd я я to

X

о

2

я to

о л

to

X

to я 2 о ® я= Q to >-з о я т

я 2 to to

-з to a

О

о 2

я

ю

2 to Da Я Я

to to to

to

to

я го to

to

to

л?

to 2 to

сю

я to

to to я я

я

2 О E я о

о

to

Sa

я о to

to Da to Sa

to я to

-3 о я

2

я ио Sa

to 2

S‘

to to Я

Я о Sa Я

и

о

to

Я

3 Е

О

Я

to Sa to я

я

и

Я to Я

а

to

я

to Sa to я

я

я я to

to

с

Sa to to

я to

я to

Я о to ч о а я я о 2

о я to

я о to

to

Я

я

Da

я о to

я

5

я

я to

Sr

to to я to

to s я to 2

to to

to я Sa О я

to to я

я

о

а to

я

л?

о я

Л)

to

Я to

X

Я

я

а

to

о я to

и

toX

to

to 5 £

я=

ш

aя

to

О я to to E ю to to

а

s

3

X я 2 я я to to я я

Я н г я to а

я

to to

о н to

я

я a

2

to to

to to

я

о

to

3

2 О

Е

о to

м Я О 2

to to

to

я a

О

to

to

to Я to 3 E я s=

to я to

to а

2

to to

г> a

о

а

to to

to

to

to to to

о

я

я

я

Sa

E Sa to

£ s о to

ГП

я

to Е to to н to а

to

Sa я

а

в

to я

о to

Sa a to 2 to a

to

Sa to

О я to to

О

to Я Я to 2

о

о

to

to

Da

Sa to Я О to О я»

to to я я CD

to to

о

о

л?

я

Sa а

о

О\

а

О

Е

X

to

о to о

о я

to я to

О

Е

to Я О to О

to

CD

Я< 7

Другая часть расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, нагрев ползунов и др.; эта часть составляет потери теплоты при сварке.

Эффективная тепловая мощность (Вт) процесса электрической сварки плавлением меньше полной тепловой мощности и может быть определена по уравнению:

О.,ф = Qn = klc.Uc»4; (12)

Т| = Q^Q. (13)

где т] —эффективный КПД нагрева изделия, который представляет отношение эффективной тепловой мощности дуги (или электрошлакового процесса) к полной тепловой мощности. Определяется калориметрическим методом.

Приведем значения т| для некоторых способов сварки:

Для дуговой сварки:

голым или тонкопокрытым электродом . . . 0,50—0,65 неплавящимся электродом взащитном газе 0,50—0,60

толстопокрытыми электродами 0,60—0,85

под флюсом0,80—0,95

Для электрошлаковои сварки0,70—0,85

Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, состава покрытия и флюса, материала электрода, а также типа шва. Так, например, при одной и той же электрической мощности т) дуги будет больше при сварке стыкового соединения с разделкой кромок, чем при наплавке на плоскость. Теплота, выделяемая в дуге, наиболее рационально используется при автоматической сварке.

Нагрев электродов и сварочной проволоки дугой, шлаковой ванной и током

При дуговой сварке нагрев и плавление электрода осуществляются за счет энергии, выделяемой дугой в активном пятне, расположенном на его торце, нагревающей электрод на небольшую длину (не более 10 мм) и теплоты Ленца—Джоуля, выделяемой при прохождении тока по вылету электрода. (Вылетом называется участок электрода от места контакта с токоподводящим устройством до его конца). При сварке вручную вылет электрода составляет 200—400 мм в начале сварки и 30—40 мм в мо-

мент окончания плавления электрода. При автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом и в защитных газах вылет в зависимости от диаметра и теплофизических свойств электродной проволоки изменяется от 12 до 70 мм, мало меняясь в процессе плавления (рис. 30).

Количество теплоты (Дж), выделяемое током по закону Ленца—Джоуля, равно

qx = p4-«. (К)

где р—удельное сопротивление, Ом-м; F—площадь сечения электрода, м2; I — длина вылета, м; t — время протекания тока, с.

Рис. 30. Вылет электрода при ручной сварке (а), полуавтоматической и автоматической сварке под флюсом или в защитных газах (б) и электрошлаковой сварке (в)

Из уравнения следует, что количество теплоты, выделяемое в электроде в единицу времени, будет тем больше, чем больше плотность тока, удельное сопротивление и вылет электрода. Это при ручной сварке приводит к значительному повышению температуры электрода, что ограничивает величину тока, применяемую при этом способе сварки. Установлено, что нормальное качество шва будет обеспечено, если температура огарка в момент окончания расплавления электрода не будет превышать 600—700 °C.

Нагрев огарка электрода до более высоких температур приводит к отслаиванию покрытия, ухудшению формирования шва и увеличению потерь на разбрызгивание.

Механизированные способы сварки, благодаря малому вылету электрода, позволяют применять большую плотность тока.

При шлаковой сварке сварочная проволока в основном плавится за счет теплоты шлаковой ванны, в которой при прохождении тока через шлак происходит преобразование электрической энергии в тепловую, и частично проволока плавится за счет теплоты, выделяющейся на вылете электрода. Различают «мокрый» и «сухой» вылет электрода. Мокрым вылетом называют участок электрода, погруженный в шлаковую ванну. Сухим вылетом называют участки электрода от места подвода тока до поверхности шлаковой ванны.

Основным источником нагрева электрода при шлаковой ■сварке является не вся шлаковая ванна, а ограниченный объем сильно перегретого шлака, примыкающего к торцу электрода (рис. 30, в). Через этот объем проходит основная часть сварочного тока, и в нем-то и происходит превращение основного количества электрической энергии в тепловую, а за счет этой теплоты происходит плавление сварочной проволоки.

Увеличение вылета электрода приводит к усилению предварительного подогрева проволоки за счет теплоты Ленца—Джоуля.

Интенсивность нагрева на участке мокрого вылета при электрошлаковой сварке значительно больше, чем на участке сухого вылета. Этому еще способствует тот факт, что удельное сопротивление малоуглеродистой стали при нагреве до 1400 °C возрастает в 9—10 раз. Рассмотренное приводит к тому, что количество расплавленного электродного металла, при токе в 1 А, протекающего по электроду при электрошлаковой сварке, в 1,5—2 раза больше, чем при автоматической дуговой сварке под флюсом.

Производительность процесса дуговой и электрошлаковой сварки

Производительность процесса электрической сварки плавлением в единицу времени в зависимости от способа сварки оценивается по-разному, например: а) при сварке плавящимся электродом она может оцениваться по двум признакам: по массе расплавленного электродного металла тэ или массе наплавленного металла тН1 определяемого как избыток массы изделия после сварки; б) при сварке неплавящимся электродом с введением дополнительного металла — по массе дополнительно наплавленного металла тп; в) при сварке непла-

вящимся электродом без ввода дополнительного металла — по массе расплавленного основного металла mw

Масса расплавленного электродного металла (г) за время горения дуги может быть определена по формуле

тэ = СХэ/св/о,(15)

где аэ — коэффициент плавления электродного металла, показывающий массу электродного металла в граммах, расплавленного сварочным током 1 А в единицу времени (обычно в 1 ч), измеряется в граммах на 1 А*ч, г/(А-ч); /св — сварочный ток, A; to — время горения дуги (основное время сварки), ч.

Так как во время сварки часть электродного металла теряется на испарение и разбрызгивание, то масса наплавленного металла будет обычно меньше массы расплавленного электродного металла. Масса наплавленного металла может быть определена по формуле

Z72H = OSH/CB/G,(15)

откуда

ССН = ^н/^св^о»(17)

где тн — масса наплавленного металла, г; аи — коэффициент наплавки, показывающий, сколько металла с плавящегося электрода под действием силы -сварочного тока в 1 А перейдет на основной металл в единицу времени.

Но, как ранее указывалось, часть электродного металла в процессе сварки теряется на испарение и разбрызгивание, при ручной сварке плавящимся электродом — на огарки, а при полуавтоматических и автоматических способах сварки — на неиспользуемые куски электродной проволоки, остающейся в шлангах держателей полуавтоматов и головок автоматов и т. п. Поэтому, чтобы правильно определить количество необходимых электродов или электродной проволоки, следует учитывать потери электродного металла.

Потери электродного металла оцениваются коэффициентом потерь ф, который для способов электрической сварки плавящимся электродом может быть определен по формуле

ф = т3-тн 10() = «aWozzOHVo ЮО = ( 1 —100%

/71эс^'св^о\ аэ /

(18)

«и = «э О — Ф)«и = «э О — Ф)(19)(19)Рис. 31. Изменение величин аэ и ан с увеличением силы сварочного тока:1 — ад при сварке в среде СО2; 2 — ап при сварке в среде СО2; 3 — ац при сварке под флюсомРис. 31. Изменение величин аэ и ан с увеличением силы сварочного тока:1 — ад при сварке в среде СО2; 2 — ап при сварке в среде СО2; 3 — ац при сварке под флюсомЭлектродТок и полярностьЬ = «g CU 43 К § XGJсиX д= 5 та гКоэффициентплавлениянаплавкипотерь, %г/(А. ч)Без покрытия (голый) С меловым покрытиемПостоянный прямой полярности2—315—2013—1712—156,5—7,510—145,5—6,510—1515—20УОНИ-13/55Постоянный прямой полярности30—4020—258,5—9,57—815—2030—4022—269,0—108,5—9,53—10АНО-4сПеременный35—40——8,0—8,3—ЭлектродТок и полярностьЬ = «g CU 43 К § XGJсиX д= 5 та гКоэффициентплавлениянаплавкипотерь, %г/(А. ч)Без покрытия (голый) С меловым покрытиемПостоянный прямой полярности2—315—2013—1712—156,5—7,510—145,5—6,510—1515—20УОНИ-13/55Постоянный прямой полярности30—4020—258,5—9,57—815—2030—4022—269,0—108,5—9,53—10АНО-4сПеременный35—40——8,0—8,3—Таблица 3. Значения коэффициентов плавления, наплавки и потерьТаблица 3. Значения коэффициентов плавления, наплавки и потерь

«и = «э О — Ф)

«и = «э О — Ф)

(19)

(19)

Рис. 31. Изменение величин аэ и ан с увеличением силы сварочного тока:

1 — ад при сварке в среде СО2; 2 — ап при сварке в среде СО2; 3 — ац при сварке под флюсом

Рис. 31. Изменение величин аэ и ан с увеличением силы сварочного тока:

1 — ад при сварке в среде СО2; 2 — ап при сварке в среде СО2; 3 — ац при сварке под флюсом

Электрод

Ток и полярность

Ь = «

g CU 43 К § X

GJ

си

X д

= 5 та г

Коэффициент

плавления

наплавки

потерь, %

г/(А. ч)

Без покрытия (голый) С меловым покрытием

Постоянный прямой полярности

2—3

15—20

13—17

12—15

6,5—7,5

10—14

5,5—6,5

10—15

15—20

УОНИ-13/55

Постоянный прямой полярности

30—40

20—25

8,5—9,5

7—8

15—20

30—40

22—26

9,0—10

8,5—9,5

3—10

АНО-4с

Переменный

35—40

—

—

8,0—8,3

—

Электрод

Ток и полярность

Ь = «

g CU 43 К § X

GJ

си

X д

= 5 та г

Коэффициент

плавления

наплавки

потерь, %

г/(А. ч)

Без покрытия (голый) С меловым покрытием

Постоянный прямой полярности

2—3

15—20

13—17

12—15

6,5—7,5

10—14

5,5—6,5

10—15

15—20

УОНИ-13/55

Постоянный прямой полярности

30—40

20—25

8,5—9,5

7—8

15—20

30—40

22—26

9,0—10

8,5—9,5

3—10

АНО-4с

Переменный

35—40

—

—

8,0—8,3

—

Таблица 3. Значения коэффициентов плавления, наплавки и потерь

Таблица 3. Значения коэффициентов плавления, наплавки и потерь

или

Из уравнения (19) следует, что, зная коэффициенты плавления и потерь, можно определить коэффициент

наплавки.

Коэффициент плавления, как правило, больше," чем коэффициент наплавки. Однако в тех случаях, когда по-

терн электродного металла могут в той или иной мере компенсироваться переходом в шов металла, из покрытия за счет ферросплавов, металлов восстановленных из окислов, железного порошка, вводимого в покрытие, или присадочного металла, вводимого в плавильную зону в процессе сварки, коэффициент наплавки может оказаться больше коэффициента плавления. Введение в покрытие железного порошка в количестве 30—50 % от массы покрытия дает возможность получить ан на 20—30 % больше аэ. В этом случае коэффициенту потерь условно приписывают отрицательное значение.

Коэффициенты аэ, сен, ф меняются в зависимости от спо

соба сварки, марки электродов, плотности тока на электроде, полярности тока, состава атмосферы дуги, напряжения на дуге.

При электрошлаковой сварке аэ в 1,5—2,0 раза больше, чем при сварке под флюсом.

Зависимость схн и аэ от силы сварочного тока при сварке в среде углекислого газа СО2 по сравнению со сваркой под слоем флюса (при одинаковых условиях) может быть представлена на рис. 31, из которого видно, что увеличение сварочного тока приводит к увеличению аэ и ан и что ап при сварке в среде СО2 значительно превышает коэффициент наплавки при сварке под слоем флюса. Это объясняется тем, что потери теплоты на лучеиспускание, испарение и унос каплями разбрызгиваемого металла 58

при сварке в среде СО2 меньше количества геплоты, расходуемого на плавление флюса при сварке под флюсом. Из графика также следует, что при сварке в среде СО2 с увеличением тока наблюдается уменьшение разности аэ—otH, что равнозначно уменьшению ф. Это объясняется тем., что при больших плотностях тока наблюдается струйный переход капель металла с электрода в шов, в связи с чем уменьшаются потери металла на разбрызгивание.

Влияние полярности на коэффициент плавления и наплавки объясняется изменением теплового баланса катодного и данного участков сварочной дуги. Так, при сварке плавящимся электродом под флюсом, в среде CO2czH значительно выше при прямой полярности, чем при обратной.

Значения коэффициентов плавления, наплавки и потерь для некоторых марок электродов приведены в табл. 3.

Понятие об энергии сварки

Погонная энергия сварки (Дж/см) характеризует количество теплоты в джоулях, затраченное на единицу длины сварного шва для однопроходного шва или валика длиной в 1 см, и может быть определена

59

как отношение эффективной тепловой мощности дуги Qa4 к скорости ее перемещения

(20)(20)Риф = /^дП

(20)

(20)

Установлено, что поперечное сечение однопроходного шва или валика многопроходного шва, выполненного дуговой сваркой, будет находиться в прямой зависимости от ее погонной энергии.

Рассмотрим, как между собой связаны масса наплавленного металла т„, время горения дуги /0, скорость перемещения и и сечение валика F (см2):

/ин = оси/сВ/о,(21)

П1н = Ьч1,(22)

где у — плотность, г/см3; / — длина шва, см.

Скорость перемещения дуги может быть выражена следующим уравнением:

и — ///0,

тогда

тни = ан1№1 и /св/у = Fy/aH.

Подставим это выражение в уравнение (20), получим 9эфРдбТ р(23)

Рассмотрим полученное выражение погонной энергии для случая ручной сварки электродом УОНИ-13/45, когда напряжение на дуге может быть принято (7Д = 25 В, эффективный КПД дуги т] = 0,8 и ан = 9,0 г/(А*ч) и для случая автоматической сварки под слоем флюса ОСЦ-45, когда С/д — 36 В, ан = 13 г/(А-ч), а ц = 0,85.

Подставив в выражение (23) значение составляющих величин для электродов УОНИ-13/45, получим

<2эф __ 25-0,8-7,8-3600 р _ ^2 400F v9,0

где 3600 введено для перевода 1 ч в секунды; а при сварке под флюсом ОСЦ-45

бэф __ 36 -0,85 • 7,8 • 3600 р __ gg 000F

и13

Учитывая, что значение таких величин, как ан и ц, при дуговой сварке может колебаться в больших пределах,

чем разница между коэффициентами 62 400 и 66 000, для обоих способов сварки можно принять

Q^v = 65 000F.(24)

В тех случаях, когда расчет погонной энергии сварки площади сечения шва, выраженной в квадратных миллиметрах, уравнение (24) примет вид

^п = ^эф^ = 650F.(25)

Найденная зависимость между сечением и энергией на 1 см шва позволяет без длительных расчетов определить, зная значение погонной энергии, сечение валика, и наоборот, зная сечение валика, погонную энергию.

Пример 1. Требуется определить погонную энергию сварки, если известно, что площадь сечения валика равна 60 мм2.

Известно, что (Дф/и = 650Д, тогда (Дф/е = 650-60= 39 ОООДж/см.

Пример 2. Известно, чго погонная энергия сварки составляет 26 000 Дж/см. Найти сечение валика.

Известно, что Qy^u = 650F, тогда F = 26 000/650 = 40,0 мм2.

РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Теория распространения теплоты при сварке, разработанная Н. Н. Рыкалиным, имеет важное значение и позволяет рассчитать изменение температурного поля в изделии и установить:

глубину проплавления основного металла, размеры зоны термического влияния и сварочной ванны;

скорости охлаждения наплавленного металла в око- лошовной зоне, на основании чего определяются возможные изменения структуры металла на участках сварного соединения;

влияние скорости деформирования металла шва и околошовной зоны в интервале температур пониженной пластичности на вероятность образования кристаллизационных трещин;

участки металла, где возникают упругие напряжения и остаточные деформации при сварке.

Неустановившийся и установившийся тепловой процесс

В начале сварки имеет место неустановившийся тепловой процесс, при котором количество теплоты, поступающей от источника нагрева, больше, чем количество теп-

лоты, отводимой за счет теплопроводности. При этом площадь, занимаемая изотермами определенных температур, увеличивается. Это часто и является причиной непроваров начальных участков шва. По прошествии некоторого времени наступает равновесие между количеством теплоты, поступающей от источника и отводимой в основной металл. При этом площадь, занимаемая изотермами определенных температур, остается постоянной. Первый период характеризует неустановившийся тепловой процесс, а второй период — установившийся.

Во всех последующих расчетах полагаем наличие установившегося теплового процесса.

Нагрев тела неподвижным и подвижным источником теплоты

Тепловые процессы будем рассматривать, считая, что дуга в процессе сварки сохраняет свою мощность постоянной, а также, что непрерывно действующая свароч-

Т=Б0О°С ИсточникТ=Б0О°С ИсточникРис. 32. Вид изотерм 600 и 1000 °C; при неподвижном и подвижном источникеРис. 32. Вид изотерм 600 и 1000 °C; при неподвижном и подвижном источнике

Т=Б0О°С Источник

Т=Б0О°С Источник

Рис. 32. Вид изотерм 600 и 1000 °C; при неподвижном и подвижном источнике

Рис. 32. Вид изотерм 600 и 1000 °C; при неподвижном и подвижном источнике

ная дуга может оставаться неподвижной (в этом случае источник называется неподвижным) или источник теплоты перемещается прямолинейно равномерно с постоянной скоростью (подвижный источник).

Процесс распространения теплоты принято изучать в координатных осях, в точке пересечения которых и размещается источник теплоты (дуга). Тогда при передвижении источника перемещаются координаты. Характер распространения температур (вид изотермы) при действии па тело различных источников теплоты показан на рис. 32.

В последнем случае изотермы вытягиваются по направлению движения источника теплоты и перемещаются вместе с ним.

Расчетные схемы нагрева и ввода теплоты в металл дугой. Характер распределения теплоты в изделии очень 62

сложен, поэтому для упрощения расчетов приняты некоторые допущения, а именно:

теплофизические свойства металла с изменением температуры остаются постоянными;

температура металла на осях координат в месте действия источника теплоты может достичь бесконечности;

Рис. 33. Расчетные схемы тела и ввода теплоты

теплообмен с окружающей средой при действии источника отсутствует.

Для расчетов приняты следующие схемы тела и ввода теплоты.

Схема распределения теплоты в полубесконечном теле. Этой схеме (рис. 33, а) соответствует массивное тело, развитое в трех направлениях пространства — OX, OK, OZ и для этой схемы тела принимают точечный источник ввода теплоты. Такой источник теплоты считается сосредоточенным в точке пересечения осей координат и характери-

(26)(26)ФаФФаФ60002-3,14-0,42 1,0 ~60002-3,14-0,42 1,0 ~2275 °C;2275 °C;па расстоянии 1,6 и 3,0 смпа расстоянии 1,6 и 3,0 см60002-3,14-0,42-1,6 —60002-3,14-0,42-1,6 —1422 °C;1422 °C;60002-3,14-0,42.3,060002-3,14-0,42.3,0= 758 °C.= 758 °C.

(26)

(26)

ФаФ

ФаФ

6000

2-3,14-0,42 1,0 ~

6000

2-3,14-0,42 1,0 ~

2275 °C;

2275 °C;

па расстоянии 1,6 и 3,0 см

па расстоянии 1,6 и 3,0 см

6000

2-3,14-0,42-1,6 —

6000

2-3,14-0,42-1,6 —

1422 °C;

1422 °C;

60002-3,14-0,42.3,0

60002-3,14-0,42.3,0

= 758 °C.

= 758 °C.

зуется еще и тем, что в поперечном сечении плоскости тела изотермы изображаются концентрическими полуокружностями с центром в источнике О (рис. 33, б). Это, в частности, соответствует случаю наплавки валика на поверхность массивного изделия.

Схема распределения теплоты в пластине. Этой схеме (рис. 33, в) соответствует лист малой толщины s, развитый в направлениях ОХ и 0Y. В этом случае температуру считают равномерно распределенной по толщине листа (рис. 33, г).

Пластине соответствует линейный источник ввода теплоты, характерный тем, что изотермы в поперечном сечении изображаются прямыми по всей толщине листа.

Различают еще схему тела плоский слой, являющегося чем-то средним между полубесконечным телом, пластиной (рис. 33, д) и стержнем (рис. 33, е1).

В дальнейшем будут рассмотрены условия распространения теплоты только для двух первых схем.

Расчет температуры точки полубесконечного тела при действии подвижного или неподвижного источника

В случае воздействия движущегося источника теплоты на поверхность полубесконечного тела температура любой точки может быть определена по фоумуле

где X — коэффициент теплопроводности, Вт (см»°С); R — расстояние точки от источника теплоты, см; а — коэффициент температуропроводности, см2/с; х — проекция рассматриваемой точки на оси ОХ, см.

Теплофизические свойства для некоторых металлов приведены в табл. 4.

Если же у = 0, т. е. источник нагрева неподвижный, формула примет вид

Т = <2зф/(2л^).(27)

Из формулы (27) следует, что температура точки в по- лубесконечном теле при действии неподвижного источника теплоты прямо пропорциональна эффективной мощности и

64

а б л и ц а 4. Теплофизические свойства некоторых металлов

Металл

Теплопроводность X, Вт/(см. °C)

Объемная теплоемкость CV, Дж/(см3-°С)

Температуропроводность а, см2/с

Низкоуглеродистые и низколегированные стали Коррозионно-стойкие аустенитные стали

Медь

Латунь

Алюминий

Титан (технический)

0,38—0,42

0,25—0,34

3,70—3,78

1,18

2,73 0,17

5,04—5,25

4,74—4,83

3,86—3,99

3,48

2,20

2,85

0,075—0,09

0,053— 0,07

0,95—0.96 0,34 1,0 0,06

обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности и расстоянию данной точки от источника теплоты.

Пользуясь уравнением (27), можно производить расчеты по определению температуры точек, расположенных на некотором расстоянии от дуги, размеров зон проплавления и термического влияния.

Пример 1. Определить температуру точек на полубесконечном теле на расстоянии 1,0; 1,6; 3,0 см от источника теплоты, если известно, что неподвижная дуга горит между толстопокрытым электродом и изделием при /св = 300 A, Uд — 25 В.

Теплопроводность и КПД дуги принимаем

К = 0,42 Вт/(см-°С), 1] = 0,8.

Определяем:

эффективную тепловую мощность процесса сварки

баф = 1№О^Л = 300-25-0,8 = 6000 Вт;

температуру в точке, находящейся на расстоянии 1,0 см от дуги,

температуру в точках, находящихся от дуги.

Расчеты по уравнению (26) для полубесконечного тела сложны, а уравнение для расчета температуры точки на пластине еще более сложное. Поэтому для облегчения этих расчетов уравнения преобразо-

3 Думов с. и. 65

ваны введением так называемых безразмерных величин: одной относительно расстояния р, другой относительно температуры 6.

Уравнение безразмерных величин:

для полубесконечного тела:

рз = yRPZa;(28)

R = 2ap3/v;(29)

03 = 4лХа77(@эфп);(30)

Т = фЭфо03/(4лЛа);(31)

Рис. 34. Зависимость между безразмерными величинами р и 6 для полубесконечного тела и пластиныРис. 34. Зависимость между безразмерными величинами р и 6 для полубесконечного тела и пластиныр2 = w(/2a);(32)г = 2ара/у;(33)02 = 2л7У77фаф;(34)Т = Фэф02/(2лМ(35)р2 = w(/2a);(32)г = 2ара/у;(33)02 = 2л7У77фаф;(34)Т = Фэф02/(2лМ(35)для пластины:для пластины:где s — толщина пластины, см.

Рис. 34. Зависимость между безразмерными величинами р и 6 для полубесконечного тела и пластины

Рис. 34. Зависимость между безразмерными величинами р и 6 для полубесконечного тела и пластины

р2 = w(/2a);

(32)

г = 2ара/у;

(33)

02 = 2л7У77фаф;

(34)

Т = Фэф02/(2лМ

(35)

р2 = w(/2a);

(32)

г = 2ара/у;

(33)

02 = 2л7У77фаф;

(34)

Т = Фэф02/(2лМ

(35)

для пластины:

для пластины:

Зависимость между безразмерными величинами показана на рис. 34. Пользуясь безразмерными величинами, можем произвести расчеты.

Пример 2. Рассчитать глубину проплавления и зону термического влияния (в стали проплавление ограничено изотермой 1500° С, а зона термического влияния — изотермой 721 °C) при наплавке валика на по- лубесконечноетело при 0Эф = 3780 Вт, >1=0,42 Вт/(см-°С), и — 0,1 см/с; а = 0,08 см2/с.

Определяем по уравнению (30) безразмерную величину изотермы 1500 и 721 °C:

п 4.3,14.0,42-0,08-1500.

е» =зтШм= 1 '67-

4.3,14-0,42-0,08.721

3780-0,1

= 0,805.= 0,805.По полученным значениям безразмерных величин 03 и находим по графику рис. 34 безразмерные величины р3 = 0,4 и р:3 = 0,75.

= 0,805.

= 0,805.

Определяем расстояние от источника до изотерм 1500 и 721 °C по пропорциональным им безразмерным величинам р3 и р3 по уравнению (29):

п 2-0,08-0,4

R == 0,64 см;

_,2-0,08-0,75 о

0,1

Пример 3. Рассчитать температуру в точке (по оси К), находящейся на расстоянии 2 см ог источника теплоты, при сварке толстопокрытыми электродами пластин из низкоуглеродистой стали толщи-

ной 0,4 см, /Сп = 200 А, (/д = 24 В, v = 0,3 см/с, ?и = 0,42 Вт/(см-°С) а = 0,08 см2/с.

1. Определяем эффективную тепловую мощность #эф = ^ ^д1! = = 200X24-0,75 = 3600 Вт.

2. Определяем безразмернуюУГ Р2 ~ 2а “2. Определяем безразмернуюУГ Р2 ~ 2а “величину относительно расстояния

2. Определяем безразмерную

УГ Р2 ~ 2а “

2. Определяем безразмерную

УГ Р2 ~ 2а “

0’3-2 _3?5

2-0,08’

Зная р2, по графику рис. 34 находим безразмерную величину относительно температуры 62 = 0,21, а по уравнению (35) — температуру точки

<2аф _3600-0,21

2^22-6,14-0,42-0,4

= 716°С.= 716°С.Рассмотренная методика позволяет нам вести расчет температур точек на определенном расстоянии от источника теплоты.

= 716°С.

= 716°С.

Но часто для уяснения характера распределения температур на поверхности тела нас интересует расстояние от подвижного источника теплоты до ряда точек, определяющих положение какой-либо изотермы.

Построение изотерм на поверхности полубесконечного тела и пластины

Расчетная часть, предшествующая построению изотерм, основана на использовании безразмерных величин, для полубесконечного тела — уравнения (28)— (31), для пластины — уравнения (32)—(35).

Зависимость между безразмерными величинами для температурных точек изотерм, лежащих на лучах под углами от 0 до 180°, для пластины представлена на рис. 35, для полубесконечного тела она аналогична.

Кривые с пометками от 0 до 180° соответствуют разным углам ф; кривая ф = 0° — оси X впереди источника, кривая ф = 90° — оси OY, кривая ф = 180° — оси ОХ позади источника; горизонтальные линии, пересекающие кривые, устанавливают связь безразмерных величин (рис. 35).

Построению изотерм предшествует изображение на плоскости осей координат с лучами под определенными углами (рис. 36). Чем меньше интервал между лучами, особенно в пределах углов 170—180°, тем точнее будет построенная изотерма.

Рис. 36. Изотерма 900 °C, построенная по расчетным даннымРис. 36. Изотерма 900 °C, построенная по расчетным данным2.1 г = о2.1 г = от. °. .0306090120150170175177,5180Рг. . 0,60,70,81,01,73,57,09,09,510/, см. . 0,480,560,640,81,362,85,67,27,68,0т. °. .0306090120150170175177,5180Рг. . 0,60,70,81,01,73,57,09,09,510/, см. . 0,480,560,640,81,362,85,67,27,68,0

Рис. 36. Изотерма 900 °C, построенная по расчетным данным

Рис. 36. Изотерма 900 °C, построенная по расчетным данным

2.1 г = о

2.1 г = о

т. °

. .0

30

60

90

120

150

170

175

177,5

180

Рг

. . 0,6

0,7

0,8

1,0

1,7

3,5

7,0

9,0

9,5

10

/, см

. . 0,48

0,56

0,64

0,8

1,36

2,8

5,6

7,2

7,6

8,0

т. °

. .0

30

60

90

120

150

170

175

177,5

180

Рг

. . 0,6

0,7

0,8

1,0

1,7

3,5

7,0

9,0

9,5

10

/, см

. . 0,48

0,56

0,64

0,8

1,36

2,8

5,6

7,2

7,6

8,0

Аналогично выполняются построения изотерм на бесконечном теле с использованием зависимостей между 63 и р6 и соответствующего графика.

Пример 4. Построить изотерму Т = 900 °C на пластинеs = 10 см при действии подвижного источника теплоты при условиях: <?Эф = = 5040 Вт, и = 0,2 см/с, X — 0,42 Вт/(см*°С), а = 0,08 см2/с.

Вычисляем безразмерную величину относительно температуры, соответствующую изотерме 900 °C

• Откладываем на ординате значения 02, мысленно проводим горизонталь и проецируем точки пересечения горизонтали с кривыми, соответствующими углам от 0 до 180°. Находим р2 и подставляем в формулу (33).

Находим расстояние от источника теплоты до точки изотермы, лежащей на лучах определенных углов ф. Для нашего случая: рф==0 — = 0,6; р„ 180о = 10. Тогда расстояние от источника до изотермы для указанных углов составит

10 = 8 см.10 = 8 см.2'0,082 0'08

10 = 8 см.

10 = 8 см.

р2 = о^ "016 “ 0,48 см: г = -«У

Найденную зависимость между р, ф и г приводим ниже; по полученным размерам строим изотерму 900 °C (см. рис. 36).

Распределение температур по оси ОХ на поверхности полубесконечного тела и пластины

Распределение температур по оси ОХ в полу- бесконечном теле зависит от скорости движения источника и теплофизических свойств металла.

При неподвижном источнике теплоты (и = 0) температура точки в полубесконечном теле определяется уравнением (27), из которого видно, что по мере уменьшения R температура возрастает и в точке пересечения осей координат, когда R -> 0, температура бесконечно возрастает (рис. 37, а).

Рис. 37. Распределение температур по оси ОХ в полубесконечном теле: а — при неподвижном источнике (<?аф = = 3150 Вт); б— при подвижном источнике (низкоуглеродистая сталь);

1 — низкоуглеродистая сталь; 2 — чугун серый; 3 — медь

По мере увеличения R по осп ОХ температура уменьшается и распределение температуры по этой оси изображается гиперболой. При этом, чем больше коэффициент теплопроводности материала, тем меньше температура на том же расстоянии от источника теплоты. Так, температура по оси ОХ на одинаковом расстоянии от источника для стали будет примерно в 7 раз больше, чем для меди.

При подвижном источнике теплоты в полубесконечном теле распределеление температур определяется уравнением (26). Для точек на отрицательной полуоси (X < 0) подставим в уравнение вместо X значение R с сохранением знака полуоси, тогда

т = ^’Ф^_ . .^’Ф _

kR е*

так как —R + R = 0.

В результате получим такое же уравнение, как и для неподвижного источника. Следовательно, распределение температуры от подвижного источника на отрицательной полуоси (позади источника) в полубесконечпом теле не зависит от скорости перемещения источника, как и при неподвижном источнике.

Для точек, расположенных на положительной полуоси, вместо X подставляем в уравнение R, тогда

т _- ^ <-«+«> _- "•

2лХ/? с~ 2лХ/?

Полученное выражение показывает, что чем скорее движется источник, тем меньше теплоты распространяется впереди источника. Если источник теплоты будет двигаться чрезвычайно быстро, то скорость перемещения дуги может оказаться больше скорости распространения теплоты впереди источника, и вся теплота будет распределяться только позади источника (рис. 37, б). Характер распределения температур по оси абсцисс в пластине во многом подобен рассмотренному для полубесконечного тела. Распределение температур по поверхности зависит от параметров режима сварки (<2эф, и, ^8ф/п) и теплофизических свойств металла.

Влияние параметров режима и теплофизических свойств на форму изотерм

С увеличением скорости перемещения дуги области, нагреваемые выше определенной температуры (например, 600 °C), уменьшаются по площади, и изотермы суживаются в направлении, перпендикулярном к оси шва, и сгущаются впереди дуги (рис. 38, ау

С увеличением Qэф дуги области, нагретые выше определенной температуры, значительно увеличиваются (рис. 38, бу Пропорциональные изменения мощности и скорости при постоянной погонной энергии проявляются в том, что площади, ограниченные изотермами одинаковых температур, увеличиваются, так как увеличение мощности оказывает более сильное влияние, чем увеличение скорости (рис. 38, ву

Влияние теплофизических свойств на размеры и форму изотерм при действии подвижного источника теплоты на

Титан техническийТитан техническийРис. 39. Влияние теплофизических свойств металла на форму и размеры изотерм в пластине: 5 = 1,0 см, 0Уф = 4200 Вт; и — 0,2 см/сРис. 39. Влияние теплофизических свойств металла на форму и размеры изотерм в пластине: 5 = 1,0 см, 0Уф = 4200 Вт; и — 0,2 см/с

Титан технический

Титан технический

Рис. 39. Влияние теплофизических свойств металла на форму и размеры изотерм в пластине: 5 = 1,0 см, 0Уф = 4200 Вт; и — 0,2 см/с

Рис. 39. Влияние теплофизических свойств металла на форму и размеры изотерм в пластине: 5 = 1,0 см, 0Уф = 4200 Вт; и — 0,2 см/с

титан, сталь типа 18—19, низкоуглеродистую сталь, алюминий и медь (рис. 39).

Изотермы определенных температур на титане и хромоникелевой стали имеют большие размеры, чем на малоуглеродистой стали, а на цветных металлах (алюминий, медь) размеры рассматриваемых изотерм будут еще меньше,

см к

2

О

2 Ц-

6

они укорачиваются, по очертанию приближаются к окружности и смещаются в область впереди источника. Это объясняется высокой теплопроводностью этих металлов.

Расчет длины и времени существования сварочной ванны при дуговой сварке

Размеры сварочной ванны и время ее кристаллизации влияют на качество и формирование шва, особенно на содержание в нем газов.

плпл@:>ф2nV?@:>ф2nV?Рис. 40. Схема сварочной ванны при наплавке валика на массивное изделие быстродвижущимся источником теплотыРис. 40. Схема сварочной ванны при наплавке валика на массивное изделие быстродвижущимся источником теплотынии по оси шва связано снии по оси шва связано с(37)(37)

пл

пл

@:>ф

2nV?

@:>ф

2nV?

Рис. 40. Схема сварочной ванны при наплавке валика на массивное изделие быстродвижущимся источником теплоты

Рис. 40. Схема сварочной ванны при наплавке валика на массивное изделие быстродвижущимся источником теплоты

нии по оси шва связано с

нии по оси шва связано с

(37)

(37)

Расчет длины сварочной ванны L производим, полагая, что наплавка на массивную деталь осуществляется при такой скорости перемещения источника, когда ванна располагается позади источника теплоты, а температура точек по оси ОХ позади источника не зависит от скорости перемещения. Тогда длина сварочной ванны определяется границами изотермы температуры плавления Тпп и L = R (рис. 40). По уравнению (27)

2лМил 'св д*

Обозначим через Р постоянные члены правой части уравнения

Р =1]/(2лХ7пл), тогда

L - Р1свий. (36)

Коэффициент Р определяют опытным путем. Для ручной сварки плавящимся электродом Р = = (1,7 4- 2,3) 10'3 мм/Вт, для автоматической сварки под флюсом Р=(2,34-3,0) X X Ю-3 мм/Вт. Изменение коэффициента в указанных пределах связано с изменением т] дуги.

Время пребывания металла в жидком состоя- длиной ванны и скоростью пе

ремещения ДУГИ

/в — Liv,

где L — длина сварочной ванны, мм; и — скорость перемещения дуги, мм/с.

Чем длиннее ванна, тем при прочих равных условиях дольше находится металл в расплавленном состоянии. Это в определенной мере влияет на качество выполненного шва.

ГЛАВА III. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При электрической сварке плавлением применяются: сварочная проволока, неплавящнеся и плавящиеся электродные стержни, покрытые электроды, флюсы, защитные газы и др.

Стальная сварочная проволока, предназначенная для сварки и наплавки, регламентируется ГОСТ 2246—70, где она классифицируется по группам и маркам стали. ГОСТ предусматривает три группы проволок: низкоуглеродистую — 6 марок, легированную — 30 марок и высоколегированную — 39 марок.

Обозначение марок проволоки состоит из сочетания букв и цифр. Первые две буквы Св обозначают сварочную проволоку, а следующие за ними первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента; в остальном маркировка сварочной проволоки подобна маркировке сталей. Наличие на конце марки буквы А или АА свидетельствует, что эта проволока изготовлена из более высококачественной стали и содержание в ней вредных примесей серы и фосфора уменьшено. Например, проволока диаметром 4 мм из легированной стали, содержащей 0,06—0,10 % С; 0,45—0,70 % Si; 1,15—1,45 % Мп; 0,85—1,15 % Сг; не более 0,3 % Ni; 0,40—0,60 % Мо; не более 0,025 % S; не более 0,025 % Р, обозначается: 4Св-08ХГСМА (ГОСТ 2246—70).

Примеры обозначения и состав сварочной проволоки по группам приведены в табл. 5.

ГОСТ предусматривает выпуск стальной сварочной проволоки диаметром от 0,3 до 12 мм с чистой гладкой поверхностью в катушках, пригодных для использования при механизированных способах сварки без перемотки.

Проволока с омедненной поверхностью обозначается после марки проволоки буквой О, а проволока, предназначенная для изготовления электродов, обозначается буквой Э. Буквы Ш, БД или ВИ означают, что проволока изготовлена из стали, выплавленной электрошлаковым или вакуумнодуговым переплавом или же в вакуумноиндукционных печах.

Таблица 5. Некоторые марки сварочной проволоки по ГОСТ

Марка проволоки

Массовое

С

Si

Мп

Сг

Св-08

<0,10

<0,03

Н и з 0,35—0,60

к о у г л е р с <0,15

Сп-ОКА

<0,10

<0,03

0,35—0,60

<0,10

Св-ОЬГА

-<0,10

<0,03

0,8—1,1

<0,10

Св-08Г2С

0,05—0,11

0,70—0,95

Л е г и р

1,8—2,1

о в а н н а я

<0,20

Св-08ГСМТ

0,06—0,11

0,40—0,70

1,00—1,30

<0,30

Св-18ХГС

0,15—0,22

0,90—1,20

0,80—1,10

0,80—1,10

СВ-18ХМА

0,15—0,22

0,12—0,35

0,40—0,70

0,80—1,10

Св-08ХНМ

<0,10

0,12—0,35

0,50—0,80

0,70— 0,90 1

Св-08ХЗГ2СМ

<0,10

0,45—0,75

2,0—2,5

2,00—3,00

Св-10Х5М

<0,12

0,12—0,35

0,40—0,70

4,00—5,50

Св-08МНФБА

0,06—0,10

0,12—0,30

0,35—0,50

1,10—1,40

Св-ЮХНВМФН

0,08—0,13

I

0,30—0,60

3 ысоколе 0,35—0,65

г и р о в а н 10,50—

Св-06Х14

<0,08

0,30—0,70

0,30—0,70

12,00 13,00—

Св-13X251

<0,15

<1,0

<0,8

15,0 23,0—27,0

Св-01 X19119

<0,03

0,50—1,00

1,00—2,00

18,00—

Св-05 Х19Н9ФЗС2

<0,07

1,30—1,80

1,00—2,00

20,0 18,0—20,0

Св-08Х21Н10Г6

<0,10

0,23—0,70

5,0—7,0

20,0— 22,0

К каждому мотку проволоки должна быть прикреплена бирка, в которой наряду с наименованием предприятия- поставщика указывается наименование проволоки, марка стали, диаметр проволоки, номер ГОСТа. Кроме того, к каждой партии проволоки прилагается документ, удостоверяющий соответствие проволоки требованиям стандарта (сертификат).

Регламентированная ГОСТом стальная сварочная проволока применяется для изготовления покрытых элект-

содержание элементов, %

Ni

Мо

W

и

V

S

р

Прочие элементы

не

Зол се

д в с т а я проволока

<0,30

—

—

—

—

0,04

0,04

<0,01 А1

<0,25

—

—

—

—

0,03

о,сз

—

<0,25

прово.

<0,25

пока

0,93

0,025

0,03

0,03

<0,30

0,20— 0,40

0,05— 0,12

—

0,026

0,03

—

<0,30

—

—

—

0,025

0,03

—

<0,30

0,15— 0,30

—

—

—

0,025

0,025

—

0,80—

1,20

0,25— 0,45

—

—

—

0,025

0,03

—

<0,30

0,30— 0,50

—

—

•—

0,03

0,03

—

<0,30

0,40— 0,60

—

—

—

0,25

0,03

—

0,65— 0,90

пая пр

0,80— 1,00

сволок

а

0,20— 0,35

0,25

0,25

0, io- о.23 Nb

0,80—

1,10

1,00—

1,30

1,00— 1,40

—

0,25— 0,50

0,25

0,03

—

<0,60

—

—

—

—

0,25

0,03

—

<0,60

—

0,2—0,5

—

0,25

0,035

—

8,0— 10,0

—

—

—

—

0,015

0,025

8,0— 10,0

—

—

—

1,8—

2,40

0,025

0,03

—

9,0- 11,0

0,018

0,035

родов разного назначения, для сварки под флюсом и в среде защитных газов.

Название марок проволоки по группам и подгруппам в определенной мере характеризует и назначение. Так, проволока, легированная кремнием и марганцем, применяется для сварки в углекислом газе углеродистых конструкционных и низколегированных сталей. Проволока других марок находит применение для сварки сталей исходного состава и для наплавочных работ. Группа вы-

соколегированной аустенитной и ферритной сварочной проволоки применяется для сварки коррозионно-стойких, жаростойких сталей и для сварки специальных сталей различного назначения.

Обычно поставляемая сварочная проволока покрыта жировым слоем, который при длительном хранении и особенно повышенной влажности не всегда защищает поверхность проволоки от коррозии. Подготовка такой проволоки к сварке вызывает значительные затраты, поэтому для сварки в углекислом газе целесообразно применять проволоку с омедненной поверхностью. Омедненная прово-

f

Рис. 41. Схема изготовления порошковой проволоки: 1 — стальная лента; 2 — бункер с шихтой; 3 — фильеры; 4— порошковая проволока

лока хорошо защищена от воздействия внешней среды и не требует дополнительной обработки перед сваркой, а также создает хороший контакт с токоведущим мундштуком.

Проволоку марок Св-15ГСТЮЦА и СВ-20ГСТЮА применяют для дуговой сварки без дополнительной защиты.

В ряде случаев для выполнения сварочных работ го- стированная сварочная проволока не может обеспечить требуемого химического состава наплавленного металла. Тогда применяют порошковую проволоку, представляющую собой низкоуглеродистую стальную оболочку, внутри которой запрессовывается порошок, состоящий из ферросплавов, за счет которых и осуществляется легирование металла, железного порошка, увеличивающего производительность процесса и являющегося заполнителем, и других материалов. Получается порошковая проволока сворачиванием ленты в трубку при волочении ее через фильер, изготовленный из твердого сплава (рис. 41). После первого прохода для уплотнения и запрессовки порошка проволока протягивается последо- 78

вательно через несколько фильер с разницей в диаметре 0,3—0,5 мм, до получения нужного диаметра.

По способу защиты порошковые проволоки делятся на самозащитные, когда защита зоны сварки осуществляется за счет составляющих сердечника проволоки. Они также используются с дополнительной защитой зоны сварки флюсом или газом, обычно углекислым, или смесью газов.

В практике находят применение трубчатые и более сложные конструкции порошковой проволоки, некоторые из них приведены на рис. 42.

Усложнение конструкции порошковой проволоки вызвано тем, что сварка проволокой трубчатой конструкции

Рис. 42. Некоторые конструкции порошковой проволоки: а — трубчатая; б — с одним загибом в оболочке; в — двухслойная

возможна только на умеренных режимах и обеспечивает неглубокое проплавление, что целесообразно при наплавочных работах. При сварке открытой дугой они не обеспечивают устойчивого и равномерного плавления сердечника. Более сложные конструкции порошковой проволоки приводят к увеличению глубины проплавления, уменьшению выгорания марганца и кремния, снижению содержания кислорода и азота в наплавленном металле, устойчивому и равномерному плавлению сердечника.

По составу сердечника порошковые проволоки делятся на пять типов: рутилорганические ПП-АН1; карбо- натнофлюоритные ПП-АН7; флюоритные ПП-2ДСК; рутиловые ПП-АН10 и рутил-флюоритпые ПП-АН9.

Проволоки первых трех типов применяют, как правило, без дополнительной защиты. Проволоки рутилового и рутил-флюоритного типов используют для сварки в углекислом газе.

В настоящее время наряду с указанными типами порошковой проволоки промышленность выпускает большое количество марок проволок для сварки и наплавки сталей, сварки с принудительным формированием металла шва, наплавки бронзы, меди и медно-никелевых сплавов на сталь и др.

к со to осИи о9 с о. с сX S9 го го оЯ го иm о кX 3 о. о н оо яго я £? мCJООЗ иS ч40 гого со3ГЕстСУ яи иси 2 о2иООО сч оо 1-о о ОО«с^ о о сч со соооСХ1—CNсс Z IDXОООCD О1 UD Ю LO Joo о о ООсу S к гоо. СУо иф с со о о и СУ 5SНО Ю о—■ -ST sr о' о" о"о со О СМ —• о' о* о"сио О ОО sr sr о" о' о"1 1 1со см соо о ооо сч со о" о оо о о о" о' оh/JM ‘ЧХЭОНЧС’ЭХ -ntfoHEHodnюта см ио J2СУ со осуСПаа сСD С 4 О" и4 С0 о0 О'ч о<о о с ю о ю СО Ю sr doc о о sr см со осСО о_ со см" со о?SСУ PQ о" Си- О я 5 цСМ С 04 с с с EECк со to осИи о9 с о. с сX S9 го го оЯ го иm о кX 3 о. о н оо яго я £? мCJООЗ иS ч40 гого со3ГЕстСУ яи иси 2 о2иООО сч оо 1-о о ОО«с^ о о сч со соооСХ1—CNсс Z IDXОООCD О1 UD Ю LO Joo о о ООсу S к гоо. СУо иф с со о о и СУ 5SНО Ю о—■ -ST sr о' о" о"о со О СМ —• о' о* о"сио О ОО sr sr о" о' о"1 1 1со см соо о ооо сч со о" о оо о о о" о' оh/JM ‘ЧХЭОНЧС’ЭХ -ntfoHEHodnюта см ио J2СУ со осуСПаа сСD С 4 О" и4 С0 о0 О'ч о<о о с ю о ю СО Ю sr doc о о sr см со осСО о_ со см" со о?SСУ PQ о" Си- О я 5 цСМ С 04 с с с EEC8080200—300 мм. Конец электродов затачивается под200—300 мм. Конец электродов затачивается подконус.Электропроводность графитовых электродов почти в 3 раза больше угольных, и они обладают большей стойкостью против окисления на воздухе при больших температурах, что заметно снижает удельный расход графитовых электродов и позволяет применять повышенныеконус.Электропроводность графитовых электродов почти в 3 раза больше угольных, и они обладают большей стойкостью против окисления на воздухе при больших температурах, что заметно снижает удельный расход графитовых электродов и позволяет применять повышенныеплотности тока.Часто для обеспечения более устойчивого горения дуги центральная часть электродов (фитиль—канал) заполняется порошкообразной массой, содержащей легко-плотности тока.Часто для обеспечения более устойчивого горения дуги центральная часть электродов (фитиль—канал) заполняется порошкообразной массой, содержащей легко-Рис. 43. Порошковая лента:1 — нижняя лента; 2 — верхняя лента;3 — шихтаРис. 43. Порошковая лента:1 — нижняя лента; 2 — верхняя лента;3 — шихтачистого вольфрама марки ЭВЧ,чистого вольфрама марки ЭВЧ,с присадкой окиси лантала La3O3, электроды марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20, с присадкой окиси иттрия Y3O3 и металлического тантала Та электроды марки ЭВИ-30. Цифры вс присадкой окиси лантала La3O3, электроды марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20, с присадкой окиси иттрия Y3O3 и металлического тантала Та электроды марки ЭВИ-30. Цифры вобозначении марки вольфрамового электрода указываютобозначении марки вольфрамового электрода указываютколичество активизирующей присадки в десятых доляхколичество активизирующей присадки в десятых доляхпроцента.Наличие этих добавок (2—3 %) обеспечивает зажигание дуги, улучшает устойчивость дугового разряда и повышает стойкость электрода, чго позволяет значительнопроцента.Наличие этих добавок (2—3 %) обеспечивает зажигание дуги, улучшает устойчивость дугового разряда и повышает стойкость электрода, чго позволяет значительноувеличивать плотность тока.Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активизирующими присадками — как для сварки переменным, так и постоянным током прямой и обратной полярности.Наи лучшими сварочными характеристиками обладают вольфрамовые электроды с присадкой 3 %-ной окиси иттрия.увеличивать плотность тока.Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активизирующими присадками — как для сварки переменным, так и постоянным током прямой и обратной полярности.Наи лучшими сварочными характеристиками обладают вольфрамовые электроды с присадкой 3 %-ной окиси иттрия.8181

к с

о to о

с

И

и о

9 с о. с с

X S

9 го го о

Я го и

m о к

X 3 о. о н о

о я

го я £

? м

CJ

О

ОЗ и

S ч

40 го

го со

3

ГЕ

ст

СУ я

и и

си 2 о

2

и

ООО сч оо 1-

о о ОО

«с

^ о о сч со со

ооСХ1

—CN

сс Z ID

X

ООО

CD О1 UD Ю LO Joo о о ОО

су S к го

о. СУ

о и

ф с со о о и СУ 5

S

НО Ю о

—■ -ST sr о' о" о"

о со О СМ —• о' о* о"

с

ио О ОО sr sr о" о' о"

1 1 1

со см со

о о о

о

о сч со о" о о

о о о о" о' о

h/JM ‘ЧХЭОНЧС’ЭХ -ntfoHEHodn

юта см ио J

2

СУ со о

су

СП

а

а с

С

D С 4 О

" и

4 С

0 о

0 О'

ч о

<

о о с ю о ю СО Ю sr doc о о sr см со ос

СО о_ со см" со о?

S

СУ PQ о

" Си

- О я 5 ц

СМ С 04 с с с EEC

к с

о to о

с

И

и о

9 с о. с с

X S

9 го го о

Я го и

m о к

X 3 о. о н о

о я

го я £

? м

CJ

О

ОЗ и

S ч

40 го

го со

3

ГЕ

ст

СУ я

и и

си 2 о

2

и

ООО сч оо 1-

о о ОО

«с

^ о о сч со со

ооСХ1

—CN

сс Z ID

X

ООО

CD О1 UD Ю LO Joo о о ОО

су S к го

о. СУ

о и

ф с со о о и СУ 5

S

НО Ю о

—■ -ST sr о' о" о"

о со О СМ —• о' о* о"

с

ио О ОО sr sr о" о' о"

1 1 1

со см со

о о о

о

о сч со о" о о

о о о о" о' о

h/JM ‘ЧХЭОНЧС’ЭХ -ntfoHEHodn

юта см ио J

2

СУ со о

су

СП

а

а с

С

D С 4 О

" и

4 С

0 о

0 О'

ч о

<

о о с ю о ю СО Ю sr doc о о sr см со ос

СО о_ со см" со о?

S

СУ PQ о

" Си

- О я 5 ц

СМ С 04 с с с EEC

80

80

200—300 мм. Конец электродов затачивается под

200—300 мм. Конец электродов затачивается под

конус.

Электропроводность графитовых электродов почти в 3 раза больше угольных, и они обладают большей стойкостью против окисления на воздухе при больших температурах, что заметно снижает удельный расход графитовых электродов и позволяет применять повышенные

конус.

Электропроводность графитовых электродов почти в 3 раза больше угольных, и они обладают большей стойкостью против окисления на воздухе при больших температурах, что заметно снижает удельный расход графитовых электродов и позволяет применять повышенные

плотности тока.

Часто для обеспечения более устойчивого горения дуги центральная часть электродов (фитиль—канал) заполняется порошкообразной массой, содержащей легко-

плотности тока.

Часто для обеспечения более устойчивого горения дуги центральная часть электродов (фитиль—канал) заполняется порошкообразной массой, содержащей легко-

Рис. 43. Порошковая лента:

1 — нижняя лента; 2 — верхняя лента;

3 — шихта

Рис. 43. Порошковая лента:

1 — нижняя лента; 2 — верхняя лента;

3 — шихта

чистого вольфрама марки ЭВЧ,

чистого вольфрама марки ЭВЧ,

с присадкой окиси лантала La3O3, электроды марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20, с присадкой окиси иттрия Y3O3 и металлического тантала Та электроды марки ЭВИ-30. Цифры в

с присадкой окиси лантала La3O3, электроды марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20, с присадкой окиси иттрия Y3O3 и металлического тантала Та электроды марки ЭВИ-30. Цифры в

обозначении марки вольфрамового электрода указывают

обозначении марки вольфрамового электрода указывают

количество активизирующей присадки в десятых долях

количество активизирующей присадки в десятых долях

процента.

Наличие этих добавок (2—3 %) обеспечивает зажигание дуги, улучшает устойчивость дугового разряда и повышает стойкость электрода, чго позволяет значительно

процента.

Наличие этих добавок (2—3 %) обеспечивает зажигание дуги, улучшает устойчивость дугового разряда и повышает стойкость электрода, чго позволяет значительно

увеличивать плотность тока.

Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активизирующими присадками — как для сварки переменным, так и постоянным током прямой и обратной полярности.

Наи лучшими сварочными характеристиками обладают вольфрамовые электроды с присадкой 3 %-ной окиси иттрия.

увеличивать плотность тока.

Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активизирующими присадками — как для сварки переменным, так и постоянным током прямой и обратной полярности.

Наи лучшими сварочными характеристиками обладают вольфрамовые электроды с присадкой 3 %-ной окиси иттрия.

81

81

В табл. 6 приведены характеристики некоторых типов самозащитных порошковых проволок.

В качестве плавящихся электродов для автоматической наплавки под слоем флюса поверхностей больших размеров и для получения небольшого провара основного металла применяют электродную ленту различного химического состава (в зависимости от назначения) толщиной 0,2—1,0 мм и шириной 15—100 мм. В последнее время все большее применение находит порошковая лента (рис. 43). Порошковая лепта сохраняет достоинства электродной ленты и увеличивает диапазон возможностей по легированию наплавленного металла. Разработана порошковая лента, позволяющая получить наплавку, содержащую до 50% легирующих элементов.

Неплашициеся электродные стержни служат для подвода тока к зоне дуги. Они изготовляются из электротехнического угля или синтетического графита и из вольфрама.

Угольные и графитовые электроды (ГОСТ 4425—72, ГОСТ 4426—71) имеют высокую температуру плавления и кипения при малой теплопроводности. Изготовляются они в виде цилиндрических стержней диаметром 5—25 мм, длиной

ионизирующие вещества.

Вольфрамовые электроды находят широкое применение для сварки, что обусловлено высокими теплофизическими свойствами вольфрама: его температура плавления 4500 °C, а температура кипения 5900 °C при хорошей тепло- и электропроводности.

Вольфрамовые электроды изготавливают из

Итерированные электроды превосходят тарированные и лаитапировапные и дают возможность работать на относительно больших плотностях тока при меньшем расходе вольфрама.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛАВЯЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Требования

к средне- и толстопокрытым электродам и функции, выполняемые материалами покрытия

Плавящиеся электроды представляют собой металлический стержень, на поверхность которого окунанием или опрессовкой под давлением наносится покрытие определенных состава и толщины, которое при средне- и толстопокрытых электродах должно в основном обеспечить устойчивость горения дуги; получение металла шва требуемых химического состава и свойств; равномерное расплавление электродного стержня и покрытия;

высокую производительность при небольших потерях электродного материала на угар и разбрызгивание; плотные беспористые швы, не склонные к горячим трещинам; достаточную прочность покрытия и легкую отделяемость шлаковой корки от поверхности шва; минимальную токсичность при изготовлении и сварке.

Указанные требования обеспечиваются подбором соответствующих материалов электродного стержня и покрытия, в состав которых вводятся стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества.

Стабилизирующие предназначены обеспечить устойчивое горение дуги, что достигается введением в покрытие материалов, содержащих соединения щелочных и щелочноземельных металлов К, Na, Са, обладающих низким потенциалом ионизации. Такими материалами являются: поташ, кальцинированная сода, полевой шпат, мел, мрамор и др.

Шлакообразующие при расплавлении образуют шлак, который защищает капли электродного металла и сварочную ванну от атмосферного воздуха. К ним относятся:

Массовое содержание

Материал

SiO2

Ге2О3

А12О3

СаО

MgO

тю2

МоО

с

и

Гематит

6

92

1,7

Гранит

6G—71

2—7

15—21

2—5

—

—

—

Кварцевый песок

97

—

—

—

—

—

—

—

Концентрат рутиловый

1,5

3

1,0

—

—

94

—

Мрамор

—

—

—

—

3

—

—

92

Магнезит

1,5

1,5

1,5

0,5

45

—

1 2

Марганцевая руда

10

3

—

—

—

—

-—

Полевой шпат

64—70

1,5

17—21

1,5

0,5

1,0

—

Плавиковый шпат

5

—

—

Ферромарганец

Ферросилиций

—

—

—

—

—

—

Ферротитан

Мусковит НдК9.А1н5?«О9д

45—45

—

38

—

1,0

—

Крахмал

Оксицеллюлоза

Таблица 7. Требования ГОСТов и ТУ к некоторым материалам

СаГ

С

SI

Мп

Ti

S

Р

Прочие примеси

ГОСТ или ТУ

не более

92

1,о

0,2

2,0 40—47 0,28

45

80

0,8

23

0,15 0,1 0,03

0,05 0,04 0,03

0,1

0,04

0,1

0,03 0,04 0,08

0,04

о,1 0,08 0,015 0,03 0,015 0,05 0,2 0,04

0,15 0,3 0,05 0,08

0,03

5—8 К2О

1 ZrO2

10 КоО + +Na2O

0,5 Сг

4,0 Си;

0,4 А1

11 к2о

ТУ ЦНИИТмаш ГОСТ 4417—75 ГОСТ 22938—78 ГОСТ 4416—73

ГОСТ 4418—75 ГОСТ 4422—73

ГОСТ 4421—73 ГОСТ 4755—80 ГОСТ 1415—78 ГОСТ 4761—80

ГОСТ 14327—82 ГОСТ 7699—78 ТУ 417—54

электродных покрытий

соединений и элементов, %

Механические свойства при нормальной температуре

Предельное массовое содержание в наплавленном металле, %

Тип электрода

МС1 напла

галла шва или вленного металла

сварного соединения, выполненного электродами диаметром менее 3 мм

S

р

СТВ’ МПа/мм2

«5, %

кси, Дж/см2

ав- МПа/мм2

а, ...°

Группы электродов по ГОСТ 9466 — 75

не менее

1

о

3

1 1

1 2

1 3

Э-38

Э-42

Э-46

Э-50

380

420

460

500

14

18

18

16

30

80

80

70

380

420

460

500

60 150 150 120

0,045

0,040

0,035

0,050

0,045

0,040

Э-42А Э-46А Э-50А Э-55

Э-60

420

460

500

550

600

22

22

20

20

18

150

140

130

120

100

420 460

500 550 600

180

180

150

150

120

0,035

0,030

0,025

0,040

0,030

Э-70 Э-85 Э-100 Э-125 Э-150

700 850

1000 1250 1500

14

12

10

8

6

60

50

50

40

40

—

0,035

0,035

И 61 В зависимости от предельного содержания серы и фосфора проставляется соответствующий иилеке обозначении электрода (данные по содержанию серы и фосфора устанавливаются по паспорту или ТУ).Д

Таблица 8. Механические свойства металла шва, содержание серы и фосфора

наплавленного металла сварного соединения и допустимое

у

to го н го н к

о£

X

to

S3

Я

X

я о я

Si

to

к

to

to о

ro

о to Ito a а

го

а to S3

о

to to

to

Е го

a

to

S3

I го Я я а

to

2 ro

о

ro

о to

3 £ а 2

я

Ss го

я

о Е

2 to -4 го

3

to to

2

2

to

to со О to to E

а с S3

to

§

я

О

S3

S3

О

з

2 го

а

3

ГО ~

ОС го — го О °

S Го

2

2 to

го 2

to

to

S3

to

Я *Q

а я

)ч а о

ro

ro

О О

я о

го а to Я

о

Е

9

to н c

о

го to

я

2 а

to

to

О

о

to

c

го а

сЕ

я

го Ss а

О

S3

о

а я

о го

Сх

Sc

to со

a

a

5

5

а

2

о го to Я

О я

о го

я го го н ti

% я го

3

2 to

О го Е го

2 to

1 ё я

о ro a Ss to ro E

to

to

О

го а

го

го

S3

х to =

го

to

ro ГО

S

Si

to

Sa

го

2 to н го

to

Ss а

to

a о я

E

а

о

Ss

a

го я S3 S я to

с а

to о

го S3 го

я

to

S3

я

to

го

го

a

to

ro

О

to

и to о

а н го а

^ to го

to

S3

cr

a

to го го

о

ъ S3 а

c о

E

а о

to

ro a

4 я

о я

to

S3 to

я

Ss

го to о го

to н го

го а

S3

to

ro «-4 ro a

to

5 к

s

to

го

£

го to Е го

х to a

a

о a

2 ГО Ss О

о го to

я о я

to

го я to to Ss го я

а а

to

О

a

О

a

5

)=з О го н to

£ а to

го ta Я to to я to

a E

ro to a to to н a

го н to Ss

a

to

rc

ro

н о со

о

S3

to

3 н го а

ГО

h

я

2

Си

Я«

to

to

Я

го

to

о

to

Ss

S3

to

я

5

о

о

о а

о a о S3

го to

с го

го го о ₽

го to о Яс го

а 3 = £ а е

to to ГО

to Si ro 2

ro a ro

to го

S3 го я Я

2 я к й3 Я to Я го

го S3 го to о

о

a

a

la

X го

го а а to

to

Ss

to

а а

О

я

я о го Е Е го я

ао

X

а го

a

О

ro

О го

S3 St

Е

га

го я о го о

to

S3 го 2 го

Я

го о

^ ас

х

to

S3

x

to

to

2 5

а 2

2 го

го

го

го 2 го я

S3 ГО Е го го

го я н о

го

to

го н to Ss S3 to

го н го а

сс to

я я я а

2 а 3

го го го го я

го го я

X

to го Е го го н to

to о > а н го

ro

2

ro to

го го

to

5

to

to

о

ro

to

to

о

to

a

ro

a

ro

ro

to

a

и а а я

Ss to to

го Ss О to

to

S3

го о

О

Е

о

го го я

to

О Я

о

to го н to

2 to

а го to

го to Е

го to

а го to

2 го

-1 to

Я ГО to

Я о

S3 to

О

Е го

ГО Я го

a

я го Я

го

S3 to

О

го а

ro

О

я со О о

го>

я

го

я го to го

a

S3 го to

E

я р го го

a

to

го 2 to

S3 to to S3 го я я го

to

3

a

ro

S3

S3

Кс

to о я

О

to

to

a

to К а я о го Е ЯС

2

to 2 ГО

E *

я а

to

T ип

Массовое содержание элементов

электрода

С

/

Si

Мп

Сг

Э-09МХ Э-10ХЗМ1БФ

Э-10Х5МФ

0,06—0,12

0,07—0,12

0,07—0,13

0,15—0,35

0,15—0,45

0,15—0,45

0,4—0,9

0,5—0,9

0,5—0,9

0,35—0,65

2,40—3,00

4,00—5,50

ГОСТы на электроды для сварки и наплавки сталей

Сейчас в СССР имеются четыре ГОСТа на металлические электроды для ручной дуговой сварки и наплавки сталей: ГОСТ 9466—75, ГОСТ 9467—75, ГОСТ 10051—75, ГОСТ 10052—75.

Классификация, общие технические требования, размеры, правила приемки, методы испытаний, требования к упаковке, маркировке, хранению, транспортировке определены в ГОСТ 9466—75. ГОСТ содержит указания по системе обозначения электродов для их опознания по ряду их характеристик, которые должны быть указаны на этикетках пачек, коробок или другой упаковочной тары, используемой для хранения и транспортировки электродов, а также при оформлении документации.

Требования к электродам для сварки металлических покрытий, электродам для ручной дуговой сварки углеродистых, низколегированных и легированных конструкционных и легированных теплоустойчивых сталей установлены по механическим свойствам наплавлен-

чивых сталей по ГОСТ 9467—75

в наплавленном металле, %

Механические свойства наплавленного металла при нормальной температуре

Мо

V

Nb

S

Р

GB’

МПа/мм2

6Б, %

КС и, Дж/см2

не более

не менее

0,35—0,65

0,70—1,00

0,35—0,65

0,25—0,50

0,10—0,35

0,35— 0,60

0,025

0,025

0,025

0,035

0,030

0,035

460

550

550

18

14

14

90

60

60

ного металла и содержанию в нем серы и фосфора (ГОСТ 9467—75).

— Типы этих электродов обозначаются буквой Э, затем следуют цифры, характеризующие минимально гарантируемое временное сопротивление наплавленного металла электродами данного типа. Например, обозначение Э-42 означает тип электрода по ГОСТ 9467—75 с минимальным временным сопротивлением 420 МПа/мм2.

Если в обозначении после цифр стоит буква А, то это означает, что электрод данного типа обеспечивает более высокие пластические свойства наплавленного металла по сравнению с электродами соответствующего типа без этой буквы. Для сварки вышеуказанных сталей преду- смотрены 14 типов электродов, требования к которым по механическим свойствам и содержанию серы и фосфора приведены в табл. 8. Данные по содержанию серы и фосфора распределены по группам таблицы и служат для индексации при условном обозначении электродов.

Электроды для сварки теплоустойчивых сталей по ГОСТ 9467—75 классифицируются по химическому составу и механическим свойствам наплавленного металла.

* Таблица 10. Некоторые типы электродов для сварки высоколегированных сталей по ГОСТ 10052 —75

Тип электродов

Массовое содержание элементов в наплавленном металле м

Механические свойства металла шва и наплавленного металла

С

Si

Мп

Сг

Ni

Мо

V

Прочие элементы

S

Р

S

ID 5

• ^-^

S ^5

не С

олее

не менее

3-12X13

0,08 — 0,16

0.30- 1,00

0,50 — 1,50

11,0- 14,0

До 0,60

—

0,030

0,035

600

16

50

3-08X24 Н6ТАФМ

До 0,10

До 0,70

До 1,20

22,00 — 26,00

5,00— 6,50

0,05 — 0,10

0,OS- о. 15

0,02 —

0,08 Ti до 0,20 N

0,020

0,035

700

15

50

Э-04Х20Н9

До 0,06

0,30 — 1,20

1,00— 2,00

18,00 — 22,50

7,50—

10,10

—

—

—

0,018

0,030

550

30

100

3-02Х20Н14Г2М2

До 0,03

До 1,00

1,00 — 2,50

17,50—

22,50

13,OO

IS,50

1,80 — 3,20

—

—

0,020

0,025

550

25

100

Э-02Х20Н60М15ВЗ

До и, 04

До 0,08

До 1,00

17,GO- 22,00

Основа

13,50-

16,50

—

2,50- 4,20 W

до 3,00 Fe

0,020

0,025

700

15

70

О

гв

s to 2

X to 8 ГС

о

-3 о

X

£

CD

ba

У

X

° £ - 3

о

ГВ

to

X

to о о to to to to n to to

X

to

оз

о

о

х«

ГВ

2

to

to

о и о

bi о

CD

X о

X CD

to b

b a

X to to

x X ba to

co b

CD

X Ox b

to О О to to to to to

о to to

x to CD CD X X

о X о

3

b er X

bt

X о 2

to b CD X

CD

ГВ

ь

X

.X CD

to

2 x

2 to

X

to to ba to

X

2

CD

to

to b CD

X

CD b CD X

ba о to

to

X

to

О ba to

CD X

1-3

о ba О to

2 x

о

X

о to

X

to ba to b a CD 2

О 2

CD ^ b to ■X

%

о to

CD

о

2 to ч x b b X

X

CD

о

to

to

X

X о

to b to X о

re

X

2 to

X

5

X

X

X

О to

X

to to to b CD

ге

X to

b to

b to to

X

О

to

X

X

to b о CD to

X

X

X

ст

S= g

X ba x k 2.Q x

CD to X о 2

CD

о

CD I

to

X я х

О h ь

о ® to О .

ГВ

о

ш

X

CD

ГС

CD X to о to

о

X

to

to x x о 2

2 to

CD b to

CD

to

cd

X to

о bi о to

to CD to X £ X

X re

2

Xо

ь

to to to о

X

о

to

X

X

5£

ГВ

to

ГВ

X

CD

CD

§to

О co

X to

2 CD 4 X b b о

о о

to

гв

to to О X’ to 4 to X 2

s

о to о

to to X X

X to

X о

to to ba to X <r

to

х :

bi гр

< toe to -

О

to О

bto

to b CD

х

о

X

о

аз

x

2

о

to

о

к

3

о н гв

to

CD

to to ч to ® 5 b Г to

CD b to

r®

X

X

cd ox

О to to

X

х

X

ГС

x ba

ш to to

О

to

to

5

X

cd

Xо

to to CD X

2 X

to

о

Xib

гв ох о to to

X to £ X

to to to b CD

X CD X о to О

X £

b re X X

2

о

X

S

to

2

x

X

о

X

2

ОП to

о

о w

гв X X

о о

X to

CD

- н

x-3

X

to О

У bl

3 о

О 03

о

a

to

cd 2 CD

2

о .X to

X

X CD

X

о

CD

^' г*>

I X

to

to

о

CD

CD

X

3

X to

to b

b =

to ba

ел 2 -

о

CD b to 2 to

to

а

X

о

о

X co

о to

to to

о

ГС

to

о

о to

о

CD

bi bi

CD to

X св

to

X

to 2

to b CD X

ь

оё

to

x 5

о

2

x X X 2

to b CD X

X to

CD X to to

О to: to

X 5 3 to

ba О to

b X to b to

X о

2

to

bl

2 CD 4 X b b to

n

О to b CD

CD

CD

re

о

to ba X CD CD

to

to

S

to

о to X

2

2

о

2

CD

4 to b

2

Xx

2

о

a

to

о

ГВ

X

Ьа

2

to

X

CD

'to

X

о

X о

о о

ь X to

CD X

CD b to

b to

О to

d

О I

X b x to to О to

Xо

X

X

2

Cd b to X

to

to

to С0Х5

о

to a

o\ ^ о co

оо

to

x

5 ч to a

X

O\

Xto

2 x

CD

^ CD

to X X to

X 4 to 2

cn

СП to

X о to о

о to to

X о

Xо

X Xi 3' 4 to a

О X О b to

о

baОto

Ьа bi

CD to

X

гв

biо

r>

4 о X=

X

2

X to CD bi re

X

X

2

X

to to

X

to

О to to X

to

о о о ч to to

to

to

X to о x=

CD

ba

X to to

Тип электрода по ГОСТ 9467-75

Марка

Цвет окраски торцов

электрода

сварочной проволоки

покрытия

Э-46А

АНО-4

Св-08 (ГОСТ 2246—70)

АНО-4

Область применения

По маркам сталей

По назначению конструкции

По видам соединения

СтЗ, Ст4 и аналогичные

Сварка ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей

Для всех видов соединений

Массовая доля элементов в проволоке, %

Рекомендуемые диаметр (мм) и ток (А)

С

Мп

Si

Сг

N

S

Р

8

4

5

6

Не более 0,10

0,35—0,60

не более

0,03

0,15

0,30

0,04

0,04

100-140

170—200

190—270

270—330

Некоторые данные из паспорта на электроды марки АНСМс типа Э-46

Форма I

Продолжение формы 1

Характеристика электродного покрытия

Состав покрытия

Массовое содержание, %

Диаметр электродного стержня, мм

Толщина покрытия электрода, мм

Род тока

Полярность

Пространственное положение шва

Коэффициент наплавки, г/(А-ч) ^Массовый расход электрода на 1 кг наплавленного металла, кг

Коэффициент массы покрытия, %

3

0,9—1,0

4

1,1—1,3

5

1,3—1,5

6

1,7—1,9

ный

8,0—8,3

1,7

35—40

Рутиловый концентрат

Мусковит

Магнезит кристаллический Ферромарганец Целлюлоза

Смесь натриевого (70 %) и калиевого (30 %) жидкого стекла

44,0 24,0 15,0 15,0

2,0 23-25

переменный и постоян Любая Любое

Средний химический состав наплавленного металла, %

Механические свойства

С

Мп

Si I

S

Р

сварного шва

сварного соединения

не более

°В> МПа/мм2

6, %

кси, Дж/см2

^Т’

МПа/ммЗ

а, ...°

не менее

0,06—0,10

0,6—0,8

0,08—0,14

0,04

0,04

460

22

140

380

150

Примечание. Разрывные образцы перед механическим испытанием подвергаются подогреву до Г = 250 °C в течение 6 ч для удаления диффундирующего водорода.

Таблиц? IL I ккоторые типы электродов для наплавки поверх

Тип электрода

Массовое содержание

С

Si

Мп

Сг

Mi

Мо

Э-ПГЗ

Э-15Г5

Э-70ХЗСМТ

Э-350Х26Г2Р2СТ

Э-09Х31Н8АМ2

Э-90В10Х5Ф2

Э-10К15В7М5ХЗСФ

Э-190К62Х29В5С2

0,08— 0,13

0,12— 0,18

0,50— 0.90

3.10— 3,90 0,06— 0,12 0,8— 1,0

0,08— 0.12 1,6— 2,20

До 0,15 До 0,15 0,80— 1,20 0,60— 1,20 До 0,5 До 0,4 0,80—

1.6 1,5— 2.60

2,8— 4.0

4,1— 5,2 0,40— 1,0

1,5— 2,5 До 0,5 До 0.4

0,3— 0,7

2,3—

3,2 23,0— 29,0

30 0— 33,0 4,0—

5.0

2,0—

4.2

26.0— 32,0

7,0— 9,0

0,3— 0,7

1,8— 2,4

3,8—

6,2

Система условного обозначения металлических электродов для ручной дуговой сварки и наплавки

Структурная схема условного обозначения электродов приведена на рис. 44 (ГОСТ 9466—75). Рассмотрим обозначение каждого пункта структурной схемы. 1. Тип электрода устанавливается по соответствующим стандартам.

Абарка электрода — по паспорту или ТУ.

Диаметр электрода — по паспорту или ТУ.

Рис. 44. Схема условною обозначения электродов

местных слоев с особыми свойствами по ГОСТ 10051—75

элементов, %

Твердость после сварки

S

р

1

о.

с^о

Прочие

I руппа электродов

Ф к

о н

VV

V

Ti

элементы

по ГОСТ

9466 — 75

6 н m и о

Ф СО п ^ г

1 и 2

3

1 и 2

3

^ СТ СХ

—

—

—

—

0,030

0,020

0,040

0,035

28—35

—

—

—

—

0,030

0,020

0,040

0,035

35—40

—

—

До

—

0,030

0,020

0,035

0,030

52—60

0,30

—

—

0,2—

1,8—2,5 В

0,035

0,025

0,040

0,035

58—63

—

0,4

—

—

—

0,3-0,4 N

0,030

0,020

0,035

0,030

—

40—48

8,5—

2,0—

—

—

0,035

0,025

0,040

0,035

—

57—62

10,5

2,6

5,0-

0,5—

—

12,7—

0,030

0,020

0,035

0,030

—

52—58

8,0

1,1

16,3 Со

4.0—

—

59,0—

0,035

0,025

0,040

0,035

40—50

—

5,0

65,0 Со

Назначение — в соответствии с принятым подразделением свариваемых сталей: 1) для сварки углеродистых и низколегированных сталей с ов с 600 МПа/мм2 буквой У; 2) для сварки легированных конструкционных сталей с ов ^ 600 МПа/мм2 — Л: 3) для сварки легированных теплоустойчивых сталей — Т; 4) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами — В; 5) для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами — Н.

Толщина покрытия — в зависимости от отношения диаметра покрытого электрода D к диаметру электродного стержня d электроды различаются: с топким покрытием (D с 1,20)—М; со средним покрытием (1,20 <D/d с с 1,45) — С; с толстым покрытием (1,45 < Did с 1,80) — Д; с особо толстым покрытием (D/d > 1,80) — Г.

Группы по качеству устанавливаются только в зависимости от содержания серы и фосфора в наплавленном металле: для электродов Э-38 — Э-150 по ГОСТ 9467—75 (см. табл. 8), а для некоторых типов электродов по ГОСТ 10051—75 (см. табл. И), где электроды по этому признаку разделены па три группы.

Группа индексов, характеризующих наплавленный металл и металл шва по временному сопротивлению, относительному удлинению и минимальной температуре, при которой KCU составляет не менее 35 Дж/см2, только для электродов типа Э-38—Э-60 по ГОСТ 9467—75 приведен в табл. 12.

Обозначение вида покрытия. Различают следующие виды покрытий: кислое — А; основное — Б; целлюлозное — Ц; рутиловое — Р; смешанное покрытие — соответствующее двойное обозначение; прочие виды покрытий — 11.

Если в составе покрытия содержится более 20 % железного порошка, то вид покрытия дополняется буквой Ж.

В зависимости от допустимых пространственных положений сварки или наплавки электроды подразделяются и обозначаются: для всех пространственных положений— 1; для всех положений, кроме вертикального сверху вниз — 2; для нижнего, горизонтального и вертикального снизу вверх — 3; для нижнего и нижнего «в лодочку» — 4.

По роду тока, полярности, номинальному напряжению холостого хода, используемого источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц электроды подразделяются и обозначаются в соответствии с табл. 13.

Номер ГОСТ 9466—75, определяющий классификацию, размеры и общие технические требования на покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки.

Номера ГОСТов, регламентирующих требования к рассматриваемому типу электродов (ГОСТ 9467—75, ГОСТ 10051—75 или ГОСТ 10052—75).

В условном обозначении электродов (см. рис. 44) с временным сопротивлением до 600 МПа/мм2 после буквы Е тире не ставится.

Пример!. Выполним условное обозначение электродов сов^ ^ 600 МПа/мм2, например типа Э-46А по ГОСТ 9467—75. Этому типу электродов, в частности, соответствуют по паспорту электроды марки УОНИ-13/45.

Полагаем, что электроды имеют диаметр 3 мм. Согласно паспорту на эти электроды они предназначены для сварки углеродистых и низколегированных сталей и соответственно п. 4 схемы их следует обозначать буквой У. Покрытие среднее и по п. 5 схемы обозначаются буквой С.

Группу по качеству, по содержанию серы и фосфора в направленном металле, устанавливаемом по паспорту на электроды УОНИ-13/45, где содержание серы в направленном металле допускается до 0,04 %, а фосфора — до 0,045 % и определяем индекс по табл. 8 для электро- 94

Таблица 12. Группа индексов условного обозначения электродов для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением наплавленного металла до 600 МПа/мм2

Группа индексов

Минимальное значение показателей механических свойств наплавленного металла и металла шва прн нормальной температуре

Минимальная температура Т х (СС), при которой ударная вязкость металла шва и наплавленного металла, KCU составляют не менее 35 Дж/см2

Временное сопротивление разрыву ов, МПа/мм2

Относительное удлинение бе, %

37 0

370'

При любом значении

При любом значении

41 0

410

Менсе 20

Не регламентирована

41 1

410

20

+20

41 2

410

22

0

41 3

410

24

—20

41 4

410

24

—30

41 5

410

24

—40

41 6

410

24

— 50

41 7

410

24

—60

43 0

430

Менее 20

Не регламентирована

43 1

430

20

+20

43 2

430

22

0

43 3

430

24

—20

43 4

430

24

—30

43 5

430

24

—40

43 6

430

24

— 50

43 7

430

24

—60

51 0

510

Менее 18

Не регламентирована

51 1

510

18

+20

51 2

510

18

0

51 3

510

18

—20

51 4

510

20

—30

51 5

510

20

—40

51 6

510

20

— 50

51 7

510

20

— 60

П р и м е ч

а и и с. В группе

индексов первые

два индекса характе-

рнзуют минимальное значение временного сопротивления ов, а тре

тий индекс характеризует одновременно минимальные значения пока- зателей б5 и Т х-

Если показатели б5 и Т х согласно таблице соответствуют различным индексам, третий индекс устанавливается по минимальному значению показателя 6е и в группу индексов вводится в скобках четвертый дополнительный индекс, характеризующий показатель Т .

дов типа Э-46. По содержанию серы и фосфора электроды относятся к 2-й группе и обозначаются цифрой 2.

Индексы по п. 7, характеризующие наплавленный металл и металл

шва, устанавливаем по паспорту, в соответствии с которым электроды марки УОНИ-13/45 имеют минимальное временное сопротивление 430 МПа/мм2, что по табл. 12

Рекомендуемая полярность постоянного токаI I я пряжен нс холостого хода источника переменного тока, ВОбозначениеJq s СО и S S ° О Еёо "с ёОбратная——0 *Любая Прямая Обратная50±5123Любая Прямая Обратная70±10456Любая Прямая Обратная90±5789* Цифрой 0 обозначают электроды для сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности.Рекомендуемая полярность постоянного токаI I я пряжен нс холостого хода источника переменного тока, ВОбозначениеJq s СО и S S ° О Еёо "с ёОбратная——0 *Любая Прямая Обратная50±5123Любая Прямая Обратная70±10456Любая Прямая Обратная90±5789* Цифрой 0 обозначают электроды для сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности.Таблица 13. Обозначение электродов в зависимости от тока, полярности и поминального напряжения холостого хода источника питанияТаблица 13. Обозначение электродов в зависимости от тока, полярности и поминального напряжения холостого хода источника питаниясоответствует индексу 43, а минимальное относительное удлинение 65 = 22 %, по этой же таблице этот индекс обозначается цифрой 2.

Рекомендуемая полярность постоянного тока

I I я пряжен нс холостого хода источника переменного тока, В

Обозначение

Jq s СО и S S ° О Её

о "

с ё

Обратная

—

—

0 *

Любая Прямая Обратная

50

±5

1

2

3

Любая Прямая Обратная

70

±10

4

5

6

Любая Прямая Обратная

90

±5

7

8

9

* Цифрой 0 обозначают электроды для сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности.

Рекомендуемая полярность постоянного тока

I I я пряжен нс холостого хода источника переменного тока, В

Обозначение

Jq s СО и S S ° О Её

о "

с ё

Обратная

—

—

0 *

Любая Прямая Обратная

50

±5

1

2

3

Любая Прямая Обратная

70

±10

4

5

6

Любая Прямая Обратная

90

±5

7

8

9

* Цифрой 0 обозначают электроды для сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности.

Таблица 13. Обозначение электродов в зависимости от тока, полярности и поминального напряжения холостого хода источника питания

Таблица 13. Обозначение электродов в зависимости от тока, полярности и поминального напряжения холостого хода источника питания

Учитывая, что показатель минимальной температуры, при которой ударная вязкость KCU составит не менее 35 Дж/см2, в данном случае отличается от показателя относительного удлинения, вводим дополнительный индекс, учитывающий действительное значение минимальной температуры, при которой ударная вязкость металла шва будет не менее 35 Дж/см2. По паспорту на электроды УОНИ-13/45 это будет температура минус 40 °C, что согласно табл. 12 должно обозначаться цифрой 5, которая проставляется в скобках. Условное обозначение п. 7 схемы примет вид 43 2 (5).

Вид покрытия электродов УОНИ-13/45 по паспорту —; основное, что обозначается буквой Б. Электродами УОНИ-13/45 возможна сварка во всех пространственных положениях, что обозначается цифрой 1. Сварка должна производиться на постоянном токе обратной полярности и согласно табл. 13 обо-

НомерНомерзначается цифрой 0.значается цифрой 0.ГОСТа, определяющего общие требования к электродам — 9466—75. Номер ГОСТа, определяющего требования к электродам типа Э-46А —9467—75. Условное обозначение электродов типа Э-46А марки УОНИ-13/45 имеет вид

Номер

Номер

значается цифрой 0.

значается цифрой 0.

ГОСТ 9466 — 75,ГОСТ 9466 — 75,Э-46А — УОНИ-13/45 — 3,0 — УС2

ГОСТ 9466 — 75,

ГОСТ 9466 — 75,

Е432 (5) — Б10

ГОСТ 9467—75,

а в технической документации УОНИ-13/45—3,02 — ГОСТ 9466—75. 96

Наряду с тонкопокрытыми электродами, предусмотренными ГОСТом, временное сопротивление наплавленного металла которых должно быть не менее 380 МПа/мм2, в практике иногда применяют электроды со стабилизирующим покрытием.

Такие покрытия наносят на электродные стержни тонким слоем и масса покрытия составляет обычно 1 — 2 % от массы стержня. Механические свойства металла шва, сваренного электродами со стабилизирующими покрытиями, низкие и практически не отличаются от свойств металла шва, сваренного голой проволокой. Поэтому эти электроды применяют редко, в основном для сварки неответственных изделий.

Условное обозначение электродов для сварки легированных конструкционных сталей с ов ^ 600 МПа/мм2 и легированных теплоустойчивых сталей

Условные обозначения этих электродов будут отличаться от ранее рассмотренного (см. рис. 44, поз. 7), характеризующего наплавленный металл и металл шва.

В обозначении электродов для сварки легированных конструкционных сталей с пв ^ 600 МПа/мм2 п. 7 схемы должны иметь три индекса.

Первый индекс — двузначное число, соответствующее среднему содержанию углерода в сотых долях процента (по паспорту).

Второй индекс — обозначение химического состава наплавленного металла по принятой системе маркировки сталей. Буквой — соответствующий элемент, и цифрами, показывающими среднее содержание этого элемента в наплавленном металле в процентах (с погрешностью до 1 %). Эти два индекса устанавливаются по паспортам или ТУ на электроды.

Третий индекс, характеризующий минимальную температуру, при которой ударная вязкость металла шва наплавленного металла составляет не менее 35 Дж/см2, устанавливается:

Минимальная температура (°C), при которой ударная вязкость KCU составляет Индекс не менее 35 Дж/см?

Не регламентируется 0

+20 .. . .1

0 2

—20 3

—30 4

— 40 5

— 50 6

— 60 7

В обозначении электродов для сварки легированных теплоустойчивых сталей п. 7 должен иметь два индекса.

Первый индекс аналогичен третьему индексу для легированных конструкционных сталей с ов > 600 МПа/мм2.

Второй индекс, характеризующий максимальную рабочую температуру, при которой регламентированы показатели длительной прочности наплавленного металла и металла шва, устанавливается по паспорту или ТУ:

Максимальная рабочая температура, °C, при которой регламентированы показатели Индекс длительности прочности наплавленного металла и металла шва

Не регламентирована или ниже 450 ........0

450—465 .. .1

470—485 2

490—505 3

510—525 4

530—545 5

565 6

570— 585 7

590— 600 8

Св. 600 9

Условное обозначение электродов для дуговой сварки высоколегированных сталей (ГОСТ 10052—75)

Обозначение таких электродов отличается только группой индексов, характеризующих наплавленный металл и металл шва (п. 7 схемы). Эта группа должна состоять из четырех индексов.

Первый индекс характеризует стойкость наплавленного металла и металла шва'против межкристаллитной коррозии;

Наплавленный металл и металл шва

не склонны к межкристаллитной коррозии Индекс при испытании по ГОСТ 6032—58

Данные отсутствуют 0

ПометодуЛ 1

»»АМ 2

»»Б 3

»» В .. . .4

»»Д 5

Второй индекс указывает максимальную рабочую температуру, при которой регламентированы показатели длительной прочности наплавленного металла и металла шва:

Максимальная рабочая температура °C, при которой регламентированы показатели длительной прочности наплавленного металла Индекс и металла шва

Данные отсутствуют О

До 500 1

510—550 2

560—660 3

610—650 4

660—700 5

710—750 6

760—800 7

810—850 8

Св. 850 9

Третий индекс характеризует максимальную рабочую температуру сварных соединений, при которой допускается применение электродов для сварки жаростойких сталей:

Максимальная рабочая температура °C

сварных соединений, при которой допускается Индекс применение электродов для сварки жаростойких

сталей

Данные отсутствуют 0

До 600 1

610—650 2

660—700 3

710—750 4

760— 800 5

810—900 6

910—1000 7

1010—1100 8

Св. 1100 9

Четвертый индекс указывает содержание ферритной фазы в наплавленном металле для электродов, обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру наплавленного металла:

Массовое'содержание ферритной фазыИндекс

в наплавленном металле, %

Не нормируется. 0

0,5—4,0 1

2,0—4,0 2

2,0—5,5 3

2,0—8,0 4

2,0—10,0 5

6786784,С —10,0 5,0 — 15,0 10,0—20,0

6

7

8

6

7

8

Все данные, необходимые для составления группы индексов по поз. 7 рис. 44 должны быть взяты из паспортов или ТУ на электроды конкретных марок.

Пример 2. Составить группу индексов, учитывающих характеристики наплавленного металла и металла шва, для условного обозначения электродов марки ЦЛ-9 (типа Э-10Х25Ы13Г2Б).

По паспорту наплавленный металл и металл шва не склонны к межкристаллитной коррозии при испытании по методу АМ, что соответствует индексу 2 (см. с. 98).

Данные по длительной прочности па эти электроды в паспорте отсутствуют, что соответствует индексу 0 (см. с. 99).

Эти электроды могут быть применены для выполнения сварных соединений жаропрочных сталей, работающих при температуре до 1000 СС, что соответствует индексу 7 (см. с. 99).

Содержание ферритной фазы в направленном металле 3,0—10,0 %, что соответствует индексу 5 (см. с. 99) и группа индексов п. 7 примет вид 2075.

Условное обозначение электродов марки ЦЛ-9, диаметром 5,0 мм будет иметь следующий вид:

ГОСТ 9466 — 75,ГОСТ 9466 — 75,Е — 2075 — Б — 30Е — 2075 — Б — 30Э-10Х25Н13Г2Б — ЦЛ-9 —5,0 —ВД1

ГОСТ 9466 — 75,

ГОСТ 9466 — 75,

Е — 2075 — Б — 30

Е — 2075 — Б — 30

ГОСТ 10052 — 75,

а в технической документации ЦЛ-9—5,00—1—ГОСТ 9466—75.

Условное обозначение электродов по ГОСТ 10051—75 для дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами

Оно отличается от ранее рассмотренной схемы,

только группой индексов, указывающих характеристики наплавленного металла п. 7 и эта группа должна состоять из двух индексов.

Первый индекс указывает среднюю твердость наплавленного металла табл. 14. Индекс фиксируется двумя показателями твердости, по Виккерсу слева от косой черты, по Роквеллу справа от косой черты.

Второй индекс указывает, подвергался ли наплавленный металл до испытания термической обработке.

Если твердость обеспечивается без термической обработки после наплавки, то проставляется индекс 1, если после термической обработки, то проставляется индекс 2.

Таблица 14. Индексация электродов, регламентированных ГОСТ 10051—75, применяемых для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами, в зависимости от твердости

Твердость

Индекс

Твердость

Индекс

HV

HRC3

HV

hrc3

175—224

13—21

200/17

675—724

58

700/58

225—274

22—28

250/25

725—774

59—60

725/60

275—324

29—35

300/32

775—824

61

800/61

325—374

26—38

350/37

825—874

62—63

852/62

375—424

39—43

400/41

875—924

64

900/64

425—474

44—47

450/45

925—974

65

950/65

475—524

48

500/58

975—1024

66—67

1000/66

525—574

49—51

550/50

1025—1074

68

1050/68

575—624

52—54

600/53

1075—1124

69

1100/69

625—674

55—57

650/56

1125—1175

70—71

1150/70

В тех случаях, когда в паспорте или ТУ приводятся данные по твердости металла как без термической обработки после наплавки, так и после термической обработки (или после термической обработки) по разным режимам, то группа индексов п. 7 дополняется соответствующими парами индексов, указываемыми в скобках.

Данные, необходимые для составления групп индексов по п. 7, должны быть взяты по паспорту или ТУ на электроды конкретных марок для некоторых типов электродов по табл. 11.

Пример 3. Составить группу индексов, указывающих характеристики наплавленного металла (п. 7 схемы), для условного обозначения электродов марки 12АН/ЛИВТ типа Э-Х7Г2С.

По паспорту устанавливаем среднюю твердость наплавленного металла: 32 HRC, 300 HV. Тогда первый индекс согласно табл, 14 следует обозначать 300/32.

Второй индекс, учитывая, что твердость обеспечивается без термической обработки после наплавки, обозначается 1, и группа индексов п, 7 примет вид 300/32—1.

Существует шесть видов электродных покрытий. Рассмотрим особенности кислого, основного целлюлозного и рутилового (ГОСТ 9466—75).

Кислое покрытие обозначается буквой А и свидетельствует, что в составе этих покрытий имеется значительное количество материалов рудного происхождения (например, электроды марки ЦМ-7), содержащих кислые компоненты: марганцевая руда, гематит, кремнезем и большое

количество ферромарганца, необходимого для раскисления металла шва и увеличения производительности за счет железа, переходящего из покрытия в металл шва. Газовая защита обеспечивается разложением под действием теплоты дуги органических составляющих покрытия. Сварку электродами с этим видом покрытия можно производить на постоянном и переменном токе, а при коэффициенте покрытия (отношение массы покрытия к массе покрытой части стержня) до 0,4 возможна сварка во всех пространственных положениях. В процессе сварки этими электродами сварочная панна бурно кипит вследствие активного раскисления металла сварочной ванны углеродом, что способствует хорошей дегазации металла шва, поэтому даже при сварке по окалине или ржавчине получаются плотные швы.

Недостатками кислых покрытий электродов являются;

склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин;

повышенное разбрызгивание металла;

значительное выделение в процессе сварки вредных марганцевых соединений.

Основное покрытие обозначается буквой Б. Это покрытие содержит: карбонат кальция, карбонат магния, плавиковый шпат, ферросплавы и некоторое количество кремнезема. Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, образующимися вследствие диссоциации карбонатов (например, электроды марки УОНИ-13/45).

Электроды с покрытием этого вида применяются в основном для сварки на постоянном токе обратной полярности. Чтобы использовать электроды этого вида для сварки на переменном токе, в покрытие вводят материалы, содержащие легко ионизирующие элементы: калиевое жидкое стекло, поташ, кальцинированную соду и др.

Металл, наплавленный электродами с основным покрытием, обладает минимальным содержанием кислорода и азота, хорошей стойкостью против образования кристаллизационных трещин и старения, высокими показателями ударной вязкости как при положительных, так и отрицательных температурах. Поэтому эти электроды предназначаются для сварки конструкций из углеродистых и конструкционных сталей, жестких конструкций излитых углеродистых и низколегированных высокопрочных сталей.

Недостатком этого вида покрытий электродов является повышенная чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия, удлинении дуги и при наличии окалины, ржавчины или масла на кромках свариваемых деталей.

Целлюлозное покрытие обозначается буквой Ц. Оно содержит преимущественно материалы органического происхождения (крахмал, декстрин, целлюлозу, древесную муку), которые, разлагаясь под действием теплоты дуги, обеспечивают интенсивную газовую защиту расплавленного металла.

Шлакообразующим в данном покрытии служит титановый концентрат, рутил, раскислителем — ферромарганец, (например, электроды марки ВСЦ-4).

Коэффициент покрытия электродов этого вида составляет 0,12—0,15, н они образуют небольшое количество шлака, что позволяет применять их для сварки во всех пространственных положениях. Они пригодны для сварки на постоянном и переменном токе и по механическим свойствам соответствуют электродам типа Э-42.^

Рутиловое покрытие обозначается буквой Т. В составе этих покрытий имеются материалы, содержащие значительное количество титановых соединений: рутил, тита- повый концентрат, ильменит и др. Типичным представителем этого вида покрытия является покрытие электродов марки АНО-4с (см. форму 1). Это покрытие содержит минералы: рутиловый концентрат, мусковит, магнезит, обеспечивающие устойчивость горения дуги, шлаковую защиту, а за счет диссоциации некоторых элементов частичную газовую защиту. Раскисление и легирование достигается наличием ферромарганца, а газовая защита — целлюлозой. Имеющееся в покрытии некоторое количество калиевого жидкого стекла позволяет выполнять сварку этими электродами также па переменном токе.

Рутиловые покрытия наряду с относительно малой вредностью для сварщиков обладают хорошими технологическими свойствами.

Процесс изготовления покрытых электродов слагается из ряда операций, приведенных в схеме 2. Подготовка электродных стержней, материалов электродных покрытий, нанесение покрытия на электродные стержни, сушка и прокалка электродов производятся на специальном оборудовании, обеспечивающем получение готовых электродов в соответствии с требованиями ГОСТов и ТУ.

Схема 2

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

to Ss Я Л

Ss

3

и

to to я

X

2

го 2 я я

го

го тз и &

Е

го

СО

я я X

я

я я X

я

СП

X

2

я

X

о

я

X

л

х

X

2

X

X

2

13

2

X

W

го

го'

2

X

я

я

у

X

я

я

S3

S3

Ss

S3

X

я о

я X

S3 Ss

о

S3

я

X S3

я

X

Ss

я to

го го X я

го X

СО

S3 Е го

я to

X го

го я

я го

го X

я 2

S3 У я

я я Е

2

го я

о о S3 го

2 го

2 го

ГО

я

я ё S

го S3 О

2 го

я го ЯС

3 н го X

to S3

X

я

к

я о я я

Е го

X

S3

X

го

я

я

S3

S3

8

to to я

я о я

Ез

я

го 5 к« 2 • CD

X н я

Ss го я

и

X го я

го

Ss 3 го У

го О го -3 о X

я to

X я

у

15

Я

го

S3

S3 го о X

я Е го

X

о

2 го

Я

X

го

го

ГО

to Я я X

X я 2

о

я

X

X

S3 о

я

Е

X

2 я о я го я

2

S3

X

го

Зя S3 X

го

S3 to Я о я

2

о

2

X

я

3

я

я to

S3 го

я го

to Ss

го S3 у я

я со

2 го

и

S3

я го н Е X

я я to

о S3 го я я

я

я

я

Е X

to

S3 го я=

го

я я го я

о X го

13

S3 8 го

to to я

о я

Яс

S х

я

я X

я

о

я

я

2 го

X

го я 2 о го н

я

X го Ss

Яс У2 _ X

яУ

Ss 3 го

S3 S3 о я

я

2 о

я Е го

S3 го я Е го

о

я X

X

я

X

Е

2

я

го

Е

я to to я to

3

я

о

X

х

я

Я

X

to

X

Я

п

я

S3

я

о

го

X

я

я

Ез

го

я=

го

го

X

я

to

я

S3

я

ЯС

8

я

2

2

X

я

я

X

X

о

S3

2 о

я го

я to

X я

я

о я я

о о

го я

го

S3

S3 я

я я Е го

X to

я

S3 X

S3 я я н го

S3

S3 го

я to to

S3

S3 to

я я

to S3 го

X го

to я to

X Ja

го X S3

2 го

S3 го

S3 го

S3 го

го

>3 я

о

2 о го

S3

8

я

Е х

to

S3

го S3 X го

2

S3

3 я м

Е я to

о я о Яс

to to

§

Е х

я to я я Е X

я го н я Е X

2 го н to

S3

я 2 го я го я я X

3 го Е

я

о

S3

S3 н ГО Е Я=^

го я

X я

я У

в го

го н у

Е Ss to

го

л

2 я

Е

го го

го

я

о го

2

Ss X

я

о о го

го X я

to

я

Ss 8 го У

я 2 го

го2

го

я

U) S3 го X

го Ол о я to

S

х

3 го to 2

S

SX

X

Sa to

§ 13. ФЛЮСЫ ДЛЯ ДУГОВОЙ И ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

Ss X

го я to

Xя

Е го го н я го я я о я О

о

to го н я

о я

я

X

2

го го X о 2

2 го -i to Ss Ss О Я

to я

X

3

я X

Е

X to

to

я

to 'Я 2 го Я

гого

S3 го я X

Е я

го Я я X

оо о я У

5 Е

О -

7 S

Зя

я to

Я х ГО го X о №

ГО

S

S X

SX

я

X я

to

низкокремнистые (до 35 % SiO2) и безкремнистые (в качестве примесей не более 4 % SiO2), безмарганцевые (не более 1,0 % МпО), марганцевые (более 1,0 % МпО).

По степени легирования металла шва различают флюсы пассивные, практически не вступающие во взаимодействие с расплавленным металлом; активные, которые могут быть слабо легирующими (например, плавленые флюсы), и сильно легирующими — большинство керамических флюсов.

По способу изготовления флюсы делятся на плавленые и пеплавленые.

Плавленые флюсы, на которые распространяется ГОСТ 9087—81, получают путем сплавления в электрических и пламенных печах шихты определенного состава с последующей их обработкой для получения крупинок требуемого размера. Неплавленые флюсы изготовляются без расплавления шихты. К ним относятся:

флюсы, получаемые путем измельчения минералов, как, например, флюс Б КФ-1, состоящий только из крупинок плавикового шпата;

путем смешивания крупинок нескольких материалов. Эти флюсы просты в изготовлении, но в связи с наличием в таком флюсе материалов с различной удельной плотностью при транспортировке и в процессе сварки происходит их сепарация, что меняет степень легирования отдельных участков наплавки или шва, а это крайне нежелательно;

керамические флюсы, предложенные акад. К. К. Хреновым, представляют собой механическую смесь тонкоизмельчепных природных минералов, ферросплавов и искусственных силикатов, сцементированных жидким стеклом и гранулируемых на крупинки определенных размеров. Керамические флюсы, шихтуемые из фтористых и хлористых солей, обладают свойствами самоспекания и изготавливаются без цементирующей добавки (жидкого стекла).

По строению крупинок (зерен) флюсы делятся на стекловидные, пемзовидные и цементированные.

Стекловидный плавленый флюс представляет собой прозрачные зерна, окрашенные в зависимости от состава флюса в различные тона: от светло-синего до темно-бурого. Для получения его жидкий флюс при температуре 1200—1250 °C тонкой струей льют в бак с проточной водой. Плотность такого флюса 1,2—1,6 г/см3, 106

Температура, ° СТемпература, ° СРис. 45. Изменение вязкости флюсов в зависимости от температуры:1 » флюс АН-8; 2 —- флюс АН-348А; 3 ** флюс АШ; 4 — плавиковый шпатРис. 45. Изменение вязкости флюсов в зависимости от температуры:1 » флюс АН-8; 2 —- флюс АН-348А; 3 ** флюс АШ; 4 — плавиковый шпат

Температура, ° С

Температура, ° С

Рис. 45. Изменение вязкости флюсов в зависимости от температуры:

1 » флюс АН-8; 2 —- флюс АН-348А; 3 ** флюс АШ; 4 — плавиковый шпат

Рис. 45. Изменение вязкости флюсов в зависимости от температуры:

1 » флюс АН-8; 2 —- флюс АН-348А; 3 ** флюс АШ; 4 — плавиковый шпат

Пемзовидный плавленый флюс представляет собой крупинки пенистого материала различных оттенков. Для получения его расплав, нагретый до 1550—1600 °C, выливают в воду. При этом пары воды вспенивают расплавленную массу, образуя пемзовидный флюс, плотность которого менее 1,0 г/см3.

Стекловидный флюс обеспечивает лучшую, чем пемзовидный защиту зоны сварки. Но более качественное формирование видном флюсе. Цементированный флюс — это неплавленый керамический флюс, состоящий из порошковых материалов, сцементированных обычно жидким стеклом и обработанных для получения крупинок определенных размеров.

По характеру зависимости вязкости шлаков от температуры различают флюсы, образующие шлаки с различными физическими свойствами (рис. 45).

Флюсы, вязкость шлаков которых с понижением температуры возрастает медленно, называют длинными. А флюсы, вязкость шлаков которых с понижением температуры возрастает быстро, называют короткими. Это свойство флюсов существенно влияет па формирование шва. Преимущественно находят применение флюсы с короткими шлаками, какими являются основные флюсы.

Характеристика и область применения наиболее распространенных флюсов

При сварке под флюсом состав флюса полностью определяет состав шлака и атмосферу дуги, а взаимодействие жидкого шлака с расплавленным металлом сварочной ванны оказывает существенное влияние на химический состав, структуру и свойства шва.

Применительно к углеродистым сталям качественный шов можно получить при следующем сочетании флюсбв и сварочной проволоки:

плавленый марганцевый, высококремнистый флюс и низкоуглеродистая или марганцевая проволока;

плавленный безмарганцевый, высококремнистый флюс и пизкоуглеродистая марганцовистая сварочная проволока;

керамический флюс и низкоуглеродистая сварочная проволока.

При сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей чаще всего используется углеродистая проволока марок Св-08 и Св-08А в сочетании с высококремнистым марганцевым флюсом марок ОСЦ-45, АН-348А, ОСЦ-45М, АН-348АМ (мелкий). Требования к этим флюсам регламентируются ГОСТ 9087—81.

Флюсы ОСЦ-45 и АН-348А с размером зерна 0,35— 3,0 мм предназначены для автоматической сварки сварочной проволокой диаметром 3 мм и более. Флюсы ОСЦ-45М и АН-348АМ с размерами зерна 0,25—1,6 мм применяют для автоматической и полуавтоматической сварки проволокой диаметром менее 3 мм. Состав некоторых марок плавленых флюсов приведен в табл. 15.

Таблица 15. Состав некоторых марок плавленых флюсов для

Массовое содержание

Марка флюса

S1O,

МпО

СаР2

MgO

ОСЦ-45

38,0—44,0

38,0—44,0

С в а р к

6,0—9,0

а у г л е р о До 2,5

АН-348А

41,0—34,0

34,0—38,0

4,0—5,5

5,0—7,5

ОСЦ-45М

38,0—44,0

38,0—44,0

6,0—9,0

До 2,5

АН-348АМ

41,0—44,0

34,0—38,0

3,5—4,5

5,0—7,5

ФЦ-9

39,5

40,0

2,6

До 1.0

АН-8

34,5

23,5

16,0

6,0

АН-22

18,0—21,5

7,0—9,0

С в а р к 20,0—24,0

а легиро

11,5—15,0

АН-26С

29,0-33,0

2,5—4,0

20,0—24,0

15,0—18,0

48-ОФ-6

9,0—12.0

—

35,0—45,0

11,0—14,0

АН-17

4,0

0,3

45,0—60,0

3,0

Шихта флюса ОСЦ-45 состоит из марганцевой руды, кварцевого песка и плавикового шпата. Флюс малочувствителен к ржавчине, дает плотные швы, стойкие против образования горячих трещин. Недостатком флюса является большое выделение вредных фтористых газов.

Шихта флюса АН-348А состоит из марганцевой руды, плавикового шпата, кварцевого песка и каустического магнезита. Он более чувствителен к коррозии, чем флюс ОСЦ-45, но выделяет меньше вредных фтористых газов.

Для сварки низкоуглеродистых сталей проволокой Св-08, Св-08А могут применяться керамические флюсы КВС-19 и К-П, приведенные в табл. 16.

При сварке высоколегированных сталей необходимо избегать окисления легирующих примесей, вводимых в металл шва из основного металла и сварочной проволоки. Поэтому обычно применяемые для сварки низколегированных сталей плавленые флюсы при сварке высоколегированных сталей непригодны, так как содержащиеся в них в большом количестве окислы марганца и кремния при сварке окисляют хром, титан и другие полезные примеси. В результате снижается коррозионная устойчивость и сопротивление образованию горячих трещин металла шва. Кроме того, большое количество ок-

сварки углеродистых и легированных сталей

компонентов, %

СаО

А12ОЗ

К2О Na2O

Fe2Os

S

р

д и с т ы х сталей

До 6,5

До 5,0

—

До 2,0

До 0,15

До 0,15

» 6,5

» 4,5

—

» 2,0

» 0,15

» 0,12

> 6,5

» 5,0

—

» 2,0

» 0,15

» 0,10

» 6,5

» 4,5

—

» 2,0

» 0,15

» 0,12

3,5

11,0

—

» 0,5

—

—

5,5

13,0

—

> 1,5

До 0,15

До 0,15

ванных сталей

12,0—15,0

19,0—23,0

1,0—2,0

До 1,0

До 0,06

До 0,05

4,0—8,0

19,0—23,0

—

1,5

» 0,10

» 0,10

До 8,0

28,0—34,0

—

—

» 0,05

» 0,04

16,0—23,0

20,0— 27,0

—

1,5

—

—

сидов (FeO, MnO, SiO2, TiO2) в жидком шлаке окисляет тонкий верхний слой затвердевшего шва, и эта пленка оксидов прочно сцепляется с оксидами застывшего шва,

что затрудняет удаление корки шлака с поверхности

шва. Поэтому для сварки высоколегированных сталей применяют пассивные по химическим свойствам основные флюсы, не содержащие или содержащие очень мало оксида марганца (II) и кремнезема (табл. 15).

Материал□> о Т SOе^иРуда марганцевая5460Песок кварцевый3020Шпат плавиковый710Ферросилиций 75 % -ный710Алюминиевая пудра2—Натриевое жидкое стекло (от массы сухой смеси)15—1715Материал□> о Т SOе^иРуда марганцевая5460Песок кварцевый3020Шпат плавиковый710Ферросилиций 75 % -ный710Алюминиевая пудра2—Натриевое жидкое стекло (от массы сухой смеси)15—1715Таблица 16. Состав шихты (массовая часть) керамических флюсовТаблица 16. Состав шихты (массовая часть) керамических флюсовВ тех случаях, когда в металле необходимо сохранить элементы, имеющие большое сродство к кислороду, следует применить бескислородные флюсы, химически инертные к металлу сварочной ванны, например флюс БКФ-1 или керамический флюс ФЦК.

Материал

□> о Т SO

е^

и

Руда марганцевая

54

60

Песок кварцевый

30

20

Шпат плавиковый

7

10

Ферросилиций 75 % -ный

7

10

Алюминиевая пудра

2

—

Натриевое жидкое стекло (от массы сухой смеси)

15—17

15

Материал

□> о Т SO

е^

и

Руда марганцевая

54

60

Песок кварцевый

30

20

Шпат плавиковый

7

10

Ферросилиций 75 % -ный

7

10

Алюминиевая пудра

2

—

Натриевое жидкое стекло (от массы сухой смеси)

15—17

15

Таблица 16. Состав шихты (массовая часть) керамических флюсов

Таблица 16. Состав шихты (массовая часть) керамических флюсов

Технология изготовления флюсов

Производство плавленых флюсов. Процесс производства плавле

ных флюсов слагается из трех стадий: подготовка шихты, выплавка флюса, грануляция и последующая обработка флюса.

Подготовка шихты содержит в основном те же операции, что и подготовка подобных материалов электродных покрытий до операции помола. Измельчение кусковых

материалов производится до получения зерен размером 2—3 мм. Подготовленные материалы дозируются по данным паспорта на флюс или по расчету и тщательно смешиваются (кроме плавикового шпата).

Плавка флюса производится в электродуговых или пламенных печах. Плавиковый шпат добавляют в шихту фшюса в последний период плавки во избежание излишних потерь фтора. Плавку ведут до полного расплавления шихты и надлежащего раскисления расплавленного флюса.

Грануляция флюса осуществляется двумя способами: мокрым и сухим. При мокрой грануляции для получения

стекловидного флюса расплавленный флюс сливают тонкой струей в бак с водой. Попадая в воду, флюс дробится на относительно мелкие частицы. Мокрый способ грануляции прост и удобен в эксплуатации. При сухой грануляции флюс выливается в металлическую форму и после охлаждения измельчается механическим путем.

Сушка флюса после мокрой грануляции производится в специальных сушильных шкафах при температуре 250—350 °C. Высушенный флюс может иметь влажность не более 0,1 %. После сушки гранулированный флюс просеивается на механизированных ситах, расположенных в несколько рядов. Крупные зерна, остающиеся в первом сите, подлежат измельчению и повторному просеву. Зерна, остающиеся во втором сите, используются для сварки, а зерна, проходящие через второе сито, подлежат переплавке.

Контроль качества флюса заключается в проверке его соответствия требованиям ГОСТа или ТУ по химическому составу, размеру зерен, плотности, влажности и внешнему виду. В некоторых случаях качество флюса определяется при сварке, когда определяют стойкость сварных швов против образования пор и кристаллизационных трещин, качество формирования швов и стабилизирующие свойства флюса.

Производство керамических флюсов. Технология подготовки материалов шихты для изготовления керамического флюса содержит в основном те же операции, что и технология подготовки материалов электродных покрытий (см. схему 2).

После дозировки порошки тщательно смешиваются в специальных смесителях, а затем замешиваются на водном растворе жидкого стекла. Полученная однородная масса может обрабатываться несколькими способами.

Из массы готовятся брикеты, которые просушиваются и прокаливаются в течение 2—3 ч при температуре 350—450 °C, дробятся и просеиваются через сито 25 отверстий на 1 см2. Недостатком этого способа является получение большого количества отходов в виде пыли и мелочи.

Протиранием сырой массы через проволочное сито на специальных машинах-грануляторах. В результате получаются зернышки керамического флюса, достаточно однородные по размеру.

Продавливанием массы через решетку с отверстиями определенных размеров при одновременной резке на крупку вращающимися ножами.

§ 14. ГАЗЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Аргон, так же как и гелий, является одноатомным инертным газом, он бесцветен, не имеет запаха, тяжелее воздуха, что обеспечивает хорошую защиту сварочной ванны.

В промышленности аргон добывается при получении кислорода и азота из воздуха, массовая доля в котором составляет 1,28 %.

Аргон, предназначенный для сварки, регламентируется ГОСТ 10157—79 и в зависимости от содержания и назначения делится на три сорта.

Аргон высшего сорта (не менее 99,99 % Аг) предназначен для сварки титановых сплавов, циркония, молибдена и других активных металлов и их сплавов, а также особо ответственных изделий из нержавеющих сталей.

Аргон первого сорта (не менее 99,98 % Аг) предназначен для сварки плавящимся и неплавящимся электродом алюминиевых и магниевых сплавов.

Аргон второго сорта (не менее 99,95 % Аг) предназначен для сварки изделий из чистого алюминия, коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов.

Смеси аргона с другими газами в определенных процентных отношениях поставляются по особым ТУ.

Гелий — инертный газ без цвета и запаха, значительно легче воздуха. Получают из природных газов методом фракционной конденсации, который заключается в следующем. Природный газ, содержащий гелий, подвергают неоднократному сжатию и охлаждению, при этом примеси, имеющие более высокую, чем гелий, температуру сжижения, превращаются в жидкость. Гелий, температура сжижения которого равна —269 °C, остается при этом в газообразном состоянии. После ряда сопутствующих химических очисток окончательная очистка гелия производится пропусканием его через активированный уголь, после чего он поступает в баллоны. ГОСТ 20461—75 предусматривает два сорта газообразного гелия: гелий высокой чистоты (99,98 Не) и гелий технический (99,8 % Не).

Углекислый газ в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с едва ощутимым запахом.

При повышенном давлении и низкой температуре углекислота переходит в жидкое или твердое состояние. Под давлением 528 кПа и при температуре —56 °C углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Плотность жидкой углекислоты сильно изменяется с температурой. Так, масса 1 л жидкой углекислоты при температуре +20 °C равна 0,77 кг, а при температуре ниже 11 °C жидкая углекислота становится тяжелее воды. Поэтому она поставляется не по объему, а по массе. При испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа.

В промышленном масштабе углекислоту можно получить следующими способами:

из известняка, в котором содержится до 40 % СО2, кокса или антрацита путем их обжига в специальных печах;

на установках, работающих по сернокислому методу за счет реакций взаимодействия серной кислоты с эмульсией мела;

из газов брожения гидролизной, сахарной промышленности;

из выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрим третий способ получения СО2 применительно к гидролизному производству, как более распространенный.

На гидролизных заводах при брожении дрожжей । / с опилками выделяются газы, содержащие 99 % СО21/ (рис. 46). Газ из бродильного чана 1 подается насосами, а при наличии достаточного давления поступает самостоятельно в газгольдер 2, где происходит отделение от него твердых частиц. Затем газ поступает в промывочную башню 3, заполненную коксом или керамическими кольцами, где он омывается встречным потоком воды и окончательно освобождается от твердых частиц и растворимых в воде примесей. После промывки газ поступает в предварительный компрессор 4, где он сжимается до давления 400—550 кПа.

Так как при сжатии температура газа повышается до 90—100 °C, то после компрессора газ поступает в трубчатый холодильник 5, где охлаждается до 15 °C. Затем

газ направляется в маслоотделитель 6, где отделяется масло, попавшее в газ при сжатии. После этого газ подвергается очистке водными растворами окислителей (КМпО4, К2Сг2Р7, гипохромитом) в башне 7, а затем осушке активированным углем или силикагелем в башне 8.

После очистки и осушки газ поступает в двухступенчатый компрессор 9. На ступени / происходит сжатие

Рис. 46. Схема получения углекислого газа на гидролизных заводах

его до 1—1,2 МПа; затем он поступает в холодильник 10, где охлаждается со 100 до 15 °C, проходит маслоотделитель 11 и поступает на II ступень компрессора, где сжимается до 6—7 МПа, превращается в жидкость и собирается в цистерну 12, из которой производится наполнение стандартных баллонов или других емкостей (танков).

Хранится жидкая углекислота в баллонах при давлении 5—6 МПа.

В стандартные баллоны емкостью 40 л летом заливается 25 л углекислоты, при испарении которой образуется

12 600 л газа, а зимой заливается 30 л углекислоты при испарении которой образуется 15120 л газа. ,

Углекислый газ, предназначенный для сварки, должен соответствовать ГОСТ 8050—76, который в зависимости от содержания СО2 предусматривает два сорта сварочной углекислоты: первый сорт с содержанием СО2 не менее 99,5 %, второй сорт с содержанием СО2 не менее 99 %.

Сварочную углекислоту не разрешается заливать в баллоны из-под пищевой (98,5 % СО2 не менее) и технической (98 % СО2 не менее) углекислоты.

В связи с тем, что последние порции газа, выходящие из баллона, могут содержать повышенное количество паров воды, не следует использовать для сварки углекислоту при давлении в баллоне менее 0,4 МПа.

Азот — газ без цвета и запаха; при температуре V —196 °C превращается в жидкость. Азот является нейтральным по отношению к меди, а при высоких температурах ряд металлов с азотом образует нитриды (титан, молибден и др.).

Получают азот из атмосферного воздуха, путем его сжижения с последующей ректификацией. Газообразный азот применяется для сварки меди, аустенитных сталей и плазменной резки. Технический газообразный азот должен соответствовать требованиям ГОСТ 9293—74, регламентирующего три состава азота: 1) электровакуумный, не менее 99,9 % азота; 2) первый сорт — не менее 99,5 % азота; 3) второй сорт — не менее 99,0 % азота, остальное — допустимое содержание кислорода.

Водород в чистом виде представляет собой газ \у в 14,5 раза легче воздуха, не имеющий цвета, запаха и вкуса.

Для промышленных нужд водород производится следующими способами:

электролизом дистиллированной воды, при котором получают водород, кислород и некоторые примеси;

железопаровым способом, основанном на пропускании через горячее восстановленное железо пара. В результате проходящей реакции образуется водород, окись железа и некоторые примеси;

электролизом раствора хлористых солей, при этом получается водород, хлор и некоторое количество примесей.

ГОСТ 3022—80 предусматривает четыре марки технического водорода: 1) А — 99,8 % Н; 2) Б — 98 % Н;

3) В первого сорта — 98,5 % Н, второго сорта — 97,5 % Н; 4) Г первого сорта — 97,5 % Н, второго сорта — 95 % К

Сравнительная стоимость 1 м3 газа при принятии за единицу стоимость 1 м3 азота:

Азот 1

Кислород 2

Водород 3

Углекислый газ 3

Аргон20

ГелийНО

§ 15. УСЛОВИЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Электроды, флюсы, сварочная проволока, если их хранение не организовано, могут явиться причиной возникновения в сварных соединениях пор и других дефектов, поэтому к их хранению предъявляются определенные требования.

Электроды, флюсы, сварочная проволока должны храниться в специальных сухих отапливаемых помещениях при температуре не ниже 18 °C и относительной влажности воздуха не более 50 %.

Сварочные электроды и флюсы перед их выдачей в производство со склада должны подвергаться прокалке по режимам приведенных в паспортах или ТУ, разработанных предприятием-изготовителем. Так, например, электроды марки МР-3 прокаливаются при температуре 170— 200 °C в течение 1,5 ч, электроды марки УОНИ-13/45— при температуре 350—400 °C в течение 1,5 ч, флюсы марок ОСЦ-45 и АН-348 — при температурах 300—400 °C в течение 5 ч. После прокалки, если электроды не хранятся в герметической таре, они должны быть использованы в течение 5 сут, а флюс — в течение 15 сут.

Прокалка электродов может производиться не более 2 раз, помимо прокалки при их изготовлении.

Сварочная проволока должна храниться в условиях, исключающих ее загрязнение и окисление. Защитные газы хранятся и транспортируются преимущественно в баллонах емкостью 40—50 л при давлении 15 МПа, а жидкая углекислота под давлением до 6 МПа.

Для предохранения от коррозии и быстрого опознания баллоны, согласно требованиям ГОСТ 949—73, окраши- 116

Таблица 17. Окраска баллонов и марка на них

. Содержание баллона и надпись на нем

Цвет окраски

баллона

надписи

полосы

Гелий

Аргон технический

Аргон чистый

Азот

Водород

Углекислый газ

Коричневый Черный Серый Черный Темно-зеленый Черный

Белый Синий Зеленый Желтый Красный Желтый

Синий Зеленый Коричневый

ваются в разные цвета и имеют соответствующие надписи (табл. 17). В настоящее время наряду с баллонами для хранения и транспортировки газов начинают применяться танки-газификаторы как для углекислого газа, так и для аргона.

Углекислый газ транспортируют к месту потребления в основном и жидком виде в баллонах. Этот способ широко внедрен в производство, удобен там, где не требуется большого расхода СО2, а также для рампового питания небольших цехов или участков.

При газификации углекислоты, поставляемой в баллонах, могут иметь место прекращения поступления газа по следующим причинам:

образование в баллоне сухого льда вследствие превышения количества потребляемого газа по сравнению с его количеством, образующимся в баллоне;

образование в редукторе пробок из твердого СО2 и водяного льда происходит вследствие того, что в процессе дросселирования при резком снижении давления заметно падает температура.

Образование пробок из сухого и водяного льда можно предотвратить, если дросселировать не насыщенный пар, а перегретый, который после дросселирования будет иметь плюсовую температуру. Для этого между баллоном и редуктором устанавливается подогреватель (см. рис. 126).

Питание цехов углекислым газом или аргоном при большом их расходе может осуществляться от специальных рамп, обеспечивающих бесперебойное поступление газа к сварочным постам, или от танков-газификаторов, через соответствующие трубопроводы.

Транспортировка жидкой переохлажденной углекислоты танком-газификатором под давлением 0,8—1,2 МПа и температуре (—27)—(—56 °C) применена на многих предприятиях.

Транспортировка углекислоты производится автоцистерной (рис. 47), которая представляет собой двухбарабанный изотермический резервуар емкостью 3300 л, закреп-

ленный в кузове автомашиныленный в кузове автомашиныРис. 47. Общий вид газификатора (танка) низкого давления при безбал- лонном снабжении СО2Рис. 47. Общий вид газификатора (танка) низкого давления при безбал- лонном снабжении СО2ш на прицепе.

ленный в кузове автомашины

ленный в кузове автомашины

Рис. 47. Общий вид газификатора (танка) низкого давления при безбал- лонном снабжении СО2

Рис. 47. Общий вид газификатора (танка) низкого давления при безбал- лонном снабжении СО2

Автоцистерна вмещает в себя 2,7 т углекислоты. Прибывшая па завод-потребитель автоцистерна должна быть немедленно подана на площадку для перелива СО2 в газификатор, который конструктивно оформляется так же, как и автоцистерна.

Недостаток способа — необходимость теплоизоляции танка. В

остальных отношениях этот способ более рациональный. Транспортировка углекислоты должна производиться с соблюдением действующей инструкции, регламентирующей квалификацию шофера; ограниченные стоянки; поддержание определенного давления при аварийных стоянках и другие моменты, связанные с нормальной эксплуатацией автоцистер вы.

ГЛАВА IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ

И ЭЛЕКТРОЙ!ЛАКОВОЙ СВАРКЕ

§ 16. ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей его средой. При переносе металла с электрода в сварочную

ванну капли и пары электродного металла, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с газовой фазой и жидким шлаком. Расплавленный металл сварочной ванны также взаимодействует с газовой атмосферой, жидким шлаком и окружающим ее основным металлом. Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов, а зона термического влияния — от исходного состояния основного металла. Это еще усугубляется высокими температурами на отдельных участках дуги, кратковременностью пребывания металла в жидком состоянии, быстрым изменением температурного режима.

Окисление металла

и установление сродства элемента к кислороду

Кислород особенно интенсивно влияет на ход металлургических процессов при сварке. Окисление металла в сварочной ванне может происходить: при наличии в газовой фазе свободного кислорода или сложных газовых молекул (СО2, Н2О), способных при диссоциации выделять кислород; при наличии в шлаке оксидов, растворимых в металлической ванне; при химически активных компонентах, вступающих в обменные окислительно-восстановительные реакции с металлом сварочной ванны.

Окисление металла свободным кислородом газовой фазы протекает тем более интенсивно, чем больше сродство металла к кислороду. Оценить степень сродства металла к кислороду можно по прочности образующегося оксида, которая зависит от его вида, температуры и от давления кислорода, взаимодействующего с оксидом.

С повышением температуры прочность оксида понижается, происходит его диссоциация и выделяется кислород. Однако это будет иметь место только лишь в том случае, когда давление соприкасающегося с оксидом кислорода будет меньше давления кислорода, выделяющегося при диссоциации оксида. Если давления равны, то диссоциация оксида не происходит и наступает равновесие.

Давление кислорода в данной системе при нахождении ее в состоянии равновесия носит название упругости диссоциации данного оксида и обозначается ро2.

Установлено, что положение равновесия реакции окисления данного элемента (реакция диссоциации его оксидов) ^119

Рис. 48. Зависимость логарифма упругости диссоциации свободных оксидов от температурыРис. 48. Зависимость логарифма упругости диссоциации свободных оксидов от температуры

Рис. 48. Зависимость логарифма упругости диссоциации свободных оксидов от температуры

Рис. 48. Зависимость логарифма упругости диссоциации свободных оксидов от температуры

всецело определяется величиной упругости кислорода в равновесной системе или иначе упругостью диссоциации оксида рог. Чтобы судить о направлении реакции окислен ния по упругости диссоциации оксида данного элемента,

надо упругость диссоциации ро, сравнить с парциальным давлением кислорода ро2факт в условиях реакции.

Парциальное давление представляет собой давление, которое оказывал бы газ, если бы он один находился в сосуде, в том количестве, в котором он находится в смеси.

Тогда парциальное давление кислорода при О °C и 0,1 МПа составит примерно 0,021 МПа.

Если при комнатной температуре упругость диссоциации оксида ро, меньше парциального давления кислорода в атмосфере ро2факт, то состояние оксида устойчиво, и металл на воздухе окисляется. Если ро2 выше Рог факт, то устойчивым СО- стоянием будет чистый металл. Металлы с высокой упругостью диссоциации не окисляются на воздухе, например, золото, платина. ЕСЛИ РО2 " Р<д2 факт,

то состояние равновесия наступило, и реакция приостановится. У большинства металлов упругость диссоциации оксидов меньше парциального давления кислорода в атмосфере, поэтому они окисляются на воздухе.

Упругость диссоциации оксида и, следовательно, сродство элементов к кислороду зависит от температуры. Обычно упругость диссоциации оксидов с повышением температуры у всех металлов увеличивается, а сродство к кислороду уменьшается. Зависимость упругости дис

социации оксидов разных металлов от температуры представлена па рис. 48. Чем выше расположена кривая в этой системе координат, тем меньше упругость диссоциации представляемого ею оксида и тем более сильным раскислителем будет рассматриваемый элемент.

Для любого оксида область графика, лежащая выше соответствующей кривой, определяет устойчивое существование данного элемента в свободном состоянии, т. е. в чистом виде, а область графика, находящегося ниже этой кривой, определяет условие устойчивого существования оксида данного элемента. Для удобства сопоставления упругости диссоциации оксида с парциальным давлением кислорода логарифм парциального давления кислорода в воздухе, равный — 1,68, нанесен на график в виде штриховой линии.

Так, при равных концентрациях и температуре 2000 СС наибольшим сродством к кислороду обладает Са, затем Mg, Al, Ti, Si, Мп, Fe, Ni и Си. Последние два элемента обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо. Рассмотренное справедливо, если элементы окисляются свободно и независимо друг от друга, находясь в одинаковых внешних условиях.

В реальных условиях сварки последовательность окисления элемента сплава и скорость протекания окисления зависят не только от степени сродства элемента к кислороду, но и от концентрации его в расплаве. При этом установлено, что элемент будет окисляться тем легче, чем больше его концентрация.

Диссоциация газов

и некоторых материалов покрытий и флюсов в дуге

При диссоциации молекулярный водород, кислород и азот распадаются по следующим реакциям:

Н2 ^ 2Н - Q;(38)

О2 ^ 20 - Q;(39)

N2 ^ 2N - Q.(40)

Степень диссоциации характеризуется отношением распавшихся молекул к первоначальному числу молекул в единицах объема.

На рис. 49 показана зависимость степени диссоциации водорода и азота от температуры. Как видно из рисунка, степень диссоциации с увеличением температуры асимптотически приближается к единице. Такие газы, как водород и кислород, при температуре дуги почти полностью диссоциируют на атомы, а азот при этой температуре

диссоциирует незначительно. Атомарный кислород, азот и водород, соединяясь с металлом шва, ухудшают его свойства.

Наряду с диссоциацией простых газов при сварке наблюдается диссоциация материалов покрытий и флюсов, таких как плавикового шпата CaF2, мрамора СаСО3 и др. Продукты диссоциации материалов покрытий и флюсов оказывают влияние на устойчивость горения дуги и ход металлургических процессов. Плавиковый шпат при высоких температурах разлагается

Рис. 49. Зависимость степени диссоциации а водорода и азота от температурыРис. 49. Зависимость степени диссоциации а водорода и азота от температурыCaF2 -> CaF -pF; (41) молекулы фтора под действием теплоты дуги почти полностью диссоциируют и вследствие большого сродства к электрону захватывают электроны, образуя отрицательные ионы фтора:

Рис. 49. Зависимость степени диссоциации а водорода и азота от температуры

Рис. 49. Зависимость степени диссоциации а водорода и азота от температуры

F2 ^ 2F - Q; (42)

Расчеты показали, что при Т = 3000 °C степень диссоциации фтора составляет 0,92, а степень ионизации 0,0178 или 1,78 % фтора будет в состоянии отрицательных ионов. При сварке металлическими электродами температура столба дуги может быть в пределах 6000—7000 °C, при которой диссоциация фтора будет большой и соответственно возрастает степень ионизации. Образование большого количества отрицательных ионов приводит к снижению проводимости дугового промежутка (в связи с уменьшением концентрации электронов) и снижению устойчивости горения дуги. Но в то же время кальций- фтор при сварке выполняет ряд полезных функций, в частности фтор уменьшает вероятность насыщения наплавленного металла водородом, так как освобождающийся при диссоциации атомарный фтор связывает водород в устойчивую нерастворимую в металле молекулу HF. Реакцию взаимодействия водорода с фтором схематически можно представить уравнением

CaF2 + 2Н ^ Са + 2HF f .(44)

Влияние диссоциации карбонатов рассмотрим на примере разложения мрамора СаСО3. В состав многих покры-

Рис. 50. Зависимость степени диссоциации а углекислого газа от температурыРис. 50. Зависимость степени диссоциации а углекислого газа от температуры

Рис. 50. Зависимость степени диссоциации а углекислого газа от температуры

Рис. 50. Зависимость степени диссоциации а углекислого газа от температуры

тий входят карбонаты — соли угольной кислоты; особенно широко применяется карбонат кальция СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, СаСО3 образует углекислый газ и оксид кальция:

СаСО3 -> СаО + С0.2 — Q. (45)

Чем выше температура, тем больше распадается мрамор, а наряду с этим диссоциирует углекислый газ:

2СО2 -^ 2СО + О2.(46)

Зависимость степени диссоциации СО2 от температуры приведена на рис. 50.

§ 17. КИСЛОРОД, АЗОТ, ВОДОРОД И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МЕТАЛЛ ШВА

Для лучшего понимания процессов влияния кислорода и азота рассмотрим их на примере сварки тонкопокрытыми электродами.

Кислород при температуре дуги почти полностью диссоциирует на атомы, а окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно. С железом кислород образует три вида оксидов:

оксид железа (II) (закись железа), содержащая 22,7 % кислорода,

2Fe 4- О2 ^ 2FeO;2Fe 4- О2 ^ 2FeO;(47)(47)

2Fe 4- О2 ^ 2FeO;

2Fe 4- О2 ^ 2FeO;

(47)

(47)

магнетит (закись-окись железа), содержащий 27,6 %

кислорода,

6FeO 4- О2 ^ 2Fe3O4;6FeO 4- О2 ^ 2Fe3O4;(48)(48)

6FeO 4- О2 ^ 2Fe3O4;

6FeO 4- О2 ^ 2Fe3O4;

(48)

(48)

оксид железа (III) (окись железа), содержащий 30 % кислорода

4Fe3O4 + О2 ^ 6Fe2O3. (49)

1 При окислении сначала образуются низшие оксиды, кЬторые при соответствующих условиях переходят в высшие. Из трех оксидов железа только оксид железа (II) растворим в железе. Растворимость FeO в железе уменьшается с понижением температуры и при температуре плавления железа 1520 °C составляет 0,83 % (или 0,18 % кислорода), а при температуре 2300 °C растворимость FeO составит 8,5 % (или 1,8 % кислорода).

Фактически при сварке голыми электродами содержание кислорода в наплавленном металле достигает 0,2— 0,7 %, что заметно меньше верхнего предела растворимости кислорода. Это объясняется созданием некоторой защиты сварочной ванны парами металла и СО, выделяющимися в процессе плавления металла; наличием в расплавленном металле углерода и марганца, которые ограничивают растворимость кислорода в жидком металле и др.

Наряду с окислением железа при сварке тонкопокрытыми электродами имеет место окисление других составляющих металла стержня и сварочной ванны: С, Мп, Si. Окисление может происходить за счет атомарного кислорода при переходе капли через дугу по реакциям:

С + О -> СО;(50)

Мп 4-О-> МпО;(51)

Si 4-2О-> SiO2(52)

и за счет взаимодействия с оксидом железа (II) в расплавленной ванне:

FeO 4- С ^ СО 4- Fe;(53)

FeO 4- Мп ^ МпО 4- Fe;(54)

2FeO 4- Si ** SiO2 4- 2Fe.(55)

Процессы окисления составляющих приводят к тому, что количество полезных примесей в наплавленном металле уменьшается, а содержание кислорода возрастает (табл. 18). Присутствие кислорода в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Влияние кислорода па механические свойства металла наплавки показано на рис. 51. С повышением содержа- 124

Рис. 51. Влияние содержания кислорода па механические свойства наплавкиРис. 51. Влияние содержания кислорода па механические свойства наплавкишва может привести к образованию пор.азование пор вследствие окисления углерода возшва может привести к образованию пор.азование пор вследствие окисления углерода воз

Рис. 51. Влияние содержания кислорода па механические свойства наплавки

Рис. 51. Влияние содержания кислорода па механические свойства наплавки

шва может привести к образованию пор.

азование пор вследствие окисления углерода воз

шва может привести к образованию пор.

азование пор вследствие окисления углерода воз

Таблица 18. Химический состав исходных материалов и металла шва, выполненного электродами со стабилизирующим покрытием

Исходные материалы и металл шва

гост

Марка

Массовое содержание элементов. %

с

Мп

Si

о$

n2

Основной металл

ГОСТ 380—71

БСтЗсп

0,20

0,5

0,20

0,003

0,007

Сварочная проволока

ГОСТ 2246— 70

Св-08

0,08

0,54

0,02

0,017

0,007

Металл шва

0,10

0,15

Следы

0,24

0,20

ния кислорода снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, ухудшается ковкость, коррозионная стойкость, жаропрочность и другие свойства

металла шва.

Раскисление за счет углерода реакции (53) приводит к выделению оксида углерода (II), который нерастворим в стали и стремится всплыть на поверхность сварочной ванны. Если шлак, покрывающий сварочную ванну, будет [плохо пропускать газы, то это приведет к накапливанию газов по линии раздела металл—шлак, давление газов на сварочную ванну

возрастает, скорость всплывания газа из металла замедлится и это при определенной скорости кристаллизации металла

Обр

можно еще и тогда, когда эта реакция продолжается в кристаллизующейся части сварочной ванны.

Азот в газовую фазу зоны сварки попадает из окружающего воздуха. В зависимости от температуры азот может находиться в газовой фазе в молекуляр-

ном, «томарвом н ионизированном состоянии, что видно из рис. 15 и 49.

Лзот растворяется в тех металлах, с которыми он вступает в химическое взаимодействие с образованием нитридов. К этим металлам относятся железо, марганец, титан, молибден и некоторые другие. Рассмотрим подробнее взаимодействие азота с железом. При высоких температурах азот является весьма активным по отношению

Рис. 52, Растворимость азота и водорода в железе в зависимости от температуры

к железу и образует с железом химические соединения — нитриды Fe2N (11,1 % N) и FeN (5,9 % N), которые устойчивы до определенных температур.

Диссоциация нитридов при высоких температурах происходит тем полнее, чем выше концентрация азота в металле. Наряду с присутствием азота в железе в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе (рис. 52).

Азот существенно изменяет свойства металла шва. Наблюдаемое скачкообразное изменение растворимости газообразного азота в металле при его расплавлении (кристаллизации) может явиться причиной появления и развития пор в металле шва. Увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению и изменению механических свойств (рис. 53).

Для уменьшения содержания азота в металле шва крайне желательно исключить азот из газовой фазы дуги, 126

Рис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавкиРис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавки

Рис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавки

Рис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавки

’что достигается сваркой закрытой дугой и сваркой в углекислом газе. В последнем случае металл заметно окисляется и раскисляется, но не поглощает азот. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва может быть достигнуто введением в металл элементов, имеющих большое сродство к азоту (марганец, титан), за счет которых образуются нитриды, переходящие затем в шлак.

Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, влага покрытия и флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромок. Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которые диссоциируют по уравнениям:

2Н2О ^ 2Н2 + О2 — Q; (56)

2Н2О=^2ОН +Н2 — Q, (57) повышая концентрацию водорода в газовой фазе. Кроме того, источником водорода могут явиться органические

составляющие покрытий (крахмал, декстрин, целлюлоза), которые при плавлении электрода разлагаются и выделяют наряду с другими газами (СО, СО2, Н2О) водород. Некоторое количество водорода содержится в присадочной проволоке и основном металле, поэтому кривая растворимости водорода (см. рис. 52) начинается на ординате выше нулевого значения, что характеризует наличие в основном и присадочном металле растворенного водорода.

В зависимости от температуры газовой фазы, как видно из рис. 15, водород может находиться в ней в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Характерной особенностью атомов и ионов водорода является их способность легко диффундировать в кристаллической решетке железа даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомного расстояния в кристаллической решетке железа.

I !<> Кривой pariпорпмогтн водорода в твердом и жидком железе (см. рис. 52) видно, что по мере увеличения температуры металла растворимость водорода увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты аллотропических превращений железа. Предельная растворимость водорода в твердом железе при 1530 °C составляет 8 см3/100 г или 0,0007 %. Переход металла из твердого в жидкое состояние значительно увеличивает растворимость, достигающую 28 см3/100 г или 0,0025 %. По мере дальнейшего роста температуры растворимость растет, достигая максимума (43 см3/100 г) при температуре 2400 °C, а в области температур, близких к температуре кипения металла, растворимость падает, так как выделяющиеся пары металла увлекают за собой водород.

Учитывая, что температура капель металла в момент их образования на конце электрода и переноса в дуге равна 2200—2500 °C, а средняя температура ванны примерно 1700 °C, можно сделать заключение, что максимальное насыщение металла водородом происходит в дуге при переходе капель металла. И растворимость водорода в капле будет соответствовать верхнему пределу растворимости 43 см3/100 г или 0,0039 %.

Содержание водорода в металле, наплавленном электродами с разным видом покрытия, следующее.

Металл, наплавленный электродами с целлюлозным покрытием, содержит наибольший объем водорода, достигающий предела насыщения водородом жидкого металла, т. е. 26,6 см3/100.

Металл, наплавленный электродами с кислым или рутиловым покрытием, содержит 13—15 см3/100 г водорода.

Наименьшее содержание водорода в металле, наплавленном электродами с основным покрытием, т. е. 8,4 см3/100 г.

Водород существенно влияет на свойства наплавленного металла. Различная растворимость водорода в твердом и жидком металле приводит к выделению водорода при охлаждении перегретого металла, что приводит к разбрызгиванию. При охлаждении расплавленного металла сварочной ванны растворимость уменьшается и водород будет выделяться из жидкого металла. В момент достижения температуры плавления металла и начала его кристаллизации растворимость падает скачкообразно и уменьшается в несколько раз.

то его выделение из кристаллизующегося металла можетто его выделение из кристаллизующегося металла можетРис. 54. Внешний вид «рыбьего глаза» в изломе разрывного образцаРис. 54. Внешний вид «рыбьего глаза» в изломе разрывного образца129129

то его выделение из кристаллизующегося металла может

то его выделение из кристаллизующегося металла может

Рис. 54. Внешний вид «рыбьего глаза» в изломе разрывного образца

Рис. 54. Внешний вид «рыбьего глаза» в изломе разрывного образца

129

129

В кристаллизующемся металле сварочной ванны существует совместно жидкий и твердый металл, а скорость диффузии водорода при температуре кристаллизации велика, и водород быстро перераспределится между кристаллами и жидким металлом. В результате чего жидкий металл окажется пересыщенным водородом, что приведет к его выделению по реакции.

(58)(58)2Н — Н2 + Q.

(58)

(58)

Но так как молекулярный водород нерастворим в металле.

явиться причиной возникновения и развития пор в металле шва. Водород может явиться виновником появления ряда дефектов (трещин, «рыбьих глаз» и т. д.) в сварном соединении.

Образование микротрещин в металле шва может иметь место вследствие того, что процесс выделения водорода не прекращается и по окончании кристаллизации метал

ла и даже по достижении комнатной температуры. В полностью остывшем метал-

ле, пересыщенном водородом,

происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрогюлостях, создает в них большое давление, вызывающее местное разрушение металла.

Образование «рыбьих глаз» встречается на поверхности излома металла шва образцов, подвергшихся деформации с малой скоростью, например при испытаниях на разрыв и загиб. «Рыбьи глаза» выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в центральной части (рис. 54). Обычно они возникают вокруг включений. Светлый цвет излома в месте этих дефектов свидетельствует о наличии хрупкого разрушения, связанного с наличием очень больших давлений молекулярного водорода в полости.

5 Думов С. И.

Характерно, что «рыбьи глаза» никогда не наблюдаются в изломах сварных образцов, подвергшихся быстрой пластической деформации, например в образцах, испытанных на ударную вязкость. Наличие такого дефекта в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических характеристик металла шва (относительное удлинение и относительное сужение). Чтобы ликвидировать склонность металла шва к образованию рыбьих глаз, требуется удалить водород из металла шва, что может быть достигнуто длительной выдержкой металла шва при комнатной температуре или более короткой выдержкой при температуре 250—300 °C.

Под влиянием водорода образуются трещины в основном металле. Нами было установлено, что диффузия водорода в твердом металле возможна только в атомарном состоянии или в виде протона. Растворимость водорода в металле будет зависеть от его температуры; по мере охлаждения водород из мест большей концентрации устремится в более холодные участки основного металла. Атомы водорода, диффундируя в кристаллическую решетку, создают чрезмерное насыщение охлаждаемого металла водородом, что резко снижает пластические свойства металла. В то же время, атомы, диффундируя в несплошности, внутри- кристаллические прослойки и т. п., образуют молекулярный водород. Молекулярный водород, накопившись, приводит к возникновению высоких напряжений, превышающих предел прочности основного металла и в околошов- ной зоне, и возникают трещины. Этому еще способствуют напряжения в сварных соединениях.

На растворимость водорода в металле влияет ряд технологических факторов. Установлено, что растворимость водорода в металле связана с родом тока и полярностью. При сварке на постоянном токе обратной полярности протоны водорода Н+ направляются электрическим полем к сварочной ванне (катоду), температура которой относительно невелика; соответственно и растворимость водорода в металле шва будет небольшой. При сварке на прямой полярности протоны Н+ устремляются к электроду, па конце которого находится сильно перегретый жидкий металл, способный растворить большое количество водорода. Капли этого металла, попадая затем в сварочную ванну, насыщают металл водородом, и содержание водорода в металле будет больше, чем при сварке на обратной полярности.

Уменьшение содержания водорода в металле шва может быть достигнуто:

применением для сварки прокаленных толстопокрытых электродов и флюсов;

тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и прочих загрязнений;

выполнением последующих проходов многопроходных швов после полного охлаждения ранее выполненных проходов шва;

предварительным и сопутствующим нагревом деталей.

§ 18. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ТОЛСТОПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Металлургические процессы при дуговой сварке толсто покрытыми электродами характеризуются малыми количествами реагирующих веществ, кратковременностью, высокими температурами и интенсивным взаимодействием между металлом, газом и шлаком. При плавлении электрода расплавленное покрытие частично переносится через дуговой промежуток в виде шлаковой оболочки вокруг капель при их переходе с электрода в шов, а частично непосредственно стекает в ванну. Капли на конце электрода в процессе перехода через дуговой промежуток нагреваются до 2200—2500 °C, и между расплавленным металлом, жидким шлаком и газом протекают сложные физико- химические процессы. При этом содержание азота в металле шва может служить критерием эффективности защиты металла в процессе сварки.

На ход металлургических процессов и химический состав металла шва при сварке толстопокрытыми электродами существенное влияние оказывает состав и коэффициент массы покрытия электродов, под которым понимают отношение массы покрытия тп к массе покрытой части стержня электрода тп. ст:

^п Шп//71п ст. (^9)

Установлено, что при электродах со шлакозащитным покрытием коэффициент покрытия до 0,3 оказывает влияние на содержание азота в металле шва, при большем значении коэффициента покрытия этого не наблюдается. Но, учитывая, что имеет место применение комбиниро-

ранной шлако-газовой защиты, оказывается возможным в широко применяемых толстопокрытых электродах при к» = 0,254-0,35 получить металл шва по содержанию азота такой же, как металл, выплавленный в дуговой электропечи.

Ранее памп были рассмотрены составы покрытий, основная область их применения и общая характеристика наплавленного металла. Рассмотрим особенности процессов раскисления, легирования и рафинирования металла при сварке.

Осаждающее и диффузионное раскисление

В процессе сварки наряду с рядом других процессов имеет место взаимодействие между металлическими составляющими (металл — металл) и оксидом металла, находящегося в капле и металлической ванне со шлаком.

Осаждаюищм раскислениелг принято называть раскисление, происходящее в жидком металле капли или ванны за счет элементов, имеющих большее сродство к кислороду, чем свариваемый металл, что видно из реакций (54) и (55). По этому признаку, при прочих равных условиях (концентрация, температура, состав шлаковой и газовой фазы), элементы, участвующие обычно в процессе сварки, можно расположить по убывающей способности к раскислению (сродству к кислороду) в следующий ряд: А1, Zr, Ti, Si, V, Мп, Сг, Mo, W, Ре, Со, Ni, Си. Этот же ряд может служить критерием оценки способности каждого элемента легировать металл. Рассмотрим это применительно к стали.

Элементы, находящиеся в ряду справа от железа, практически полностью усваиваются сварочной ванной; элементы, расположенные слева от железа, в той или иной степени окисляются и лишь частично легируют металл шва. При данном количестве вводимого элемента степень легирования будет тем ниже, чем дальше элемент расположен слева от железа, т. е. чем больше его сродство к кислороду. Такие элементы, как Ti, Zr, Al, при дуговой сварке толстопокрытымп электродами практически полностью окисляются, а в металле шва обычно имеются только следы этих элементов. А такие элементы, как W и Мо, в большей степени усваиваются сварочной ванной. 132

Для оценки степени использования данного элемента в процессе сварки пли наплавки введено понятие коэффициента перехода легирующего элемента и коэффициента его усвоения. Коэффициент перехода определяется отношением содержания рассматриваемого элемента в наплавленном металле к содержанию этого элемента раздельно в материалах, участвующих в процессе сварки (проволоке, покрытии, флюсе, шихте, порошковой проволоке и т. д.).

Коэффициент усвоения характеризуется отношением содержания легирующего элемента в металле шва к суммарному его содержанию в материалах, участвующих в процессе, в том числе в основном металле. Эти коэффициенты определяются расчетом или по графикам и таблицам, составленным расчетным или опытным путем. В табл. 19 приведены коэффициенты перехода и усвоения некоторых элементов при сварке высоколегированных сталей электродами марки КТИ-5, имеющими стержень из проволоки Св-Х18Н11М.

Диффузионное раскисление заключается в том, что между основными оксидами (например, FeO), находящимися в расплавленном металле, и кислыми оксидами (например, SiO2), находящимися в шлаке на границе металл—шлак, происходит взаимодействие

FeO + SiO2 ^ Fe-SiO2. (60)

При этом образуется силикат железа (комплексное соединение), которое в составе шлаков всплывает на поверхность металлической ванны. Чем выше концентрация

Таблица 19. Коэффициенты перехода и усвоения некоторых элементов при сварке электродами марки КТИ-5

Легирующий элемент

Коэффициент перехода *

Коэффициент усвоения

для проволоки

для покрытия

Мп

0,75—0,80

0,6—0,65

0,70

Ci

0,94—0,97

0,85—0,90

0,90

Мо

0,90—0,95

0,75—0,80

0,85

V

—

0,85

0,85

кч

1,0

—

1,0

* В данном случае коэффициент перехода для основного металла не рассматривается.

кремнезема в шлаке над жидким металлом, тем интенсивнее протекает диффузионное раскисление. В результате оксид железа (II) из металлической ванны переводится в шлак и тем самым кислород выводится из металла шва.

При большом содержании силиката кремния в шлаке и малом содержании оксида железа (II) в жидком металле реакция (60) может пойти справа налево и металл будет окисляться за счет оксида железа (II). Поэтому в шлаке должно находиться достаточное количество кремнезема, чтобы обеспечить диффузионное раскисление, а не окисление. Однако чрезмерное содержание в шлаке SiO делает шлак длинным, малоподвижным и, как следствие, химически малоактивным. Поэтому, когда по ряду соображений в покрытие или флюс требуется ввести большое количество кремнезема, вместе с ним вводят флюсующие материалы, придающие шлаку жидкотекучесть и тем самым способствующие диффузионному раскислению.

Рафинирование металла шва

Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия и флюса. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является FeS, так как сульфид железа в процессе кристаллизации образует с железом эвтектику (имеющую температуру плавления 940 °C), которая располагается между зернами и является основной причиной возникновения горячих трещин. Поэтому десульфация металла шва является очень важной металлургической операцией и достигается введением в сварочную ванну элементов или компонентов, имеющих большее сродство к сере, чем железо, и образующих соединения с высокой температурой плавления, не растворяющиеся в жидкой стали. К таким элементам относится марганец, десульфа- ция за счет которого протекает по реакциям:

FeS + Мп = MnS + Fe; (61)

FeS -F MnO = MnS + FeO. (62)

Сульфид марганца имеет температуру плавления около 1650 °C, мало растворим в жидкой стали и образует в ней обособленную фазу, имеющую глобулярную форму. Такие швы сохраняют стойкость против горячих трещин.

Десульфация может быть также осуществлена за счет оксида кальция

FeS + СаО = FeO + CaS.FeS + СаО = FeO + CaS.(63)(63)

FeS + СаО = FeO + CaS.

FeS + СаО = FeO + CaS.

(63)

(63)

Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа Fe3P и Fe2P. Увеличение содержания фосфора в металле шва заметно снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах, поэтому фосфор необходимо удалять. Это может быть достигнуто путем его окисления

(64)(64)2Fe2P + 5FeO = Р2О5 + 9Fe

(64)

(64)

и последующего связывания оксида фосфора в прочное

химическое соединение:

ЗСаО Ч- Р2О6 = Са3Р2О8;(65)

4СаО + Р2ОБ — Са4Р2О8,(66)

удаляемое затем в шлак.

Рассмотрим особенности протекания металлургических процессов при сварке толстопокрытыми электродами с покрытиями различного вида.

Металлургические процессы при сварке электродами с разным видом покрытий

Металлургические процессы сварки электродами с покрытием кислого вида рассмотрим на примере сварки электродами ЦМ-7, покрытие которых содержит 33 % гематита, 32 % гранита, 30 % ферромарганца, 5 % крахмала (или целлюлозы) и жидкого стекла 25— 30 % от массы сухой смеси. При сварке гематит расплавляется и будет взаимодействовать с жидким железом капли в момент ее образования на конце электрода по реакции:

Fe2O3 + Fe = 3FeO;Fe2O3 + Fe = 3FeO;(67)(67)

Fe2O3 + Fe = 3FeO;

Fe2O3 + Fe = 3FeO;

(67)

(67)

жидкий металл будет обогащаться кислородом за счет оксида железа (II) из шлака. При этом существует прямая зависимость между содержанием оксида железа (II)

в шлаке и его содержанием в шве (рис. 55). Ферромарганец, введенный в покрытие, предназначен раскислить металл шва:

Fe2O3 + ЗМп = ЗМпО + 2Fe + Q;

Fc2O3 -5 2Mn — 2MnO + 2Fe + Q.

(68)(68)(69)(69)Восстановление железа и тепло, выделяющееся при окислении марганца, обеспечивают при сварке элек-Восстановление железа и тепло, выделяющееся при окислении марганца, обеспечивают при сварке элек-Рис. 55. Зависимость между содержанием оксида железа (II) в шлаке при сварке электродами ЦМ-7 и содержанием оксида железа (II) в швеРис. 55. Зависимость между содержанием оксида железа (II) в шлаке при сварке электродами ЦМ-7 и содержанием оксида железа (II) в шветродами ЦМ-7 высокий коэффициент наплавки, равный 10—11 г/(А*ч).

(68)

(68)

(69)

(69)

Восстановление железа и тепло, выделяющееся при окислении марганца, обеспечивают при сварке элек-

Восстановление железа и тепло, выделяющееся при окислении марганца, обеспечивают при сварке элек-

Рис. 55. Зависимость между содержанием оксида железа (II) в шлаке при сварке электродами ЦМ-7 и содержанием оксида железа (II) в шве

Рис. 55. Зависимость между содержанием оксида железа (II) в шлаке при сварке электродами ЦМ-7 и содержанием оксида железа (II) в шве

Наряду с Fe2O3 в покрытии также имеется некоторое количество SiO2, которое в связи с большой концентрацией частично восстанавливается

SiO2 + 2Мп = 2МпО 4- Si.

(70)

Интенсивному протеканию этой реакции препятствует высокая концентрация окиси железа (II): содержание кремния в металле шва составляет около 0,1 %, а марганца 0,75—0,8 %. Кон

центрация кремния и марганца достаточна для подавления реакции окисления углерода в задней кристаллизующейся части сварочной ванны и создания препятствия к образованию пор за счет оксида углерода (II).

Металлургические процессы сварки электродами с покрытием основного вида рассмотрим на примере сварки электродами УОНИ-13, содержащими мрамор, плавиковый шпат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, кварцевый песок и жидкое стекло.

При сварке под воздействием теплоты дуги происходит диссоциация мрамора по реакции (45), и расчетное количество СОо, отнесенного к нормальной температуре и давлению, составит 30—45 см3 газа при сгорании 1 см длины электрода. Углекислый газ за счет ранее указанных раскислителей при температуре 700 °C и выше восста-

навливается в значительной степени до СО по реакциям:

СО2 4- Мп = МпО + СО;(71)

2СО2 + Si = SiO2 + 2СО;(72)

2СО2 + Ti = TiO2 + 2СО,(73)

но часть СО остается невосстановленной, и газовая фаза во всем температурном интервале зоны сварки будет иметь окислительный характер по отношению к жидкому металлу, в то время как окисляющее действие шлака незначительно. Благодаря образованию пленки шлака на каплях (при их переходе в шов) и на поверхности сварочной ванны, а главное в связи с наличием большого количества раскислителей в наплавленном металле содержание кислорода будет невелико: не превышает его содержания в электродной проволоке.

Имеющийся в покрытии плавиковый шпат способен связывать водород по реакции (44), а присутствие в покрытии SiO2 приводит к образованию тетрафторида кремния:

2CaF2 + 3SiO2 = 2CaSiO3 + SiF4. (74)

Образовавшийся тетрафторид кремния улетучивается, переходя в газовую фазу, где он взаимодействует с атомарным водородом или парами воды:

SiF4 + ЗН = SiF + 3HF;(75)

SiF4 + 2НоО = SiO2 + 4HF(76)

и тем самым способствует уменьшению количества водорода в металле шва.

(77)(78)137(77)(78)137Значительная концентрация марганца в сварочной ванне способствует десульфации металла, а большое содержание в шлаке СаО наряду с десульфацией способствует удалению из металла фосфора. Содержание серы и фосфора в наплавленном металле не превышает 0,035 % каждого и это делает швы, выполненные электродами этой группы, малочувствительными к кристаллизационным трещинам. Но установлено, что небольшое содержание кислорода в сварочной ванне уменьшает вероятность взаимодействия кислорода с растворенным в металле водородом:

(77)

(78)

137

(77)

(78)

137

2Н + О = Н2О;н + О = он.

Поэтому содержание растворенного в металле водорода настолько велико, что при наличии ржавчины на свариваемых кромках, повышенной влажности покрытия и сварке длинной дугой приводит к порам в шве, несмотря на эффективное удаление водорода за счет плавикового шпата, имеющегося в покрытии.

Металлургические процессы при сварке электродами с рутил о в ы м покрытием рассмотрим на примере сварки электродами АНО-4с (см. форму 1). Газовая защита в покрытии ЛНО-4с осуществляется за счет разложения магнезита

MgCO3 = MgO + СО2 (79)

и окисления целлюлозы. Поэтому в газовой фазе наряду с СО2 имеются продукты окисления целлюлозы, которые и обеспечивают газовую защиту. Мусковит, например, обеспечивает устойчивое горение дуги и шлаковую защиту. Остальные составляющие покрытия выполняют функции, аналогичные этим же материалам в ранее рассмотренных видах покрытий.

Металлургические процессы при сварке электродами с органическим покрытием рассмотрим на примере электродов типа Э42 марки ВСЦ-4. Покрытие этого типа содержит до 50 % органических составляющих (пищевая мука, целлюлоза, крахмал и др.), которые при разложении в дуге создают газовую защиту расплавленного металла. Коэффициент покрытия составляет 0,1—0,15. Выделяющиеся при сварке газы содержат большое количество водорода. Во избежание насыщения металла шва водородом при сварке необходимо повышать степень окис- ленпости сварочной ванны, для чего в покрытие вводят титановый концентрат (TiO2-FeO) и марганцевую руду (МпО2), которые выполняют также и функции шлаковой защиты. Раскислителем служит ферромарганец. Весьма полезно введение в покрытие плавикового шпата (CaF3), который при наличии SiO2 и ТЮ2 в зоне высоких температур приводит к образованию SiF4 и TiF4, связывающих водород в не растворимое в металле соединение HF, и тем самым уменьшают содержание водорода в сварочной ванне.

Предупреждение пористости, связанной с выделением оксида углерода (И) в стадии кристаллизации сварочной ванны, достигается введением в состав покрытия ферросилиция.

§ 19. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ

И В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

А1еталлургические процессы

при сварке под флюсами

При сварке под плавлеными флюсами защита зоны сварки от окружающего воздуха происходит более эффективно, что подтверждается содержанием азота. При сварке тонкопокрытыми электродами содержание азота в металле шва составляет 0,12—0,2 %, при сварке толстопокрытыми электродами 0,013—0,030 %, а под плавленым флюсом 0,008 %.

Имеется ряд особенностей металлургических процессов при сварке под флюсом. Особенно интенсивно протекают металлургические процессы между жидким флюсом и металлом, в результате которых изменяется состав металла шва. Сварка низкоуглеродистой стали под марганцовистыми высококремнистыми флюсами характеризуется протеканием в высокотемпературных участках зоны сварки следующих кремнемарганцевосстановитель- ных реакций:

2Fe + SiO2 ^ 2FeO + Si; (80)

Fe + MnO =^ FeO + Mn. (81)

Также имеет место окисление углерода, содержащегося в сварочной проволоке и основном металле по реакции (50). Образующийся в высокотемпературном участке сварочной зоны оксид железа (11) частично растворяется в жидком металле сварочной ванны, частично переходит в шлак.

На участках сварочной ванны позади дуги при понижении температуры жидкого металла, вплоть до затвердения, имеет место раскисление металла. При температурах, близких к затвердению металла ванны, кремний и марганец подавляют реакцию окисления углерода, что уменьшает вероятность образования пор. При недостаточном содержании во флюсе кремнезема усиленно выгорает углерод, и в шве могут образоваться поры. Следовательно, при сварке низкоуглеродистой стали сварочной проволокой с малым содержанием кремния, чтобы избежать образования пор за счет окисления углерода, следует применять высококремнистый флюс.

Благодаря протеканию реакций (80), (81) металл шва обогащается кремнием и марганцем, а содержание углерода окажется несколько меньше исходного. Обогащение металла шва марганцем важно еще и потому, что он обеспечивает десульфацию металла шва, предупреждая тем самым горячие трещины. Исследования показали, что для предупреждения образования горячих трещин в металле шва при сварке под флюсом низкоуглеродистых сталей в шве должно быть не менее 0,6—0,8 % марганца.

Б плавленые флюсы сера и фосфор попадают из исходных материалов, например из марганцевой руды. Если во флюсе имеются оксиды фосфора, то фосфор легко восстанавливается при сварке и переходит в металл шва. Переход фосфора из кислых высокомарганцовистых флюсов протекает по следующей реакции:

(MnO)3-P2O5 + ПЕе = ЗМпО + 2Fe3P + 5FeO — Q. (82) При этом переход фосфора и серы из флюса в шов зависит от содержания их, а также от марганца во флюсе и режима сварки. С увеличением содержания оксида марганца (II) во флюсе увеличивается его взаимодействие с металлом сварочной ванны, вследствие чего он связывает и переводит в шлак большее количество серы. Но с увеличением закиси оксида марганца (II) во флюсе возрастает и содержание фосфора, что способствует увеличению перехода фосфора в шов по реакции (82).

Изменение таких величин режима сварки, как силы сварочного тока и напряжение, изменяет содержание серы и фосфора в шве. При увеличении сварочного тока увеличивается количество расплавленного флюса, вследствие чего содержание фосфора в шве уменьшается, а серы несколько возрастает.

Повышение напряжения дуги при неизменном токе приводит к тому, что количество расплавленного флюса но отношению к количеству расплавленного металла значительно возрастает, вследствие чего переход марганца и кремния в шов увеличивается. Также возрастает переход фосфора, а содержание серы в металле шва уменьшается.

Повышение содержания оксида кальция во флюсе за счет соответствующего снижения содержания окиси марганца несколько увеличивает переход серы в металл шва, что указывает на превалирующую роль марганца в десульфации металла при автоматической сварке.

Наличие в составе керамических флюсов ферросплавов обусловливает следующие особенности металлургических процессов при сварке под керамическими флюсами: 1) более полное раскисление наплавленного металла; 2) возможность легирования наплавленного металла в широких пределах; 3) улучшение структуры швов путем их модифицирования.

Металлургические процессы при электро шлаковой сварке

Металлургические процессы при электрошла- ковой сварке отличаются от дуговой сварки следующими особенностями:

в плавильной зоне отсутствует газовая фаза;

температура в зоне сварки ниже, чем при дуговой;

сменность шлака-флюса незначительна;

при сварке имеет место электролиз шлака шлаковой ванны;

поверхность шлаковой ванны заметно окисляется кислородом воздуха.

Из-за отсутствия газовой фазы основную роль играют металлургические процессы между жидким шлаком и металлом. Как нами ранее было установлено, активность и характер реакции между металлом и шлаком зависит от температуры; исследования показали, что в шлаковой ванне имеются две температурные области. Высокотемпературная (примыкающая непосредственно к торцу электрода), в которой протекают процессы восстановления кремния и марганца из оксидов по реакциям (80), (81), и низкотемпературная область (занимающая остальной объем шлаковой ванны), в которой при сварке проволокой Св-08 происходит окисление марганца и кремния, а при сварке сварочной проволокой, содержащей много кремния, в первой области наблюдается восстановление марганца за счет окисления кремния.

При сварке под флюсом вследствие равномерного перемещения дуги вдоль свариваемых кромок плавятся и вступают во взаимодействие все новые порции металла и флюса, в результате чего при неизменном режиме сварки состав металла шва по длине практически остается одинаковым.

При электрошлаковой сварке непрерывно расплавляемый основной и электродный металлы взаимодействуют

с жидким шлаком, сменность которого незначительна. В результате в начале процесса, когда жидкий металл взаимодействует с жидким шлаком первоначального состава, наблюдается переход марганца и кремния из флюса в металл, как и при сварке под флюсом. По мере протекания кремпсмарганцевосстановительных процессов в шлаковой ванне происходит уменьшение концентрации оксидов кремния и марганца и накопление оксида железа (И) ГеО.

Как показали опыты, после выполнения участка шва длиной 150-200 мм восстановления кремния и марганца из шлака уже не происходит. Такое быстрое накопление оксидов железа в шлаковой ванне объясняется не только кремнемарганцевосстановительными процессами, но и в значительной мере окислением шлаковой ванны кислородом воздуха по реакциям:

4FeO + О2 -> 2Fe2O3; (83)

Ре2О3 + Мп -> 2РеО + МпО; (84) Ге2О3 + С -> 2FeO + СО f . (85)

Последнее подтверждается тем, что при защите поверхности шлаковой ванны аргоном или азотом содержание оксида железа (II) в шлаке и окисление марганца уменьшаются. В результате реакции (84) происходит выгорание полезных примесей, и химический состав металла шва по его длине оказывается неодинаковым, что отрицательно сказывается па качестве сварных соединений.

Для сохранения постоянства химического состава по длине шва и требуемого содержания в шве марганца элек- трошлаковую сварку углеродистых и низколегированных конструкционных сталей производят сварочной проволокой марки Св-10Г2 под высококремнистым марганцевым флюсом. В этом случае наблюдается восстановление и переход в шов кремния из флюса за счет Mapianua:

2Mn + SiO2 - 2МпО + Si. (86)

Металл получается хорошо раскисленным и достаточно однородным но длине шва.

При электрошлаковой сварке содержание фосфора и серы в металле шва невелико: фосфора потому, что основным источникам его является флюс, сменность которого при электрошлаковой сварке небольшая (соответственно мало и содержание фосфора), а десульфация металла

шва при электрошлаковой сварке также протекает достаточно энергично за счет таких компонентов шлака, как МпО, СаО и CaF2. При необходимости усилить процесс десульфации увеличивают сменность шлака путем периодического его сливания с новыми порциями флюса.

На ход металлургических процессов и химический состав металла шва при электрошлаковой сварке существенное влияние оказывает род тока и полярность подключения, потому что шлак представляет собой электролит, состоящий из ионов металла, кислорода и окислов металла.

При прямой полярности, когда электродная проволока является катодом, вследствие электролиза к поверхности образующихся капель направляются элементы и соединения, имеющие положительный заряд (положительные ионы марганца, железа и др.), и па пей создается повышенная концентрация ионов марганца, что уменьшает вероятность его окисления и перехода в шлак. Это способствует сохранению марганца в каплях электродного металла и даже повышению его содержания вследствие восстановления ионов до атомов:

Мп+ + е" -> Мп°. (87)

В то же время к металлической ванне, являющейся анодом, направляются отрицательные ионы (кислород и кислородосодержащие соединения). Но в связи с тем, что температура ванны меньше, а удельная поверхность (т. е. поверхность, отнесенная к объему жидкого металла) значительно меньше, чем у капли на торце электрода, окисление углерода и марганца будет не столь интенсивным.

При сварке на обратной полярности к аноду (к сварочной проволоке) направляются ионы кислорода и ионы кислородосодержащих соединений, которые, попадая на более нагретую поверхность образующихся капель металла, интенсивно окисляют марганец и другие полезные примеси. Это приводит к обеднению шва марганцем, кремнием и другими элементами, повышающими прочность металла шва и его стойкость против горячих трещин, т. е. ухудшается качество шва.

При электрошлаковой сварке на переменном токе переход марганца занимает промежуточное положение по сравнению с переходом при сварке на постоянном токе прямой и обратной полярности.

Изменение основных величин режима электрошлако- вой сварки значительно меньше влияет на выгорание элементов и переход их в шов, чем при дуговой сварке под флюсом.

Некоторое уменьшение окисления марганца наблюдается при повышении тока, понижении напряжения и уменьшения глубины шлаковой ванны.

Металлургические процессы при сварке в защитных газах

Из защитных газов наибольшее применение имеют инертный аргон и активный углекислый газ. Металлургические процессы при сварке сталей в этих газах существенно различаются.

При сварке под защитой инертных газов металлургические процессы протекают только между элементами, содержащими в металле сварочной ванны, так как инертные газы не взаимодействуют с газовыми и конденсированными составляющими атмосферы столба дуги.

Если при сварке содержится некоторое количество оксида железа (II) FeO, то при взаимодействии с углеродом происходит восстановление FeO с образованием оксида углерода (II), нерастворимого в стали, что при кристаллизации ванны приводит к образованию пор в металле шва. Этому способствует также водород, растворимость которого в металле сварочной ванны с малой степенью окислен ности высокая.

Предотвращение возможности образования пор при сварке в инертных газах достигается двумя путями:

введением в состав сварочной ванны таких активных раскислителей, как, например, марганец и кремний;

добавлением к аргону некоторого количества углекислого газа (10—15 %) или 5 % кислорода, что приводит к интенсификации процесса образования оксида углерода (II), кипению сварочной ванны; бурно выделяющиеся из нее пузырьки захватывают и выносят из ванны находящиеся в ней газы. Кислород также уменьшает поверхностное натяжение металла капли; перенос металла ста- новится_ждкокапелы1ым, улучшаются условия формирования поверх (Гостннша, Содержание водорода в ванне также уменьшится, такГкак кислород, соединяясь с водородом, образует нерастворимые в жидком металле соединения.

При сварке в углекислом газе газ оттесняет от плавильной зоны окружающий воздух и защищает расплавленный металл только от азотирования. За счет углекислого газа и кислорода, выделяющегося в высокотемпературном участке зоны сварки при диссоциации углекислого газа, металл активно окисляется по реакциям:

Fe + СО2 ^ FeO 4- СО | ;

Ее + О ^± FeO |;

Si 4- 20 =^ SiO21;

С Ч- О ^ СО f ,

а на участке пониженных температур зоны сварки по реакциям:

2FeO 4- Si ^ 2Fe 4- SiO2;

FeO 4- Мп ->FeO 4- Мп ->Fe 4- MnO | ;Fe 4- MnO | ;

FeO 4- Мп ->

FeO 4- Мп ->

Fe 4- MnO | ;

Fe 4- MnO | ;

FeO 4- C ^ Fe + CO f.

Непрерывный уход активных раскислителей в процессе сварки и кристаллизации в атмосферу и шлак приводит к заметному уменьшению их в металле шва, поэтому при сварке в углекислом газе низкоуглеродистой стали проволокой Св-08 из-за протекания реакции окисления углерода в кристаллизационной части ванны швы получаются пористыми. Для подавления реакции образования окиси углерода (II) при сварке в углекислом газе низкоуглеродистых конструкционных сталей применяют сварочную проволоку, содержащую кремний и марганец, марок Св-08ГС, Св-08Г2С. В этом случае наплавленный металл получается хорошо раскисленным при достаточном содержании кремния и марганца и с высокими прочностными и пластическими свойствами (табл. 20). Для предотвращения порообразования за счет растворенного водорода оказывается полезной добавка в углекислый газ от 5 до 15 % кислорода. Кислород, соединяясь с водородом, растворенным в сварочной ванне, так же как и при сварке стали в инертных газах, образует нерастворимый в жидком металле гидроксил (ОН) или водяной пар (Н2О).

Кроме того, опыт некоторых заводов показывает, что добавление к углекислому газу 20—30 % кислорода изменяет характер переноса электрода металла.

Таблица 20. Химический состав и механические свойства металла, наплавленного в углекислом газе на сталь БСтЗсп

Марка проволоки

Массовое содержание элементов, %

Механические свойства

С

Мп

Si

°в

от

б, %

кси, Дж/см2

МП а/мм1

Сп-оагс

Св-08Г2С

0,13

0,12

0,78

0,85

0,29

0,31

490

510

310

340

26

25

13,0

13,6

Процесс крупнокапельного переноса переходит в мелкокапельный или струйный. При этом увеличивается глубина проплавления: коэффициент плавления — на 15 %, коэффициент наплавки — на 25 %. Такое влияние дополнительно введенного кислорода на процесс сварки в углекислом газе есть результат следующих факторов: потенциал ионизации кислорода 13,2, что приводит к увеличению эффективного потенциала в сварочной дуге и, как следствие, — к увеличению температуры столба дуги (9); кислород уменьшает поверхностное натяжение металла капли; перенос металла становится мелкокапельным, а в определенных условиях — струйным; энергичнее протекают реакции окисления марганца и кремния, что сопровождается выделением теплоты.

§ 20. ФОРМИРОВАНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА ШВА. МИКРОСТРУКТУРА ШВА И ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО влияния

При дуговой сварке столб дуги оказывает давление на поверхность сварочной ванны. Это давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и к погружению столба дуги в основной металл и тем самым к увеличению глубины проплавления. Давление дуги, пропорциональное квадрату тока, протекающего через дугу, может быть увеличено путем повышения плотности тока.

При ручной сварке толстопокрытыми электродами на средних режимах глубина погружения столба дуги составляет 3—4 мм, а при сварке под флюсом на средних режимах 8—10 мм.

Жидкий металл, вытесняемый из головной части плавильной зоны, по мере передвижения дуги отбрасывается в ее хвостовую часть. В головной части плавильной зоны остается углубление, поверхность которого покрыта тонкой пленкой расплавленного металла, удерживаемого силами поверхностного натяжения.

По мере удаления источника теплоты в хвостовой части плавильной зоны происходит интенсивный отвод теплоты

в массу холодного металла сварочной ванны, в процессе которой по границам расплавления образуются общие кристаллиты основного и наплавленного металла (рис. 56). Кристаллиты обычно растут в направлении, перпендикулярном к поверхности теплоотвода, и получаются тем крупнее, чем крупнее оплавление зерна в основном металле на границе раздела с жидкой ванной.

Первичная кристаллизация металла шва, т. е. переход металла шва из жидкого состоя-

Рис. 56. Схема роста кристаллов от границы плавления в сварочную ваннуРис. 56. Схема роста кристаллов от границы плавления в сварочную ваннуРис. 57. Схема кристаллизации металла шва: а — вдоль сечения сва рочной ванны; б — поперек сечения сварочной ванныРис. 57. Схема кристаллизации металла шва: а — вдоль сечения сва рочной ванны; б — поперек сечения сварочной ванныния в твердое, так же как и кристаллизация слитков и отливок, протекает периодически, с остановками, что обусловлено периодичностью охлаждения. После охлаждения первого слоя происходит

Рис. 56. Схема роста кристаллов от границы плавления в сварочную ванну

Рис. 56. Схема роста кристаллов от границы плавления в сварочную ванну

Рис. 57. Схема кристаллизации металла шва: а — вдоль сечения сва рочной ванны; б — поперек сечения сварочной ванны

Рис. 57. Схема кристаллизации металла шва: а — вдоль сечения сва рочной ванны; б — поперек сечения сварочной ванны

некоторая задержка в связи с замедленным охлаждением из-за ухудшения теплоотвода и выделения скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. •

Образовавшийся первый слой кристаллитов (для стали по перемещающейся изотермической поверхности 1500 °C) имеет форму, соответствующую поверхности теплоотвода (рис. 57). После некоторой задержки вследствие

^прекращающегося теплоотвода в глубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. 'Гак периодически и происходит кристаллизация по всему продольному и поперечному сечению металла шва.

Толщина кристаллизационных слоев может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны жидкого металла и условий теплоотвода. Чем сильнее теплоотвод и чем меньше объем жидкой ванны, тем меньше толщина слоя. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва, выполненного электрошлаковым способом.

Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, что обусловлено тем, что в направлении отвода теплоты, т. е. перпендикулярно границе сплавления, кристаллит растет быстрее, чем в любом другом направлении.

При многослойной сварке сварные швы имеют транскристаллическую макроструктуру. Она характерна тем, что кристаллы как бы прорастают из слоя в слой. Особенно часто это проявляется, когда металл шва не претерпевает перекристаллизации при охлаждении, например у однофазных аустенитных сталей. Но если перед наложением каждого последующего слоя шва нижележащий слой подвергнуть интенсивному проковыванию, то макроструктура теряет свой транскристаллический характер.

Ось каждого кристаллита обычно не является прямой, а несколько изогнута в направлении вершины шва. Направленность роста кристаллитов зависит от формы поверхности раздела жидкого и твердого металла, которая в свою очередь зависит от режима и способа сварки. С увеличением сварочного тока глубина провара увеличивается, а отношение ширины валика к глубине провара (коэффициент формы провара) уменьшается, вследствие чего кристаллиты металла ванны будут расти от поверхности основного металла навстречу друг другу (рис. 58, о).

При изменении режима в направлении увеличения коэффициента формы провара могут создаваться условия, когда кристаллиты будут расти в направлении вершины шва (рис. 58, б). Такие швы обладают большей стойкостью против образования трещин, чем узкие швы.

Направление роста кристаллитов металла шва зависит также от интенсивности теплоотвода от поверхности сварочной ванны. Интенсивный теплоотвод с поверхности ванны, наблюдаемый при сварке плавящимся электродом 148

в защитном газе, создает такие условия, при которых кристаллиты растут, мало изгибаясь в направлении поверхности ванны. При сварке под флюсом отвод теплоты с поверхности сварочной ванны менее интенсивен, кристаллиты растут в направлении этой поверхности и имеют более изогнутую форму. При электрошлаковой сварке металлическая ванна, имеющая значительный объем, испы-

Рис. 58. Схема изменения направленности кристаллизации при малом коэффициенте провара (а) и относительно большем коэффициенте провара (б)Рис. 58. Схема изменения направленности кристаллизации при малом коэффициенте провара (а) и относительно большем коэффициенте провара (б)

Рис. 58. Схема изменения направленности кристаллизации при малом коэффициенте провара (а) и относительно большем коэффициенте провара (б)

Рис. 58. Схема изменения направленности кристаллизации при малом коэффициенте провара (а) и относительно большем коэффициенте провара (б)

тывает непрерывный нагрев сверху и интенсивный теплоотвод с боков в основной металл, охлаждаемые ползуны и снизу в стороны охлаждающегося металла шва. Поэтому

Рис. 59. Направленность столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а — разрез вдоль шва; б — разрез поперек шваРис. 59. Направленность столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а — разрез вдоль шва; б — разрез поперек шва

Рис. 59. Направленность столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а — разрез вдоль шва; б — разрез поперек шва

Рис. 59. Направленность столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а — разрез вдоль шва; б — разрез поперек шва

швы, сваренные электрошлаковым процессом, характеризуются радиально-осевым направлением роста столбчатых кристаллитов (рис. 59).

Уменьшение скорости охлаждения при сварке под флюсом и электрошлаковой сварке по сравнению с ручной сваркой создает благоприятные условия для удаления газов из металла шва и всплывания шлаковых включений. В то же время при шлаковой сварке большой объем сварочной ванны и малая скорость охлаждения металла

шва приводят к значительному увеличению размеров столбчатых кристаллитов. Они настолько велики, что легко различаются невооруженным глазом. Но вследствие малого содержания газов и шлаковых включений электро- шлаковые швы на углеродистых сталях имеют удовлетворительные свойства. Для измельчения структуры металла сварных швов в жидкий расплав вводят элементы-модификаторы: алюминий, титан, ванадий и др. При электро- шлаковой сварке измельчить структуру можно также с помощью ультразвука или механической вибрации сварочной ванны.

Зональная и дендритная ликвация в металле шва

При кристаллизации металла шва имеет место ликвация. Ликвацией называют неравномерное распределение составляющих сплава, приводящих к неоднородности его химического состава. Ликвация обусловлена наличием в металле шва легирующих элементов и примесей, нерастворимых в нем или обладающих ограниченной растворимостью при температуре затвердевания — это сера, фосфор, углерод и др.

Зональная (макроскопическая) ликвация в металле шва характеризуется различием химического состава периферийной и центральной его части. Вызывается это тем, что металл периферийных зон шва, затвердевающий в первую очередь, содержит минимальное количество ликвидирующих примесей. Содержание же примесей в оставшемся жидком расплаве возрастает. По мере роста кристаллитов расплав обогащается примесями, имеющими низкую температуру затвердевания, которые оттесняются в середине шва, поэтому центральная часть шва оказывается наиболее загрязненной примесями; в этой части шва возникает так называемая зона слабины шва. Она приобретает заметное развитие в нижних однопроходных швах значительного сечения.

Дендритная (внутрикристаллическая) микроскопическая ликвация характеризуется неоднородностью химического состава отдельных составляющих кристаллитов. Это имеет место вследствие того, что при затвердевании металла шва первые кристаллиты, образующие оси, а затем ветви дендритов содержат меньше примесей, чем исходный жидкий расплав. По мере роста осей и ветвей 150

дендрита расплав обогащается примесями, и образовавшийся кристаллит оказывается неоднородным по химическому составу: центральные и начальные части дендрита состоят из наиболее чистого твердого раствора, а междендритные пространства и особенно пограничные зоны его наиболее загрязнены.

В условиях сварки увеличение скорости охлаждения металла шва уменьшает длительность пребывания металла сварочной ванны в двухфазном состоянии, приводит к уменьшению разницы между составом твердой и жидкой фазы, в результате чего дендритная ликвация менее развита.

Процессы ликвации зависят также от температуры начала и конца кристаллизации. Чем больше этот температурный интервал, тем интенсивнее проявляются процессы ликвации. Так, для малоуглеродистой стали температурный интервал кристаллизации составляет всего 20—30 °C, поэтому значительного развития ликвация не получает. С повышением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации резко возрастает, что способствует интенсивной ликвации металла. Это наряду с другими трудностями усложняет сварку сталей с повышенным содержанием углерода.

Ранее рассмотренное охватывает процессы дендритной ликвации в сплавах при первичной кристаллизации, но сплавы на основе железа в связи с аллотропическими превращениями в твердом состоянии при температуре, отвечающей точке Лс3, переходят из у- в «-состояние, что сопровождается изменением строения шва за счет появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллитов.

Изменение формы зерен при аллотропических превращениях, происходящих в твердом металле, называют вторичной кристаллизацией.

Характер вторичной кристаллизации металла шва зависит от его химического состава, скорости охлаждения и ряда других факторов и будет нами рассмотрен ниже при изучении особенностей сварки различных металлов и сплавов.

Микроструктура металла шва и зоны термического влияния На свойства сварного соединения наряду с химическим составом металла шва значительное влияние оказывает структура металла шва и околошовной зоны.

В зависимости от химического состава и скорости охлаждения структура металла шва может быть самой разнообразной, поэтому рассмотрим частный случай сварки самого распространенного материала для сварных конструкций низкоуглсродистой стали с содержанием углерода до 0,2 %.

В процессе первичной кристаллизации металла шва этой стали получаются столбчатые кристаллы с неоднородным химическим составом. При аллотропическом превращении железа кристаллиты распадаются, и образуется структура, состоящая из зерен феррита и небольшого количества перлита. 11роисходящее в результате перекристаллизации измельчение зерен оказывает благоприятное влияние на механические свойства металла шва.

Рассмотрим характерные микроструктуры металла шва, выполненного различными способами сварки на низкоуглеродистой стали. Сварной шов, выполненный тонко- покрытым электродом, имеет мелкозернистую структуру. В структуре преобладает феррит; перлита очень мало, потому что углерод, как и другие легирующие примеси, выгорает. В структуре металла имеются нитриды в виде игл или пластинок, а также оксиды и другие включения. При сварке толстопокрытыми электродами в связи с меньшей скоростью охлаждения металл шва имеет более крупнозернистую столбчатую структуру, состоящую из зерен феррита и перлита.

Хорошая защита металла при сварке и легирование его через покрытие способствуют получению достаточно чистого (без включений) металла шва заданного химического состава. Структура металла шва, выполненного под слоем флюса, имеет более грубое столбчатое строение и состоит из зерен перлита и феррита. Высокая чистота и большая однородность химического состава металла шва обеспечивают его высокие механические свойства.

Структура сварного шва заданного химического состава определяется условиями охлаждения, влияющими на процессы вторичной кристаллизации и на диффузионные процессы.

Участок основного металла, подвергшийся в процессе сварки нагреву до температуры, при которой в нем происходят изменения структуры металла, называют сколо- шовной зоной (зоной термического влияния). Температура, до которой нагреваются отдельные точки околошов- ной зоны, изменяется от температуры плавления до 152

окружающей, а структура металла околошовной зоны зависит от его химического состава, теплофизических свойств и от термического цикла сварки.

Структурные изменения в околошовной зоне рассмотрим на однопроходном стыковом соединении. При этом над сечением соединения строим кривую распределения максимальных температур и в том же масштабе, рядом,

Рис. 60. Схема изменения структур околошовной зоны однопроходного шва: а—температурные границы участков околошовной зоны; б — связь их структур с диаграммой состояния сплава Ее—С

размещаем часть диаграммы железо—углерод. Проецируя с диаграммы Fe—С на сварное соединение границы участков одинаковой микроструктуры, можем с небольшой погрешностью определить в сварном соединении границы отдельных участков зоны термического влияния (рис. 60).

В зависимости от температуры нагрева и, следовательно, структурных и физико-механических изменений в околошовной зоне различают следующие участки: / — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4 — неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации; 6 — синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному, его часто пазы-

вают переходной зоной; он представляет собой узкую полоску основного металла, которая при сварке находится при температурах ниже линии ликвидуса, но выше солидуса. В процессе сварки этот участок нагревается до температуры, несколько превосходящей температуру плавления, и находится в твердожидком состоянии, что способствует протеканию диффузии некоторых элементов между твердой и жидкой фазой переходной зоны; поэтому переходная зона отличается по своему химическому состав,у как от основного, так и от наплавленного металла.

Ширина участка неполного расплавления зависит от характера источника нагрева и состава металла и изменяется от 0,1 до 0,4 мм. Свойства этого участка оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции.

Участок перегрева ограничивается температурными границами: со стороны шва температурой участка неполного расплавления, а со стороны основного металла температурой примерно 1100° С. На этом участке металл при сварочном нагреве претерпевает аллотропическое превращение из 6- в у-железо, и в связи с тем, что металл этого участка нагревается значительно выше точки Ас3, наблюдается перегрев и рост аустенитного зерна.

В процессе остывания вторичная структура на этом участке зависит от состава металла и термического цикла сварки. Так, в некоторых случаях ручной сварки при значительном перегреве в сталях с повышенным содержанием углерода, а при электрошлаковой сварке даже в низкоуглсродистой стали образуется крупнозернистая видмапштедтовая структура, которая незначительно влияет па прочность металла, но заметно снижает его пластичность. Ударная вязкость при этом падает на 25 % и более.

Ширина этого участка изменяется от 1 до 3 мм.

Участок нормализации охватывает металл, нагретый в процессе сварки от температуры несколько выше критической точки Ас3 до температуры 1100 °C. На этом участке создаются благоприятные условия для образования мелкозернистой вторичной структуры. Механические свойства металла на участке нормализации обычно выше свойств основного металла, не подвергшегося нагреву при сварке. Ширина этого участка в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 1,2 до 4 мм.

Участок неполной перекристаллизации охватывает металл, подвергшийся нагреву в интервале температур то-

чек от Асг до Асг. Для низкоуглеродистой стали этот интервал температур составляет немногим более 100 °C (от 725 до 850 °C). Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися при нагреве, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергавшейся пластической деформации. На этом участке в интервале температур 450—700 °C из обломков зерен зарождаются и растут новые равноосновые зерна. Если до сварки металл не подвергался пластической деформации (например, литые сплавы), процесс рекристаллизации не имеет места.

Участок синеломкости охватывает температурный интервал 200—400 °C, при котором появляются синие цвета побежалости на поверхности металла. Характеризуется тем, что при сварке низ ко углеродистых сталей, содержащих более 0,005 % О2, 0,005 % N2 и 0,0005 % Н2, на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости. Оно, вероятно, вызывается старением металла, при котором из пересыщенного твердого раствора выпадают избыточные составляющие, в данном случае азот, углерод, которые в виде тонкодисперсных нитридов и карбидов скапливаются вокруг дефектных участков кристалличе-

Таблица 21. Средние размеры участков зоны термического влияния при различных способах сварки

Вид сварки

Средние размеры участков, мм

Общая протяженность указанных участков ЗТВ, мм

перегрева

нормализации

неполной перекристаллизации

Дуговая сварка электродами: тонкопокрытыми толстопокрытыми

Под флюсом

В среде углекислого газа

Электрошлаковая

Газовая

1,2

2,2 0,8—1,2 0,7— 1,0

4,0—5,0

21

0,6

1,6

0,8—1,7

0,6—1,5

3,0—4,0 4

0,7

2,2

0,7—0,8 0,5—0,7

4,0—5,0 2

2,7

6,0

2,5—3,7

1,8—3,2

11,0—14,0

27

скоп решетки, повышая таким образом прочность и снижая пластичность.

Сравнительные средине размеры участков зоны термического влияния но опытным данным для некоторых видов и способов сварки приведены в табл. 21. Размеры отдельных участков зоны термического влияния (ЗТВ) и общая ее ширина зависят от условий нагрева и охлаждения, определяемых погонной энергией сварки, толщиной и теилофизическпмп характеристиками свариваемого металла, а также температурой окружающей среды.

ВЛИЯНИЕ ПОГОННОЙ ЭНЕРГИИ НА МЕТАЛЛ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ И МЕТАЛЛ ШВА

Оценку влияния погонной энергии на основной металл производят по валиковой пробе МВТУ. Для этого из испытываемой стали, химический состав которой известен, вырезаются пластины размером 500x200 Xs мм (s — толщина пластины). Число пластин должно быть не менее 6 шт. На каждую пластину вручную или автоматически наплавляется валик без поперечных колебаний электрода при постоянной для данного опыта энергии на 1 см шва (сечении валика). При ручной наплавке заданная скорость передвижения дуги должна сохраняться постоянной при помощи какого-либо механизма.

Потопная энергия при наплавке каждого валика на пробы должна быть в следующих пределах:

11омер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/ см11омер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/ см2233Номер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/смНомер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/см4,2—12,544,2—12,5416,8—25,2516,8—25,2529,4—37,8629,4—37,8641,0—50,441,0—50,458,8—67,258,8—67,275,6—84,075,6—84,0

11омер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/ см

11омер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/ см

2

2

3

3

Номер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/см

Номер режима . . . . Ориентировочные значения погонной энергии, кДж/см

4,2—12,5

4

4,2—12,5

4

16,8—25,2

5

16,8—25,2

5

29,4—37,8

6

29,4—37,8

6

41,0—50,4

41,0—50,4

58,8—67,2

58,8—67,2

75,6—84,0

75,6—84,0

После наплавки выступающую часть наплавленного валика сострагивают заподлицо с основным металлом, и из пробы изготовляют образцы для определения KCUm НВ, а, р аустенитного зерна на участке перегрева .

По полученным данным строят кривые зависимости свойств основного металла от погонкой энергии. Для углеродистой конструкционной стали 40 (0,40 % С, 0,70 % Мп,

0,24 % Si; 0,03 % Cr; 0,44 % Ni) такие кривые показаны на рис. 61. Из них видно, что с увеличением погонной энергии твердость околошовиой зоны уменьшается, а размер аустенитного зерна на участке перегрева увеличивается.

При погонной энергии 30—40 кДж см ударная вязкость и угол загиба имеют наибольшее значение. Уменьшение или увеличение погонной энергии по сравнению с опти-

Рис. 61. Зависимость свойств основного металла (углеродистая сталь 40) от энергии сварки

мальвой приводит к уменьшению этих величин. Это объясняется тем, что уменьшение погонной энергии при сохранении всех прочих начальных условий приводит к увеличению скорости охлаждения, уменьшению размера аустенитного зерна и получению менее пластичных структур в околошовной зоне. Уменьшение же ударной вязкости и угла загиба при погонной энергии выше оптимальной есть результат того, что повышенная погонная энергия приводит к замедленному охлаждению и тем самым к значительному росту аустенитного зерна в околошовной зоне, что снижает ее пластические свойства.

Влияние погонной энергии на металл шва рассмотрим для случая сварки электродами УОНИ-13/45 стыковых соединений на стали СтЗ .s 30 мм с различной погонной энергией (сечением валика). Одна проба выполнялась с малой (сечение прохода 30—35 мм'2), а другая — с большей погонной энергией (сечение прохода 85—90 мм2) — рис. 62, а. Из полученных проб изготавливались образцы для испытания на ударную вязкость (рис. 62, б). Из графика видно, что ручная сварка стыковых соединений с большей погонной энергией приводит к заметному снижению ударной вязкости, особенно при низких тем-

пературах испытаний, в связи с тем, что сильнее проявляется дендритная ликвация, и структура шва получается грубой, крупнозернистой. Поэтому для получения оптимальных свойств металла шва рекомендуется производить сварку за несколько проходов с погонной энергией прохода порядка 20—30 кДж/см.

ТРЕЩИНЫ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ СТАЛЕЙ

В зависимости от температур, при которых образуются трещины, различают два типа трещин — горячие и холодные. К горячим относят трещины, возникающие при температурах, близких к линии солидуса, а к холодным — трещины, возникающие при более низких температурах, как правило, менее 120 °C. Горячие трещины проходят по границам кристаллитов и поэтому вызывают межкристаллическое разрушение металла; холодные трещины характеризуются внутрикристалличе- ским разрушением и пересекают как зерна, так и (иногда) границы зерен.

Наличие трещин в сварных соединениях недопустимо, поэтому рассмотрим основные причины их возникновения и меры ио предупреждению трещин.

Образование горячих трещин в сварных швах связано со скоростью процесса кристаллизации, видом кристалли-

ческой структуры (крупнозернистая, мелкозернистая), степенью развития внутрикристаллической ликвации металла шва и скоростью нарастания напряжений в сварном соединении по мере снижения температур. Установлено, что в процессе нагрева источником теплоты в сварных соединениях возникают значительные пластические деформации сжатия, а при охлаждении появляются упругие напряжения растяжения, что приводит к поперечному и продольному укорочению металла в соединении. Если в процессе сварки создаются условия, при которых в металле шва во время его кристаллизации при высоких температурах возникнут деформации укорочения, превышающие его деформационную способность, то в металле шва возникнут горячие трещины. Естественно, чем более крупнозернистой буцет структура металла шва, тем интенсивнее будут протекать явления зональной и междендритной ликвации и тем больше будет склонность металла шва к горячим трещинам. Химический состав металла шва оказывает решающее влияние на стойкость шва против образования горячих трещин.

Образование горячих трещин тем вероятнее, чем больше в металле элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химических соединений, располагающихся при кристаллизации по границам зерен и затвердевающих в последнюю очередь при относительно низких температурах. Сера, углерод и другие элементы, образующие прослойки легкоплавких эвтектик, увеличивают склонность металла шва к образованию горячих трещин. Марганец повышает стойкость металла шва против образования горячих трещин, так как марганец связывает серу в тугоплавкое соединение. Это хорошо подтверждается данными о влиянии марганца на склонность к трещинам, вызываемым серой и углеродом (рис. 63). Из графика следует, что при содержании углерода 0,16 % даже при малых концентрациях серы й достаточно высоком содержании марганца в шве возникают горячие трещины, что характеризует низкую технологическую прочность такого металла.

Способность металла и ЗТВ претерпевать без разрушения упругопластические деформации при высоких температурах процесса сварки называется технологической прочностью металла при сварке.

Технологическую прочность сталей уменьшают элементы — карбпдообразователи. По степени уменьшения

технологической прочности они расположены в ряд: хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан. Это объясняется тем, что при кристаллизации тройного сплава, например железо — углерод — хром, железо — углерод— молибден и др., твердую фазу образует аустенит, а жидкая фаза, обогащаясь углеродом, затвердевает в виде эвтектики тина ледебурита при относительно низких температурах. Вероятно, эта карбидная эвтектика и создает

Рис. 63. Влияние марганца на склонность к трещинам, вызванным серой и углеродом

жидкие прослойки между кристаллитами, способствуя образованию горячих трещин. Образованию горячих трещин способствуют также элементы, обладающие ограниченной растворимостью в железе, и более легкоплавкие чем железо, например медь.

Из рассмотренного следует, что знание склонности того пли иного металла шва к горячим трещинам является крайне важным. В настоящее время для этого разработаны различные методики.

Методика Института электросварки им. Е. О. Патона заключается в том, что на тавровом образце длиной 250— 350 мм, собранном на прихватках и закрепленном в приспособлении, производится сварка углового шва «в лодочку» при точном фиксировании режима и времени сварки. По истечении определенного промежутка вре- 160

мени с момента прекращения сварки по кромке стенки тавра, в конце шва, наносится удар падающим грузом (работа удара 100 Н/м). Этот опыт при тех же условиях повторяют несколько раз и устанавливают время, в течение которого металл шва сохраняет способность образовывать трещины. Этот промежуток времени, выраженный в секундах, и является показателем склонности металла шва к образованию горячих трещин.

Методика МВТУ им. Баумана состоит в том, что специальный образец (рис. 64, а) в процессе сварки растя-

Рис. 64. Вид образца для определения склонности металла шва к образованию горячих трещин по методике МВТУ: а — размеры и вид образца сверху до испытания; б — вид образца снизу после растяжения

гивается с постоянной скоростью. Круглые отверстия в средней части образца служат для создания при растяжении образца двухосного напряженного состояния в металле шва за счет искривления силового потока и изгиба боковых частей образца (рис. 64, б). Испытания проводят на нескольких образцах при различной скорости деформации так, чтобы установить граничное значение скорости деформации, при которой в металле шва при данных условиях возникают трещины.

Скорость деформации (мм/мин), при которой в металле шва появляются трещины, и служит показателем технологической прочности.

Для уменьшения вероятности образования горячих трещин следует устранить или ослабить влияние факторов, вызывающих их, таких, как растягивающие напряжения и жидкие межкристаллитные прослойки.

Уменьшение растягивающих напряжений может быть достигнуто обеспечением более свободного укорочения ме-

талла шва и отдалением момента возникновения растягивающих напряжений — применением предварительного и сопутствующего подогрева. В этом случае уменьшается вероятность образования горячих трещин даже при более выраженной дендритной ликвации, обусловленной замедленным остыванием шва. Но все же возможности устранения трещин за счет ослабления растягивающих напряжений крайне ограничены. Поэтому чаще всего применяют технологические и металлургические меры по уменьшению склонности швов к образованию горячих трещин:

применение режимов сварки, обеспечивающих получение более благоприятной формы шва;

уменьшение доли участия основного металла в металле шва;

использование основного и сварочного материалов с минимальным содержанием серы, фосфора, углерода и с достаточным содержанием марганца;

введение в шов модификаторов (титан, алюминий и др.), измельчающих первичную структуру металла шва;

различные мероприятия, способные приводить к измельчению структуры первичной кристаллизации.

Холодные трещины в сварных соединениях на сталях обычно образуются в том случае, если при охлаждении аустенит околошовной зоны и металла шва переохлаждается, и превращение у-железа в а-железо протекает достаточно быстро, завершаясь при температуре ниже 200 °C. Металл, претерпевший такой термический цикл, будет иметь тетрагональную мартенситную структуру, очень твердую и хрупкую, объем которой будет больше исходной «-структуры.

Холодные трещины являются типичными дефектами сварных соединений из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. В связи с тем, что при сварке таких сталей металл шва обычно подбирают с меньшим содержанием элементов, способствующих переохлаждению аустенита, то холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону, реже металл шва.

Образованию холодных трещин в закаливающихся сталях способствует не только переохлажденный аустенит, но и водород, поступающий в околошовную зону из металла шва. Характер действия водорода на образование холодных трещин рассмотрен ранее.

Холодные трещины, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после окончания сварки, а затем на протяжении нескольких часов и даже суток распространяются как вдоль, так и поперек околошовной зоны, а иногда и шва. Такой характер разрушения — результат совместного действия в сварном соединении тепловых, сварочных и структурных напряжений, крупнозернистого игольчатого строения мартенсита и заметного снижения пластических свойств металла в связи с растворением в нем водорода.

Предупредить образование холодных трещин в сварных соединениях можно применением предварительного и сопутствующего подогрева при сварке; использованием сварочных материалов с минимальным содержанием водородопроизводящих компонентов; выбором оптимального режима сварки и правильной последовательности наложения швов; проведением термической обработки соединения сразу же после сварки и рядом других мер (см. гл. IX).

СТАРЕНИЕ И КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Старением металла называют процесс изменения механических свойств металла со временем. Он проявляется в повышении твердости и хрупкости металла. Если процесс старения происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением, а если при нагреве до определенной температуры с последующим охлаждением — искусственным старение м.

Основной причиной старения металла сварных соединений является искажение кристаллической решетки металла в связи с выпадением из пересыщенного твердого раствора металла избыточных составляющих: кислорода, азота, водорода и других примесей.

Оценка склонности к старению производится как по ударной вязкости, так и по критической температуре хрупкости металла Тх. За величину критической температуры хрупкости обычно принимают наименьшую температуру, при которой ударная вязкость не снижается менее 30 Дж/см2.

Коррозией называется процесс физико-химического разрушения металла под влиянием внешней среды.

Коррозионная стойкость сварных соединений в различных средах и при разных температурах имеет исключительно большое значение, так как сварные соединения часто работают в условиях, способных вызвать коррозию (растворы кислот, повышенная температура, влага, совместное действие нескольких факторов и др.).

По характеру процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия есть процесс окисления металла при непосредственном воздействии соприкасающейся с ней среды без появления электрического тока. Примером такой коррозии может служить окисление железа на воздухе при нагреве с образованием оксидов (окалины) на его поверхности или образование гидрооксидов железа в присутствии дистиллированной воды.

Электрохимическая коррозия характеризуется тем, что протекает в электролитах и сопровождается появлением электрического тока. В качестве электролитов могут служить кислоты, щелочи и их растворы, растворы солей в воде и вода, содержащая растворенный воздух.

Стойкость против коррозии зависит от химического состава, структуры, состояния поверхности, напряженного состояния металла, а также химического состава, концентрации, температуры и скорости перемещения агрессивной среды по поверхности металла.

Мерой коррозионной стойкости металла является скорость коррозии в данных условиях и среде, которая выражается глубиной коррозии в миллиметрах в год или в потере массы в граммах за 1 ч па I м2 площади поверхности металла (г/м2-ч).

При эксплуатации сварных судов для восстановления лакокрасочных покрытий на днищевой части корпуса их периодически помещают в сухие доки; при этом установлено, что наружная подводная часть корпусов имеет участки корродированного металла. Анализ причин коррозии показал, что окалина, не удаленная с поверхности металла корпуса, обладая более высоким потенциалом, образует на этой части поверхности корпуса катод. В то же время участки корпуса, на которых она отсутствует, являются анодом и подвергаются коррозионному разрушению.

На поверхности сварных швов окалина отсутствует и при износе лакокрасочного покрытия металл швов, являясь анодом по отношению к окалине, подвергается

интенсивному коррозионному износу. Но наряду с этим установлено, что даже при отсутствии окалины на основном металле металл шва часто подвергается более интенсивному коррозионному разрушению, чем основной металл.

Это имеет место вследствие того, что металл шва по химическому составу отличается от основного металла, как это видно из табл. 22. Кроме того, металл шва также отличается от основного по структуре. В связи с тем, что при рассмотренных условиях металл шва является анодом, интенсивность его корродирования заметно усиливается. В ряде случаев коррозия сварных швов была столь значительна, что возникла необходимость периодической постановки судов в доки для подварки тысячи метров швов. Это приводило к большим затратам средств и времени. Установлено, что различные составляющие металла шва существенно влияют на антикоррозионную способность. Легирование металла шва соответствующими элементами производилось через покрытие.

К W о. 03 5К W о. 03 50303СПSСПSк к <и и г; О Кк к <и и г; О КсосоCt LQCt LQХОДC3QХОДC3QРЭ ок ф 2 ф ч <пф S ВСРЭ ок ф 2 ф ч <пф S ВСОРЭ сОРЭ с55о.си ф ч о-ф со См о_о о ООО\оV)ф toОО -г со см о_о о о* о* о*ою ооxfО°"STоZо ООО 1 ° in о*6о CD О~ СО1 1 °0- о о соое Sо о 00 о о" ооо1 1 ю- о о о Ш со, о ойО 1О—^со,о оо00 "ооиСМ — Оо о оо.си ф ч о-ф со См о_о о ООО\оV)ф toОО -г со см о_о о о* о* о*ою ооxfО°"STоZо ООО 1 ° in о*6о CD О~ СО1 1 °0- о о соое Sо о 00 о о" ооо1 1 ю- о о о Ш со, о ойО 1О—^со,о оо00 "ооиСМ — Оо о о« к 2to соо^ч ФО Н нS « ф2 Е<СЗ м d2agob« к 2to соо^ч ФО Н нS « ф2 Е<СЗ м d2agobДля повышения коррозионной стойкости сварных швов на конструкциях из низколегированных и низкоуглеродистых сталей, предназначенных для эксплуатации в морской воде или подобной среде, рекомендуется при ручной сварке ввести в металл шва 0,55 % NL Для этого ручную сварку следует производить электродами марки Э-138/Н50, имеющими основное покрытие и содержащими 0,7—1,1 %

К W о. 03 5

К W о. 03 5

03

03

СПS

СПS

к к <и и г; О К

к к <и и г; О К

со

со

Ct LQ

Ct LQ

ХОД

C3Q

ХОД

C3Q

РЭ о

к ф 2 ф ч <п

ф S ВС

РЭ о

к ф 2 ф ч <п

ф S ВС

О

РЭ с

О

РЭ с

5

5

о.

си ф ч о

-ф со См о_о о ООО

\о

V)

ф to

ОО -г со см о_о о о* о* о*

о

ю о

оxf

О°

"ST

о

Z

о ОО

О 1 ° in о*

6

о CD О~ СО

1 1 °0- о о со

о

е S

о о 00 о о" ооо

1 1 ю- о о о Ш со, о о

й

О 1О

—^со,

о оо

00 "

оо

и

СМ — О

о о о

о.

си ф ч о

-ф со См о_о о ООО

\о

V)

ф to

ОО -г со см о_о о о* о* о*

о

ю о

оxf

О°

"ST

о

Z

о ОО

О 1 ° in о*

6

о CD О~ СО

1 1 °0- о о со

о

е S

о о 00 о о" ооо

1 1 ю- о о о Ш со, о о

й

О 1О

—^со,

о оо

00 "

оо

и

СМ — О

о о о

« к 2

to со

о

^ч Ф

О Н н

S « ф

2 Е

<

СЗ м d2a

gob

« к 2

to со

о

^ч Ф

О Н н

S « ф

2 Е

<

СЗ м d2a

gob

Ni, а автоматическую сварку под флюсом производить проволокой Св-08ГНА, содержащей 0,9—1,2 % Ni.

В связи со значительной стоимостью и дефицитностью никеля швы на стали ЮХСНДдля увеличения коррозионной стойкости можно легировать 0,6—0,7 % Сг, но следует учитывать, что такое содержание хрома в металле шва на стали 10ХСНД снижает его ударную вязкость. При многопроходных швах такое содержание хрома целесообразно обеспечить только в верхнем слое шва, выполняя остальную часть шва электродами УОНИ-13/45А.

Уменьшение кремния и марганца в металле шва тоже может способствовать повышению его коррозионной стойкости .

Наряду с рассмотренными видами коррозии при сварке сталей различают еще межкристаллитную (структурную) коррозию.

Межкристаллитной коррозией называется процесс физико-химического разрушения металла по границам кристаллитов (зерен) под действием агрессивной среды, при котором агрессивная среда проникает в глубь металла по границам зерен, нарушая металлическую связь между зернами. Приложение даже незначительной нагрузки к такому металлу приводит к его разрушению по границам зерен. Межкристаллитной коррозии в наибольшей степени подвержены аустенитные коррозионно-стойкие стали, но это может иметь место и в высокохромистых сталях, а также швах ферритного, полуферритного и мартенситного классов.

Аустенитные стали, например, сталь 12Х18Н9Т, приобретают склонность к межкристаллитной коррозии после относительно длительного нагрева в интервале температур 450—850 °C. Эта склонность зависит от большого числа факторов и особенно от химического состава стали, продолжительности ее пребывания при критических температурах.

Влияние углерода на коррозионную стойкость стали типа 18—9 начинает сказываться при его содержании более 0,02—0,03 %. Однако это критическое содержание может быть повышено при уменьшении времени выдержки при критических температурах или же более высокой скорости нагрева и охлаждения.

Из всех существующих теорий о причине межкристаллитной коррозии аустенитных сталей наиболее вероятной является теория о выделении карбидов хрома по грани-' 166

нам зерна, сопровождающимся обеднением хромом участков металла, прилегающих к границам зерна. Аустенит в высоколегированной аустенитной стали представляет собой твердый раствор хрома, никеля, марганца, углерода и других элементов в железе. Углерод обладает ограниченной растворимостью в аустените; при комнатной температуре стабильное содержание углерода в твердом растворе аустенита не превышает 0,02—0,03 %. При более высоком содержании углерода в стали и быстром ее охлаждении (закалке) он фиксируется в аустените в виде

Рис. 65. Схема распределения хрома по зерну аустенитной стали, склонной к межкристаллитной коррозии: а — в стабилизированном состоянии (отсутствие коррозии); б — после нагрева в критическом интервале температур и при воздействии агрессивной среды (наличие коррозии):

1 — условная форма аустенитного зерна; 2 — карбиды хрома на границах зерна; 3 — обедненные хромом пограничные участки; 4 —- линии распределения хрома по аустенитному зерну

пересыщенного нестабильного твердого раствора. При этом сталь невосприимчива к межкристаллитной коррозии (рис. 65).

Однако последующий нагрев металла в интервале критических температур приводит к выделению избыточного углерода из твердого раствора на границе зерен в виде карбидов хрома Сг4С.

В результате выделения богатых хромом карбидов содержание хрома в пограничных слоях аустенитных зерен падает ниже 12 % и оказывается недостаточным для сохранения коррозионной стойкости в условиях воздействия агрессивных сред. Разное содержание хрома в самом зерне и его пограничном слое при действии агрессивной среды (электролита) приводит к появлению гальванических микропар, где само зерно служит катодом, а обедненные хромом пограничные слои — анодом, который корродирует, вызывая на этих участках зерна процесс интенсивной межкристаллитной коррозии.

На рис. 66 приведена зависимость межкристаллитной коррозии стали от температуры и времени. Кривая иллюстрирует зависимость между температурой нагрева свар-

ТДС850750730850550550350ТДС850750730850550550350СекундыСекундыМинутыМинутыЧасыЧасыСотниСотниТысячиТысячичасовчасовчасовчасовДесятки часовДесятки часовПриобретается повторная стойкостьПриобретается повторная стойкость^кр^крвых соединений стали типа 18—9 и склонностью их к межкристаллитной коррозии. Как следует из этой зависимости, по мере повышения температуры нагрева стали до 730 °C критическое время приобретения сталью склонности к межкристаллитной коррозии сокращается от нескольких часов до долей минуты. При достижении 800— 850 °C восприимчивость к межкристаллитной коррозии вообще нс наступает. Это объясняется различными ско-

ТДС

850

750

730

850

550

550

350

ТДС

850

750

730

850

550

550

350

Секунды

Секунды

Минуты

Минуты

Часы

Часы

Сотни

Сотни

Тысячи

Тысячи

часов

часов

часов

часов

Десятки часов

Десятки часов

Приобретается повторная стойкость

Приобретается повторная стойкость

^кр

^кр

Сохраняется первоначальная стойкость против - межкристаллитной коррозии

Рис. 66. Зависимость склонности аустенитной стали к меж-кристаллитной коррозии от температуры и продолжительно-сти нахождения этой стали при данной температуре: /нр —время минимальной устойчивости аустенита

ростями протекания двух взаимно противоположных процессов — выделения карбидов хрома и диффузии хрома из центральной части зерна аустенита к его периферии. По мере повышения температуры от 450 до 730 °C скорость выпадения углерода из пересыщенного раствора и образование карбидов хрома протекают быстрей, чем скорость диффузии хрома. Вследствие этого сталь за более короткое время становится чувствительной к межкристаллитной коррозии. Дальнейшее повышение температуры от 730 до 850 °C приводит ко все большему ускорению диффузии хрома даже из центральных участков зерен аустенита, и местное обеднение хромом пограничных участков зерен протекает не так быстро, как при более низких температурах. Кроме того, при этих температурах уже сказывается процесс коагуляции и растворения карбидов в аустените. По этой же причине более длительная выдержка

стали» прм-.-дйнной температуре привадит к восстановлению временно утерянной стойкости против межкристаллитной коррозии (штриховая линия), а при температуре 850 °C и выше восприимчивость к межкристаллитной коррозии вообще не наступает.

Увеличение содержания углерода в аустенитных сталях будет интенсифицировать процесс образования карбидов хрома, и склонность к межкристаллитной коррозии будет возрастать. В меньшей степени на склонность к межкристаллитной коррозии влияют элементы-аусте- низаторы: никель и азот; при увеличении содержания этих элементов в аустенитных сталях для уменьшения склонности стали к коррозии следует уменьшить в ней содержание углерода.

Увеличение концентрации хрома в аустенитной стали уменьшает степень обеднения хромом пограничных участков и увеличивает стойкость стали против коррозии. Введение в сталь молибдена увеличивает стойкость стали против коррозии, так как он тормозит процесс выделения карбидов хрома, а также потому, что является активным ферритизатором. А стали с аустенитно-ферритной структурой (3—5 % феррита) менее склонны к межкристаллитной коррозии, чем чисто аустенитные, так как при этом наблюдается измельчение зерна и возрастание количества зерен в металле, что приводит к увеличению общей протяженности поверхности зерен, и количество углерода, выделяющегося в виде карбидов, становится значительно меньше.

Феррит содержит больше хрома, чем аустенит, поэтому, несмотря на обеднение хромом при выделении карбидов, в феррите еще остается достаточно хрома, чтобы противостоять межкристаллитной коррозии. Ферритные зерна располагаются внутри аустенитных зерен, а небольшая часть их — по границам, что препятствует воздействию агрессивной среды на границы зерен аустенита.

Титан и ниобий входят в аустенитные стали для подавления вредного влияния углерода. Эти элементы, обладая большим сродством к углероду, чем хром, образуют карбиды (TiC, NbC), предотвращая образование и выделение карбидов хрома Сг4С. Необходимое содержание титана и ниобия в стали составляет:

Ti = (54-6) С; (88)

Nb = (84-10) С, (89)

где С — содержание углерода в аустенитной стали.

Титан и ниобий являются активными ферритизато- рами, и это также будет способствовать уменьшению склонности к межкристаллитной коррозии.

Для установления микроструктуры металла шва хромоникелевой стали можно пользоваться структурными диаграммами.

В результате длительных исследований удалось установить эффективность действия на структуру сварного

Рис. 67. Структурная диаграмма сварных швов (по Шеффлеру)Рис. 67. Структурная диаграмма сварных швов (по Шеффлеру)

Рис. 67. Структурная диаграмма сварных швов (по Шеффлеру)

Рис. 67. Структурная диаграмма сварных швов (по Шеффлеру)

шва того или иного элемента по сравнению с действием основных легирующих примесей аустенитных сталей: основного ферритообразующего элемента хрома и основного аустенитиообразующего элемента никеля. На основании полученных данных, приняв действие основных элементов за единицу, построили структурную диаграмму Шеффлера для сварных швов (рис. 67), где по ординате приведен эквивалент никеля, а по абсциссе — эквивалент хрома.

Эффективность влияния ряда других элементов, указанных в приводимых на рис. 67 эквивалентных значениях никеля и хрома, и эквивалентное их содержание может определяться по формулам:

Сгэкв = Сг + Mo + 1,5Si + 2 Al + 2 Ti +

+ Nb + W + 0,5 V;+ Nb + W + 0,5 V;(90)(90)

+ Nb + W + 0,5 V;

+ Nb + W + 0,5 V;

(90)

(90)

Ni8KB = Ni + 30 C + 30 N + 12 В + Co + 0,5 Mn (91)

(содержание элементов дано в процентах).

Рассчитав эквивалентные концентрации хрома и никеля по структурной диаграмме, можно установить тип микроструктуры сварного шва и приближенно оценить количество ферритной составляющей в ней, что имеет большое значение для установления степени склонности металла к межкристаллитной коррозии и кристаллизационным трещинам.

Пример. Определить микроструктуры наплавленного металла электродами марки КТИ-5-62, если химический состав шва следующий: 0,11 % С; 0,4 % Si; 3,2 % Мп; 19,2 % Сг; 11,5 % Ni; 2,2 % Мо; 0,42 % V; 0,02 % S; 0,03 % Р.

Определяем эквивалентное значение Сг и Ni по формулам (90) и (91):

Сгэвв = 19.2J- 2,2 + 1,5-0,4 = 22;

Ni8KB = 11,5 + 30-0,11 4- 0,5-3,2 = 16,4.

По оси координат откладываем значения эквивалента Niann, а по абсциссе — эквивалентное значение Сгэкв, точка пересечения перпендикуляров этих точек и будет характеризовать микроструктуру наплавленного металла — в данном случае аустенит плюс 2 % феррита.

ГЛАВА V. СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

И ДЕФОРМАЦИИ

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Сварка, как и другие процессы обработки металлов (штамповка, литье, термическая обработка), вызывает возникновение в изделиях собственных напряжений. Собственными напряжениями называются напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. Поэтому в самый начальный период создания сварных конструкций, при их проектировании, необходимо считаться с возможностью появления в них значительных остаточпых деформаций и напряжений, которые могут изменить проектные формы и размеры. В тех случаях, когда изменение размеров конструкции выходит за пределы допустимых, приходится применять специальные меры по предотвращению или уменьшению остаточных сварочных деформаций и напряжений Для этого необходимо знать систему их классификаций и основные законы их возникновения. В зависимости от причины, вызвавшей напряжения, различают:

тепловые плпряжеипя, нызилпныс неравномерным рлспргдглгнигм температуры при сварке,

структурные напряжения, возникающие вследствие структурных превращении, сопровождающихся переохлаждением аустенита в околошовной зоне и образованием продуктов закалки мартенсита, объем которого больше объема исходной структуры.

Структурные напряжения не могут существовать при отсутствии тепловых напряжений, тогда как тепловые могут существовать при отсутствии структурных (как, например, в малоуглеродистых сталях).

В зависимости от времени существования собственных напряжений и деформаций различают:

временные (переменные) — существующие в конструкции лишь в определенный момент времени. Если при этом возникшие напряжения не превысят предела упругости, временные напряжения и деформации исчезают после охлаждения изделия;

_остаточпые — остаются в изделии после исчезновения причины, их вызвавшей. Эти напряжения и деформации также возникают вследствие неравномерного нагрева. Но при этом в отдельных объемах нагреваемого изделия должны иметь место термопластические деформации или структурные превращения с образованием продуктов закалки.

В зависимости от размеров области, в пределах которой имеют место и взаимно уравновешиваются внутренние напряжения, различают:

напряжения первого рода, которые действуют и уравновешиваются в крупных объемах, соизмеримых с размерами изделия или отдельных его частей. Эти напряжения могут быть определены экспериментально или расчетным путем;

напряжения второго рода — уравновешиваются в микро65ъемах тела в пределах одного или нескольких зерен металла, не имеют определенной ориентировки и не зависят от формы изделия. Напряжения второго рода определяются рентгеноструктурным анализом;

напряжения третьего рода — уравновешиваются в объемах, соизмеримых с атбМИбй'решеткой, и связаны с искажением атомной решетки; возникают они, например, при образовании растворов внедрения; определяются рентгеноструктурным анализом.

К напряжениям первого рода относятся, как правило, внутренние напряжения, вызванные неравномерным нагревом и остыванием, либо неравномерной пластической деформацией. Поэтому сварочные напряжения и являются напряжениями первого рода. Они более подробно изучены и являются предметом рассмотрения в данной главе.

Рис. 68. Направление действия продольных и поперечных напряженийРис. 68. Направление действия продольных и поперечных напряженийПо направлению действия напряжений и деформаций различают продольные напряжения вдоль (параллельно) оси шва — рис. 68 и поперечные напряжения поперек (перпендикулярно) оси шва — рис. 68.

Рис. 68. Направление действия продольных и поперечных напряжений

Рис. 68. Направление действия продольных и поперечных напряжений

Рис. 69. Различные виды напряженного состояния

По виду напряженного состояния сварочные напряжения делятся:

на линейные (одноосные), действующие только по одной оси в одном направлении — рис. 69, а;

плоскостные (двухосные), действующие в двух направлениях — рис. 69, б;

объемные (трехосные), действующие в трех направлениях — рис. 69, в.

В зависимости от изменения при сварке форм и размеров детали или изделия различают:

деформации в плоскости — проявляются в изменении формы и размеров детали или конструкции в их плоскости. Они могут быть продольными, поперечными и изгиба;

деформации из плоскости (угловая деформация) — проявляются в образовании поперечных или продольных волн, изломов плоскости свариваемых листов или элементов изделия, в грибовидном изгибе пояса при сварке тавровых и двутавровых сечений и других изменениях формы детали. Вопросы напряжений и деформаций при

шва участки могут вовсешва участки могут вовсеРис. 70. Изменение свойств низ- коутлеродистои стали в зависимости от температурыРис. 70. Изменение свойств низ- коутлеродистои стали в зависимости от температуры

шва участки могут вовсе

шва участки могут вовсе

Рис. 70. Изменение свойств низ- коутлеродистои стали в зависимости от температуры

Рис. 70. Изменение свойств низ- коутлеродистои стали в зависимости от температуры

сварке в значительной мере изучены в работах проф. д-ра техн, наук И. О. Окерблома. Основные положения теории сварочных деформаций изложены ниже.

§ 25. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ

СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

Сварка металлов протекает в широком интервале температур. При этом интенсивному нагреву подвергаются шов и околошовная зона, а удаленные от

не подвергаться нагреву.

Нагрев приводит к изменению как физических, так и механических характеристик металла, с чем при сварке необходимо считаться. Поэтому рассмотрим, как изменяются свойства низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры испытания (рис. 70).

Как видно из графика, предел прочности стали до температуры 100 °C меняется незначительно, в интервале температур 200—350 °C он достигает

максимума, превышающего начальное значение на 20—30 %, относительное удлинение в этом интер

вале температур падает. Повышение прочности при понижении пластичности может иногда явиться причиной образования трещин в металле. Модуль упругости стали при повышении температуры падает, и при температуре около 650 °C сталь утрачивает свои упругие свойства^ Коэффициент линейного теплового расширения ajс повышением температуры возрастает. Предел текучести с повышением температуры снижается, и в дальнейшем будем считать, чго при температуре 600 °C предел текучести имеет нулевое значение. Но обычно при рассмотрении напряжений и деформаций при сварке зависимость между пределом текучести и температурой принимают, как показано штриховой линией на рис. 70.

Изучение напряжений и деформаций в сварных соединениях начнем с анализа процессов при равномерном нагреве и охлаждении массивных стержней с разной степенью закрепления.

Деформации и напряжения при равномерном нагреве

Процессы будут рассматриваться в координатных осях: время t — по абсциссе, а температура Т °C и

Рис. 71. Изменение размеров незакрепленного стержня при изменении температурыРис. 71. Изменение размеров незакрепленного стержня при изменении температурыотносительные деформации мерном нагреве свободно лежащего стержня удли- ’ нение будет прямо пропорционально температуре рис. 71. (Коэффициент а принимаем не зависящим от температуры.) С течением времени t будет изменяться и относительное тепловое удлинение X; его можно определить так:

Рис. 71. Изменение размеров незакрепленного стержня при изменении температуры

Рис. 71. Изменение размеров незакрепленного стержня при изменении температуры

А = МП = аТ. (92)

Наибольшее удлинение стержень получит в момент достижения им наивысшей температуры, но напряжений в нем возникать не будет. Если после нагрева его охлаждать, то по мере уменьшения температуры будут уменьшаться удлинения, и при начальной температуре его удлинение будет равно нулю. По завершении термического цикла в стержне не будет ни напряжений, ни остаточных реформаций.

В случае равномерного нагрева стержня, упирающегося концами в жесткие стенки (рис. 72, сГ), по мере повышения температуры в нем появятся напряжения сжатия и упругие деформации сжатия, пропорциональные аТ. До момента времени tv и температуры Т, пока аТ будет меньше или равно пределу текучести, процессы в стержне будут обратимые. Но при дальнейшем повышении температуры (выше Ть когда напряжения превзойдут предел текучести), кроме упругих деформаций сжатия в стержне появятся пластические деформации сжатия, по величине равные общим тепловым деформациям за вычетом упру-

гих, объем которых будет увеличиваться по мере роста температуры.

Если после нагрева стержня до некоторой максимальной температуры Т2 в момент времени /2 начнется его охлаждение, то в нем по линии тп будут уменьшаться напряжения сжатия и упругие деформации сжатия, которые в момент времени /3 и температуры 73 будут равны нулю, и дальнейшее незначительное уменьшение температуры приведет к потере контакта между стержнем и стенками, он из них выпадет и дальнейшее снижение температуры

Рис. 72. Изменение деформаций и напряжений при нагреве и охлаждении стержнейРис. 72. Изменение деформаций и напряжений при нагреве и охлаждении стержней

Рис. 72. Изменение деформаций и напряжений при нагреве и охлаждении стержней

Рис. 72. Изменение деформаций и напряжений при нагреве и охлаждении стержней

приведет к соответствующему укорочению стержня. По завершении термического цикла в стержне напряжений не будет, но он укоротится на △/ = аТ31.

В случае равномерного нагрева жестко закрепленного стержня (рис. 72, 6) все процессы до момента времени /8 будут подобны ранее рассмотренному. Но при уменьшении температуры ниже Т3 укорочение стержня произойти не сможет, поэтому в нем появляются напряжения растяжения, возрастающие по линии пк по мере уменьшения температуры до Т4 и момента времени t4, когда они достигнут предела текучести растяжения, дальнейшее охлаждение вызовет в стержне пластические деформации растяжения, которые будут увеличиваться до достижения стержнем начальной температуры в момент времени /б. По завершении термического цикла в стержне будут существовать остаточные напряжения, равные пределу

текучести растяжения, большие пластические деформации сжатия, а также небольшие пластические деформации растяжения. Если же стержень освободить от закрепления, то он, сохраняя начальный объем, увеличится по диаметру и сократится подлине, и напряжений в нем не будет. Относительное укорочение может быть определено по формуле 8S = От/Е.

Следовательно, нагрев и охлаждение жестко заделанного стержня выше температуры, при которой напряжения_ превосходят предел текучести, приводят к появлению в нем напряжений, равных пределу текучести растяжения и* пластических деформаций сжатия и растяжения, первые из которых по объему значительно превосходят вторые, что и приводит к заметным укорочениям свариваемых деталей и изделия в целом после сварки. Температура, при которой в жестко закрепленном стержне из стали марки СтЗ возникают напряжения, равные пределу текучести сжатия, может быть определена по уравнению

от = еЕ.(93)

Зная, что е = Д///; Д/ = аТ1, подставим полученное в уравнение (93). Тогда

от = аТЕ, а Т = от/аЕ.(94)

Подставив в правую часть уравнения значения коэффициентов, получим

24001,2-10-5-2-10е24001,2-10-5-2-10е240024240024= 100 °C.= 100 °C.

2400

1,2-10-5-2-10е

2400

1,2-10-5-2-10е

2400

24

2400

24

= 100 °C.

= 100 °C.

Из этого следует, что нагрев жестко заделанного элемента из стали марки СтЗ выше 100 °C приводит к появлению в нем напряжений, равных пределу текучести сжатия. Как ранее отмечалось, весь термический цикл нагрева и охлаждения вызывает появление напряжений растяжения, равных пределу текучести. Подобные условия жесткого закрепления на практике встречаются довольно часто, например при холодной заварке трещин в массивном изделии и сварке двух жестко закрепленных деталей встык. Поэтому, естественно, возникает вопрос, не могут ли остаточные напряжения, равные пределу текучести растяжения, достигнуть предела прочности материала, т. е. вызвать разрушение — разрыв стержня. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим диаграмму растяжения для двух образцов: одного пластичного, из низкоуглеродистой стали, другого — малопластичного, из закаленной стали

или чугуна (рис. 73). Как видно из рисунка, кривая 2 резко отличается от кривой 1. Определим относительное укорочение е, которое должен претерпеть равномерно нагретый жестко закрепленный стержень при охлаждении от 600 °C (когда упругие свойства считаем равными нулю) до 0е

е = аТ = 1,2-10"5-600 = 0,0072 = 0,72 %.

Сопоставляя полученное относительное укорочение

для жестко закрепленного образца (по завершении терми

Рис. 73. Диаграмма растяжений пластичной стали (7) и хрупкого чугуна (2)Рис. 73. Диаграмма растяжений пластичной стали (7) и хрупкого чугуна (2)ческого цикла) — 0,72 % — с

Рис. 73. Диаграмма растяжений пластичной стали (7) и хрупкого чугуна (2)

Рис. 73. Диаграмма растяжений пластичной стали (7) и хрупкого чугуна (2)

относительным удлинением, соответствующим границе площадки текучести, отмеченной точкой с (рис. 73), равным для пластичной стали 2—3 %, видим, что это укорочение образца значительно меньше деформаций, определяемых площадкой текучести. Если учесть, что разрушение образца из пластичной стали происходит при AZ/Z = 204-24 %, то станет очевидным, что при охлаждении

образца используется только незначительная часть общего запаса его пластичности, поэтому ожидать его разрыва нет оснований.

В то же время жестко закрепленный стержень из непластичного материала, претерпевая подобный термический цикл, может разрушиться, так как такой образец при растяжении не только не имеет площадки текучести (рис. 73, кривая /), но и общий запас деформационной способности его является слишком малым. Это создает

определенное затруднение при сварке хрупких материалов и требует применения специальной технологии.

Деформации и напряжения при неравномерном нагреве

Процессы, наблюдаемые при неравномерном нагреве, рассмотрим для случая наплавки валика быстро перемещающейся дугой на кромку полосы, допуская при этом некоторые упрощения:

178

действительное распределение температуры при наплавке (рис. 74, а) с небольшой погрешностью принимаем по схеме (рис. 74, б);

зависимость предела текучести от температуры примем, как показано штриховой линией на рис. 72;

полосу по ширине можно разбить на две части: на полоску I, равномерно нагреваемую при наплавке валика и ограниченной изотермой 600 °C, и полоску II,

остающуюся холодной, полагая при этом, что они могут быть и не связаны между собой. (Отношение ширины полоски I к полоске П принимаем примерно равной 0,25.) Тогда при наплавке валика на кромку полоски I, полагая ее не связанной с полоской II

Рис. 75. Схема развития деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосыРис. 75. Схема развития деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосыРис. 74. Распределение температуры при наплавке валика на кромку полосы: а — действительное; б — схематизированноеРис. 74. Распределение температуры при наплавке валика на кромку полосы: а — действительное; б — схематизированное(рис. 75, а), и при нагреве ее до температуры Т она удлинилась бы, и ее длина оказалась бы равной

Рис. 75. Схема развития деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы

Рис. 75. Схема развития деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы

Рис. 74. Распределение температуры при наплавке валика на кромку полосы: а — действительное; б — схематизированное

Рис. 74. Распределение температуры при наплавке валика на кромку полосы: а — действительное; б — схематизированное

/т = Zo (1 4- аТ),

где а — коэффициент линейного расширения. Длина полоски II при этом осталась бы неизменной.

Но так как нагреваемая полоска I и полоска II связаны между собой, то удлиняясь, полоска I заставит удлиниться прилегающие к ней волокна полоски II за счет ее изгиба и растяжения. Это вызовет упругие напряжения сжатия в полоске I и реактивные упругие напряжения растяжения в полоске II.

До тех пор, пока напряжения сжатия в полоске I будут увеличиваться, оставаясь меньше предела текучести, изгиб полосы II будет увеличиваться (рис. 75, б). В момент, когда температура полоски I достигнет 600 °C, при которой предел текучести будет равен нулю, под действием сжимающих напряжений полоски 11 полоска 1 претерпит пластическую деформацию сжатия; станет толще и примет начальную длину.

Напряжения в полосках I и II при этом будут равны нулю (рис. 75, «Y При охлаждении полоски I от 600 СС до 0, полагая ее не связанной с полоской II, она укоротилась бы до М = а/0 600. Но так как полоски I и 11 связаны между собой, то по мере уменьшения температуры полоска 1 будет укорачиваться и за счет сопротивления ее укорочению полоски II в ней будет возникать напряжение растяжения, а в полоске II — напряжение сжатия, под действием которых будет наблюдаться изгиб полосы (рис. 75, а).

В какой-то момент времени, при охлаждении полоски I напряжения растяжения в ней достигнут предела текучести растяжения и в ней начнутся пластические деформации растяжения, объем которых будет увеличиваться по мере ее охлаждения.

По завершении термического цикла полоска изогнется, и на участке полоски I возникнут напряжения растяжения и остаточные пластические деформ а ции_ сжатия, а в полоске II — остаточные напряжения "сжатия.

Учитывая, что в состоянии равновесия сумма всех напряжений равна нулю, эпюра продольных напряжений, принимая ширину полосы примерно 150 мм, примет вид (рис. 75, а).

§ 26. РАСЧЕТ СВАРОЧНЫХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В сварных деталях и изделиях в процессе сварки под действием неравномерного нагрева основного металла и структурных превращений в зоне термического влияния возникают упругие и пластические деформации, нарушающие заданные размеры конструкции и в некоторых случаях вызывающие образование трещин в металле шва и околошовной зоне.

Остаточные деформации можно в значительной степени уменьшить, если правильно разработать технологический 180

процесс сварки и правильно наметить способы борьбы со сварочными деформациями.

Для этого необходимо четко представлять себе механизм возникновения остаточных деформаций и разбираться в приближенных расчетных методиках определения остаточных деформаций, разработанных Н. О. Окербло- мом, который для расчетов рекомендовал пользоваться следующими формулами-

для определения относительной деформации продольной оси элемента (полосы) Дц. т, проходящей через центр тяжести ее сечения,

Дц.т = 0,83-10-6^,(95)

где qn — погонная энергия, Дж/см; F — площадь сечения валика, мм;

для определения кривизны элемента (полосы) с, 1/см с = 0,83.10-"-^-,(96)

где Z расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформации (до оси нагрева), см; J — момент инерции поперечного сечения элемента (полосы), см4; для частного случая, когда деталь в сечении имеет форму прямоугольника,

Z = Ь/2;(97)

J = sh3/12,(98)

где s — толщина полосы, см; h — высота полосы, см; b — ширина полосы, см;

для определения остаточных укорочений ^L, см ДД = ДЦ.ТД,(99)

где L — общая длина элемента (полосы), см;

для определения стрелы прогиба элемента (полосы), см

f = сЬЖ(ЮО)

Закономерность возникновения деформаций и расчетные формулы получены при неравномерном местном нагреве кромки полосы. Однако они сохраняются и при сварке двух полос разной ширины линейным источником теплоты. Кроме того, установленные соотношения могут быть использованы для определения деформаций любых сечений при любом расположении валика и при приме-

нении материалов с физическими свойствами, отличающимися от стали. Эти изменения свойств следует учитывать.

Пример. Определить укорочение и стрелу прогиба тавровой балки ив низкоуглеродистой стали (рис. 76) от сварки поясного шва.

По заданным размерам поперечного сечения находим необходимые для расчета величины: площадь сечения балки F, ординату центра тяжести Z, момент инерции J;

Fx = 10-1 + 12-1 = 22 см;

Z = ^ст 7J4 = J20 — 10 = 2 5 мм = 2 544

Ы231-Ю3

J = JW-H8 = -L±L +10.| -3,252 += 324,6 см».

Рис. 76. Расчетная длина и сечение тавровой балки

Зная катет шва, находим площадь его сечения Ь236

F =+ 1,05^ = — + 1,05-6.1,5 = 27,7 мм2.

Энергия сварки определяется по формуле (25)

qn = 650F = 650-27,5 = 17 875 Дж/см.

Определяем относительное продольное укорочение по оси балки по формуле (95)

Дц.т = 0,83-10-6-650 = 5,42-10-».

Определяем кривизну балки, возникающую от наложения продольного шва по одной стороне, по всей длине полосы — по формуле (96)

С = 0,83 -10~6 17= 1,26-10-».

и 24,0

Определяем стрелу прогиба балки по формуле (100)

f = 1,26.10"» 64С*00- = 10,1 см.

О

Определяем общее укорочение балки по формуле (99)

Д£ = 5,42-10-4-800 = 0,433 см.

Наряду с тепловыми напряжениями при сварке могут возникнуть структурные напряжения, обусловленные пре- 182

Рис. 77. Зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении от температуры: 1 — кривая нагрева для всех сталей; 2 — кривая охлаждения для низко- углеродистой стали; 3 — кривая охлаждения легированной сталиРис. 77. Зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении от температуры: 1 — кривая нагрева для всех сталей; 2 — кривая охлаждения для низко- углеродистой стали; 3 — кривая охлаждения легированной сталивращениями и изменениями структуры в тех зонах основного металла, которые в процессе сварки нагреваются выше критических температур. В сталях особенно легко могут возникнуть структурные напряжения при образовании мартенсита, обладающего наибольшим удельным объемом.

Рис. 77. Зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении от температуры: 1 — кривая нагрева для всех сталей; 2 — кривая охлаждения для низко- углеродистой стали; 3 — кривая охлаждения легированной стали

Рис. 77. Зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении от температуры: 1 — кривая нагрева для всех сталей; 2 — кривая охлаждения для низко- углеродистой стали; 3 — кривая охлаждения легированной стали

При сварке или наплавке околошовная зона имеет участки, нагреваемые выше точек Aq и Лс3 начала и конца образования аустенита. Эти превращения, сопровождающиеся изменением объема, характерны для всех марок стали. Однако изменение объема у низкоуглеродистой стали всегда происходит при температурах выше 600 °C, когда сталь находится в пластичном состоянии и предел упругости ее близок к нулю. Поэтому происходящие объемные изменения не сопровождаются образованием напряжений в металле. Зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении от температуры показана на рис. 77.

Кривая / показывает, как будет меняться объем стали

при нагревании, для всех марок стали она будет одинаковой. При этом до температуры Асг и после Ас3 изменение объема стали происходит пропорционально температуре нагрева. Но в интервале температур Асг—Ас3 в связи с тем, что коэффициент теплового расширения для a-железа составляет 1,2-10-5, а для у-железа 2,0-10"5, наблюдаем уменьшение объема при нагревании с температуры Асг до температуры Ас3.

При охлаждении изменение объема идет по кривой 2 (рис. 77), и распад аустенита в малоуглеродистой стали происходит в интервале температур Ас3—Xcj, т. е. между 900—700 °C, когда сталь весьма пластична; эти изменения объема происходят незаметно, без образования напряжений.

Иное положение создается при охлаждении легированных закаливающихся сталей, у которых из-за склонности

к переохлаждению распад-аустенита происходит при более низких температурах.

Если закалка получается полная, то аустенит переохлаждается до сравнительно невысоких температур (200—350 ГС) и затем сразу переходит в мартенсит. Образование мартенсита сопровождается еще более резким увеличением объема (кривая 3, рис. 77) ввиду того, что объемные изменения происходят ври температурах 200— 350 'С, когда металл находится в упругом состоянии, обладая высокой прочностью. Эти структурные превращения сопровождаются напряжениями, которые и называются структурными.

Расширению объемов образовавшейся структуры мартенсита препятствуют участки, не претерпевшие структурных превращений. Поэтому в объемах со структурой мартенсита возникают остаточные напряжения сжатия, а на пограничных слоях участков возникают продольные напряжения растяжения, вызывающие дополнительный рост пластических деформаций, которые в мало пластичных сталях могут привести к трещинам — отколам. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны; для сварки таких сталей требуется разработка более сложного технологического процесса.

§ 27. ДЕФОРМАЦИЯ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ СТЫКОВЫХ И ТАВРОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Деформации и напряжения при сварке стыковых соединений

Применение ранее рассмотренных условий образования напряжений и деформаций при наплавке валика на кромку полосы к случаю сварки двух полос встык позволяет установить общие закономерности возникновения напряжений и деформаций при сварке стыковых соединений. При выполнении стыковых соединений возникают как деформации в плоскости свариваемых листов, так и деформации из плоскости соединяемых элементов. Рассмотрим сначала деформации в плоскости свариваемых листов. Для этого полагаем, что на соединяемые встык кромки действует линейный источник теплоты, характеризуемый тем, что листы прогреваются по всей 184

толщине равномерно. Для упрощения считаем, что сварка соединения производится быстродвижущим источником теплоты и поэтому с небольшой погрешностью можно принять, что шов по длине охлаждается равномерно. Принятые допущения позволяют нам полнее применить процессы, наблюдаемые при наплавке валика на кромку полосы, к случаям сварки стыковых соединений.

Значения и характер напряжений и деформаций в плоскости свариваемых встык листов будут прежде всего зависеть от соотношения ширины свариваемых листов.

Если ширина одного листа равна h, а второго листа нулю, то напряжения и деформации в таком элементе будут такими же, как в случае наплавки валика на кромку.

Если совместить между собой две эпюры для случая наплавки валика на кромку полосы шириной h (рис. 78, а), то увидим, что полученная совмещенная эпюра продольных напряжений в какой-то мере отражает напряжения при сварке встык двух полос при вышепрп пятых допущениях. На внутренних кромках и в шве будут напряжения растяжения, равные пределу текучести, и пластические деформации растяжения, а также наблюдается укорочение кромок вследствие пластических деформаций сжатия при нагреве от сварки. Напряжения на наружных кромках будут зависеть от таких факторов, как погонная энергия и жесткость системы, в данном случае зависящая от ширины полос.

При сварке встык двух полос равной ширины эпюра продольных напряжений примет вид (рис. 78, б). При

этом на внутренних кромках и в шве будут напряжения растяжения, равные пределу текучести при более высоких пластических деформациях растяжения, чем в случае наплавки валика на кромку (вследствие большой жесткости системы).

При увеличении ширины полос, соединяемых встык, эпюра продольных напряжений изменится. Пластические деформации растяжения еще более возрастут, а сжимающие напряжения уменьшатся и будут распределены почти равномерно по ширине (рис. 78, в).

Дальнейшее увеличение ширины листов с увеличением при этом скорости перемещения источника теплоты приведет к относительному уменьшению ширины зоны пластических деформаций растяжения, а напряжения сжатия будут уменьшаться к наружным кромкам и на кромках могут быть равными нулю (рис. 78, г).

В случае сварки встык двух полос разной ширины деформации широкого листа будут в определенной мере подобны деформациям при наплавке валика на его кромку, но из-за противодействия узкой полосы ось шва искривится. Эпюры продольных напряжений для этого случая приведены на рис. 78, д. Чем больше разница в ширине свариваемых полос, тем больше напряжения в широкой полосе приближаются к эпюре при наплавке валика на кромку. Напряжения в узкой полосе сопровождаются пластическими деформациями растяжения на внутренней кромке и сжатия на наружной. Чем меньше разница в ширине свариваемых полос, тем больше эпюра приближается к случаю сварки встык двух полос равной ширины.

Деформация и напряжения при сварке тавровых сечений

При изготовлении сварных тавров, состоящих из двух листов, вследствие продольных и поперечных напряжений, а также укорочений возникают деформации стенки и пояса тавра.

Деформации сварного тавра, как и стыкового соединения, зависят от многих факторов:

от соотношения размеров стенки и пояса;

от последовательности наложения швов;

от погонной энергии и др.

Схема деформации сварного тавра показана на рис. 79, из которого видно, что деформация стенки тавра подобна 186

деформации полосы, на кромку которой наплавляется валик. Эти деформации по существу и определяют направление изгиба и общие деформации стенки и пояса, который, кроме того, получает деформацию из своей плоскости. Для упрощения из всех возможных деформаций сварных тавров рассмотрим только продольные напряжения и деформации в вертикальной плоскости, пользуясь известной методикой определения продольных напряжений в стыковых соединениях. „

Рис. 79. Вил деформированного сварного тавраРис. 79. Вил деформированного сварного тавраП 4)_ #

Рис. 79. Вил деформированного сварного тавра

Рис. 79. Вил деформированного сварного тавра

Рис. 80. Эпюры продольных напряже-ний в тавровых сечениях

Продольные напряжения при сварке встык двух полос разной ширины зависят от соотношения ширин свариваемых листов, а продольные напряжения в сварных таврах — от соотношения размеров стенки и пояса тавра. Чем больше ширина вертикальной стенки, и тоньше пояс, тем больше эпюра продольных напряжений сварного тавра приближается к эпюре, получающейся при наплавке валика на кромку полосы. Чем больше толщина пояса или меньше высота стенки тавра, тем больше эпюра продольных напряжений сварного тавра приближается к эпюре для случая сварки встык двух полос равной ширины (рис. 78,6).

Руководствуясь изложенным, построим эпюры продольных напряжения для двух сварных тавров; в одном случае для тавра с высокой стенкой и тонким поясом, в другом — для тавра с низкой стенкой и толстым поясом (рис. 80). В первом случае (рис. 80, а) прогиб вертикальной стенки такой, что наружная кромка имеет выпуклость и продольные напряжения растяження^Наружная поверхность пояса имеет напряжения сжатия, а в зоне шва напряжения равны пределу текучести растяжения и имеются пластические деформации растяжения. Во втором случае (рис. 78, б) наружная кромка стенки получает вогнутость и продольные напряжения сжатия. При-

летающая к наружной поверхности часть сечения пояса также имеет напряжения сжатия, а в зоне шва, как и в первом случае, напряжения равны пределу текучести растяжения, и пластические деформации вследствие большой жесткости системы больше, чем в первом случае. Но вследствие относительно больших пластических деформаций сжатия при нагреве, при охлаждении длина балок после их сварки и охлаждения будет меньше начальной длины.

Следует указать, что применение методики для определения продольных напряжении при сварке встык полос равной или разной ширины, а также для определения продольных напряжений и деформаций в тавровых сечениях показало универсальность этой методики, в дальнейшем будем пользоваться ею для установления вероятных деформаций как отдельных элементов, так и более сложных конструкций.

Угловые деформации при сварке

В ранее рассмотренных случаях наплавки валиков на кромку, сварки стыковых соединений и тавровых сечений полагали, что деформации происходят только в плоскости свариваемого элемента. В действительности вследствие неравномерности сокращения слоев по сечению шва или зон соединения, нагретых при действии источника теплоты выше температуры пластических деформаций, наряду с деформациями в плоскости соединяемых деталей наблюдаются и деформации свариваемых листов из плоскости — так называемые угловые деформации.

Из рассмотренного известно, что границы проплавления основного металла при наплавке валика и выполнении шва определяются изотермической поверхностью, соответствующей температуре плавления данного металла, а участки пластических деформаций сжатия — температурой, определяемой по уравнению (94). Как видно из рис. 81, волокна верхней части сварного соединения, ограниченные изотермой (для стали СтЗ 100 °C), значительно длиннее волокон, ограниченных этой же изотермой в нижней части соединения. Это приводит к большему укорочению верхних волокон, вследствие чего и появляются угловые деформации.

Угловые деформации при сварке соединений с угловыми швами возникают по тем же причинам, что и в стыковых соединениях.

Итак, чтобы угловые деформации были минимальными, необходимо, чтобы угол раскрытия был меньше, а разница в размерах верхних и нижних волокон зон разогрева была бы возможно меньше.

Рис, 81. Угловая деформация стыкового соединения с V-образ- ным швомРис, 81. Угловая деформация стыкового соединения с V-образ- ным швом

Рис, 81. Угловая деформация стыкового соединения с V-образ- ным швом

Рис, 81. Угловая деформация стыкового соединения с V-образ- ным швом

Следует также иметь в виду, что на характер деформаций листов из плоскости и угловых деформаций влияет ряд технологических факторов: размер свариваемых листов, наличие закрепления, число проходов и др.

Деформации при сварке тавровых и двутавровых балок

Рассмотрим, как будут меняться деформации тавровой балки с изменением последовательности сварки. При выполнении двух швов одновременно двумя сварщиками балка прогнется в сторону вертикальной стенки и наряду с деформацией из плоскости стенки будут также деформации в плоскости поясного листа. Но если шов выполнить от середины к концам с одной стороны вертикальной стенки тавра, то вследствие угловых деформаций появится прогиб стенки из плоскости. Выполнение затем шва с другой стороны вертикальной стенки и последующее охлаждение приведут к тому, что балка наряду с прогибом в сторону вертикальной стенки получит некоторый прогиб в плоскости пояса в сторону второго шва. При сварке двутавровых балок могут возникнуть деформации из плоскости, деформации укорочения, а в ряде случаев местные деформации в виде выпучин. Общие и местные деформации зависят от погонной энергии сварки и последовательности наложения швов.

В случае сварки симметричной двутавровой балки (рис. 82) при выполнении первыми поясных швов 1—2, соединяющих вертикальную стенку с нижним поясом, деформации будут такие же, что и при сварке тавровых балок. Вертикальная стенка балки изогнется в плоскости,

нижний пояс получит вогнутость, а верхний — выпуклость, максимальный прогиб, допустим, определится отрезком 1. После кантовки выполнение швов 3—4, соединяющих стенку с верхним поясом, приведет к некоторому уменьшению стрелки прогиба /, полученной от первых двух швов, но полного устранения прогиба произойти не может, так как жесткость системы после наложения швов 1—2 станет больше, и поэтому останется прогиб такого же знака, что и полученный от швов 1—2 (отрезок 3\ Следовательно, сваренный в указанной последова-

Рис. 82. Деформация сварной двутавровой балки

тельности двутавр будет иметь прогиб с вогнутостью того пояса, который приваривался первым. Меньшие деформации можно получить, если чередовать сварку отдельных участков швов то с одной, то с другой стороны стенки.

При автоматической сварке двутавровой балки для получения прямой балки можно рекомендовать следующее: швы /—2 выполнять на большой скорости при меньшем, чем требуется по чертежу, сечении швов, затем выполнить швы 3—4 полным сечением и после вторичной кантовки перекрыть швы /—2 до требуемого размера.

Избежать изгиба двутавровой балки в вертикальной плоскости можно, выполняя одновременно оба поясных шва с одной стороны стенки (например, швы 1—3) при горизонтальном положении балки, затем швы с другой стороны стенки (2—4).

После сварки швов /—3 возникнет незначительная деформация балки в горизонтальной плоскости в направлении от швов 2—4 вправо, а после сварки швов 2—4 эта деформация несколько уменьшится. Остаточная деформация в горизонтальной плоскости будет небольшой, так как первые и вторые швы располагаются почти по оси балки.

Деформации и напряжения при сварке плоскостных листовых конструкций

При изготовлении резервуаров, элементов судового корпуса и ряда других конструкций часто возникает необходимость сборки и сварки весьма разнообразных по своим толщинам и габаритным размерам плоскостных листовых конструкций, которые будем условно называть полотнищами. Сборка, а главное сварка таких полотнищ, требует хорошо проработанного технологического

Рис. 83. Сборка полотищРис. 83. Сборка полотищ

Рис. 83. Сборка полотищ

Рис. 83. Сборка полотищ

процесса с определением последовательности выполнения сварки. Деформация сварных полотнищ происходит вследствие поперечных и продольных укорочений от сварки, при этом толщина соединяемых деталей заметно сказывается на характере деформаций.

Если при сварке толстолистового материала большая жесткость конструкции приводит к значительному развитию пластических деформаций, то при сварке тонких листов сжимающие напряжения при нагреве приводят к выпучиванию свариваемых листов из плоскости, а при охлаждении соединений из тонких листов происходит укорочение участков, расположенных вблизи шва и получивших при нагреве пластическую деформацию сжатия. Это, в свою очередь, приводит к возникновению напряжений сжатия на некотором расстоянии от шва и появлению там выпучин и тем самым к потере устойчивости.

Сборка и сварка полотнищ может производиться при совмещенных стыках (рис. 83, а) и разнесенных стыках (рис. 83, 6). Элементы конструкций с совмещенными сты-

ками имеют ряд преимуществ по сравнению с несовмещенными .

При сварке совмещенного стыка он получает почти одинаковую пластическую деформацию от укорочения шва, в то время как при сварке несовмещенных стыков в сечении конструкции попадает сварной стык, претерпевающий при охлаждении пластическую деформацию, и целый свободный лист, не подвергающийся нагреву и поэтому не укорачивающийся. Это создает неравномерность поперечного укорочения в сечении по линии расположения стыка. При тонких листах это приводит к появлению местных выпучин в целом листе в месте окончания сварного стыка. Кроме того, совмещение стыков полотнищ имеет ряд технологических преимуществ, а именно: создается возможность более широкого применения автоматической сварки, секционно-блочного изготовления крупногабаритных сварных изделий и др.

Для предотвращения вероятности появления выпучин при сварке полотнищ из тонкого материала прибегают к различным приемам, в том числе к закреплению свариваемых листов. Уложенные на плиту листы собираются между собой на эластичных прихватках или гребенках (рис. 83, в). Расстояние между гребенками принимается такое же, как и между обычными прихватками (в пределах 200—400 мм в зависимости от толщины свариваемых листов).

В тех случаях, когда по каким-либо причинам возникает необходимость сборки и сварки плоскостной конструкции с несовмещенными стыками, продольные стыки следует собирать па гребенках, что обеспечит свободное укорочение листов при сварке поперечных стыков. Поперечные стыки при сборке можно закреплять как гребенками, так и на обычных прихватках. Сварку следует производить в последовательности, указанной на рис. 83, б. Такая последовательность сварки обеспечивает свободное укорочение металла сварного соединения, в результате чего деформации полотнища или подобных конструкций будут небольшими.

§ 28. Меры борьбы со сварочными деформациями и напряжениями

Весь комплекс мероприятий по борьбе с деформациями и напряжениями от сварки можно расчленить на две основные группы:

мероприятия, предотвращающие вероятность возникновения деформации и напряжений или уменьшающие их влияние;

мероприятия, обеспечивающие последующее исправление деформаций и снятие возникших напряжений.

К первой группе мероприятий можно отнести выбор правильной последовательности сварки изделия, закрепление, предварительный обратный выгиб, подогрев, интенсивное охлаждение свариваемых деталей и некоторые другие.

Влияние методов сварки и направления выполнения швов на остаточные деформации

Практикой и исследованиями установлено, что на остаточные деформации и напряжения при сварке наряду с неравномерностью распределения температуры в свариваемом металле существенное влияние оказывает неодновременность наложения шва по длине и сечению шва, последовательность и направление выполнения швов.

При сварке широко применяются такие методы выполнения швов по длине: напроход от середины к концам, вразброс; а по сечению — однопроходный, многопроходный, каскадный, блочный, горкой и др.

Влияние методов и последовательности сварки на возможные деформации раньше нами рассматривалось на конкретных примерах сварки различных конструкций, но наряду с выбором методов и последовательности сварки необходимо также уделить внимание выбору направления наложения отдельных швов, так как направление сварки отдельных швов заметно влияет на деформацию изделия.

Влияние жесткого закрепления -и предварительного выгиба

•на остаточные деформации

Жесткое закрепление обеспечивается прикреплением балок перед сваркой к плите, стеллажам (рис. 84, а) или временным соединением свариваемых балок свободными кромками на прихватках (рис. 84, б). Вследствие жесткого закрепления увеличивается пластическая деформация в зоне шва, а это может значительно

7 Думов С. И.193

снизить остаточный прогиб и довести его до таких размеров, что последующее исправление балок не потребуется.

При обеспечении закрепления попарным скреплением тавровых балок прихватками сварка их может производиться по одному из ранее рассмотренных приемов сварки двутавровых балок.

Предварительный выгиб свариваемых деталей может быть применен как для борьбы с деформациями из плоскости, так и с деформациями в плоскости.

Рис. 84. Закрепление тавровых балок для предупреждения остаточных деформаций: а — предварительный упругий выгиб; б — жесткое закрепление при помощи прихваток

Обратный выгиб свариваемых кромок широко применяется для борьбы с угловыми деформациями стыковых соединений. Так, в случае сварки двух листов небольшой ширины с V-образной подготовкой кромок, для предотвращения угловых деформаций свариваемые листы перед сваркой располагают под некоторым углом относительно друг друга. При этом угол предварительного выгиба берется равным углу р, т. е. ожидаемой угловой деформации (рис. 85), но с противоположным знаком. Предварительный выгиб определяется опытным путем или расчетом. После сварки, когда произойдут угловые деформации, равные углу [5, листы окажутся в одной плоскости.

При сварке встык с V-образным швом листов большой ширины, когда уложить их, как показано на рис. 85, а, 194

не представляется возможным, листы можно уложить на плиту, осуществив предварительный выгиб свариваемой кромки посредством подкладок под стык (рис. 85, б).

Для предотвращения деформаций из плоскости поясов тавровых или двутавровых сечений применяют приспособления, при помощи которых производится упругая или пластическая деформация пояса. При упругом выгибе пояса приспособления устанавливаются на расстоянии 500—600 мм друг от друга и после осуществления выгиба остаются на изделии во время сварки до полного охла

Рис. 86. Предупреждение деформаций из плоскости поясов балок: а—упругий выгиб; б — пластический выгибРис. 86. Предупреждение деформаций из плоскости поясов балок: а—упругий выгиб; б — пластический выгибРис. 85. Обратный выгиб свободных и закрепленных листов небольшой ширины (я); большой ширины (б)Рис. 85. Обратный выгиб свободных и закрепленных листов небольшой ширины (я); большой ширины (б)ждения щва (рис. 86, а). При пластической деформации пояса приспособление используется только для осуще-

Рис. 86. Предупреждение деформаций из плоскости поясов балок: а—упругий выгиб; б — пластический выгиб

Рис. 86. Предупреждение деформаций из плоскости поясов балок: а—упругий выгиб; б — пластический выгиб

Рис. 85. Обратный выгиб свободных и закрепленных листов небольшой ширины (я); большой ширины (б)

Рис. 85. Обратный выгиб свободных и закрепленных листов небольшой ширины (я); большой ширины (б)

ствления выгиба (рис. 86, б), после чего оно снимается и производится сварка балки.

Наряду с упругим выгибом тавровых балок (см. рис. 86, д) применяется пластический обратный выгиб, заключающийся в том, что вертикальной стенке при заготовке в плоскости стенки по всей ее длине придают выгиб в сторону, обратную ожидаемым деформациям. Затем вертикальная стенка прихватывается к поясу и производится сварка. Предварительный выгиб определяется опытным путем или расчетом.

Влияние искусственного интенсивного охлаждения, подогрева и пластической деформации растяжения на остаточные деформации

Интенсивное охлаждение сварных соединений приводит к сужению участка действия температур, вызывающих пластические деформации при сварке, и тем 7*195

самым к понижению остаточных деформаций и напряжений. Это положение иллюстрируется кривыми распределения температур по оси у. Характер распределения температур при искусственном охлаждении стыкового шва водой во время сварки показан на рис. 87 (кривая /). По кривой видно, что при интенсивном охлаждении участок пластической деформации соединения значительно уменьшается по сравнению с участком пластических деформаций соединения, выполненного без охлаждения (кривая 2). Искусственное охлаждение для уменьшения остаточных деформаций может быть применено только

Рис. 87. Распределение температуры и размеры участков пластических деформаций при искусственном охлаждении и без охлаждения

при сварке низкоуглеродистых пезакаливающихся сталей. При сварке закаливающихся сталей применение искусственного охлаждения для уменьшения остаточных деформаций недопустимо.

Подогрев (общий, а иногда местный) применяют для предотвращения напряжений и последующих деформаций при сварке. Подогрев снижает неравномерность распределения температур н тем самым может уменьшить или совершенно устранить действие основного фактора, вызывающего сварочные напряжения и деформации.

При сварке изделии из высокопластичных материалов, как, например, низкоуглеродистой или низколегированной стали, в обычных условиях применять подогрев для уменьшения местных пластических деформаций в зоне шва нет никакой необходимости. По для сварки таких изделий при низких температурах, когда повышается хрупкость металла и увеличивается перепад температур, иногда применяют местный подогрев. При этом местному подогреву следует подвергать иесвариваемые кромки деталей, что не дает никакого положительного эффекта и может привести к повышению местных пластических деформаций на участке деталей, где возникают напряжения растяжения 196

при нагреве от сварки и напряжения сжатия после охлаждения изделия.

При сварке пластичных материалов в условиях низких температур или повышенной жесткости вместо местного подогрева можно рекомендовать проведение сварки с большой погонной энергией и сопутствующей тепловой изоляцией района шва в процессе сварки.

Пластической деформацией сварных швов и околошовной зоны можно достичь уменьшения и даже полного снятия сварочных напряжений, а также остаточных деформаций. Это может быть достигнуто путем местной обработки швов и околошовной зоны, при которой в них создаются дополнительные пластические деформации растяжения, устраняющие деформации сжатия, возникающие при сварке. Такая обработка швов достигается проко- лачиванием или проковкой. Проколачивапие шва в горячем состоянии следует производить при температурах металла не ниже 500 °C, чтобы не попасть в интервал температур пониженной его пластичности. Проколачивание в горячем состоянии обычно производится при горячей сварке; прибегать к специальному нагреву для осуществления этой операции и в других случаях нет необходимости, так как исследованиями установлено, что проколачивапие швов при температурах от 100 °C и ниже является весьма эффективным методом снятия напряжений. Холодное проколачивание шва и околошовной зоны производят от температуры, не превышающей 100 °C,' до обычной. Удары при этом производятся вручную, молотком массой 0,6—1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с плоской чеканкой при слабом нажиме.

Проколачивание металла однопроходного шва после его полного охлаждения должно производиться при плотном его прилегании к плите или стеллажам. Проколачивание при многослойной сварке должно проводиться по каждому слою, за исключением первого, так как при сварке первого слоя на весу (обычно малого сечения) в корне шва могут образоваться несплошности по форме надреза, которые в период проколачивания могут распространиться в виде трещин в металл шва.

Из сказанного следует, что этот прием можно рекомендовать для снятия напряжений при заварке трещин, замыкающих швов в жестких конструкциях и полотнищ из относительно тонких листов.

Способы полного снятия напряжений

Наиболее эффективным способом полного сня- сия напряжений является термическая обработка, которой довольно часто подвергают сварные изделия из легированных сталей.

Для снятия напряжений назначается высокий отпуск. При такой термической обработке сварочные напряжения снимаются за счет того, что при нагреве предел текучести материала сильно падает и при температуре 600 °C близок к нулю; поэтому материал не оказывает сопротивления пластическим деформациям, благодаря чему внутренние остаточные напряжения полностью исчезают.

Проведенные исследования показали, что применение термической обработки сварных изделий может быть рекомендовано, когда необходимо исключить искажение формы сварных конструкций после механической обработки и в процессе эксплуатации вследствие перераспределения напряжений и пластических деформаций.

Практика показала, что со сварных конструкций (к которым предъявляются высокие требования по точности обработанных поверхностей, если они не подвергались термической обработке перед механической обработкой) в процессе механической обработки могут быть удалены участки, имеющие напряжения одного знака, вследствие чего произойдет перераспределение напряжений, и точность механически обработанных поверхностей будет нарушена. Это может также произойти в процессе эксплуатации этого изделия.

Целесообразность назначения термической обработки для сварных конструкций в каждом конкретном случае определяется в зависимости от применяемых материалов, технологии изготовления конструкций и условий ее эксплуатации.

Способы исправления деформированных деталей

Когда деформации сварных изделий выходят за пределы допустимых, возникает необходимость их исправления правкой. Сварочные деформации можно устранить механической или термической правкой.

Механическая правка заключается в растяжении сжатых участков деформированной детали. Разберем процесс 198

механической правки листа, имеющего деформацию в плоскости (серповидный прогиб, рис. 88, а). В этой детали сжатой окажется кромка с вогнутостью, поэтому при ручной ее правке деталь размещается на плите, и ударами через гладилку осуществляется пластическая деформация растяжения сжатой части детали до тех пор, пока деталь не примет требуемую форму. При механической правке такой детали на вальцах между верхними валками и сжатой частью детали располагают полосу, через которую передается усилие для растяжения сжатой части.

При необходимости правки листа с деформацией из плоскости (выпучина в середине листа), начиная от краев

а) Места проколачибанияа) Места проколачибанияРис. 88. МеханическаяРис. 88. Механическаяи термическая правка деталейи термическая правка деталей

а) Места проколачибания

а) Места проколачибания

Рис. 88. Механическая

Рис. 88. Механическая

и термическая правка деталей

и термическая правка деталей

и перемещаясь к месту расположения выпучины, будем постепенно растягивать сжатые волокна. Применение последовательности правки, указанной на рис. 88, б, обеспечивает постепенное растяжение средней сжатой части листа и устранение выпучины.

Термическая правка (правка нагревом) достигается за счет пластических деформаций сжатия растянутых участков. Нагрев можно осуществить газовой горелкой, электрической дугой.

Допустим, нам требуется выправить две ранее указанные детали.

Для устранения деформаций первой детали достаточно произвести местный нагрев нескольких участков от середины растянутой зоны выше температуры пластических деформаций. В связи с тем, что нагреваемые участки не могут свободно удлиняться, в них произойдет пластическая деформация сжатия и укорочение длины нагреваемого участка, за счет чего по завершении термического цикла нагретая кромка укоротится, и деформации

Рис. 89. Вид деформации и меся нагрева при правке балок таврового сеченияРис. 89. Вид деформации и меся нагрева при правке балок таврового сеченияв плоскости будут ликвидированы. Из указанных способов подогрева предпочтительнее нагрев горелкой, пользуясь которой легче обеспечить нужную температуру (в пределах 700—800 °C) и форму нагрева.

Рис. 89. Вид деформации и меся нагрева при правке балок таврового сечения

Рис. 89. Вид деформации и меся нагрева при правке балок таврового сечения

При термической правке детали, показанной на рис. 88, б. имеющей выпучину, нагрев производится в виде окружностей диаметром 30—60 мм, желательно со стороны выпучив? Нагрев производится в"' шахматном порядке (рис. 88, б). При правке тонколистовых деталей сразу же после нагрева окружность проколачивается деревянным молотком при наличии с другой стороны листа поддержки, чем достигается большое укорочение в зове нагрева.

После охлаждения размер нагретой окруж- _ ности по диаметру уменьшается, в ней возникают напряжения растяжения, которые совместно с укорочением и приводят к ликвидации выпучины.

На рис. 89 показаны места /, форма и примерное расстояние между участками нагрева

для трех типовых случаев деформаций балок таврового сечения. В случае деформации из плоскости в сторону вертикальной стенки, что характерно для балок таврового сечения с развитой вертикальной стенкой, при правке нагревается верхняя часть вертикальной стенки (рис. 89, а). При деформации в сторону пояса для правки производится нагрев определенных участков самого пояса (рис. 89, 6). При сложной деформации из плоскости балок с несимметричным расположением элементов требуется нагрев 1 как вертикальной стоики, так и пояса (рис. 89, е).

ГЛАВА VI. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ

И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

§ 29. СВАРНЫЕ ШВЫ И СОЕДИНЕНИЯ

Основные типы и конструктивные элементы сварных швов для ручной электродуговой сварки углеродистых и низкоуглеродистых сталей установлены ГОСТ 5264—80, а для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом — ГОСТ 8713—70.

Все сварные швы делятся на ряд типов в зависимости от вида соединения, в котором они применены. По этому признаку основные типы сварных швов делятся па следующие четыре группы: швы стыковых соединений, швы угловых соединений, швы тавровых соединений (впритык) и швы нахлесточных соединений. Стыковые швы являются наиболее распространенными. Форма подготовки кромок для различных типов швдв приведена в табл. 23.

При нормальных режимах ручной нижней сварки можно обеспечить провар до 3—4 мм, при автоматической сварке на повышенных режимах можно проварить толщину значительно больше — 10—12 мм, по в этом случае может получиться неблагоприятная форма сечения шва. Чтобы избежать непровара при ручной сварке и добиться нормального формирования шва при автоматической сварке, прибегают к скосу кромок.

При назначении форм подготовки кромок стыковых соединений, наряду с необходимостью обеспечения провара следует также учитывать технологические и экономические условия процесса. Так, стыковые соединения с V-образной подготовкой (со скосом одной пли двух кромок) ГОСТом рекомендуется применять на металле толщиной 3—26 мм. При большей толщине резко возрастает масса наплавленного металла, уменьшение которого может быть достигнуто в том случае, если применить криволинейный скос одной или двух кромок и кантовать деталь. При возможности кантовки стыкового соединения или удобном доступе с двух сторон на металле толщиной от 12 до 40 мм выполняется К-образная, а при толщине от 12 до 60 мм X-образная подготовка кромок. В последнем случае количество наплавленного металла по сравне-

Форма поперечного сеченияподготовлен-выполнен-ных кромокного шваФорма поперечного сеченияподготовлен-выполнен-ных кромокного шваХарактер выполненного шваХарактер выполненного шва

Форма поперечного сечения

подготовлен-

выполнен-

ных кромок

ного шва

Форма поперечного сечения

подготовлен-

выполнен-

ных кромок

ного шва

Характер выполненного шва

Характер выполненного шва

С отбортовкой

Односторонние

1—4 1,5—3

1—3

Р А

Г

1—6

2—12

1—6

Р А

Г

Без скоса кромок

3—8

Р

0) о со

Двусторонние

20—60

3—10

А

Г

о

И

3 н О

С V-образным скосом кромок

Односторонние

3—60

8—24

8—30

Р

А

Г

С Х-образным скосом кромок

8—120 20—60 12—120

Р А

Г

С К-образным скосом

Двусторонние

8—100 20—30

Р А

12—100

Г

Вид соединения

Форма подготовки кромок

Толщина свариваемого материала, мм

Способ сварки

С криволинейным скосом кромок

15—100

30—100

Р

А

О) о со о ч

>=

Без скоса кромок

Двусторонний

2—30

6—14

2—30

Р А

7

Со скосом одной кромки

Двусторонний

3—60

8—20

8—30

Р А

Г

О) о со о Си о я н

Без скоса кромок

Двусторонний

J

2—40 3—40

2—40

Р

А

Г

С двумя скосами одной кромки

8—100 16—40 12—100

Р

А

Г

0) о ч я и я я о

к

о

Без скоса кромок

Y22222A^///^

2—60

1—20

Р А

SHOOS

Примечание. Р — ручная сварка; А — автоматическая сварка; Г — сварка в среде СО2.

ND

Таблица 24. Швы стыковых соединений, V-образные со скосом

Подготовка кромокПодготовка кромок

Подготовка кромок

Подготовка кромок

нию с наплавленным металлом при V-образной подготовке кромок уменьшается почти в 2 раза, уменьшаются также сварочные напряжения и деформации (рис. 90);

При сварке металла толщиной от 30 до 60 мм рекомендуется X-образная подготовка с криволинейными скосами двух кромок.

В табл. 23 приведены некоторые наиболее широко применяющиеся тины швов сварных соединений, а в табл. 24 конструктивные элементы швов стыковых соединении с V-образной подготовкой кромок, рекомендуемых для ручной, автоматической, полуавтоматической сварки под флюсом и в среде СО2. В табл. 25—26 показаны конструктивные элементы швов угловых и тавровых соединений для тех же способов сварки.

Кроме того, швы различают по ряду других признаков.

По форме наружной поверхности стыковые швы могут быть: плоские (нормальные) и выпуклые (усиленные), а угловые швы могут быть еще и вогнутыми (ослабленные).

По положению швов в пространстве в момент их выполнения различают следующие швы: нижние — выполняемые горизонтально на горизонтальной поверхности; 204

двух кромок, двусторонние

Выполненный шов

Свврка в среде СО2

5

е

<7

а, ...°

ь

с

Si

Qi

ММ

мм

4—16

18—20

22—24

26—30

13±2

19+3

20+3

25±3

о+* z—2,0

40±5

1 ± 1

9-П z—2

8±2

2щ1

вертикальные — выполняемые вертикально на вертикальной поверхности снизу вверх или сверху вниз; горизонтальные — выполняемые по горизонтали на вертикальной поверхности; потолочные — выполняемые при расположении сварщика под изделием, и сварке как бы по потолку.

Промежуточные положения относят к одному из вышеуказанных в соответствии со схемой, приведенной на рис. 91.

По протяженности швы бывают сплошные и прерывистые. Прерывистые швы применяются в тех случаях, когда в соединениях не требуется герметичность, и сплошные швы минимального размера являются слабонагру- женными.

Для предварительного закрепления деталей при сборке конструкций применяют еще прихватки. По длине они могут быть от нескольких миллиметров до 3—4 см в зависимости от толщины закрепляемых деталей: чем толще детали, тем длиннее должны быть прихватки.

По методу заполнения сечения шва различают однослойный и многослойный (многопроходный) швы.

Рис, 90. Соотношение площадей сечения наплав-ленного металла с V-образной и Х-образной раздел-кой кромок

Рис. 91. Схема пространственного расположения швов:

I — нижнее; II — вертикальное; III — потолочное

а)б)

Рис. 92. Способы заполнения разделки по сечению: а — четырьмя слоями, б — в средней и верхней часы н на каждый слой в несколько проходов

10-14

Таблица 26. Швы тавровых соединений без скоса кромок, двусторонние

2С8

Проход — часть сечения шва, выполняемого за однократное перемещение электрода вдоль шва. Слой — часть сечения шва, ограниченная двумя плоскостями и состоящая из одного или нескольких проходов. На рис. 92, а показан шов, выполненный в четыре слоя (в четыре прохода), а на рис. 92, б в четыре слоя (семь проходов).

режимы

РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Режимом сварки называют совокупность характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных соединений заданных размеров, формы и качества. При ручной сварке такими характеристиками являются: диаметр электрода, сила сварочного тока, скорость перемещения электрода вдоль шва, род тока, полярность и др.

Примерное соотношение между диаметром электрода и толщиной листов свариваемого изделия приведено ниже:

Толщина свариваемого изделия, мм . . .I—234—56—1213 и более

Диаметр электрода, мм . .1,5—2,033—44,0—5,05,0 »»

При сварке многопроходных швов стремятся сварку всех проходов выполнять на одних и те же режимах. Исключением является первый проход. При ручной сварке многопроходных швов первый проход выполняется электродами диаметром 3—4 мм, так как применение электродов большего диаметра затрудняет провар корня шва.

При определении числа проходов (в дальнейшем все расчеты числа проходов, площади сечения металла шва будут рассматриваться только для наплавленного металла) следует учитывать, что сечение первого прохода не должно превышать 30—35 мм2 и может быть определено по формуле

Г, = (64-8) 4л.<101)

а последующих проходов — по формуле

Fc = (84-12) dan,(102)

где Fc — площадь поперечного сечения последующих проходов, мм3.

Для определения числа проходов и массы наплавленного металла требуется знать площадь сечения швов.

Площадь сечения швов представляет собой сумму площадей элементарных геометрических фигур их составляющих. Тогда площадь сечения одностороннего стыкового шва, выполненного без зазора, можно определить по формуле

F ^ — 0,75е^,F ^ — 0,75е^,(ЮЗ)(ЮЗ)

F ^ — 0,75е^,

F ^ — 0,75е^,

(ЮЗ)

(ЮЗ)

Рис. 93. Геометрические элементы площади сечения стыкового шваРис. 93. Геометрические элементы площади сечения стыкового шва

Рис. 93. Геометрические элементы площади сечения стыкового шва

Рис. 93. Геометрические элементы площади сечения стыкового шва

а при наличии зазора в соединении по формуле

F ^ = 0,75ед 4-$^.

(Ю4)

Площадь сечения стыкового шва с V-образной разделкой и с подваркой (рис. 93) определяется как сумма геометрических фи- ГУР

F V =Г1+Г2+Г3+2Г,.

(105)

Из указанных в правой части уравнения элементарных площадей формулы для расчета трех из них установлены, а площадь прямоугольного треугольника F4 можно определить

F, = 11x1*2, где х = h tg а/2, тогда

(106)(106)р _ № tg а/242

(106)

(106)

но рассматриваемая нами площадь V-образного шва со-стоит из двух прямоугольных треугольников, поэтому2Л4 = № tg а/2.

Подставляя значение элементарных площадей в формулу (105), получим

^ ту — 0 Л^сц + bs -Д 0,756^ + /г2 tg а/2.

Площадь сечения угловых швов в зависимости от формы сечения может быть определена так:

нормальногонормального- &2/2;- &2/2;(Ю7)(Ю7)выпуклогоFвыпуклогоF= Ш + 0,75^.= Ш + 0,75^.(Ю8)(Ю8)

нормального

нормального

- &2/2;

- &2/2;

(Ю7)

(Ю7)

выпуклого

F

выпуклого

F

= Ш + 0,75^.

= Ш + 0,75^.

(Ю8)

(Ю8)

Выразим гипотенузу прямоугольного треугольника через катет, тогда формула (108) примет вид

= № + 1,05^.= № + 1,05^.(Ю9)(Ю9)

= № + 1,05^.

= № + 1,05^.

(Ю9)

(Ю9)

Зная площадь сечения сварного шва F1U, площадь сечения первого и последующих проходов, можем найти общее число проходов:

«=(f.-Ww+i. (по)

Расчет сварочного тока при ручной сварке производится по диаметру электрода и допускаемой плотности тока:

/св = F3ni = кРИ^, (Ш) где i — допустимая плотность тока, А/мм2.

При недостаточном токе дуга горит неустойчиво, при чрезмерном сварочном токе электрод плавится слишком: интенсивно, возрастают потери на разбрызгивание, ухудшается устойчивость дуги и формирование шва.

Допустимая плотность тока зависит от диаметра электрода и вида покрытия. Чем больше диаметр электрода, тем меньше допустимая плотность тока, так как ухудшаются условия охлаждения.

Вид покрытия оказывает влияние на скорость плавления электрода, а следовательно, на нужную плотность тока в связи с их различной теплопроводностью и характером протекания металлургических процессов. Величины допускаемой плотности тока в электроде в зависимости от диаметра стержня и вида покрытия приведены в табл. 27.

Для приближенных подсчетов сварочный ток может быть определен по эмпирической формуле

7„ = Ы, (112)

Таблица 27. Допускаемая плотность тока (А/мм2) в электроде при ручной дуговой сварке

Вид покрытия

Диаметр стержня электрода, мм

3

4

5

6

Кислое, рутиловое

14—20

11,5—16

10—13,5

9,5—12,5

Основное

13—18,5

10—14,5

9—12,5

8,5—12,0

где d— диаметр стержня электрода, мм; к— коэффициент, принимаемый в зависимости от диаметра электрода:

d, мм 1—23—45—6

к, А/мм 25—3030—4545—60

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах 20—36 В и при проектировании технологических процессов ручной сварки не регламентируется.

Скорость перемещения дуги (м/ч) может быть определена так:

tV л = ^cb/Wh 100),(113)

где ан — коэффициент наплавки, г/(А-ч); у — плотность наплавленного металла, г/см3; FH — площадь поперечного сечения наплавленного металла за данный проход, см2.

Скорость перемещения дуги (см/с) может быть опре^ делена ио формуле

1'п.л = ^ЛпДЗбООу/7,,).

ТЕХНОЛОГИЯ РУЧНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДОМ

Зажигание сварочной дуги производится кратковременным прикосновением конца электрода к изделию. Вследствие протекания тока короткого замыкания и наличия контактного сопротивления торец электрода быстро нагревается до высокой температуры, при которой после отрыва электрода под действием термо- и авто-

Для упрощения расчетов в уравнение (113) можно подставить площадь сечения шва не в квадратных сантиметрах, а в квадратных миллиметрах. Это допустимо, потому что FH (мм2) численно равна объему

после короткого замыканияпосле короткого замыканияРис. 94. Способы зажигания дугиРис. 94. Способы зажигания дугиэлектронной эмиссии происходит ионизация газового промежутка, и возникает сварочная дуга. Для надежного зажигания дуги сварщик должен отводить электрод от изделия на высоту 4—5 мм, так как при большем расстоянии между концом электрода и изделием дуга не возникает.

после короткого замыкания

после короткого замыкания

Рис. 94. Способы зажигания дуги

Рис. 94. Способы зажигания дуги

Обычно зажигание дуги осуществляется либо прямым отрывом электрода (]рис. 94, а), либо скользящим движением конца электрода с кратковременным касанием изделия (рис. 94, б). Первый обычно называют зажиганием «впритык», второй — зажиганием «спичкой».

получить требуемое качество наплавленного металла при хорошем формировании. Это достигается поддержанием постоянства длины дуги и соответствующим перемещением конца электрода (рис. 95).получить требуемое качество наплавленного металла при хорошем формировании. Это достигается поддержанием постоянства длины дуги и соответствующим перемещением конца электрода (рис. 95).123^56123^56Рис. 95. Виды поперечных перемещений конца электрода: /, 2 и 3 — наиболее часто применяемые; 4 — при увеличенном прогреве середины; 5, 6 — при увеличенном прогреве кромокРис. 95. Виды поперечных перемещений конца электрода: /, 2 и 3 — наиболее часто применяемые; 4 — при увеличенном прогреве середины; 5, 6 — при увеличенном прогреве кромокВедение дуги производится таким образом, чтобы обеспечить проплавление свариваемых кромок и

получить требуемое качество наплавленного металла при хорошем формировании. Это достигается поддержанием постоянства длины дуги и соответствующим перемещением конца электрода (рис. 95).

получить требуемое качество наплавленного металла при хорошем формировании. Это достигается поддержанием постоянства длины дуги и соответствующим перемещением конца электрода (рис. 95).

123^56

123^56

Рис. 95. Виды поперечных перемещений конца электрода: /, 2 и 3 — наиболее часто применяемые; 4 — при увеличенном прогреве середины; 5, 6 — при увеличенном прогреве кромок

Рис. 95. Виды поперечных перемещений конца электрода: /, 2 и 3 — наиболее часто применяемые; 4 — при увеличенном прогреве середины; 5, 6 — при увеличенном прогреве кромок

Если продольное перемещение электрода производить без поперечных колебаний, то ширина валика обычно составляет: b = (0,8— 1,5) d4n.

Такие валики применяют при выполнении первого слоя в разделку многопроходного шва, при сварке топ-

кого металла, а также при сварке с опиранием на чехольчик толстого покрытия.

Нормально сформированный однопроходный шов в большинстве случаев должен иметь ширину b = = (2-4) бэл.

Это достигается при поперечных колебаниях конца электрода в необходимых пределах.

Длина дуги при ручной сварке в зависимости от условий сварки и марки электрода должна быть в пределах (0,5-^1,2) б/эл. Чрезмерное уменьшение длины дуги ухудшает формирование шва и может привести к короткому замыканию. Чрезмерное увеличение длины дуги приводит к снижению глубины провара, увеличению разбрызгивания электродного металла и ухудшению качества шва как по форме, так и по механическим свойствам, а при сварке электродами с покрытием основного вида — и к порообразованию.

Способы выполнения швов по длине и сечению

Способы выполнения швов зависят от их длины и толщины свариваемого металла. Условно считают швы длиной до 250 мм короткими, длиной 250—1000 мм — средними, а более 1000 мм — длинными.

Короткие швы по длине обычно сваривают напроход /рис. 96, а). Швы средней длины сваривают от середины к краям (рис. 96, б), либо обратиостуисичатым способом (рис. 96, «). Длинные швы однопроходных стыковых соединений п первый проход многопроходных швов сваривают от середины к концам обратноступенчатым способом (рис. 96, а), а в соединениях с угловыми швами также от середины к концам обратноступенчатым способом (рис. 96, б).

Обратноступенчатая сварка при правильном выборе длины ступени является наиболее эффективным методом уменьшения неодновременности выполнения однопроходного шва и поэтому приводит к меньшим остаточным деформациям. Достигается это за счет того, что разбивка шва па участки производится с таким расчетом, чтобы при окончании сварки каждого последующего участка начало предыдущего участка имело определенную температуру. Таким образом, меняя длину участка и погонную энергию дуги, можно подобрать определенный

температурный перепад па границах между двумя ступенями. Обычно он составляет 200—300 °C, что достигается при однопроходной сварке, если длина ступени выдерживается в пределах длины, получаемой при расплавлении одного электрода с сечением валика не менее 1,0—1,5 сечения электрода. Это также приводит к уменьшению остаточных деформаций, потому что шов на каждом участке выполняется по расширенному зазору. При охлаждении одновременно с уменьшением ширины шва

а) Начало Конеца) Начало Конецб)б)1111

а) Начало Конец

а) Начало Конец

б)

б)

1

1

1

1

L<250 JВ)211 2 3 Ч 5 6L<250 JВ)211 2 3 Ч 5 61-250^10001-250^1000LL

L<250 J

В)21

1 2 3 Ч 5 6

L<250 J

В)21

1 2 3 Ч 5 6

1-250^1000

1-250^1000

L

L

Рис. 96. Способы выполнения швов по длинеРис. 96. Способы выполнения швов по длине

Рис. 96. Способы выполнения швов по длине

Рис. 96. Способы выполнения швов по длине

уменьшается и первоначально расширенный зазор, вследствие чего остаточные деформации становятся минимальными.

При сварке стыковых или угловых швов большого сечения шов выполняется несколькими слоями. При этом каждый слой средней и верхней части шва может выполняться как за один проход (см. рис. 92, а), так и за два и более проходов (см. рис. 92, б). С точки зрения уменьшения остаточных деформаций из плоскости первый метод предпочтительнее второго. Однако слой шириной 14—16 мм бывает затруднительно сваривать в один проход; кроме того, в таких швах в связи с большим сечением проходов наблюдается относительно меньшая ударная вязкость (см. рис. 62), поэтому чаще применяется многопроходный способ сварки швов большого сечения.

При сварке толстого металла выполнение каждого слоя напроход является нежелательным, так как это может привести к значительным деформациям, а также к образованию трещин в первых слоях. Образование трещин вызывается тем, что первый слой шва перед наложением второго успевает полностью (или почти полностью) остыть. Вследствие большой разницы в сечениях наплавленного слоя и свариваемого металла все деформации, возникающие при остывании неравномерно нагретого ме-

Рис. 97. Сварка длинных многослойных швов

талла, концентрируются в металле шва; при этом запас пластичности металла первых слоев может оказаться недостаточным, что приводит к трещипообразованию.

Для предотвращения образования трещин заполнение разделки при сварке толстого металла следует производить так, чтобы каждый последующий слой накладывался на еще не успевший остыть предыдущий слой, для чего требуется обеспечить малый интервал времени между наложением отдельных слоев. Это достигается применением каскадного метода заполнения разделки (рис. 97, и), заполнением горкой (рис. 97, б) и применением блочного метода (рис. 97, в).

При каскадном методе заполнения шва весь шов разбивается на короткие участки в 200 мм, и сварка производится таким образом, что по окончании сварки первого слоя первого участка, не останавливаясь, продолжают выполнение первого слоя на соседнем участке.

При этом каждый последующий слой накладывается на неуспевший еще остыть металл предыдущего слоя.

Сварка горкой является разновидностью каскадного способа и ведется двумя сварщиками одновременно, от середины к краям.

Эти два метода выполнения шва представляют собой обратно-ступенчатую сварку не только по длине, но и по сечению шва.

Блочный метод заключается в том, что весь шов по длине делится на равные участки длиной примерно в 1 м; каждый участок — блок выполняется определенным сварщиком, причем сварка начинается со среднего блока. Сразу же после выполнения первого прохода на первом участке сварку начинают еще два сварщика и т. д., пока все участки по длине шва не будут закреплены за сварщиками. Такое одновременное выполнение многопроходного шва по длине и сечению обеспечивает наиболее равномерное распределение температуры, что значительно уменьшает общие остаточные деформации как в плоскости свариваемых листов, так и из плоскости. Блочный метод можно успешно применять даже для сварки толстолистовой закаливающейся стали.

Особенности выполнения швов в положениях, отличных от нижнего

Сварка швов в положениях, отличных от нижнего, имеет ряд особенностей.

При сварке в вертикальном положении перенос электродного металла в сварочную ванну осуществляется перпендикулярно к силе тяжести. Поэтому при вертикальной сварке сварочный ток должен быть снижен на 15— 20 % по сравнению с нижней сваркой, а диаметр электрода не должен превышать 4—5 мм.

Сварка вертикальных швов выполняется снизу вверх (см. рис. 98, «) или сверху вниз (рис. 98, б). Наиболее удобной является сварка снизу вверх. При этом дуга возбуждается в самой нижней точке шва.

Как только нижняя часть сварочной ванночки начинает кристаллизоваться, образуется площадка, на которой удерживаются капли металла; при этом электрод отводится несколько вверх и располагается углом вперед (рис. 98, а, положение 2).

при сварке тонкого металла.при сварке тонкого металла.ДляДляулучшенияулучшенияб)б)прпменяется а)прпменяется а)Рис. 98. Сварка вертикальных швов: 1 — положение электрода при начале сварки; 2 — положение электрода в процессе выполнения сваркиРис. 98. Сварка вертикальных швов: 1 — положение электрода при начале сварки; 2 — положение электрода в процессе выполнения сваркиПри сварке сверху вниз в начальный момент электрод располагается перпендикулярно к поверхности, и дуга возбуждается в верхней точке шва. По образовании заметной капли жидкого металла на свариваемой детали электрод наклоняется вниз под углом 10—15°, так, чтобы дуга была направлена на расплавленный металл (рис. 98, б, положение 2). Выполнение сварки сверху вниз значительно труднее, чем снизу вверх. И она обычно

при сварке тонкого металла.

при сварке тонкого металла.

Для

Для

улучшения

улучшения

б)

б)

прпменяется а)

прпменяется а)

Рис. 98. Сварка вертикальных швов: 1 — положение электрода при начале сварки; 2 — положение электрода в процессе выполнения сварки

Рис. 98. Сварка вертикальных швов: 1 — положение электрода при начале сварки; 2 — положение электрода в процессе выполнения сварки

условий формирования шва при сварке вертикальных швов должна поддерживаться возможно короткая дуга. При сварке снизу вверх поперечные колебания можно вовсе не произ-

водить, а в случае сварки с поперечными колебаниями они должны

иметь меньшую амплитуду с тем, чтобы ширина валика не превышала 1,5— 2,0 диаметра электрода.

Сварка горизонтальных швов сложнее сварки вертикальных швов и выполняется сварщиками более высокой квалификации. При сварке стыковых швов с разделкой кромок скос кромок делают с одной стороны верхнего стыкуемого листа.

• При выполнении верхних уширенных валиков поперечные перемещения конца электрода совершают под углом около 45° по отношению к оси шва, что облегчает отложение наплавленного металла. Требования по сварочному току и диаметру электрода такие же, как и при вертикальной сварке.

Сварка потолочных швов по своему выполнению является наиболее трудной, так как сила тяжести в этом случае препятствует переносу капель металла с электрода в сварочную ванну, и капли металла стремятся стечь вниз. Для того чтобы силы, способствующие переносу металла с электрода в шов, и силы, удерживающие расплавленный металл ванны от вытекания, преодолели силу тяжести, необходимо, чтобы объем сварочной ванны был малым. Поэтому потолочную сварку выполняют электро-

дами диаметром не более 4 мм, при короткой дуге, узкими валиками, сварочным током на 20—25 % меньше, чем при нижней сварке.

Пониженные режимы и неудобство выполнения сварки в потолочном положении резко снижают производительность труда сварщика. Поэтому там, где это возможно, изделия следует располагать таким образом, чтобы швы сваривались в нижнем положении.

Пути повышения производительности труда при ручной сварке

Повышение производительности труда при ручной сварке может быть достигнуто за счет двух групп мероприятий: организационных и технических.

Такие организационные мероприятия, как, например: устройство пунктов питания сварочным током, позволяющих производить быстрое подключение и отключение сварочных проводов, рациональное устройство электродо- держателя, позволяющего уменьшить время на смену электродов, применение механизированного инструмента для очистки кромок деталей и шва от шлака, приспособлений для быстрого поворота деталей в процессе сварки и некоторые другие позволяют значительно повысить производительность труда.

Наряду с организационными мероприятиями, направленными на увеличение производительности труда, большое значение имеет разработка технических мероприятий по сокращению основного времени сварки.

По формуле (21) основное время сварки определяется так:

t0 = Рн^1/ан1св. (114)

Из этого уравнения следует, что для уменьшения основного времени сварки необходимо стремиться к уменьшению площади поперечного сечения наплавленного металла и к увеличению коэффициента наплавки и сварочного тока. Уменьшение площади сечения наплавленного металла при заданной толщине может быть достигнуто применением Х-образной подготовки вместо V-образной (см. рис. 90) и др.

Увеличить производительность труда можно и применением электродов, имеющих более высокий коэффициент наплавки. Так, замена электродов марки МР-3,

имеющих коэффициент наплавки 8,5 г/(А-ч), электродами ИТС-1, содержащими в покрытии железный порошок, коэффициент наплавки которых 12 г/(Ач), сократит основное время сварки в 1,5 раза.

Значительное увеличение производительности может быть достигнуто за счет увеличения сварочного тока, принимаемого по верхнему пределу, рекомендуемому для данного диаметра, а также за счет применения электродов повышенных диаметров при одновременном увеличений сварочного тока. В ряде случаев повышение производительности труда может быть достигнуто опиранием на чехольчик покрытия, пучком электродов, трехфазной дугой, наклонным и лежачим электродом.

Сварка наклонным электродом позволяет одному рабочему обслуживать три-четыре поста, что обеспечивает повышение производительности труда даже по сравнению с полуавтоматической сваркой.

При сварке методом опирания (с глубоким проваром), который также называют сваркой погруженной дугой, применяют электроды с большим коэффициентом покрытия (кп = 0,5-^0,6). Сила сварочного тока увеличивается против обычно применяемой на 20—40 % и выбирается по формуле /св = (60-ь70) с/ал.

После зажигания дуги и образования чехольчика электрод размещают под углом 15—20° к вертикали, опирают чехольчиком покрытия о свариваемый металл (рис. 99) и, производя все время легкий нажим на электрод по его оси, перемещают ио линии наложения валика или шва без поперечных колебаний. Скорость движения электрода подбирается такой, чтобы расплавленный металл и шлак оставались позади электрода во избежание замыкания электрода со свариваемым металлом через расплавленный металл. Как правило, скорость перемещения дуги в этом случае в 1,5 раза выше по сравнению с обычными способами ручной сварки. Увеличенная мощность сварочной дуги, концентрированный ввод теплоты, быстрое перемещение электрода и интенсивное вытеснение расплавленного металла сварочной ванны из-под дуги за счет давления дуги создают условия для глубокого провара при минимальном разбрызгивании. Этот метод находит применение при сварке однопроходных угловых и стыковых швов различных изделий, когда увеличение проплавления основного металла не вызывает опасности появления кристаллизационных трещин.

Для сварки стержневых изделий (стержней, арматуры, рельсов и т. и.) иногда применяют ванный метод сварки. Сущность его состоит в том, что стык помещается в специальную стальную форму в виде скобы с зазором между торцами стержней 12—23 мм в зависимости от диаметра стержней (рис. 100).

Сварку начинают в нижней части формы в зазоре, при этом в течение всего времени ванну металла поддерживают в жидком состоянии, для чего смену электродов производят быстро. Сварку ведут одним или несколькими

Рис. 99. Схема сварки опиранием на чехольчикРис. 99. Схема сварки опиранием на чехольчикэлектродами («гребенкой»), зажатыми в специальный электрододержатель, до заполнения металлом всей формы несколько выше поверхности стержней.

Рис. 99. Схема сварки опиранием на чехольчик

Рис. 99. Схема сварки опиранием на чехольчик

Рис. 100. Сварка горизонтальных стержней ванным методомРис. 100. Сварка горизонтальных стержней ванным методомС целью уменьшения расхода стали на стальные формы иногда применяют разъемные медные или керамические формы.

Рис. 100. Сварка горизонтальных стержней ванным методом

Рис. 100. Сварка горизонтальных стержней ванным методом

Сварка лежачим электродом заключается в том, что в разделку стыкового соединения или в тавровое соединение в положении «лодочка» укладывается толстопокрытый электрод, прижимаемый к свариваемым изделиям тяжелым медным бруском, имеющим продольную канавку для помещения под ним электрода (рис. 101).

Брусок изолируют от изделия бумагой для предупреждения обрыва дуги из-за деформации электрода при его расплавлении. Недостатком сварки лежачим электродом является невозможность регулирования сечения валика при данном диаметре электрода. К непокрытому концу электрода присоединяется с помощью специального зажима токоподвод. Дуга зажигается замыканием другого конца электрода на изделие с помощью угольного элек-

трода. После возбуждения дуга перемещается под брусом по длине электрода, постепенно расплавляя электрод и основной металл, и образует шов. Сварку лежачим электродом целесообразно использовать, когда доступ для выполнения сварки обычными способами затруднен. При этом способе сварки длина покрытой части электрода принимается равной длине шва. Длина электрода может быть в пределах до 1200 мм, диаметр — до 8 мм. Толщина электродного покрытия несколько больше, чем при обыч-

Рис. 101. Схема сварки лежачим электродом: стыковых (а) и тавровых соединений (б):

1 — свариваемые детали; 2 — электрод; 3 — прокладка; 4 — медный брус

ной электродуговой сварке плавящимся электродом. Сечение шва получается примерно равным сечению электрода. Сварка лежачим электродом обеспечивает высокое качество металла шва, повышает производительность по' сравнению с обычной дуговой сваркой в 1,5—2 раза благодаря возможности применения электродов большего диаметра при соответственном увеличении силы тока, уменьшает потери металла на угар и разбрызгивание, а также за счет того, что оператор может одновременно обслуживать несколько постов. Режимы сварки лежачим электродом приведены в табл. 28.

Сварка наклонным электродом — дуговая сварка, при которой плавящийся электрод расположен наклонно вдоль свариваемой кромки и по мере расплавления движется под действием груза или пружины, расположенных на обойме штатива.

При сварке электрод закрепляют в специальном электрод одержа теле, размещенном на штативе, устанавливаемом на изолированную подкладку, расположенную на поверхности изделия. Нижний конец электрода с высту-

Таблица 28. Режим сварки лежачим электродом угловых и СТЫКОВЫХ швов

Катет углового шва, мм

Толщина лис гоп, мм

Вид разделки стыкового шва

Диаметр электрода, мм

Сила сварочного тока, А

6,0—6,5

5

Без скоса

5

200— 240

6,5—7,0

6,5

Без скоса

6

260—300

8

8

V-образная (70°)

8

340—380

8,5—10,0

- — -

—

8

380—450

—

10—12

V-образная (70е)

8

340—380

лающим краем толстого покрытия опирается на свариваемое изделие (рис. 102). Дуга возбуждается замыканием конца электрода на изделие угольным электродом или автоматически при наличии ионизирующей обмазки на торце электрода.

При плавлении электрода на его конце образуется чехольчик, препятствующий короткому замыканию между электродом и изделием. По мере расплавления и опускВ-

Рис. 102. Схема сварки наклонным электродом:

/ — электрод; 2 — обойма; 3 — штатив; 4 — изолирующая подкладка

ния электрода образуется шов. Сечение шва регулируется изменением угла наклона электрода. При наклонном электроде сварочный ток принимается таким же, как и ври ручной сварке плавящимся электродом.

Механизированная сварка наклонным электродом с использованием специальных установок находит при-

менение в промышленности, особенно в судостроении, для сварки угловых и тавровых соединений без разделки кромок и в меньшей мере для стыковых соединений.

Кромки деталей, подлежащих сварке, должны быть очищены от ржавчины, жира и других загрязнений. Катеты прихваток при сборке не должны превышать 4 мм, длина прихваток и расстояние между ними должны соответствовать действующим инструкциям.

Для сварки применяют специальные установки «Огонек» различной модификации. Сварка наклонным электродом производится как переменным, так и постоянным током. Сварку на постоянном токе односторонних угловых швов не применяют вследствие отрицательного влияния сильного магнитного поля. Двусторонние угловые швы на постоянном токе варят одновременно с двух сторон по методу- «дуга в дугу». Расхождения между сварочными дугами при этом должны соответствовать 30—100 мм.

На переменном токе можно выполнять односторонние и двусторонние угловые швы без применения метода «дуга , в дугу».

Режим сварки в основном слагается из следующих величин: диаметра электрода, который обычно равен 5— 6 мм; силы сварочного тока, который принимается 35— 40 А на 1 мм диаметра электрода; коэффициента скорости перемещения электрододержателя с электродом, определяемого как отношение длины полученного шва к длине расплавленной части электрода. Этот коэффициент устанавливают исходя из заданного катета шва, он колеблется* в пределах 0,8 1,5.

11рн механизированной сварке наклонным электродом заделка катета шва, как правило, происходит автоматически при механическом обрыве дуги и обеспечивается сплошность шва по его длине. В случае получения неза- деланного катета или наличия других дефектов по его длине они исправляются вручную электродами, предназначенными для сварки данной марки стали, или полуавтоматической сваркой в углекислом газе соответствующей проволокой.

Техническая характеристика установки «Огонек-1»:

Номинальныч сварочный ток, А 250

Напряжение питания АСН-4 от сети переменного тока, В . 12,36

Диаметр электрода, мм 5—6

Длина электрода, мм 700

Длина кабеля от ЛОМ, м 30

Габаритные размеры, мм 850X480X200

Масса с токопидводяищм кабелем, кг 7,2

Автомат ЛСН-4 включается в сварочную цепь последовательно с установкой и предназначен для автоматического прекращения процесса сварки при длине огарка электрода 50—60 мм и ограничения напряжения на Электр ододержателе до 12 В при окончании сварки или случайном обрыве дуги.

производится при маломпроизводится при маломРис. 103. Схема сварки наклонным электродом на установке «Огонек»: А — магнит; Б — электрод; В — линия сваркиРис. 103. Схема сварки наклонным электродом на установке «Огонек»: А — магнит; Б — электрод; В — линия сваркиСварка швов угловых и тавровых соединений на сварочной установке «Огонек-1» угле наклона электрода к линии сварки. Первоначальный угол наклона электрода к линии сварки составляет 10—13° при длине электрода 700 мм, в конце сварки 35— 40°. Угол между электродом и стенками тавра составляет 45 + 2° (рис. 103).

производится при малом

производится при малом

Рис. 103. Схема сварки наклонным электродом на установке «Огонек»: А — магнит; Б — электрод; В — линия сварки

Рис. 103. Схема сварки наклонным электродом на установке «Огонек»: А — магнит; Б — электрод; В — линия сварки

Для подготовки установки «Огонек-1» к сварке необходимо выполнить следующие операции: прижать установ

ку в угол соединения таким образом, чтобы обе ее плоскости вошли в соприкосновение с вертикальной и горизонтальной полками тавра свариваемого изделия; зафиксировать положение установки перекидным магнитом, который крепится к вертикальной или горизонтальной полке тавра; вставить электрод в электрододержа- тель; отвести рукоятку назад до щелчка, пригнать конец электрода к линии сварки и возбудить дугу нажатием пусковой кнопки; дать возможность электроду оплавляться при постоянном поджатии к линии сварки под действием силы пружины.

За время сгорания электрода сварщик должен успеть произвести настройку на линию сварки следующих трех—шести сварочных установок «Огонек-1».

Когда останется огарок электрода длиной 50 мм, дуга автоматически оборвется. Сварочную установку на линии сварки фиксируют с таким расчетом, чтобы после отвода рукоятки в рабочее положение торец электрода

упирался в предшествующий шов на 15—20 мм от линии его конца.

Сварка на установках «Огонек-1» выполняется как слева направо, так и справа налево. Вследствие небольших габаритных размеров установка «Огонек-1» может предназначаться для использования в труднодоступных местах.

Дуговая сварка угольным электродом в связи с большой термоэлектронной эмиссией с горячего катода обладает большой устойчивостью при малых токах, что является одним из ценных ее свойств.

Угольная дуга более чувствительна к различным внешним воздействиям, чем металлическая дуга, сильнее поддается магнитному дутью, легче отклоняется в сторону под действием потока газов. Для стабилизации дуги рекомендуется по линии сварки наносить узкую полоску легко ионизирующего материала в виде порошка или пасты.

Сварка угольным электродом может также выполняться с введением присадочного металла. Присадочный металл в виде прутка с тонким ионизирующим покрытием для улучшения устойчивости дуги вводится сварщиком в плавильную зону или предварительно помещается на свариваемые кромки и расплавляется вместе с ними.

Иногда для сварки легкоплавких металлов малых толщин (свинец, цинк и др.), пайки твердыми припоями, нагрева металла и других случаев применяют угольную

Таблица 29. Химический состав и механические свойства некото

Массовое содержание

Марка стали

С

Мп

Si

Сг

юхснд 15ХСНД 14ХГС 09Г2 14Г2

До 0,12 0,12—0,18 0,11—0,16

До 0,12 0,12—0,18

0,50—0,80

0,40—0,70

0,90—1,30

1,40—1,80

1,20—1,60

0,80—1,10

0,40—0,70

0,40—0,70

0,17—0,37

0,17—0,37

0,60—0,90 0,60—0,90 0,50—0,80 До 0,30

» 0,30

дугу косвенного действия. Питание дуги косвенного действия производится переменным током, обеспечивающим равномерное обгорание обоих электродов.

Сварка низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей

Эти стали под действием обычного термического цикла сварки не закаливаются. Они имеют ов = 440-5- -е-540 МПа/мм2 и от = 3004-400 МПа/мм2.

Химический состав наиболее распространенных низколегированных сталей, применяемых для производства сварных конструкций, приведен в табл. 29. Эти стали могут успешно свариваться теми же способами, что и низкоуглеродистыс стали. При ручной сварке их следует применять электроды, которые дадут возможность получить металл шва, обладающий такими же механическими свойствами, как и основной металл. Для сварки этих сталей рекомендуются электроды типа Э-50А. Но если учесть легирование металла шва элементами из основного металла, то для сварки этих сталей можно применять электроды типа Э-46А. При сварке этих сталей под слоем флюса и в среде углекислого газа применяют те же материалы и режимы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей, а при электрошлаковой сварке с использованием флюса АН-8 следует применять сварочную проволоку Св-10Г2 или Св-08ГСМТ.

рых низколегированных сталей по ГОСТ 19282—73

элементов. %

Механические свойства

S

Р

Толщина проката, мм

°в

СТ-р

6, %

Ni

Си

МПа/мм2

не более

не менее

—

0,50—0,80

0,30—0,60

До 0,30

» 0,30

» 0,30

0,40—0,65

0,20—0,40

До 0,30

» 0,30

» 0,30

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

6,035 0,035 0,035 0,035 0,035

4—32

4—32

4—10

4—20

4—10

540

500

500

450

470

400

350

350

310

340

19

21

22

21

21

ГЛАВА VII. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ И ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ПА ФОРМУ ШВА

Сварку под слоем флюса производят голой электродной проволокой, которую подают в зону горения дуги специальным механизмом, называемым головкой автомата. Токоподвод к проволоке осуществляется через скользящий контакт при прохождении проволоки через мундштук, изготовляемый из меди.

Малый вылет электрода, отсутствие покрытия, большая скорость подачи электродной проволоки позволяют значительно увеличить силу сварочного тока по сравнению с ручной сваркой электродами тех же диаметров, что приводит к ускорению процесса плавления сварочной проволоки, увеличению глубины проплавления основного металла и, как следствие, значительному повышению производительности. Коэффициент наплавки достигает 14—16, а в некоторых случаях даже 25—30 г/(А-ч). Достаточно толстый слой флюса (до 60 мм), засыпаемого в зону сварки, расплавляется только на 30 %, делает дугу невидимой (закрытой) и обеспечивает хорошую защиту расплавленного металла от окружающего воздуха, стабильность процесса, небольшие потерн на угар и разбрызгивание.

Вследствие увеличения эффективной тепловой мощности дуги может быть расширен диапазон толщин, свариваемых без скоса кромок. Так, при обычных режимах автоматической сварки встык без скоса кромок может свариваться металл толщиной до 15—20 мм. При этом увеличивается проплавление основного металла, доля участия основного металла в металле шва составляет 0,5—0,7, тем самым значительно снижается расход электродной проволоки па единицу длины шва. При сварке угловых швов увеличенная глубина провара обеспечивает (при одинщ* ковом с ручной сваркой внешнем катете шва) большее расчетное сечение. Поэтому при автоматической сварке под флюсом угловых швов катет может назначаться меньше, чем для шва, выполняемого ручной сваркой.

На качество и работоспособность сварного соединения, выполняемого под слоем флюса, влияют не только известные нам конструктивные элементы шва, но и отношение ширины однопроходного шва к глубине провара. Коэффициент формы прова ра ф1)р = e!h может изменяться в пределах от 0,5 до ЗД^Оптимальное его значение равно 1,3—2,0. Отношение ширины шва к его выпуклости фв = elq (коэффициент формы валика) при хорошо сформированных швах не должно выходить за пределы 7—10.

Основными параметрами режима автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом являются сварочный ток и диаметр электродной проволоки, напряжение на дуге и скорость перемещения дуги. В зависимости от режима и технологических факторов будет меняться глубина провара, ширина шва, высота выпуклости и доля участия основного металла в металле шва.

Рассмотрим влияние каждого параметра режима и некоторых технологических факторов на указанные величины.

Влияние силы сварочного тока проявляется в том, что с увеличением сварочного тока усиливается давление столба дуги на поверхность жидкого металла, дуга больше погружается в основной металл, возрастает погонная энергия и масса расплавленного в единицу времени электродного металла. В результате этого глубина провара и доля участия основного металла в металле шва увеличивается, ширина шва почти не меняется, а высота выпуклости шва возрастает. Коэффициент формы провара и количество расплавленного флюса уменьшаются.

Увеличение диаметра проволоки при неизменном сварочном токе приводит к усилению блуждания активного пятна по сечению конца электрода и поверхности сварочной ванны, вследствие чего глубина провара и выпуклость шва уменьшаются, а ширина шва возрастает. Если же при том же токе сварку производить электродной проволокой меньшего диаметра, то это приведет к возрастанию плотности тока, в результате увеличивается глубина провара, уменьшается ширина шва и коэффициент формы провара.

Данные по влиянию сварочного тока и диаметра электродной проволоки на глубину провара приведены в табл. 30. Из приведенных данных следует, что при автоматической сварке под флюсом для получения глубины провара 5 мм при диаметре электродной проволоки 2 мм

Диаметр электродной проволоки, ммГлубина провара, мм34568102200 G43001043501274001435001576002003300433505040057500716258975010743752942536500405504467553800645450235002655028600317253782542Диаметр электродной проволоки, ммГлубина провара, мм34568102200 G43001043501274001435001576002003300433505040057500716258975010743752942536500405504467553800645450235002655028600317253782542Таблица 30. Влияние силы сварочного тока, его плотности и диаметра электродной проволоки на глубину провараТаблица 30. Влияние силы сварочного тока, его плотности и диаметра электродной проволоки на глубину провараПримечание. В первой строке приведены значения сварочного тока (А), а во второй — значения его плотности (Л/мм2).Примечание. В первой строке приведены значения сварочного тока (А), а во второй — значения его плотности (Л/мм2).<и СХS tЧтЕСила сварочного тока, Аф к к фЙ и кCL *180—30032—342300—40034—36500—60036—40600—70038—405700—85040—42850—100041—43<и СХS tЧтЕСила сварочного тока, Аф к к фЙ и кCL *180—30032—342300—40034—36500—60036—40600—70038—405700—85040—42850—100041—43Таблица 31. Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока при сварке под флюсом АН-348АТаблица 31. Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока при сварке под флюсом АН-348А

Диаметр электродной проволоки, мм

Глубина провара, мм

3

4

5

6

8

10

2

200 G4

300

104

350

127

400

143

500

157

600

200

3

300

43

350

50

400

57

500

71

625

89

750

107

4

375

29

425

36

500

40

550

44

675

53

800

64

5

450

23

500

26

550

28

600

31

725

37

825

42

Диаметр электродной проволоки, мм

Глубина провара, мм

3

4

5

6

8

10

2

200 G4

300

104

350

127

400

143

500

157

600

200

3

300

43

350

50

400

57

500

71

625

89

750

107

4

375

29

425

36

500

40

550

44

675

53

800

64

5

450

23

500

26

550

28

600

31

725

37

825

42

Таблица 30. Влияние силы сварочного тока, его плотности и диаметра электродной проволоки на глубину провара

Таблица 30. Влияние силы сварочного тока, его плотности и диаметра электродной проволоки на глубину провара

Примечание. В первой строке приведены значения сварочного тока (А), а во второй — значения его плотности (Л/мм2).

Примечание. В первой строке приведены значения сварочного тока (А), а во второй — значения его плотности (Л/мм2).

<и СХ

S t

ЧтЕ

Сила сварочного тока, А

ф к к ф

Й и к

CL *

180—300

32—34

2

300—400

34—36

500—600

36—40

600—700

38—40

5

700—850

40—42

850—1000

41—43

<и СХ

S t

ЧтЕ

Сила сварочного тока, А

ф к к ф

Й и к

CL *

180—300

32—34

2

300—400

34—36

500—600

36—40

600—700

38—40

5

700—850

40—42

850—1000

41—43

Таблица 31. Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока при сварке под флюсом АН-348А

Таблица 31. Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока при сварке под флюсом АН-348А

требуется сварочный ток силой 350 А, при диаметре 5 мм — 550 А.

Широкое применение электродной проволоки малых диаметров при сварке под флюсом металла заданной толщины обусловлено тем, что это цриводит к снижению необходимого сварочного тока, расхода энергии, уменьшению массы и габаритных размеров применяемого оборудования.

Влияние напряжения дуги зависит в основном от длины дуги и состава газов, заполняющих дуговой промежуток. Чем больше длина дуги, тем больше и напряжение. Увеличение напряжения дуги приводит к увеличению ее подвижности, в результате чего значительно возрастает ширина шва, заметно снижается выпуклость шва, а глубина проплавления в практически встречающихся пределах изменения напряжения дуги остается почти постоянной. При увеличении толщины свариваемого металла увеличение силы тока должно сопровождаться соответствующим повышением напряжения (табл. 31).

Увеличение скорости перемещения дуги приводит к сильному отклонению столба дуги в сторону, противо- 230

положную направлению перемещения, вследствие чего увеличивается горизонтальная составляющая давления дуги на расплавленный металл сварочной ванны, из-под дуги вытесняется больше жидкого металла, толщина слоя жидкого металла под дугой уменьшается и глубина проплавления при возрастании скорости перемещения до 25 м/ч (рис. 104, а) возрастает, несмотря на уменьшение погонной энергии. Это приводит к сокращению площади сечения шва, уменьшению ширины шва, незначительному росту выпуклости шва, увеличению доли уча-

а)а)Рис. 104. Влияние скорости перемещения дуги на отклонения ее и толщину слоя жидкого металла под нейРис. 104. Влияние скорости перемещения дуги на отклонения ее и толщину слоя жидкого металла под ней

а)

а)

Рис. 104. Влияние скорости перемещения дуги на отклонения ее и толщину слоя жидкого металла под ней

Рис. 104. Влияние скорости перемещения дуги на отклонения ее и толщину слоя жидкого металла под ней

стия основного металла в металле шва и уменьшению коэффициента формы провара. При скорости перемещения дуги больше 25 м/ч (рис. 104, б) наблюдается еще более интенсивное вытеснение жидкого металла из-под дуги, и при скоростях перемещения дуги до 40—50 м/ч глубина проплавления растет, несмотря на уменьшение погонной энергии. При дальнейшем увеличении скорости перемещения дуги влияние уменьшения погонной энергии становится преобладающим, в результате глубина провара, ширина шва и площадь сечения шва уменьшаются, а при скорости перемещения дуги 70—80 м/ч уменьшение погонной энергии сварки и ширины нагрева кромок оказывается столь значительным, что по обе стороны шва образуются краевые непровары — зоны несплавления (рис. 105).

На форму и размеры шва влияют не только основные параметры режима сварки, но и такие технологические факторы, как род и полярность тока, наклон электрода и изделия, вылет электрода, марка и структура флюса, конструктивная форма соединения и зазора.

Влияние рода тока и полярности на форму шва объясняется различным количеством теплоты, выделяющейся на катоде и аноде. При сварке под флюсом на аноде выделяется меньше теплоты, а на постоянном токе прямой

полярности глубина провара получается примерно на 40—50 % меньше, чем при сварке на обратной полярности, и на 15—20 % меньше, чем при сварке на переменном токе. В связи с этим при сварке на прямой полярности коэффициент наплавки и высота выпуклости шва больше, чем при сварке на обратной полярности.

Рис. 105. Влияние скорости перемещения дуги на форму шваРис. 105. Влияние скорости перемещения дуги на форму шваВлияние наклона электрода сказывается на изменении положения дуги. По наклону электрода вдоль шва различают: наклон электрода углом вперед (рис. 106, п) или углом назад (рис. 106, б). В первом случае существенно уменьшается глубина провара и увеличивается ширина шва. Это имеет место возможно вследствие того, что большая часть столба дуги располагается над поверхностью основного металла и лучше прогревает свариваемые кромки, поэтому возникает возможность выполнения сварки под флюсом на скоростях несколько выше 80 м/ч без образования зон несплав- лепия.

Рис. 105. Влияние скорости перемещения дуги на форму шва

Рис. 105. Влияние скорости перемещения дуги на форму шва

При наклоне электрода углом назад происходит более интенсивное вытеснение металла сварочной ванны, столб дуги глубже проникает в основной металл, что приводит к некоторому увеличе

нию глубины провара и уменьшению ширины шва, поэтому зоны несплавления образуются при меньшей скорости перемещения дуги, чем при вертикальном расположении электрода. Этот метод сварки применяется редко (например, при двухдуговой сварке).

Наклон изделия по отношению к горизонтальной плоскости оказывает влияние на формирование шва.

При сварке снизу вверх (на подъем) — рис. 107, а — расплавленный металл под действием собственного веса

вытекает из-под дуги в заднюю часть ванны, дуга глубже погружается в основной металл, подвижность дуги уменьшается, что приводит к увеличению глубины провара и уменьшению ширины шва.

Если угол наклона изделия при сварке под флюсом будет больше, чем 6°, то по обе стороны шва могут образовываться подрезы.

зайавиааийзайавиааийПри сварке сверху вниз (на спуск) — рис. 107, б — жидкий металл под действием собственного веса подтекает

зайавиааий

зайавиааий

Рис. 106. Наклон электрода вдоль шва (стрелкой обозначено направление перемещения дуги)

под столб дуги, что приводит к увеличению толщины слоя металла под ним и усилению блуждания дуги по поверхности сварочной ванны. В результате уменьшается провар.

Рис. 107. Влияние положения свариваемого изделия п направленья сварки па формирование шва

Изменение вылета электрода и. марки флюса приводит к изменению условий выделения теплоты. Увеличение вылета электрода вызывает усиление предварительного подогрева электрода проходящим током и возрастание скорости его плавления и коэффициента наплавки. Суммарное напряжение при этом несколько увеличивается, а сварочный ток и глубина провара уменьшаются. Особенно заметно влияние вылета электрода при полуавтоматической сварке проволокой диаметром 1,0—2,5 мм. В этом случае колебания в вылете электрода в пределах 8—10 мм могут привести к резкому ухудшению формирования шва.

Флюсы отличаются стабилизирующими свойствами, плотностью, газопроницаемостью в жидком состоянии и вязкостью. С повышением стабилизирующих свойств флюса увеличиваются длина дуги и напряжение, вследствие чего возрастает ширина шва и уменьшается глубина

Рис 108. Влияние подготовки кромок на форму шва: а — стыковое соединение; б — угловое соединениеРис 108. Влияние подготовки кромок на форму шва: а — стыковое соединение; б — угловое соединениепровара. Влияние плотности флюса на форму шва связано с тем, что изменение вызывает соответствующее изменение объема газовой полости в расплавленном шлаке, окружающем столб дуги. Чем больше плотность флюса, тем меньше объем газовой полости (что уменьшает блуждание дуги), возрастает давление в полости и расплавленный металл легче оттесняется из-под дуги. Прослойка жидкого металла под дугой становится меньше и улучшается теплоотдача от дуги к основному металлу. При этом ширина шва уменьшается, глубина провара увеличивается. С уменьшением объемной массы, например, при использовании пемзовидного флюса, все происходит наоборот.

Рис 108. Влияние подготовки кромок на форму шва: а — стыковое соединение; б — угловое соединение

Рис 108. Влияние подготовки кромок на форму шва: а — стыковое соединение; б — угловое соединение

провара и общая высота швапровара и общая высота шваЗазор, разделка кромок и вид соединения шва оказывают незначительное влияние на форму шва: очертание остаются практически

провара и общая высота шва

провара и общая высота шва

постоянными. Они влияют главным образом на соотношение долей участия основного и наплавленного металла в шве. Чем больше зазор или разделка, тем меньше доля основного металла в металле шва (рис. 108). Из рисунка также следует, что в зависимости от соотношения сечения зазора или разделки и наплавленного металла, шов может быть выпуклым, нормальным или вогнутым. Поскольку общая высота шва, выполненного под флюсом, практически не зависит от зазора и разделки кромок, угловой шов таврового сечения можно приравнивать к стыковому шву, выполненному в разделку кромок с углом раскрытия 90°.

Кроме всего указанного, на форму и качество швов сварных соединений существенное влияние оказывает зазор между деталями. Если между свариваемыми кромками листов имеется неравномерный зазор, то при ручной и полуавтоматической сварке открытой дугой сварщик соответствующим движением электрода и изменением скорости перемещения дуги может до некоторой степени 234

выправить этот дефект сборки и обеспечить требуемую форму шва, а при автоматической сварке это осуществить невозможно. Плохая сборка, не обеспечивающая нужные зазоры для получения качественного шва, является основным фактором, сдерживающим внедрение большинства способов автоматической сварки.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Стыковые соединения автоматической сваркой могут выполняться односторонними и двухсторонними швами с разделкой и без разделки кромок. Швы с разделкой кромок могут быть однопроходными и многопроходными.

Для повышения производительности труда швы стремятся выполнять однопроходными, но при сварке металла больших толщин приходится применять многопроходную сварку.

Односторонняя автоматическая сварка под флюсом

Односторонняя автоматическая сварка без разделки кромок с неполным проваром (сварка на весу) — рис. 109, а — должна выполняться на таком режиме, чтобы непроплавленный слой основного металла мог удерживать сварочную ванну. Режим подбирается из расчета провара не более 0,6—0,7 толщины свариваемых деталей. Однако в большинстве случаев при односторонней сварке требуется обеспечить полный провар всего сечения; тогда необходимо принимать меры по предотвращению вытекания расплавленного металла и поэтому односторонние стыковые соединения сваривают: на остающейся стальной подкладке, в замок; после ручной подварки с обратной стороны стыка; на медной или флюсо- медной подкладке, на флюсовой подушке.

Сварка на остающейся стальной подкладке (рис. 109, б) применяется для соединения из металла толщиной до 10 мм. Подкладка должна быть из того же металла, что и свариваемая сталь. Зазор между подкладкой и кромками не должен превышать 0,5—1,0 мм. Толщину стальной подкладки принимают от 0,3 до 0,5 толщины свариваемого металла, а ширину 4—5 толщин.

При сварке стыка подкладка частично проплавляется и приваривается к нижней части кромок, что и обеспечивает полный провар стыкового соединения. Применяется

в тех случаях, когда не представляется возможным выполнить шов с обратной стороны соединений, например

при сварке цилиндрических сосудов небольших диаметров,

труб и др. Разновидностью сварки на остающейся подкладке является сварка в замок (рис. 109, в), часто применяемая при выполнении кольцевых швов толстостенных цилиндров малого диаметра.

Сварка по предварительной ручной подварке (рис. 109, г) применяется в тех случаях, когда не представляется возможным кантовать изделие или когда автоматическая подварка невозможна (например, при

Рис. 109. Способы односторонней автоматической сварки

варке кольцевых швов на цилиндрических изделиях относительно малого диаметра). При сборке таких соединений требования к зазору такие же, как для ручной сварки.

При толщине свариваемых деталей до 6 мм включительно ручная подварка выполняется без скоса кромок. При толщине деталей свыше 6 мм (для ручной подварки) выполняется скос кромок иод углом 60° па глубину 1/3 толщины свариваемого металла, но не более 6—8 мм.

Сварка на медной подкладке (рис. 109, д) применяется преимущественно при соединении тонких листов; шов хорошо формируется

только при плотном равномерном поджатии подкладки по всей длине стыка, зазор в котором не превышает 0,5 мм. Медная подкладка к свариваемым кромкам может прижиматься при помощи механических и пневматических прижимов. При сварке на медной подкладке шов с обратной стороны стыка получается заподлицо со свариваемыми листами.

Флюсо-медные подкладки отличаются тем, что в подкладке делается желобок для формирования обратного

валика стыкового шва (рис. 109, е). В этом случае стык собирается с зазором 2—3 мм, через который флюс заполняет желобок. Расплавляясь, флюс создает шлаковую прослойку между металлом шва и медной подкладкой п формирует обратный валик. Изменяя размеры желобка, можно регулировать размеры обратного валика. Разновидностью сварки на неподвижной флюсо-медной подкладке является сварка на скользящем медном башмаке.

Рис. 110. Устройство флюсовой подушки:

/ <— прижим; 2 — свариваемая деталь; 3 — мешок; 4 — шланг; 5 — корытообразная балка; 6 — груз

Сварка на флюсовой подушке производится с полным проваром всей толщины листа. Флюс предотвращает вытекание жидкого металла и шлака и обеспечивает формирование только в том случае, если флюс равномерно поджимается к свариваемым кромкам. Схема устройства такой подушки показана на рис. ПО.

Поджатие флюса обычно осуществляется с помощью дюритового шланга, в который подают сжатый воздух от цеховой воздушной сети. Воздух заполняет шланг, в результате чего шланг округляется и непосредственно или через толкатель плотно прижимает флюс к свариваемым кромкам. При слабом поджатии флюса шов получается вогнутый с выпуклым обратным валиком. Сильное поджатие флюса приводит к обратному явлению, шов получается выпуклым, а обратная сторона шва имеет вогну-

тость, равнозначную непровару. При чрезмерном поджатии флюса в шве образуются сквозные отверстия или канавка с обратной стороны.

Давление флюсовой подушки выбирают опытным путем в зависимости от толщины свариваемых деталей и режима сварки.

Неподвижность листов при сборке и сварке часто достигается при помощи электромагнитов, размещенных по всей длине электромагнитного стенда.

Двусторонняя автоматическая сварка

Рис. 111. Выполнен не стыкового шва двухсторонней автоматической сваркой: а — сварка первого шва на весу; б — сварка второго шва с перекрытием первого шва 3—4 мм; в — сварка первого шва на флюсобумажной подкладкеРис. 111. Выполнен не стыкового шва двухсторонней автоматической сваркой: а — сварка первого шва на весу; б — сварка второго шва с перекрытием первого шва 3—4 мм; в — сварка первого шва на флюсобумажной подкладкеДвусторонняя автоматическая сварка (сварка по автоматической подварке) является основным методом получения высококачественных швов. В этом случае стыковое соединение сначала проваривается автоматом с одной стороны на весу так, чтобы глубина проплавления составляла половину или несколько более половины толщины металла (рис. 111,6?). После кантовки изделия сварку второго прохода шва производят с таким расчетом, чтобы был проплавлен корень шва (рис. 111,6).

Рис. 111. Выполнен не стыкового шва двухсторонней автоматической сваркой: а — сварка первого шва на весу; б — сварка второго шва с перекрытием первого шва 3—4 мм; в — сварка первого шва на флюсобумажной подкладке

Рис. 111. Выполнен не стыкового шва двухсторонней автоматической сваркой: а — сварка первого шва на весу; б — сварка второго шва с перекрытием первого шва 3—4 мм; в — сварка первого шва на флюсобумажной подкладке

Однако в ряде случаев при сварке первого прохода шва на весу возникают затруднения со сборкой иод сварку, так как для того чтобы при сварке жидкий металл и шлак не вытекали в зазор, необходимо, чтобы зазор его не превышал 1 мм, что в некоторых случаях бывает трудно обеспечить. Поэтому, если между кромками повышенный зазор, то при первом проходе необходимо применять та

кие же средства для подформовки обратной стороны шва, что и при однопроходной автоматической сварке. В отдельных случаях можно производить сварку на флюсо-бумажных подкладках. Флюсо-бумажные подкладки изготавливаются следующим образом: на ленту плотной бумаги наносится кисточкой слой жидкого стекла и насыпается флюс; при этом часть флюса приклеивается, а остальной

флюс ссыпается. Количество флюса, которое приклеивается к бумаге, достаточно, и бумага с приклеенным флюсом просушивается. Перед сваркой в местах повышенных зазоров флюсо-бумажная подкладка приклеивается жидким стеклом (рис. 111, в) и в зазор засыпается мелкий флюс, который, удерживаясь подкладкой, препятствует вытеканию жидкого металла из ванны.

Под действием теплоты, выделяющейся при сварке, бумага сгорает, но это происходит в тот момент, когда металл шва над бумажной прокладкой уже успел затвердеть. Второй шов выполняется обычным порядком после кантовки изделия.

Двусторонняя автоматическая сварка по заданному зазору основана на том, что при заданном режиме сварки общая высота сварного шва Я, слагающаяся из глубины провара h и высоты выпуклости q, не зависит от формы и глубины разделки (см. рис. 108). Это значительно упрощает подготовку деталей и сборку под сварку. При этом способе сварки за счет создания зазора между кромками уменьшается выпуклость шва и соответственно увеличивается глубина провара.

Сварка первого шва по зазору выполняется на флюсовой подушке. Перед сваркой в зазор засыпается флюс мелкой грануляции, а замыкание электрода осуществляется па одной из технологических планок, прихваченных к торцам состыкованных деталей. После зажигания дуги электрод вводится в центр зазора. Режимы бесскосной двусторонней автоматической сварки с заданным зазором на постоянном токе обратной полярности приведены в табл. 32.

Часто применяется многопроходная автоматическая сварка, так как однопроходная нижняя автоматическая сварка металла толщиной более 20 мм сопряжена с определенными трудностями, возникающими в связи с неблагоприятными условиями кристаллизации металла шва. Это является причиной недопустимого снижения его ударной вязкости. В некоторых случаях при однопроходной сварке большой толщины в шве могут возникнуть кристаллизационные трещины. Кроме того, для осуществления однопроходной сварки металла большой толщины требуется сварочная дуга большой мощности, а предприятия не всегда располагают источниками питания дуги соответствующей мощности. Поэтому, как правило, металл толщиной свыше 20 мм сваривают за несколько проходов.

Таблица 32. Режимы двусторонней автоматической сварки с заданным зазором (флюс АН-348А, диаметр электрода 5 мм)

Толщина материала

Зазор между кромками

Сила сварочного тока, А

Напряжение дуги, В

Скорость перемещения дуги, м/ч

мм

14

16

18

20

24

28

30

40

50

3—4

700—750

32—34

30

4—5

750—800

850—900

34—36

27

5—6

900—950

36—38

25

20

6—7

8—9 10—11

950—1000

1100—1200

1200—1300

38—40

40—44

44—48

16

11,5

9,5

Примечание. При сварке на переменном токе напряжение на дуге следует увеличить на 2—4 В.

В соединениях для многопроходной сварки подготовка кромок выполняется согласно требованиям ГОСТов с учетом условий выполнения шва.

Особенно тщательно должен выполняться первый слой- проход, обеспечивающий провар корня шва в соединениях с Х-образной подготовкой кромок. В связи с тем, что толстол истова я сталь при прокатке из слитка претерпевает меньшую степень обжатия, ликвирующие примеси (как, например, сера, углерод) концентрируются в средней части листа, вызывая опасность возникновения горячих трещин при сварке первого слоя. Поэтому сварка Первого слоя шва должна производиться при малом проплавлении основного металла. Первые два-три слоя выполняются однопроходными при положении электрода по оси симметрии шва, последующие выполняются в несколько проходов со смещением электрода относительно центра шва.

Автоматическая сварка под флюсом угловых швов Тавровые, угловые и нахлесточные соединения сваривают угловыми швами. Угловые швы можно сваривать следующими двумя способами: 1) в «лодочку» верти- 240

кальнымэлектродом; 2) в нижнем положении наклонным электродом.

Сварка вертикальным электродом в «лодочку» (рис. 112) требует кантовки изделия и может производиться при симметричном (а) и несимметричном (б) расположении свариваемых листов. Основной трудностью сварки угловых швов в лодочку является то, что жидкий металл легко протекает в зазоры. Поэтому к сборке под сварку предъявляются более жесткие требования. Если

Рис. 112. Схема сварки угловых швовРис. 112. Схема сварки угловых швов

Рис. 112. Схема сварки угловых швов

Рис. 112. Схема сварки угловых швов

зазор более 1—1,5 мм, то необходимо применять меры, предупреждающие протекание жидкого металла (в основном такие же, как и при сварке стыковых соединений с зазором).

Наилучшее формирование шва обеспечивается при сварке в симметричную лодочку. Наибольший провар стенки может быть достигнут сваркой в несимметричную лодочку с углом а = 30° (рис. 112, б).

Сварка наклонным электродом угловых швов (рис. 112, в) производится в том случае, когда по условиям производства, по габаритам свариваемого изделия не представляется возможным установить его в положение лодочки. В этом случае основным условием получения качественного шва является не только правильный выбор режима сварки, но и точное расположение конца электрода относительно кромок свариваемого изделия

Таблица 33. Последовательность выполнения многопроходных угловых швов

Катет шва 9—14 мм

I проходП проход

Номер прохода

Смещение оси электродг) /, мм

Диаметр электродной проволоки <Жт мм

2

3

4

5

I II

5—7

4—6

4—6

3—5

4—6

1—3

4—6

1—3

Катет шва 14—16 мм

П/ ГкХ

/

I проходII проход

III г

троход

Номер прохода

Смещение оси электрода t, мм

Диаметр электродной проволоки dg4, мм

2

3

4

5

I II III

13

5-7

ОМл

кромку I прохода на полке 3—5|1—3|1—3

Катет шва 16—18 ммГТ

ЖЖ9

I проход11 проходIII пр

С с

оходIV

►

П

роход

Помер прохода

Смещение оси электрода t, мм

Диаметр электродной проволоки </дл, мм

2

3

4

5

I II

III IV

0>5^эл

В кромку I прохода на полке От центра I прохода 2—3Iа-4

1—2|2—3

при его перемещении. Электрод надо располагать так, чтобы угол, образуемый электродом и вертикальной стенкой, составлял 35—40°, а сам электрод был бы несколько смещен в сторону от вертикальной стенки так, чтобы верхняя образующая электрода совпадала с линией наклона, проходящей через вершину угла.

При расположении электрода по биссектрисе угла в вертикальной стенке у шва могут образоваться подрезы. Если смещение будет больше указанного, то вероятны наплывы на горизонтальном листе.

При сварке угловых швов наклонным электродом за один проход можно получить швы катетом до 8 мм. Швы с большим катетом выполняют в несколько проходов, как это указано в табл. 33. Наилучшее формирование угловых швов достигается при сварке электродной проволокой диаметром 2 мм.

РАСЧЕТ РЕЖИМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ И ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ

Основными параметрами режима автоматической сварки стали под флюсом являются сила сварочного тока, напряжение на дуге, скорость перемещения дуги, диаметр и скорость подачи сварочной проволоки. Расчет режима сварки производится всегда для конкретных случаев, когда известен тип соединения, марка стали, флюса и другие данные по шву и технологическому процессу. Поэтому до начала расчета по чертежу, реко- мендациям ГОСТов или ТУ, следует установить вид соединения, форму и размеры и изобразить их на миллиметровой бумаге в натуральную величину или в масштабе с сохранением оптимальных размеров по глубине провара ширины шва, высоте выпуклости, площади сечения наплавленного металла однопроходного шва или отдельных проходов и общую площадь многопроходного шва. При этом необходимо учитывать, что максимальное сечение однопроходного автоматного шва обычно не должно превышать 100 мм2.

Расчет режимов сварки стыковых швов

Глубина провара при стыковой сварке находится в прямой зависимости от сварочного тока и это может быть выражено уравнением

h = kl св,(Н5)

243

Таблица 34. Зависимость коэффициента пропорциональности к от некоторых параметров режима

Марка флюса

Род тока

Диаметр электрода, мм

Коэффициент к, мм/100 А

Наплавка и стык без разделки

Тавр, стык с разделкой кромок

АН-348А

Переменный

5

2

1,1

1,0

1,5

2,0

Постоянный обратной полярности

5

1,1

1,75

Постоянный прямой полярности

5

1,0

1,25

ОСЦ-45

Переменный

5

1,15

1,55

где 1г — коэффициент пропорциональности (мм/100 А), зависящий от рода тока и полярности, диаметра электрода, а также марки флюса; колеблется в пределах от 1,0 до 2,0 (табл. 34).

Глубина провара (см) может быть определена по фор

муле

/1 = 0,0076Г П-иР/1 = 0,0076Г П-иР(116)(116)

/1 = 0,0076

Г П-иР

/1 = 0,0076

Г П-иР

(116)

(116)

где ^аф/и— погонная энергия; флр — коэффициент формы провара.

Сварочный ток, необходимый для получения заданной глубины проплавления основного металла, рассчитывают по формуле /св = hlk.

Диаметр сварочной проволоки

^К^-<117)

где I — плотность тока, приближенные значения которой приведены ниже:

1 Диаметр электрода, мм 54321

Допустимая плот

ность тока, А/мм2. . 30—50 35—6045—90 65—200 90—400

Напряжение на дуге принимаем для стыковых соединений в пределах 32—40 В, для угловых—28—36 В. Большему току и диаметру электрода соответствует большее напряжение на дуге.

Зная сварочный ток и напряжение на дуге, определяем коэффициент формы провара по графикам его за-

Рис. 113. Значение фпр в зависимости от силы сварочного тока и напряжения на дуге: а—при daiY = = 2 мм; б — при dajI = 4 мм; в — при с1эл = 5 мм; г — при йэл = 6 ммРис. 113. Значение фпр в зависимости от силы сварочного тока и напряжения на дуге: а—при daiY = = 2 мм; б — при dajI = 4 мм; в — при с1эл = 5 мм; г — при йэл = 6 мм

Рис. 113. Значение фпр в зависимости от силы сварочного тока и напряжения на дуге: а—при daiY = = 2 мм; б — при dajI = 4 мм; в — при с1эл = 5 мм; г — при йэл = 6 мм

Рис. 113. Значение фпр в зависимости от силы сварочного тока и напряжения на дуге: а—при daiY = = 2 мм; б — при dajI = 4 мм; в — при с1эл = 5 мм; г — при йэл = 6 мм

висимости от сварочного тока и напряжения на дуге для сварки на переменном токе под флюсом ОСЦ-45 (рис. 113).

Зная глубину провара и коэффициент формы провара, определяем ширину шва:

(118)(118)^ Фпр^-

(118)

(118)

Задавшись оптимальным значением формы выпуклости, находим высоту выпуклости:

Фв = e/q,(119)

q = е/фв.

Определяем площадь сечения наплавленного металла FH, в зависимости от формы сечения наплавленного металла по формуле (105).

Скорость перемещения дуги (м/ч)

Пц. д — ^н^св/(^нТ^0).

При сварке постоянным коэффициент наплавки (г/(А«ч))При сварке постоянным коэффициент наплавки (г/(А«ч))Рис. 114. Зависимость Ааи от силы сварочного тока, диаметра и вылета электродаРис. 114. Зависимость Ааи от силы сварочного тока, диаметра и вылета электродатоком обратной полярности

При сварке постоянным коэффициент наплавки (г/(А«ч))

При сварке постоянным коэффициент наплавки (г/(А«ч))

Рис. 114. Зависимость Ааи от силы сварочного тока, диаметра и вылета электрода

Рис. 114. Зависимость Ааи от силы сварочного тока, диаметра и вылета электрода

ан = П.6 ± 0,4. (120)

При сварке на постоянном токе прямой полярности и переменном токе

схн = А -|- 5/св/^эл, (121) где ^эл — диаметр электродной проволоки, мм; А и В — коэффициенты, значения которых для флюса АН-348А следующие: Коэффициент . . . А В Прямая полярность 2,30,065

Переменный ток . . 7,00,04

Значения czH, найденные по формулам (120) и (121), не учитывают увеличения скорости плавления электродной проволоки за счет предварительного подогрева вылета электрода сварочным наплавки при данном

током. Действительный коэффициенттоком. Действительный коэффициент^н. д — С4Н Ч- Дан>^н. д — С4Н Ч- Дан>(122)(122)вылете можно определить по формуле

током. Действительный коэффициент

током. Действительный коэффициент

^н. д — С4Н Ч- Дан>

^н. д — С4Н Ч- Дан>

(122)

(122)

где Дан — увеличение коэффициента наплавки за счет предварительного нагрева вылета электрода; определяется по рис. 114.

Скорость подачи сварочной проволоки определяем по формуле

(123)(123) А4Л &н^св4ан/свп. прпсру!^nd2y *

(123)

(123)

где Мв — масса наплавленного металла за 1 ч/г; тв —

масса 1 м проволоки, г.

Пример. Рассчитать режим автоматической наплавки валика на пластину s= 14 мм с глубиной провара 9 мм; флюс ОСЦ-45.

Определим сварочный ток из уравнения (115)

/е. = 4100 = ^-« 800 А;

к выбираем по табл. 34; для диаметра 5 мм к = 1,15.

Зная, что напряжение на дуге меняется в пределах 32—40 В, принимаем UR = 36 В.

Определяем коэффициент формы провара по рис. 113фПр = 2,7.

Зная фцр, определяем ширину шва

е = фпр^ = 2,7-9 = 24,3 мм.

Зная, что коэффициент формы валика фв = e!q = (5-^8), находим выпуклость q; принимаем фв = 8, тогда

q = е/фв = 24/8 = 3 мм.

Определяем площадь сечения наплавленного металла

FH = 0,Tbcq = 0,75-24,3 = 54 мм2 = 0,54 см2.

Определяем коэффициент наплавки ан по уравнению (121):

ан = А + В = 7 + 0,04= 13,4 г/(А-ч).

Действительный коэффициент наплавки ан. д находим из уравнения (122)

«и. д — кн + A&h>

Дан находим по графику, приведенному на рис. 114, тогда ан. д = 13,4 4- 0,5 = 13,9 г/(А-ч).

Определим скорость перемещения дуги

= 26,4 м/ч.= 26,4 м/ч. ав 7 с в 13,9- 800

= 26,4 м/ч.

= 26,4 м/ч.

'п-д ~ FHylOO = 0,54-7,8-100

Находим скорость подачи сварочной проволоки:

Уп. д —Уп. д —4ан/свnd2y4ан/свnd2y4-13,9-8003,14-25-7,84-13,9-8003,14-25-7,8= 72 м/ч.= 72 м/ч.

Уп. д —

Уп. д —

4ан/свnd2y

4ан/свnd2y

4-13,9-800

3,14-25-7,8

4-13,9-800

3,14-25-7,8

= 72 м/ч.

= 72 м/ч.

Часто для сокращения времени по определению режимов автоматической сварки пользуются различными номограммами, в которых отображается зависимость между размерами швов и основными величинами режима сварки. На рис. 115 приведена номограмма, пользуясь которой можно определить режим двусторонней автоматической сварки бесскосных швов стыковых соединений металла толщиной до 14 мм и односторонних швов с проваром до 9 мм при подформовке обратной стороны шва.

нений (ток переменный, флюс ОСЦ-45)

Рекомендуется следующий порядок определения режима сварки двусторонних швов по номограмме. Допустим, требуется определить режим сварки стыкового шва па листах толщиной 8 мм. Тогда на вертикальной линии толщины металла s находим цифру 8, затем из этой точки на вертикаль мысленно проводим горизонтальную линию до пересечения с наклонной линией глубины провара hv Из точки пересечения этих линий проводим линию вниз, вверх и влево или вправо в зависимости от того, для какой стороны шва (первой или второй) определяется режим

Рис. 116. Форма углового шва сваренного в «лодочку»: а — при оптимальном Ч’пр = = е/Н ^ 2; б — при 4 пр > 2Рис. 116. Форма углового шва сваренного в «лодочку»: а — при оптимальном Ч’пр = = е/Н ^ 2; б — при 4 пр > 2

Рис. 116. Форма углового шва сваренного в «лодочку»: а — при оптимальном Ч’пр = = е/Н ^ 2; б — при 4 пр > 2

Рис. 116. Форма углового шва сваренного в «лодочку»: а — при оптимальном Ч’пр = = е/Н ^ 2; б — при 4 пр > 2

сварки. Так, режим сварки для толщины 8 мм, обозначенный на номограмме стрелками, будет: для первой стороны шва /св = 530 A, UK = 34 В, ип. д = 32 м/ч, dan = 4 мм (размеры шва: провар й1 = 3,8 мм, ширина е = 15,5 мм, высота выпуклости q = 2,8 мм); для второй стороны шва /св = 650 А, t/д = 34 В; ии. д = 27,5 м/ч, с?эл = 5 мм (размеры шва: Н» = 5,5 мм, е = 18,3 мм, q = 3,2 мм).

Определение режима по номограмме для односторонних швов по провару пояснений не требует.

При выборе режима сварки угловых швов необходимо учитывать некоторые особенности в их формировании по сравнению со стыковыми швами, а именно: ширина шва не должна быть больше ширины разделки (рис. 116, а). При ширине шва больше ширины разделки неизбежно появление подрезов (рис. 116, б); коэффициент формы провара в данном случае, принимаемый как отношение ширины шва к общей высоте шва Н = (фпр = е!Щ3 не должен быть больше 2, иначе, как ранее указывалось, получатся подрезы, но в то же время он не должен быть чрезмерно мал, так как в этом случае швы получаются слишком глубокие и узкие, склонные к образованию кристаллизационных трещин.

Практикой установлено, что угловые швы удовлетворительно формируются на режимах, при которых плотность тока в электроде принимается в пределах средних

значений, указанных на 244 с. С учетом указанного расчет режима ведется в следующей последовательности.

Зная катет шва (указывается в чертеже конструктором), определяем площадь поперечного сечения для шва без выпуклости

FH = £2/2;

С ЕЬШуКЛОСТЫО

Fu = № + 1,05^.

Выбираем диаметр электрода, имея в виду, что угловые швы с катетом 3—4 мм можно получить лишь при использовании электродной проволоки диаметром 2 мм; при сварке электродной проволокой диаметром 4— 5 мм минимальный катет составляет 5—6 мм. Сварочную проволоку диаметром больше 5 мм, не обеспечивающую провар вершины углового шва, применять не следует.

Для принятого диаметра электрода (см. 244 с.) подбираем плотность тока на электроде и определяем сварочный ток

/св — л d?i/4.

Определяем действительный коэффициент наплавки в зависимости от рода и полярности тока по формулам (120)—(122).

Зная площадь сечения наплавленного за один проход металла, сварочный ток и коэффициент наплавки, определяем скорость перемещения ду!и

Уи.д = ап/св/№100).

По диаметру электрода, силе сварочного тока и напряжению на дуге (см. рис. 113), принятому ближе к нижнему пределу оптимальных значений напряжений, находим коэффициент формы провара.

Зная силу сварочного тока, напряжение на дуге и коэффициент формы провара, определяем глубину провара при наплавке на данном режиме

h = 0,076 VФэф/^Фпр)-

По глубине провара и коэффициенту формы шва определяем ширину шва

в — ФщА'

Определяем высоту выпуклости

q = (1,354-1,40) FJe.

Определяем общую высоту шва

Н = h + q.

Определяем высоту наплавленного металла в разделку (а = 90°)

/zH = ^/F ы.

Определяем глубину проплавления основного металла

ho = H— ha.(124)

Режимы сварки угловых швов могут быть также определены по таблицам и номограммам.

На рис. 117 приведена номограмма для определения режима сварки наклонным электродом диаметром 2 мм на постоянном токе обратной полярности, а на рис. 118 — диаметром 5 мм, на переменном токе.

В номограммах приняты следующие обозначения: Кв — видимый катет; /<р — расчетный катет; g — глубина проплавления вертикальной стенки: ho —действительное опасное сечение (расчетный параметр); q — высота выпуклости; /сн —сила сварочного тока; Un — рекомендуемое напряжение на дуге; ип.д —скорость перемещения дуги. Штриховыми линиями очерчены области удовлетворительного формирования шва.

Как видно из приведенных номограмм, угловые швы с заданным катетом можно получить при разных режимах, однако при этом будут изменяться другие размеры шва и его форма, и можно получить выпуклые, плоские и вогнутые швы. При сварке на большом токе и относительно малых скоростях получаются выпуклые швы, а при сварке на сравнительно невысоких токах и больших скоростях получаются вогнутые швы.

На номограммах режимы, дающие разные швы по форме и сечению, отделены наклонными тонкими линиями. Наклонные кривые линии, имеющие сверху обозначения Кр = 3, Кр = 4; до Кр = 8, проведены через точки режимов сварки, обеспечивающих получение швов с одинаковыми расчетными катетами Кр.

Режимы, обеспечивающие получение швов с одинаковым видимым катетом КВ1 нанесены на номограммы на-

Рис. 117. Номограмма для определения режимов сварки угловых швов наклонным электродом (б/эЛ = 2 мм; ток постоянный обратной полярности)

q= От 1,0

' 5 Й 3,5 4,0 4,5 5,0 Кр--8

2^0 Й^

2,0ЙХо КР=6

' Й 2,5кр"'5

Рис. 118. Номограмма для определения режимов сварки угловых швовнаклонным электродом (</ал = 5 мм ток переменный)

клонными штрихпунктирными линиями, также обозначенными снизу соответствующими катетами. Напряжение на дуге обозначено в прямоугольниках на этих же наклонных линиях.

Таким образом, чтобы определить режим сварки, обеспечивающий необходимый катет шва, выбираем точку, лежащую на линии данного катета, в области, ограниченной штриховыми линиями, в зависимости от того, какой шов нам требуется получить: вогнутый, плоский или выпуклый, и из этой точки проводим линии на координатные оси графика. На ординате мы получим значение сварочного тока, на абсциссе — скорость перемещения дуги и др.

Пример. Необходимо выбрать режим сварки для получения вогнутого шва с расчетным катетом 8 мм. Сварка производится электродной проволокой диаметром 5 мм на переменном токе. Тогда на линии Кр = = 8 мм (рис. 118) выбираем точку 0. Проекции из этой точки на оси ординат, в данном случае обозначенные перпендикулярными линиями со стрелками, определяет сварочный ток и скорость перемещения дуги. Напряжение на дуге берется в ближайшем прямоугольнике. Так, для заданных условий сварки режим будет: /св = 760 А, ип п — 48 м/ч, t/д = 31-34 В.

Полуавтоматическая сварка под флюсом (см. рис. 3) производится голой проволокой на полуавтоматах, основными элементами которых являются механизм подачи электродной проволоки, гибкий шланг, держатель с бункером для подачи флюса, аппаратура управления.

Полуавтоматическая сварка под флюсом обычно применяется для выполнения коротких, менее 1,5 м, криволинейных труднодоступных прерывистых швов.

В последние годы объем применения полуавтоматической сварки под флюсом значительно сократился и получает все большее применение полуавтоматическая сварка в углекислом газе — процесс более производительный и экономичный.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ

Производительность сварки в основном определяется массой наплавленного металла в единицу времени. При однодуговой сварке вертикально расположенным электродом опа зависит от режима сварки, преимущественно силы сварочного тока.

Так, при однодуговой сварке под флюсом проволокой диаметром 4—5 мм при силе сварочного тока 600—1300 А в большей степени реализуются преимущества автоматической сварки. Но при сварке на верхних пределах сварочного тока значительно возрастает коэффициент формы провара, что в ряде случаев может привести к образованию подрезов, горячих трещин, поэтому повышение производительности только за счет увеличения силы сварочного тока не всегда целесообразно.

Производительность можно увеличить за счет увеличения вылета электрода, в результате коэффициент на-

Рис. 119. Автома 1 ьческая сварка под флюсом несколькими проволоками

плавки возрастает на 40—50 %. Это также не всегда рационально, так как нарушается отношение между расплавленными основным и наплавленным металлом и возникают трудности в формировании металла шва.

Значительный эффект на производительность оказывает сварка двумя проволоками и более. При этом проволоки располагаются вертикально, наклонно или комбинированно по отношению к свариваемым кромкам и параллельно или последовательно друг к другу (рис. 119).

Если все проволоки подсоединены к одному полюсу источника питания, процесс называют многоэлектродным двухэлектродным; при подсоединении каждой из проволок к отдельному источнику питания — многодуговым двухдуговым.

Для питания дуг применяют источники постоянного или переменного тока. Возможно питание по трехфазной схеме. Проволокам могут быть приданы колебания вдоль или поперек свариваемых кромок.

Сварку можно вести в общей ванне (рис. 120, а) или в раздельных ваннах, когда каждая дуга образует свою обособленную ванну (рис. 120, б). Последующая дуга в этом случае частично или полностью переплавляет слой,

сваренный предшествующей дугой. Возможна комбинация этих вариантов (рис. 120, в).

При сварке двумя и более проволоками за счет возрастания линейной скорости перемещения дуги увеличивается масса вводимого в сварочную ванну за единицу времени присадочного металла. При многослойной сварке обеспечивается существенное повышение ее производительности.

При сварке несколькими дугами в раздельные ванны за счет предварительного и сопутствующего подогрева и

а)б)8)

Рис. 120. Вид и форма сварочной ванны в зависимости от расположения электродов

возможности создания благоприятного для данных условий термического цикла достигается также повышение качества сварного соединения.

Применение проволок различного химического состава позволит в нужных пределах изменять состав металла шва.

Значительное повышение производительности автоматической сварки можно достичь введением в сварочную ванну дополнительного присадочного металла, не несущего электрического заряда и подаваемого в зону дуги дополнительно к основному присадочному металлу — плавящемуся электроду. Дополнительный присадочный материал может быть как сплошной — проволока, лента, так и сыпучий — порошок, рубленая проволока и др. Как видно из рис. 29, при автоматической сварке под флюсом эффективная тепловая мощность составляет 80 %, при этом основной металл поглощает 54 % теплоты, а на расплавление присадочного металла затрачивается только 28 %, флюса — 18 %.

Введением в сварочную ванну металлического порошка или крупки, приготовленной из сварочной проволоки диаметром 0,8—2,0 мм, достигается перераспределение баланса тепловой мощности и существенно уменьшается количество теплоты, поглощаемое основным металлом, его дол>я в металле шва уменьшается.

Количество теплоты на расплавление присадочного порошка или крупки увеличивается в 2,0 2,5 раза, за счел чею повышается производительность сварки соединений, получаемых в основном за счет наплавленного металла. Кроме того, меньше перегревается металл, повышается его стойкость против горячих и холодных трещин, а также имеется возможность регулировать химический состав наплавленного металла.

Введение присадочного материала непосредственно в плавильное пространство может производиться следующими способами: а) с помощью подводящих трубок, б) подачей на электродную проволоку, вместе с которой присадочный материал подается в сварочную ванну, причем удерживается он на движущейся проволоке электромагнитными силами, возникающими при прохождении сварочного тока через проволоку (см. рис. 5). Для прочного удержания присадочного материала на движущемся электроде достаточно магнитного воля, создаваемого силой тока более 100 А.

Подходя к плавильному пространству, присадочный материал нагревается до температуры, при которой теряются его магнитные свойства, силы притяжения к электроду ослабеваьот, присадочный металл отделяется от электрода и под воздействием шлаковой и металлической ванны поступает в хвостовую часть сварочной ванны, где расплавляется за счет избыточной теплоты ванны.

Стабильность процесса сварки зависит от массы и равномерности подачи присадочного материала. Эчо обеспечивается специальным устройством-дозатором, представляющим собой приставку к существующим сварочным автоматам для сварки плавящимся электродом.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА, ЕЕ ОСОБЕННОСТИ И ОБЛАСТЬ

ПРИМЕНЕНИЯ

Принципиальная схема электрошлаковой сварки (см. рис. 6) и ее сущность изложены ранее. В настоящем параграфе рассмотрим особенности, технологию и другие данные, характеризующие процесс.

К особенностям электрошлаковой сварки следует отнести отсутствие дугового разряда, что обеспечивает спокойное протекание процесса без разбрызгивания металла и шлака и возможность производить сварку как од-

подготовкой кромок значи-подготовкой кромок значи-Число электродовТолщина свариваемых деталей, ммбез колебаний электродас колебаниями электрода1От 20 до 50От 50 до 1502От 50 до 100От 100 до 3003От 100 до 150От 150 до 450Число электродовТолщина свариваемых деталей, ммбез колебаний электродас колебаниями электрода1От 20 до 50От 50 до 1502От 50 до 100От 100 до 3003От 100 до 150От 150 до 450Таблица 35. Толщина свариваемых деталей при электрошлаковой сварке в зависимости от числа проволочных электродовТаблица 35. Толщина свариваемых деталей при электрошлаковой сварке в зависимости от числа проволочных электродовшва и постоянное наличиешва и постоянное наличие

подготовкой кромок значи-

подготовкой кромок значи-

Число электродов

Толщина свариваемых деталей, мм

без колебаний электрода

с колебаниями электрода

1

От 20 до 50

От 50 до 150

2

От 50 до 100

От 100 до 300

3

От 100 до 150

От 150 до 450

Число электродов

Толщина свариваемых деталей, мм

без колебаний электрода

с колебаниями электрода

1

От 20 до 50

От 50 до 150

2

От 50 до 100

От 100 до 300

3

От 100 до 150

От 150 до 450

Таблица 35. Толщина свариваемых деталей при электрошлаковой сварке в зависимости от числа проволочных электродов

Таблица 35. Толщина свариваемых деталей при электрошлаковой сварке в зависимости от числа проволочных электродов

шва и постоянное наличие

шва и постоянное наличие

пим, так и несколькими, расположенными гребенкой, электродами. Для сваривания за один проход металла толщиной до 3 м производят возвратно-поступательное

перемещение электродов. Подготовка кромок деталей для

электрошлаковой сварки самая дешевая, так как обычно производится только их выравнивание газовой резкой.

Уменьшение расхода электродного металла происходит вследствие того, что площадь сечения швов при боль

шой толщине с V-образной тельно больше площади сечения электрошлакового шва с прямоугольной подготовкой кромок. Расход флюса в 20—30 раз меньше, чем при обычной сварке под флюсом. Соответственно уменьшается количество теплоты, затрачиваемое на плавление его, увеличивается эффективная тепловая мощность (рис. 29, г) и производительность процесса. Коэффициент наплавки при сварке проволочными электродами достигает J25=-^ 35 г/(А-ч).

Вертикальное положение

над поверхностью кристаллизующегося металла значительной массы двумя и тремя электродами приведены в табл. 35.

При электрошлаковой сварке электродом может служить не только тонкая проволока, но и электроды большого сечения в виде пластин стержней и др. (рис. 121, й). Пластинчатые электроды применяются главным образом при значительной толщине свариваемых деталей и сравнительно небольшой высоте швов жидкого металла и перегретого шлака, облегчают удаление легкоплавких вредных примесей, шлака и газов из металла шва, замедляют скорость охлаждения, уменьшают вероятность образования пор и при сварке закаливающихся сталей заметно уменьшают опасность появления околошовных холодных трещин.

Электрошлаковая сварка также часто применяется и для сварки небольших толщин, как, например, монтаж-

2572579 Думов С. И.

257

257

ных стыков корпусов судов на стапеле при толщине деталей 14—30 мм.

Электрошлаковая сварка может быть осуществлена по нескольким технологическим вариантам одним проволочным электродом диаметром 2 или 3 мм без поперечных колебаний и постоянной скоростью подачи проволоки в шлаковую ванну. Этим методом можно сваривать металл толщиной до 50 мм. При сварке больших толщин одним электродом без поперечных колебаний по толщине шов по сечению формируется неудовлетворительно: в средней части свариваемого сечения проплавление значительно больше, чем у поверхности свариваемых деталей, и в результате могут образоваться горячие трещины и непровар кромок у поверхности. Для увеличения глубины провара у поверхности деталей и уменьшения его в средней части сечения при сварке одним электродом ему сообщают поперечное возвратно-поступательное движение с определенной скоростью (см. рис. 6). Тогда удовлетворительное формирование шва по сечению можно получать при толщине металла до 150 мм. В случае необходимости сваривать металл большей толщины применяют двух-, трех- и многоэлектродную сварку проволочными электродами без поперечных или с поперечными их перемещениями.

На рис. 121, а изображена схема процесса электро- шлаковой сварки тремя электродами, а на рис. 121, б — многоэлектродная шлаковая сварка. Металл толщиной до 1 мм можно сваривать одним пластинчатым электродом (рис. 121, в). Преимуществом этого способа по сравнению с электрошлаковой сваркой проволочными электродами является упрощение техники сварки, сварочной аппаратуры и повышение производительности.

При электрошлаковой сварке пластинчатыми электродами они опускаются (по мере их оплавления) в шлаковую ванну, и шов образуется за счет расплавления основного металла и расплавленного металла пластин. Число пластин выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла, предпочтение отдается сварке тремя электродами, когда имеется возможность подключиться ко всем фазам источника питания и тем самым обеспечить равномерную его загрузку.

Для сварки изделий сплошного криволинейного профиля с переменным сечением в зазор между свариваемыми кромками на всю длину сварного соединения неподвижно помещают стальную пластину с пазами или несколько

9*

Рис. 121. Некоторые способы электрошлаковой сварки

25Э

пластин, которым придается форма продольного сечения свариваемых деталей с приваренными трубками или проволочными спиралями для пропуска электродной проволоки.

В этом случае пластина является не только плавящимся электродом, но и мундштуком для наплавления

Рис. 122. Электрошлако- вая наплавка: а — плоских поверхностей; б — цилиндрических поверхностей; в — конических поверхностей

электродной проволоки, и этот вид сварки получил название электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком (рис. 121, а). При этом способе сварки по мере подъема шлаковой ванны вследствие заполнения зазора в стыке расплавленным металлом плавящийся мундштук оплавляется вместе с электродной проволокой и после затвердевания образует шов.

Контактно-шлаковая сварка применяется для соединения деталей, имеющих в сечении круглую, квадратную или сложную форму. Плотность сварочного тока подбирается примерно в пределах 0,3—0,5 А/мм2. Контактно-шлаковая сварка названа так, потому, что ее схема (рис. 121, д) напоминает контактную сварку. При этом детали располагаются одна над другой с определенным зазором; на нижнюю деталь укрепляется специальный охлаждаемый медный кокиль. Для быстрого наведения электрошлакового процесса между торцами свариваемых деталей закладывается несколько кусочков электропроводного флюса; кроме того, в кокиль засыпается сварочный флюс и к деталям подводится ток.

При прохождении сварочного тока кусочки электропроводного флюса расплавляются, образуя небольшую сварочную ванну, которая постепенно увеличивается за счет расплавления сварочного флюса. После расплавления всей массы флюса, засыпанного в кокиль, за счет теплоты, выделяющейся в шлаковой ванне, нагреваются и оплавляются концы свариваемых деталей и образуется металлическая ванна. Когда объем ее достигнет нужных размеров, ток отключается, и верхний стержень быстро приближается к нижнему до соприкосновения — процесс сварки закончен.

Электрошлаковый процесс может быть также использован для наплавки плоских, цилиндрических и конических поверхностей, если толщина наплавленного слоя не менее 12—15 мм (рис. 122).

Материалы, применяемые для электрошлаковой сварки

В дополнение к ранее рассмотренным основным требованиям к флюсам для автоматической сварки флюсы для электрошлаковой сварки должны еще удовлетворять следующим дополнительным требованиям:

Обеспечить быстрое наведение шлаковой ванны и устойчивое протекание электрошлакового процесса, для чего они должны иметь высокую электропроводность и высокую температуру кипения.

Обеспечить нормальное формирование шва без подрезов и наплывов.

l ie отжимать ползуны и не вытекать в зазор между ползунами и свариваемой деталью при достижимой на практике точности сборки.

Давать легкоотделяющуюся от поверхности шва корку. Этим требованиям удовлетворяют флюсы марок АН-22, АН-8 и др. (см. табл. 15).

В связи с малой интенсивностью реакций взаимодействия между шлаком и металлом при электрошлаковой сварке не наблюдается легирования металла шва через расплавленный флюс.

При электрошлаковой сварке даже малоуглеродистых сталей, в связи с особыми условиями протекания металлургических процессов, для сохранения необходимых свойств металла шва он должен быть легирован. Последнее достигается применением электродной проволоки Св-08ГА или Св-10Г2 либо пластин из стали 09Г2.

В тех случаях, когда электрошлаковая сварка выполняется несколькими электродными проволоками или несколькими пластинами, состав наплавленного металла можно изменять, применяя электроды из разных марок стали. Это позволяет в значительных пределах регулировать состав металла шва.

Типы сварных соединений и подготовка под сварку

Электрошлаковой сваркой можно выполнять любой тип соединений. Прямые кромки после кислородной резки обычно устанавливают с зазором, в который вводятся мундштуки и подается электродная проволока или пластина. Данные о необходимом зазоре в зависимости от толщины соединяемых деталей следующие:

Толщина металла, мм До 30 До 100 До 150 От 150 Свыше до 500 500

Зазор в стыке, мм. . 16±2 22+2 25+3 30+3 35+3

При сборке под сварку длинных деталей следует учитывать возможное укорочение при остывании выполненной части шва. В связи с этим сборочный зазор по длине шва должен быть разным: вначале он меньше и устанавливается равным зазору согласно рекомендациям, приведенным выше. В верхней части соединения при жестких деталях сборочный зазор с учетом скорости сварки увеличивается на 3—5 мм на 1 м длины стыка. Чем меньше скорость сварки, тем больше должен быть зазор.

Сборка деталей под электрошлаковую сварку обычно производится с помощью массивных скоб, привариваемых с обратной стороны свариваемых швов. Вырез в скобе 262

должен быть таким, чтобы в него прошла остающаяся подкладка, медная подкладка или ползун; при этом крепление первых двух обычно осуществляется клиньями, забиваемыми между скобами и подкладками.

Сборка под сварку пластинчатыми электродами производится с соблюдением тех же правил, и зазор в стыке устанавливается на 14—16 мм больше толщины пластинчатого электрода. Учитывая, что толщина пластин берется в пределах 8—20 мм, зазор в стыке обычно составляет 25—35 мм. Для облегчения возбуждения дуги в начале сварки к нижнему торцу пластинчатого электрода приваривается пластинка толщиной 3—5 мм, длиной около 100 мм и шириной, равной ширине электрода.

При подготовке соединения под сварку плавящимся мундштуком он должен располагаться в зазоре симметрично относительно свариваемых кромок и быть от них изолирован. На рис. 121, г показано сечение стыка, подготовленного под электрошлаковую сварку плавящимся мундштуком.

Материал, применяемый для фиксации мундштука и его изоляции от свариваемых кромок, должен отвечать определенным требованиям; температура его плавления должна быть близка к температуре плавления свариваемого металла; он не должен содержать вещества, которые после его расплавления, попадая в шлаковую ванну, могли бы загрязнить металл шва. Обычно применяют стеклоткань или стекло.

РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

Основными параметрами режима электрошла- ковой сварки проволочными электродами являются следующие:

диаметр электродной проволоки — daJI (обычно принимается равным 3 мм, а в некоторых случаях 5 мм);

сила сварочного тока — /св;

скорость подачи электрода—ип-9;

напряжение на шлаковой ванне — Пшл;

скорость сварки — исв;

толщина свариваемого металла — s;

сухой вылет электрода — /с;

скорость поперечных перемещений электрода—ип. nJ время выдержки у ползуна при сварке с поперечными колебаниями — /в;

недоход последующего электрода до предыдущего (не- докрыш) при сварке несколькими электродами с поперечными колебаниями — /н;

число сварочных проволок-электродов — иэл;

зазор — Ь;

глубина шлаковой ванны — /гшл;

недоход электрода до ползуна;

марка флюса.

Все эти параметры существенно влияют на качество и формирование сварного шва и должны правильно подбираться. При выборе их обычно исходят из следующих двух условий:

Выбранный режим должен гарантировать сплошность сварного соединения — отсутствие внутренних и внешних несплавлений и ширину провара кромок в пределах 6—10 мм на сторону.

При сварке на выбранном режиме с применением соответствующих сварочных материалов в шве не должны возникать горячие (кристаллизационные) трещины, для чего режим сварки должен обеспечить получение оптимального коэффициента формы сварочной ванны.

При электрошлаковой сварке форму и состав шва в основном определяет ширина шва. С изменением ширины шва меняются условия кристаллизации сварочной ванны, доля участия основного металла в шве, а следовательно, и химический состав шва и его свойства.

Рассмотрим влияние основных параметров режима электрошлаковой сварки на ширину шва.

При увеличении силы сварочного тока сначала несколько возрастает ширина провара, вследствие увеличения тепловой мощности. Дальнейшее увеличение тока вызывает уменьшение ширины провара, так как при этом возрастает глубина металлической ванны, и в шлаковой ванне выделяется меньше теплоты. Силу сварочного тока выбирают в зависимости от отношения толщины свариваемого металла к числу электродов

/св = Д + Bs!^(125)

где А и В — коэффициенты (Д = 2204-280; В = 3,24-4,0).

При пэп = 1

/св = Д + Bs.(126)

264

I

Кроме того, установлено, что ток в сварочной цепи зависит от скорости подачи электродной проволоки и связан с ней линейной зависимостью

/св = (1,6 ~ 2,2)нп.э Ц27) (коэффициенты зависят от марки проволоки и флюса), тогда

^'п. а " Л:в/0,6 ™ 2,2). (128)

Увеличение силы тока при увеличении скорости подачи может быть объяснено тем, что с увеличением скорости подачи уменьшается расстояние между концом погруженного в шлаковую ванну электрода и поверхностью металлической ванны. Высота слоя шлака между концом электрода и металлической ванной уменьшается и, как следствие, уменьшается его сопротивление. Это приводит к повышению силы тока; к дополнительному подогреву ванны и повышению температуры шлака. Увеличение температуры шлака также увеличивает скорость расплавления электрода и возрастает расстояние между концом электрода и металлической ванной. Это приводит к установлению нового стабильного состояния в процессе плавления электрода.

Как ранее отмечалось, повышение тока приводит к увеличению глубины металлической ванны и уменьшению ширины провара, в результате коэффициент формы металлической ванны снижается и вероятность образования горячих трещин возрастает. Поэтому сварочный ток ограничен необходимостью получения благоприятной формы сварочной ванны, при которой не возникает опасность появления горячих трещин.

Повышение напряжения на шлаковой ванне вызывает значительное увеличение ширины провара и рост коэффициента формы металлической ванны. Чрезмерное повышение напряжения на шлаковой ванне вызывает вскипание шлака, вследствие чего нарушается устойчивость процесса сварки.

Для получения металлической ванны оптимальной формы, при которой нет опасности образования горячих трещин, большему току должно соответствовать большее напряжение. С достаточной точностью для практических целей напряжение шлаковой ванны может быть определено так:

УШл=12+/125 + ^-. (129)

Глубина (мм) шлаковой ванны, от которой зависит устойчивость процесса и ширина провара, является важным параметром режима и может быть вычислена по формуле

/1шл = /св (0,0000375/св - 0,0025) + 30. (130)

Увеличение скорости сварки (м/ч) достигается за счет увеличения скорости подачи электрода и тока и уменьшения зазора, она может быть определена по уравнениям

иСв = Цэл^п/св/СТ^^у), 0^1)

(132)(132)ИЛИ

(132)

(132)

Ucb — ^эл^п. 3"^^2/4/(ybs/?y),

где Лу — коэффициент, учитывающий выпуклость шва, к^ = 1,054-1,1.

Увеличение вазора между свариваемыми кромками вызывает рост ширины проплавления шва, но приводит к возрастанию необходимого количества металла для заполнения шва, что снижает производительность. Уменьшение зазора увеличивает производительность сварки, по это приведет к снижению коэффициента формы шва, так как при неизменной глубине ванны ширина ее уменьшается, что увеличивает опасность появления горячих трещин в шве. Зазор надо подбирать по данным с. 262.

Увеличение сухого вылета электрода приводит к уменьшению провара в связи с тем, что при неизменной скорости подачи электрода сварочный ток уменьшается из-за предварительного нагрева электрода и повышения его сопротивления. Сухой вылет электрода принимается равным 60—70 мм.

Увеличение скорости поперечных колебаний уменьшает ширину провара. Эта величина выбирается в зависимости от скорости подачи электрода, причем перемещения должны быть обратно пропорциональными подаче.

Скорость поперечных перемещений (м/ч) может быть определена по формуле

fn.n = 66 — 0,225/пзл. (133)

Увеличение диаметра электродной проволоки приводит к увеличению ее упругости (жесткости) и при прохождении ее по изогнутым мундштукам, за счет интенсивного трения мундштуки быстро изнашиваются. Кроме того, увеличение диаметра проволоки также приводит к росту 266

ширины провара и уменьшению глубины металлической ванны. Поэтому наиболее рационально применение проволоки диаметром до 3 мм. Но при подаче проволоки через направляющие и изгибающие ролики возникает возможность применения проволоки большего диаметра.

^шл^шлРис. 123. График для выбора режимов электрошла- ковой сварки проволочным электродом в зависимости от отношения толщины к числу электродовРис. 123. График для выбора режимов электрошла- ковой сварки проволочным электродом в зависимости от отношения толщины к числу электродов

^шл

^шл

Рис. 123. График для выбора режимов электрошла- ковой сварки проволочным электродом в зависимости от отношения толщины к числу электродов

Рис. 123. График для выбора режимов электрошла- ковой сварки проволочным электродом в зависимости от отношения толщины к числу электродов

Время выдержки у ползуна определяем по формуле

/в = 0,03755/лзл + 0,75.(134)

Расстояние между электродами при поперечных перемещениях

(135)(135)(136)(136)/тг = $/иэл + 8;

(135)

(135)

(136)

(136)

без поперечных перемещений т = s//zM.

Недоход электрода до ползунов принимают равным 5—7 мм.

Режим электрошлаковой сварки в зависимости от отношения толщины к числу электродов может быть определен по графику, представленному на рис. 123.

ТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ

Электрошлаковая сварка прямолинейных швов выполняется, как правило, при вертикальном положении оси шва. Начало шва на длине 30—40 мм вследствие не- установившегося теплового процесса полностью проварить невозможно, а в конечной части шва в связи с особыми условиями кристаллизации металла образуется усадочная раковина (трещина). Поэтому при сварке металла больших толщин к начальному участку подготовленных к сварке деталей приваривается технологическая приставка, имеющая вырез немного шире зазора (глубиной 50—70 мм), а в верхней части привариваются выводные планки высотой не менее 100 мм для вывода усадочной раковины.

Для начала процесса электрошлаковой сварки возбуждается дуга между электродами и дном технологической приставки. Сразу же после возбуждения дуги засыпают флюс, который после образования шлаковой ванны шунтирует дугу, и процесс переходит в электрошлаковый.

Чтобы устранить возможность непровара в начале соединения, сварка на технологической приставке производится без перемещения автомата при небольшой глубине шлаковой ванны, сниженном токе и повышенном напряжении. После установления теплового процесса и провара кромок глубина шлаковой ванны, ток и напряжение устанавливаются в пределах, предусмотренных выбранным режимом сварки. Конец шва следует завершить в выводных планках при пониженном токе и повышенном напряжении.

Электрошлаковая сварка кольцевых швов проволочными электродами значительно сложнее прямых швов. Основная трудность заключается в осуществлении замыкания начала и конца кольцевого шва. Сборка, как и при прямолинейных швах, производится на скобах, устанавливаемых на внутренней стороне изделия. Сварка производится специальными аппаратами на роликовых стендах при формировании шва с лицевой стороны медным охлаждающим ползуном 2, укрепленным на сварочном аппарате 1 (рис. 124, о), а с обратной стороны шва медным охлаждаемым кольцом 4, прижимаемым при помощи клиньев 6, вбиваемых в пространство между сборочными скобами

5 и кольцом. Иногда формирование обратной стороны шва осуществляется охлаждаемым ползуном, прижимающимся к кромкам изделия с помощью специального устройства.

При сварке кольцевых швов применять технологическую приставку не представляется возможным, начинать сварку приходится в рабочей части шва на планке 3, установленной в зазоре между кромками, но этот участок шва

Рис. 124. Электрошлаковая сварка кольцевых швов: а — начало сварки; б— замыкание кольцевого шва

получается дефектным, поэтому воздушно-дуговым строгачом или газовым резаком ему придают такую форму, чтобы в момент замыкания начало шва представляло вертикальную стенку.

Для уменьшения объема работ по разделке начала шва сварка кольцевых швов начинается в полости, образуемой двумя планками. Сначала сварка в полости производится одним электродом при большом вылете, по мере увеличения ширины полости в работу вводятся другие электроды. Полость заваривают при вертикальном перемещении сварочного аппарата и неподвижном изделии. Изделие приводится во вращение лишь после полной заварки полости между планками, при этом вертикальное перемещение аппарата прекращается.

После того как разделанное начало шва занимает вертикальное положение, на него устанавливается охла-

ждаемый водой медный кокиль 7, вращение изделия прекращается, и заварка конца кольцевого шва производится при вертикальном подъеме сварочного аппарата. Трудности замыкания конца шва с началом тем больше, чем больше отношение толщины стенки к диаметру.

ГЛАВА VIII. ТЕХНОЛОГИЯ

ДУГОВОЙ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

пост ДЛЯ СВАРКИ В УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ И ЕГО ОСНАСТКА

В настоящее время в народном хозяйстве значительное место занимает дуговая сварка в среде защитных газов и благодаря ее технологическим и экономическим преимуществам объем ее применения все больше возрастает.

Технологическими преимуществами являются относительная простота процесса сварки, возможность полуавтоматической и автоматической сварки швов, находящихся в различных пространственных положениях, что позволяет механизировать сварку в различных пространственных положениях, в том числе сварку неповоротных стыков труб. Небольшой объем шлаков, участвующих в процессе сварки в СО2, позволяет в ряде случаев получить швы высокого качества.

Сварка в среде защитных газов применяется как для соединения различных сталей, так и цветных металлов и таких активных, как титан, цирконий, тантал и др.

Для сварки в защитных газах кроме источника питания дуги требуются специальные приборы и оснастка. Рассмотрим схему поста для сварки в углекислом газе (рис. 125). Сварочный пост состоит из электрической и механической частей и газовой магистрали. В электрическую часть поста входят: источник питания 7, пульт управления 8 и цепь сварочного тока. В механическую часть поста входят: механизм подачи сварочной проволоки 10, газоэлектрическая горелка И и устройства для размещения и закрепления деталей 9. Газовая магистраль включает баллон с газом 1, шланги для подачи газа и сле-

дующие газовые приборы: подогреватель 2, осушитель 3, редуктор 4, расходомер (ротаметр) 5, газоэлектрический клапан 6. При сварке в смеси газов пост дооборудуется смесителем. Подогреватели и осушители применяются только при сварке в углекислом газе. В ряде случаев горелки охлаждаются водой.

Подогреватели служат для подогрева углекислого газа, поступающего из баллона, так как при выпуске углекислоты из баллона вследствие испарения жидкости тем-

Рис. 125. Пост для сварки в среде углекислого газа

пература газа значительно уменьшается, а при значительном расходе газа возможно замерзание редуктора.

Применяемый электрический подогреватель (рис. 126) состоит из корпуса 1, кожуха 2, трубчатого змеевика 3, теплоизоляции 4 и нагревательного элемента 5. Питание нагревательного элемента производится переменным током, напряжением 36 В, который подводится к клеммам 6. Газ, проходя по трубчатому змеевику, нагревается до температуры 10—15 °C. В последнее время подогреватели включаются параллельно с газоэлектрическим клапаном (см. рис. 132).

Осушители (рис. 127) предназначены для поглощения влаги, содержащейся в углекислом газе. В зависимости от давления применяются два вида осушителей: высокого давления (рис. 127, о) и низкого давления (рис. 127, б). Они состоят из корпуса /, крышки 5, решеток 2, фильтров 3 и влагопоглотителя 4. Кроме того, осушитель высокого давления снабжен пружиной 6, предназначенной

Вход ‘газаВход ‘газаВыход ваза иВыход ваза иРис. 126. Электрический подогреватель газаРис. 126. Электрический подогреватель газа

Вход ‘газа

Вход ‘газа

Выход ваза и

Выход ваза и

Рис. 126. Электрический подогреватель газа

Рис. 126. Электрический подогреватель газа

для уплотнения влагопоглотителя. Фильтры 3 служат для отделения от газа твердых частиц.

В качестве влагопоглотителя используется силикагель, медный купорос или хлористый кальций. Влагопоглотители перед заправкой в осушители прокаливают при температуре 250—300 °C в течение 1—2 ч.

Редукторы служат для понижения высокого давления газа, выходящего из баллона, до рабочего и автоматического поддержания заданного давления. При газоэлектрической сварке применяют в основном кислородные редукторы типа РК обратного действия, а также специальный дюзовый редуктор типа ДЗР-1-59.

Расходомеры служат для измерения расходага-

за. При сварке в защитных газах применяются расходомеры поплавкового типа (PC-3, РС-5), расходомеры дроссельного, калиброванного и редукторного типа без блокировки и с блокировкой сварочного тока по воде и газу.

Расходомер поплавкового типа (ротаметр) — рис. 128, а — состоит из стеклянной конусной трубки 1 со шкалой, куда помещен поплавок 2. Трубка размещается в металлическом кожухе 3. На кожух надеваются накидные гайки 4 с ниппелями, на которые надевают шланги. Газ, подводимый снизу, поднимает поплавок в сторону большего диаметра трубки, увеличивая кольцевой зазор между поплавком 2 и трубкой 1. В определенном месте поплавок 272

1,020 0,850 3,80 2,700,955 0,8101,020 0,850 3,80 2,700,955 0,810Рис. 127. ОсушителиРис. 127. Осушители

1,020 0,850 3,80 2,70

0,955 0,810

1,020 0,850 3,80 2,70

0,955 0,810

Рис. 127. Осушители

Рис. 127. Осушители

остановится — это означает, что вес поплавка уравновесится напором проходящего газа. Шкала расходомера РС-3 отградуирована на расход воздуха (рис. 129). Защитные газы легче или тяжелее воздуха, поэтому для них вводят поправочные коэффициенты /г:

Азот М»

Аргон Аг

Водород Н2

Гелий Не

Кислород О2

Углекислый газ СО2

Например, показание шкалы расходомера 60; проведя перпендикулярную линию из этой точки до пересечения с кривой расхода воздуха, получим, что расход воздуха составит 700 л/ч. Допустим, что газ, применяемый при сварке, — аргон; поправочный коэффициент для него равен 0,850. Объемный расход аргона Рдг = Увозд^ —

— 700. 0,8 50 = 595 л/ч и соответственно рассмотренному можно определить расход и других газов.

Поплавки изготовляются из алюминия, эбонита и стали и имеют различный вес, что значительно влияет на показания ротаметра, поэтому менять поплавки в рота-

Рис. 128. РасходомерыРис. 128. Расходомеры

Рис. 128. Расходомеры

Рис. 128. Расходомеры

метрах нельзя. Недостатком расходомеров поплавкового типа является частый выход из строя стеклянных трубок и возможность их работы только в строго вертикальном положении.

Расходомер дроссельного типа (см. рис. 128, б) работает по принципу измерения перепада давления до и после дросселирующей диафрагмы /, которая делит цилиндрическую камеру пополам. Давление в каждой половине камеры контролируется манометрами Рх и Р^, манометр Р2 отградуирован на расход газа.

Расходомер калиброванного типа (см. рис. 128, в) устанавливается при работе на постоянном расходе газа. Расходомеры такого типа заменяют любые типы расходомеров. Диаметр отверстия диафрагмы 1 выбирается опытным путем. Если необходимо в процессе работы изменить

Рис. 129. Градуировочная кривая к расходомеру РС-3 для определения расхода воздуха, по которому градуирован расходомер при 20 °C при 0,1 МПа

Рис. 130. Расходомер-регулятор редукторного типа без блокировки сварочного тока по воде и газуРис. 130. Расходомер-регулятор редукторного типа без блокировки сварочного тока по воде и газурасход газа, это достигается в некоторых пределах за счет увеличения рабочего давления на редукторе, а в больших пределах — набором калиброванных шайб (диафрагм).

Рис. 130. Расходомер-регулятор редукторного типа без блокировки сварочного тока по воде и газу

Рис. 130. Расходомер-регулятор редукторного типа без блокировки сварочного тока по воде и газу

Расходомер-регулятор без блокировки сварочного тока по воде и газу (рис. 130) позволяет измерять и регулировать расход газа. Он состоит из корпуса 7, манометра 2. В корпусе закреплены два штуцера для входа и выхода газа 3. Перед штуцером для выхода газа размещена диафрагма 4 с отверстием, диаметр которого выбирается в зависимости от рода применяемого газа и пределов регулировки, которая осуществляется игольчатым вентилем 5.

Рис. 131. Расходомер редукторного типа с блокировкой сварочного тока по воде и газу:Рис. 131. Расходомер редукторного типа с блокировкой сварочного тока по воде и газу:1 — регулируемый контакт; 2 — ру-коятка запорного пентиля; 3 — ма-нометр М Г-ЪО 0,4 МПа; 4 — штуцервхода газа; б — штуцер входа во-ды; 6 — лепесток контакта; 7 — шту-цер выхода воды; 8 — штуцер вы-хода газа1 — регулируемый контакт; 2 — ру-коятка запорного пентиля; 3 — ма-нометр М Г-ЪО 0,4 МПа; 4 — штуцервхода газа; б — штуцер входа во-ды; 6 — лепесток контакта; 7 — шту-цер выхода воды; 8 — штуцер вы-хода газа

Рис. 131. Расходомер редукторного типа с блокировкой сварочного тока по воде и газу:

Рис. 131. Расходомер редукторного типа с блокировкой сварочного тока по воде и газу:

1 — регулируемый контакт; 2 — ру-коятка запорного пентиля; 3 — ма-нометр М Г-ЪО 0,4 МПа; 4 — штуцервхода газа; б — штуцер входа во-ды; 6 — лепесток контакта; 7 — шту-цер выхода воды; 8 — штуцер вы-хода газа

1 — регулируемый контакт; 2 — ру-коятка запорного пентиля; 3 — ма-нометр М Г-ЪО 0,4 МПа; 4 — штуцервхода газа; б — штуцер входа во-ды; 6 — лепесток контакта; 7 — шту-цер выхода воды; 8 — штуцер вы-хода газа

Преимуществом расходомера такого типа по сравнению с другими является то, что такие расходомеры работают в любом пространственном положении и обладают малыми массой и габаритными размерами.

При сварке с поддувом защитного газа с обратной стороны сварного соединения и сварке в смеси газов при-

меняют два таких же расходомера, расположенных на одной панели.

Расходомер с блокировкой сварочного тока по воде и газу (рис. 131) служит для замера расхода газа в процессе сварки и отключения цепей сварочного тока при недостатке защитного газа и охлаждающей воды. Он состоит из штуцеров для входа и выхода газа, корпуса, штуцеров для входа и выхода воды, игольчатого вентиля, манометра, двух диафрагм, изготовленных из бронзовой фольги, и двух регулируемых контактов.

Газоэлектрические клапаны служат для экономичного расхода газа при полуавтоматической и автоматической газоэлектрической сварке. Они работают по принципу втягивания сердечника в катушку при подаче на нее на

пряжения.

Электрогазовый клапан (рис. 132) состоит из корпуса 1, штуцера 2, кожуха 3, служащего для крепления катушки 4 при помощи винта 5 и подвижного сердечника 8 с рабочей пружиной 7. Резиновая прокладка 9 служит для герметизации клапана. Питание подводится по проводам 6. Корпус клапана / и корпус катушки 4 выполняются из немагнитного материала, винт и подвижный сердечник—из стали марки 10 или 15, а кожух — из низкоуглеродистой стали.

В настоящее время применяются газоэлектрические клапаны совместно с реле времени, обеспечивающие по-

дачу газа после отключения сварочного тока до полного остывания металла шва, что особенно важно при сварке активных металлов.

Смесители предназначены для смешивания газов и автоматического поддержания постоянства состава смеси. Они могут быть применены для получения различных смесей.

Гизоэлектрическая горелка является одним из важнейших узлов установки для сварки в защитных газах. От

21

Рис. 132. Газоэлектрический клапан (в рабочем положении) совершенства конструкции горелки зависит ряд технологических факторов процесса и качество выполнения сварки. Сварочные горелки предназначаются для подведения к неплавящемуся или плавящемуся электроду сварочного тока и защитной струи газа. В зависимости от габаритов, массы и силы тока, применяемого для сварки, горелки делятся па малые, средние и большие, а также на горелки с водяным или газовым охлаждением и без охлаждения.

Выбор типа горелки должен производиться в каждом конкретном случае в зависимости от требуемой силы тока, определяемой толщиной и свойствами основного металла; от удобства выполнения швов в конструкции (возможность подвода горелки в неудобных или труднодоступных местах, глубоких разделках и т. п.); от продолжительности процесса сварки и др.

Сейчас рядом институтов и заводов разработаны различные конструкции сварочных горелок, удовлетворяющих в основном требованиям производства.

§ 40. РЕЖИМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Режим сварки в углекислом газе составляют в основном те же параметры, что и режим сварки под слоем флюса и дополнительно расход газа. Влияние каждого параметра режима на формирование шва и производительность при постоянстве остальных во многом подобно ранее рассмотренному при сварке под слоем флюса, но особенно следует рассмотреть влияние расхода газа и полярности.

Влияние объемного расхода газа

Расход углекислого газа в значительной степени влияет на качество сварного шва. Необходимое для сварки количество газа зависит от режима сварки и от формы и размеров свариваемого изделия.

С увеличением расхода газа снижаются значения коэффициентов плавления и наплавки, так как при этом столб дуги охлаждается поступающим в зону сварки углекислым газом. Но малый расход газа не удовлетворяет требованиям газовой защиты. Следовательно, расход углекислого газа должен быть минимальным, но достаточным для создания надежной защиты расплавленного металла от окружающей атмосферы. При сварке проволокой диаметром 0,8— 1,2 мм объемный расход СО2 составляет 6— ЛПл/мип, а проволокой диаметром 1,6—2,0 мм.— 10— .20 л/мин. При этом наименьший расход газа происходит при сварке тавровых соединений и соединений в лодочку, при сварке стыковых швов — среднее, при сварке угловых соединений — наибольшее. Это связано с тем, что условия защиты сварочной ванны в значительной мере зависят от типа соединения и положения шва.

На расход СО2 существенное влияние оказывает и скорость перемещения дуги. С повышением скорости перемещения дуги расход СО2 надо увеличить, чтобы улучшить защиту сварочной ванны СО2. При большей скорости перемещения дуги и недостаточном количестве СО2 сварочная проволока и ванна расплавленного металла не будут иметь нужной защиты.

Повышение расхода СО2 при прочих постоянных факторах приводит к некоторому увеличению выгорания раскислителей — кремния и марганца — и практически не влияет на содержание углерода в металле шва.

Влияние полярности тока

Сварку в среде СО2 плавящимся электродом производят на постоянном токе обратной полярности. Это объясняется тем, что при прямой полярности процесс сварки характеризуется большим разбрызгиванием даже при сварке значительно меньшими токами. Это приводит к уменьшению глубины провара. Хотя коэффициент плав- ,- ления электродной проволоки при сварке на обратной по- ( лярности в 1,5—1,8 раза меньше, чем при сварке на прямой ' полярности, это преимущество в большинстве случаев не удается использовать, так как при сварке на прямой полярности ширина шва значительно меньше, а высота выпуклости больше, чем при сварке на обратной полярности. Кроме того, сварка на прямой полярности характеризуется увеличением окисления элементов и повышением склонности шва к образованию пор. Нов некоторых случаях при сварке угловых швов в соединениях впритык и многопроходных стыковых швов применяют прямую полярность.

Выбор режима сварки в среде углекислого газа

В связи с отсутствием расчетной методика определения режима сварки в среде СО2 режимы подбираются на основании обобщений опытных данных, приведенных в табл. 36, а режимы односторонней и двусторонней сварки в среде СО2 в нижнем положении тавровых соединений проволокой диаметром 1,6 мм приведены н i рис. 133. Методика определения режима по номограмме такая же, как и рассмотренная выше для сварки угловых швов под слоем флюса (см. с. 252).

С увеличением толщины стыкового соединения или катета углового шва режимы по сравнению с оптимальными (для толщин 20—24 мм или А — 8 мм) остаются теми же, а число проходов увеличивается.

Разбрызгивание металла при дуговой сварке, особенно при сварке в углекислом газе является основным недо-

279

g Таблица 36. Режимы сварки в среде С02 некоторых видов соединений

Толщина металла, мм

Эскиз подготовленного соединения и выполненного шва

Зазор Ь, мм

Режим сварки

Число проходов

Диаметр электрода, мм

Сила сварочного тока, А

Напряжение на дуге, В

Скорость подачи проволоки, м/ч

Объемный расход СО2, л/мин

1

* , ь

-’—NNr-

o+i

I

0,8 1,0

50 60

17—18

19-20

100

150

8—10 8—10

2

1

90—100

3

0+1,5

1

2

1.2

1,2

170—180

130—140

22—23

21—22

215

180

8—10

8—10

4

1

2

1,6

1,2

220—240

150—160

25—27

21—22

215

220

15-16

9—10

6

к

1 2

2.0

2,0

300—320 280—300

28—30 28—30

215

170

15—16

15—16

к

8

10

12

1—2

1-2

1-2

2,0

2,0

2,0

330—350 360—380 390—410

28—30 30—32

30—32

215

280

280

15—16

18—20

18—20

14

40##°

1—2

1—3

1—4

1-5

2,0 2,0 2,0 2,0

430—450

430—450 430—450 430—450

18

20

24

с

•

0+1,6

32—34

32—34

32—34

32—34

360

360

360

360

24—25 24—25 24—25 24—25

2

о I

2

4

^1^

0+1

1—2

1—2

1,2

1,2

100—120

160—180

21—22

21—22

130

240

9—10

9—10

8

->

0+1,5

1—2

2,0

330-350

28—30

245

18—20

tr 1

^ 5

£з У

X

о У

2 ф

5

□ о У ф

У ь

У

Е У У

3

3

У

У

У

5

Е

X 3 о о

я

о У У

3 с X о

3 ф

ND X СО О

У у Б

О\ о

У Е у Е у У 5

X ф

S X у я 3 я ф о X я X

о

Е

W

2

я о я У 3= У У

о ф 3=1 3 я ф я

о У о 3= о

а

У

2 ф

5

з

о У У

X ф

м 3

OD О

я

У

У

3

о 5= Б 3 Я о ЗС

3

я

О Н

о М

ND

ND СП

5 о

3 §

у о У У я 3 3

о У 3 о я я Е о

я 3 Е X

Я

5=1 У У X ф

x

3

3

Е

X о У

о У У

о я я о

О

3

5 о Я о

3 2 ф я я

Е ф о

о о X

У о у

о ОкМ

5=1 ф

S3

3

3 со

2 X

2

X У X

3 я У

о ох

о

3 У X о

3

ок о 5=1 ф о

о 5=1 о ф

У

У я я 5

о У о 3

о я о Кс

о

Е о

3

3

У У

о

Я

я о X

У

я ф

Я 3 х с У

Ох

Е

У

У X я ф

3

я У

У 5=1 Ь1 У

н У X

3

О

ф

У Е ф Е х У я 5 Я

я о

X У

X

X У

з

я о о bl ф

я

У

ф о ф я я У

я

У

3 о У ф

X я о

2 ф

О

5=1 У

Уф

3 2 ф

о

2

3 Зе О

У и Е "

о о X о Зе

5=1

Е ф я У

яф

X У

ф

2 о о

6

X о о

я

о

СУ

о

о

я ф 3= с о

К з 3=1 X о о

У

я

У

О У

X ф

Sc X

о о

из

ф

3

я ф

ф

1=3

ф

о

я о X

У

ф

я

я

о

X о За 3 2 о

Ст

3

X

^ У 5=1 ф

я о

У У

о

У

о 3 о

E

х ф

3 о

ф

2

о У

5=1 У X У

ф

о о

У

о

2

х

о

X

3

У

£

3 о я о 5=1 я У о У У

У

2 я о

о 3

о

о 3= я о Яс

о Зс

X

я

о

Я

я 5=1 ф я X

ф

о

о

3 У

3 ф

со

я о

ф

X

я о о н У 5

У о

о

У о

ь

ф

о

У

У

о о X я ф

3 о X

У

и

я ф

о

ф о о ф

о

я У

о о я о У ф

у Е х

я У с о

о а

ф X

У я

X 3

о

5=1 У

ф ^

2 V

Е I

Зс .

О '

ND

У я

3 о

2 ф 5= У

О Е х У

У

У о

У У 5=1

3 Я

У

5

ф

У У ф 2 о

Е ф я 3 У

5 о

3

Ф

я У

ф

3= ф

с

Ф

о

У 5 3= о

У

о

X

я

35

У Я

X о

я ф о

о

2 оз

У

я3

о У

3 о

оф

3 о

X

ф

3о

3 о X

5

3 3= X о 2

У о

У о

У

У 3 3=1 с У

о

2

у 5=

5=1 у

3

)=: У 3 3 3

о Я

о ЗЯ я

У 5=1 ф 31

УУБ

ф

3 У

о о

о У ф

2 ф 5=1 У

3 о X

о О\ 5=1 ф

2

У

я

я Е X

о о

Е

У

Е

X

5 о X

я

У

я ф о ф

X

2

У ф

У

3

ф

о У

о

2

я . О- У ф

X я о о

ф X 5=1 ф

3 £а с

У 5=1

я

У ф

3 о У ф

2

3ф

3=

Уо

3

X

У

У 5=1 о У

У У о У

3

Уя

ф

2

СО

8

3

S3

8

У ф

3 о

X я о о

У

3 о о о О\ о

У

я Зс

з

о о ф

о 2 ф о ф

я о Sv о

ф я

2 ф я я

2 ф я я

о о 5=1 ф 3= я ф ф

3

ф 2 Е х

КеЯ5* У

У

У

ф

о У У

У о У У я

о

ф я

5

У

венное испарение органических составляющих грунта в месте контактирования, что предотвращает приваривание брызг к основному металлу.

Рис. 133. Номограмма дли определения режимов односторонней и двусторонней полуавтоматической сварки в СО2 нижних швов тавровых соединений электродом диаметром 1,6 мм:

—— граница удовлетворительного формирования шва; q — глубина

проплавления стенки; Кв и Кр — видимый и расчетный катеты шва; hQ — действительное опасное сечение

Технология сварки в среде С02

При полуавтоматической и автоматической сварке в среде СО2 существенное влияние на качество сварных соединений оказывает техника сварки. От расстояния, угла наклона и характера движения горелки относительно свариваемых деталей зависит надежность газовой защиты зоны сварки от окружающей атмосферы, скорость охлаждения металла, форма шва и т. д.

Сварка в среде СО2 может производиться во всех пространственных положениях. Сварка вертикальных и потолочных швов должна производиться при меньшем сварочном токе и проволокой небольшого диаметра (до 1,4 мм).

Перед началом сварки необходимо отрегулировать расход газа и выждать 20—30 с до полного удаления воздуха из шлангов. Несоблюдение этих правил может привести к появлению пор в начале шва. Зажигание дуги при сварке в среде СО2 на токах свыше 200 А не представляет затруднения. Перед зажиганием дуги необходимо следить, чтобы вылет электрода из мундштука не превышал 40—■ 45 мм. Зажигание дуги при большом вылете электрода 282

может привести к плохому формированию начала шва и появлению в нем пор. Сварку в среде CO., следует производить при возможно более короткой дуге. При сварке на токах 200—500 А длина дуги должна находиться в пределах 1,5—4,0 мм. Увеличение длины дуги увеличивает разбрызгивание металла и угар легирующих элементов. При движении горелки дуга должна находиться на основном металле или на границе сварочной ванны с основным металлом. Задержка дуги на сварочной ванне увеличивает разбрызгивание и приводит к образованию пор в шве.

Рис. 134. Схема колебательных движений горелки при полуавтоматической сварке стыковых швов в среде СО2:Рис. 134. Схема колебательных движений горелки при полуавтоматической сварке стыковых швов в среде СО2:/ — а = 3-5-10 мм; 7/ — а = 3-5-20 мм; е = 8-5-15 мм; III—IV — а = 2-н5 мм; е = 15-5-25 мм/ — а = 3-5-10 мм; 7/ — а = 3-5-20 мм; е = 8-5-15 мм; III—IV — а = 2-н5 мм; е = 15-5-25 мм

Рис. 134. Схема колебательных движений горелки при полуавтоматической сварке стыковых швов в среде СО2:

Рис. 134. Схема колебательных движений горелки при полуавтоматической сварке стыковых швов в среде СО2:

/ — а = 3-5-10 мм; 7/ — а = 3-5-20 мм; е = 8-5-15 мм; III—IV — а = 2-н5 мм; е = 15-5-25 мм

/ — а = 3-5-10 мм; 7/ — а = 3-5-20 мм; е = 8-5-15 мм; III—IV — а = 2-н5 мм; е = 15-5-25 мм

Сварка в нижнем положении производится с наклоном горелки вперед или назад под углом а = 54-15°. Предпочтительнее вести сварку углом назад, при этом обеспечивается более надежная защита расплавленного металла и лучший вид шва.

При полуавтоматической сварке металла толщиной 1—2 мм поперечных колебаний горелки не производят. Сварку ведут на максимально возможной длине дуги, с максимальной скоростью сварки, при которой обеспечивается хорошее формирование сварного шва и удовлетворительная газовая защита (практически такая скорость равна 30—50 м/ч); горелку ведут с наклоном к изделию под углом 30—45°.

При сварке стыковых швов на металле большой толщины применяются те же приемы сварки, что и при ручной дуговой сварке тол сто покрытыми электродами;

1) возвратно-поступательное вдоль оси шва (без поперечных колебаний) при сварке однослойных швов, а также при выполнении первого прохода и подварочного шва при сварке многослойных швов (рис. 134, /); по вы-

тянутой спирали при сварке средних слоев многослойных швов (рис. 134, //); 2) змейкой при сварке верхних слоев многослойных швов (рис. 134, ///). При ширине разделки больше 14—16 мм последующие слои рекомендуется вы

полнять в два прохода.

Стыковые соединения толщиной 1,5—3 мм свариваются на весу. Более тонкий металл сваривают в вертикальном положении на спуск (сверху вниз), причем провар соеди

нения достигается за один проход, при этом шов хорошо формируется как с лицевой, так и с обратной стороны стыка. Сварка соединений внахлестку при толщине ме-

Рис. 135. Схема положения и перемещения горелки при сварке тавровых соединенийРис. 135. Схема положения и перемещения горелки при сварке тавровых соединенийталла 0,8—2,0 мм производится на весу или на медной подкладке. При качественной сборке соединений внахлестку расходуется сравнительно мало электродного металла, что дает бозможность вести сварку со скоростью 60—80 м/ч.

Рис. 135. Схема положения и перемещения горелки при сварке тавровых соединений

Рис. 135. Схема положения и перемещения горелки при сварке тавровых соединений

Соединения внахлестку сваривают при вертикальном положении электрода и направляют его на срез верхнего листа. В случае плохой

сборки при наличии зазоров между листами электрод следует наклонять поперек шва на угол 50—60° к горизон

ту и направлять его на срез верхнего листа.

Сварка угловых швов производится при больших толщинах петлеобразным перемещением горелки. Применяемые при этом углы наклона горелки показаны на рис. 135. Если обычная техника сварки не обеспечивает получение плотных швов, выполненных на кипящих и полураскис- ленных сталях, то пористость швов может быть уменьшена путем применения сварки «захлестыванием».

Уменьшение количества пор при сварке захлестыванием достигается за счет дополнительного подогрева, лучшего перемешивания и замедленного охлаждения металла сварочной ванны при колебании горелки вдоль оси шва, что обеспечивает более полное выделение водорода из сварочной ванны.

Вертикальные швы на тонком металле, как правило, выполняются сверху вниз. При зажигании дуги для получения провара в начале шва электрод располагают пер-

пендикулярно свариваемой поверхности, а затем несколько наклоняют углом назад. Чтобы получить более широкий валик и лучшее проплавление кромок, сварку производят с небольшими поперечными колебаниями электрода. Сварка металла толщиной более 2 мм может успешно выполняться снизу вверх, электрод при этом наклоняется углом назад. Глубина провара в этом случае больше, чем при сварке сверху вниз, сварку снизу вверх производят с поперечными колебаниями при короткой дуге.

Сварка горизонтальных швов по технике выполнения близка к технике сварки вертикальных швов сверху вниз, Для предупреждения стекания металла ванны, сварку рекомендуется производить при короткой дуге без поперечных колебаний электрода.

Сварка швов в потолочном положении гораздо труднее, чем сварка швов других типов. Однако сваривать эти швы полуавтоматической сваркой тонкой электродной проволокой в среде СО2 легче, чем ручной электродуговой сваркой. Главным требованием при выполнении сварки в потолочном положении является минимальное напряжение дуги. Электрод располагают углом назад для предупреждения стекания металлической ванны. Рекомендуется также увеличивать расход углекислого газа. При выполнении потолочных швов диаметр электродной проволоки и сварочный ток должны быть меньше, чем при сварке швов в нижнем положении (с целью уменьшения объема сварочной ванны). Для получения широких швов сварку следует вести с поперечными перемещениями электрода или в несколько проходов.

Вертикальная автоматическая сварка в среде СО2 с принудительным формированием шва имеет ряд преимуществ перед электрошлаковой сваркой вертикальных швов металла толщиной 10—40 мм.

Благодаря отсутствию расплавленного флюса имеется возможность значительно уменьшить вылет электрода, что уменьшает блуждание конца электродной проволоки и позволяет использовать проволоку небольшого диаметра.

Меньший зазор в свариваемом стыке увеличивает производительность процесса.

Возникает возможность сваривать металл толщиной от 8 мм, прекращать и возобновлять процесс варки в любой точке стыка без ухудшения качества шва.

Большая скорость охлаждения металла соеди

нения позволяет получить мелкозернистую однород- ну ю структуру участков шва, примыкающих к ползунам и в определенной мере к основному металлу, И др.

Вертикальная сварка с принудительным формированием шва в среде СО2 может производиться на постоянном токе модернизированными автоматами, предназначен-

Рис. 136. Схема сварки в среде СО2 с принудительным формированием шва:1 — электродная проволока; 2 — основной металл; 3 — сварочная Дуга; 4 — сварочная ванна; б — охлаждаемые ползуныРис. 136. Схема сварки в среде СО2 с принудительным формированием шва:1 — электродная проволока; 2 — основной металл; 3 — сварочная Дуга; 4 — сварочная ванна; б — охлаждаемые ползуныними для электрошлаковой сварки или на специальных автоматах. При этом электродная проволока / подается в плавильный колодец (рис. 136) по радиусу с помощью специального мундштука. Формирование шва осуществляется двумя медными ползунами 5 небольших размеров охлаждаемыми проточной водой или сжатым воздухом.

Рис. 136. Схема сварки в среде СО2 с принудительным формированием шва:

1 — электродная проволока; 2 — основной металл; 3 — сварочная Дуга; 4 — сварочная ванна; б — охлаждаемые ползуны

Рис. 136. Схема сварки в среде СО2 с принудительным формированием шва:

1 — электродная проволока; 2 — основной металл; 3 — сварочная Дуга; 4 — сварочная ванна; б — охлаждаемые ползуны

Подача С0.2 в плавильную зону производится через отверстие в одном из ползунов. Зазор в стыке должен быть определенного размера, так как при малом зазоре могут иметь место замыкания электродной проволоки на кромки стыка, а большой зазор уменьшает про

изводительность. Для толщины 8—30 мм оптимальным

считается зазор 10 + 2 мм.

Наличие плавильного колодца даже при незначительном расходе С02 обеспечивает надежную защиту капель и ванны расплавленного металла. Поэтому хорошее качество шва получается даже при ветре и сквозняке. Бла

гоприятные условия дегазации и кристаллизации металла ванны, повышенный коэффициент усвоения легирующих и раскисляющих элементов из проволоки обеспечивают высокое качество и плотность швов без каких-либо дефектов. Даже наличие влаги на поверхности свариваемых кромок не влияет на качество, так как открытая дуга и

поток горячих газов и воздуха из плавильного колодца осушают кромки стыка на расстоянии 80—100 мм от зоны горения дуги.

Таблица 37. Режимы вертикальной автоматической сварки в среде СО2 с принудительным формированием

Толщина, мм

Сила сварочного тока, А

Напряжение на дуге, В

Зазор, мм

Объемный расход СО,, Л/М ИИ

Скорость перемещения дуги, м/ч

8

250—300

28—30

10+2

5

12—13

10

250—300

30—32

10+2

5

11—12

12

250—300

32—34

10±2

5

10—11

14

300—350

34—36

10+2

6

8—9

16

300—350

34—36

10±2

6

7—8

18

350—400

36—38

10+2

6

6—7

20

350—400

36—38

10+2

6

5—6

24

400—450

38—40

10+2

6

4—5

Микроструктура швов имеет столбчатое строение и типичные для вертикальной сварки с принудительным формированием линии роста кристаллов, направленные радиально к оси шва. По мере приближения к вертикальной оси кристаллы загибаются кверху, что обеспечивает получение швов, не склонных к образованию горячих трещин.

Сварочные автоматы для вертикальной сварки в среде СО2 с принудительным формированием шва в связи с необходимостью сварки швов стыков, имеющих отклонение от вертикали до 35°, должны перемещаться непосредственно по стыку и иметь систему автоматического регулирования уровня сварочной ванны, а также позволять без дополнительной настройки продолжать сварку при изменении в определенных пределах толщины металла по длине стыка. Режимы вертикальной автоматической сварки в среде СО2 с принудительным формированием на постоянном токе обратной полярности приведены в табл. 37.

Сварка в среде инертных газов находит исключительно широкое применение при изготовлении конструкций из цветных и легких металлов, изделий из высоколегированных сталей малых толщин, а сварка титана, его сплавов и других активных металлов фактически возможна только в инертных газах.

Технологические особенности сварки различных металлов и их сплавов в среде инертных газов, методика выбора режимов будут рассмотрены далее, при изучении технологии сварки каждого металла в отдельности.

ГЛАВА IX. ТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

ГРУППЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ

Простые углеродистые стали не могут удовлетворить потребности народного хозяйства, поэтому в настоящее время широкое распространение получили легированные стали. К ним относятся стали, в состав которых введены легирующие элементы, отсутствующие в обычных углеродистых сталях или имеющие повышенное против допустимого в углеродистых сталях содержание марганца и кремния. Марганец считается легирующим элементом при содержании его более 1,0 %, а кремний — более 0,8 %. Благодаря применению легированных сталей появляется возможность снижения массы изделия, что экономит значительное количество металла и повышает грузоподъемность судов, вагонов и других конструкций. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делятся на три основные группы:

низколегированные, в которых суммарное содержание легирующих элементов нс более 2,5 %;

легированные — с содержанием легирующих элементов от 2,5 до 10 %;

высоколегированные — с содержанием легирующих элементов более 10 %.

Для более четкого уяснения трудностей, с которыми приходится сталкиваться при сварке легированных сталей, рассмотрим влияние углерода и других элементов на механические свойства и свариваемость стали.

Углерод повышает прочность, чувствительность к перегреву, закаливаемость, понижает пластичность и вязкость. Поэтому в низколегированных сталях содержание углерода не должно превышать 0,25 %, а в тех случаях, когда к свариваемости стали предъявляются более высокие требования, верхний предел по углероду ограничивается 0,14 %, а при наличии в стали повышенного количества марганца, хрома и других элементов содержание углерода должно быть еще меньше.

Марганец в сталях повышает прочность и мало влияет на пластичность, а при содержании до 1,2 % повышает и ударную вязкость. Рационально повысить его содержание до 1,8 % при ограничении содержания углерода в стали до 0,14 %.

Кремний повышает предел прочности, при малом содержании углерода пластичность стали снижается незначительно. У стали, содержащей кремния более 0,6 %, увеличивается хладноломкость. С дальнейшим увеличением содержания кремния свариваемость стали ухудшается.

Хром усиливает закаливаемость стали особенно при увеличении содержания углерода. В небольших количествах он способствует повышению ударной вязкости при комнатных и повышенных температурах. При малом содержании углерода и в присутствии марганца и кремния хром в количестве до I % не ухудшает свариваемость стали.

Никель повышает прочность и коррозионную стойкость стали, незначительно снижая ее пластичность. Введение в сталь никеля до 1,5 % уменьшает склонность к росту зерна и хладноломкость стали, не оказывая заметного влияния на ее закаливаемость и свариваемость. Но значительная стоимость и дефицитность никеля заставляют ограничивать его применение для легирования стали.

Молибден в количестве до 0,6 % повышает прочность и пластичность стали; его вводят в состав всех жаростойких и жаропрочных сталей в качестве упрочнителя феррита: он способствует повышению сопротивления ползучести стали при повышенных рабочих температурах. Молибден также повышает сопротивление отпускной хрупкости стали.

Ванадий повышает прочность и жаропрочность стали, так как обладает большим сродством к углероду, чем упрочнители феррита хром и молибден. Поэтому при нагреве стали образование карбидов будет происходить за счет ванадия, а хром и молибден останутся в твердом растворе, сохраняя сопротивление ползучести. В жаростойких сталях содержится 0,25—0,40 % ванадия.

289289Вольфрам повышает прочность стали при повышенных температурах, способствует образованию мелкозернистой структуры и снижает склонность стали к отпускной хрупкости.

289

289

Ю Думов С. И.

Титан способствует образованию мелкозернистой структуры и подавляет вредное влияние углерода в отношении приобретения высоколегированной сталью склонности к межкристаллитной коррозии.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ "низколегированных жаропрочных И СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Низколегированные жаропрочные (теплоустойчивые) и низколегированные среднеуглеродистые стали находят широкое применение для изготовления сварных конструкций.

Сварка низколегированных теплоустойчивых сталей

Теплоустойчивой называют сталь, обладающую повышенной механической прочностью при высоких температурах и длительных постоянных нагрузках.

Наряду с обычными величинами, определяющими механические свойства стали, критерием механической прочности теплоустойчивой стали в нагретом состоянии служит предел ползучести и длительная прочность.

Ползучестью называется способность нагретого до определенной температуры металла под воздействием длительных постоянных нагрузок постепенно пластически деформироваться. Эти нагрузки значительно меньше нагрузок, вызывающих деформацию металла при кратковременном нагружении. Ползучесть оценивается напряжением, при котором через определенный отрезок времени (обычно десятки, сотни тысяч часов) при заданной температуре деформации ползучести получит заранее заданное значение, например 1—2 %.

Длительная прочность определяется напряжением, вызывающим разрушение металла при заданной температуре за определенный отрезок времени.

Наибольшее применение получили теплоустойчивые стали при изготовлении современных паровых энергетических установок, где наряду со сварными конструкциями нашли применение сложные по форме лито-сварные конструкции.

Для повышения теплоустойчивости сталей в их состав вводят легирующие элементы (Mo, W, V), энергично по- 290

пытающие температуру разупрочнения стали при нагреве. Для обеспечения теплоустойчивости сталей в их состав вводят хром, образующий плотную защитную пленку окислов на поверхности металлов.

Существует большое количество марок сталей с различным уровнем жаропрочности: так, стали марок 15ХМА, 20ХМА применяют для изготовления деталей паровых турбин, работающих при температурах до 520 °C, сталь 12Х1МФ—для изготовления узлов установок, работающих при температурах до 580 °C, а сталь 20ХМФЛ— до температуры 550—580 °C. Теплоустойчивые стали могут быть сварены всеми способами электрической сварки плавлением. Ручная сварка теплоустойчивых сталей производится электродами с основным фтористо-кальциевым покрытием. Электроды с покрытием этого типа обеспечивают повышенную раскисленность металла шва при малом содержании неметаллических включений и водорода, вследствие чего достигается высокая пластичность и ударная вязкость швов. Но перед их использованием во избежание образования пор в металле шва требуется их сушка при 150—200 °C. Ручная сварка должна производиться возможно короткой дугой и свариваемые кромки следует тщательно зачистить от ржавчины и окалины. Ее обычно используют при монтаже котлов и паропроводов 11 сварке труб поверхностей нагрева к коллекторам, а также при сварке литых деталей турбин и заварке дефектов в отливках.

В зависимости от условий работы конструкции подбирается тот или иной тип, марка электрода и вид термообработки после сварки. Так, для ручной сварки стали 12МХ можно рекомендовать электроды типа Э-09МХ, марки ЦУ-2МХ, термообработка после сварки — отпуск; для стали марок 15ХМ, 20ХМЛ — электроды типа Э-09Х1М марок ЦУ-2ХМ, ЦЛ-38, ЗИО-20, УОНИ-13ХМ, термообработка — отпуск; для сталей марок 12X1 МФ, 15Х1М1Ф—электроды типа Э-09Х1МФ, марок ЦЛ-20, ЦЛ-45, ЦЛ-39, термообработка — отпуск; для сталей марок 20ХМФ-Л, 15Х1М1Ф-Л электроды типа Э-10Х1М1НФБ, марки ЦЛ-36, термообработка сталей — нормализация и отпуск.

Для уменьшения вероятности образования кристаллизационных трещин, а также карбидов, обусловливающего расход легирующих элементов, упрочняющих феррит, содержание углерода в металле, наплавленном ранее 10*291

указанными электродами, не должно превышать 0,13 %. При изготовлении некоторых конструкций из листовой стали малых толщин сварка может производиться без подогрева, а при толщине более 6 мм — с предварительным и сопутствующим подогревом. Сварку многослойных длинных швов следует выполнять каскадным или блочным методом (см. рис. 97).

При сварке трубчатых элементов с толщиной стенок более 6 мм и содержанием углерода более 0,18 % обязательным является предварительный и сопутствующий подогрев с таким расчетом, чтобы температура металла труб в зоне, прилегающей ко шву, во время сварки была не ниже 200 °C. Заварка стыков, как правило, должна выполняться без перерывов. Если имел место вынужденный перерыв, то надо обеспечить равномерное и медленное остывание, а перед возобновлением сварки снова нагреть детали до необходимой температуры.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют при монтаже котлов и паропроводов, а в заводских условиях при изготовлении тройников, сварке блоков трубопроводов и приварке труб поверхностей нагрева к коллекторам, а также при сварке литых деталей турбин и заварке дефектов отливок.

Сварка в углекислом газе теплоустойчивых сталей позволяет значительно расширить объем применения механизированных способов сварки в энергомашиностроении. При сварке в углекислом газе сталей марок 15ХМ, 20ХМЛ применяется сварочная проволока Св-10ХГСМА, что обеспечивает равнопрочпость сварного соединения с основным металлом по всем показателям. Для сварки в углекислом газе сталей марок 12Х1МФ, 20ХМФЛ применяется сварочная проволока Св-08ХГСМФА. Но в общих случаях сварка должна производиться с предварительным и сопутствующим подогревом (см. табл. 40). Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низколегированной стали.

Состав защитного газа существенно влияет на технологические характеристики процесса. Так, в СО2, СО2-|-О2 (менее 15% О2), Аг-|-СО2 (более 20% СО2) и Аг-|-О24- + СО2 (более 20% СО2) можно выполнять сварку во всех пространственных положениях. Смеси СО24-С2 (более 20% О2), Аг-|-СО2 (менее 18% СО2) и Аг + О2 + СО2 (менее 18% СО2) пригодны для сварки стационарной дугой в нижнем положении. При сварке в СО2 + О2 и Аг + СО2

(более 20% СО2) на всех режимах и в смесях Аг + О» 4- 4-СО2 (менее 15% СО2) на токах менее критических значений форма провара треугольная.

Автоматическая сварка под флюсом. Эта сварка производится легированными проволоками с применением малоактивных флюсов АН-22, ФЦ-11 с пониженным содержанием оксидов марганца и кремния. Это обеспечивает высокие пластические свойства швов и стабильность

состава многослойных швов по содержанию в них марганца и кремния. Так, при сварке сталей 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ под флюсом АН-22, ФЦ-11 рекомендуется применять проволоку Св-08МХ, сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф под флюсом АН-22 — проволоку Св-08ХМФА, а сталей 20ХА4ФЛ, 15Х1М1ФЛ под флюсом АН-22 — проволоку Св-14X1 Ml ФА.

Автоматическую сварку под флюсом применяют при

сварке паропроводов и приварке донышек к коллекторам в заводских условиях. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом в ряде случаев выполняется без присадочной проволоки, а когда необходима присадочная проволока для некоторых марок сталей рекомендуется

I5XM: 20ХМЛ 20ХМФЛI5XM: 20ХМЛ 20ХМФЛСв-08ХМФА 12Х2МФСР СВ-08ХМФАСв-08ХМФА 12Х2МФСР СВ-08ХМФАСв-14Х1М1ФА15Х2МФБСв-08ХГСМФАСв-14Х1М1ФА15Х2МФБСв-08ХГСМФАпроволока:

I5XM: 20ХМЛ 20ХМФЛ

I5XM: 20ХМЛ 20ХМФЛ

Св-08ХМФА 12Х2МФСР СВ-08ХМФА

Св-08ХМФА 12Х2МФСР СВ-08ХМФА

Св-14Х1М1ФА

15Х2МФБ

Св-08ХГСМФА

Св-14Х1М1ФА

15Х2МФБ

Св-08ХГСМФА

Марка стали. . . 12МХ

Марка проволоки Св-08МХ

Марка стали. . . 15X1 Ml ФЛ

Марка проволоки Св-14Х1М1ФА

Аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом в аргоне, а иногда и смеси газов применяют как в заводских, так и в монтажных условиях при сварке корневых слоев кольцевых труб поверхностей нагрева котлов и паропроводов, когда сварка стыков осуществляется без подкладных колец.

После окончания сварки конструкция подвергается отпуску по режиму: посадка в печь при температуре 300 °C, нагрев до 680 °C со скоростью 40—50 °C в час, выдержка при температуре 640—680 °C в продолжении 4 ч. Охлаждение до 200 °C со скоростью 40—50 °C и с последующим остыванием на воздухе. Следует отметить, что сварка в среде СО2 теплоустойчивых сталей имеет ряд преимуществ перед сваркой под флюсом и ручной. Так, при одинаковом химическом составе, швы, выполненные в среде СО2, име1рт более высокие показатели длительной прочности. Объясняется это тем, чтет швы, выполненные под флюсом, а также толстопокрытыми электродами, со-

держат значительно большее количество шлаковых включений, чем швы, выполненные в среде СО2, а производительность сварки в среде СО2 в 2,5—3,0 раза выше производительности ручной сварки электродами марки ЦЛ-20А.

Сварка легированных сталей

Легированные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,5 % поставляются в основном по ГОСТ 4543—71, где они подразделяются по категориям: качественная, высококачественная — А; особовысоколегированная — Ш.

Легированные термоустойчивые стали обычно содержат не более 0,25 % С и до 6 % Сг и могут быть легированы Mo, V, W и Mb. Легированные стали обладают высокими механическими свойствами, что обеспечивается легированием элементами, упрочняющими феррит и повышающими прокаливаемость стали при соответствующей термической обработке. Легированные стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, обычно подвергают термической обработке. При высоких прочностных свойствах (ов — 0,64-2,0 МПа/мм3) легированные стали после соответствующей термической обработки по пластичности и вязкости превосходят низкоуглеродистую сталь, обладая при этом высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние.

Эти стали используются для создания облегченных высокопрочных конструкций в ряде отраслей народного хозяйства. Данные по некоторым легированным сталям приведены в табл. 38. Повышение содержания углерода в этих сталях и введение легирующих элементов значительно затормаживают распад аустенита при охлаждении; температура его распада заметно снижается, а в ряде случаев в качестве конечных структур появляется мартенсит.

Склонность стали к получению закаленных структур при распаде аустенита может характеризоваться диаграммами изотермического распада аустенита, приведенными на рис. 137, в котором по вертикальной оси отложена температура, а по горизонтальной — время выдержки при данной температуре (логарифмическая шкала). На С-об- разные кривые в том же масштабе наложены кривые различных скоростей охлаждения 1—5.

Температура Tmln называется температурой наименьшей устойчивости аустенита при распаде в изотермиче- Ж

ских условиях. Для различных сталей она лежит в пределах 450—650 °C, а для большинства сталей Т^щ = = 550 °C. Продолжительность инкубационного периода начала распада аустенита при Т^щ минимальна. Чем больше этот период, тем вероятнее получение мартенсита. Вид кривых изотермического распада аустенита и их расположение на диаграмме зависит от химического состава стали. Все легирующие элементы сдвигают кривые изотермического распада вправо, т. е. увеличивают период его распада.

Рис. 137. Схема для оценки конечных структур металла по кривым устойчивости аустенита и скорости охлаждения (кривые 1—5)

Пользуясь диаграммами изотермического распада аустенита, можно установить скорость охлаждения, обеспечивающую наличие или отсутствие в металле тех или иных структурных составляющих. При сварке закаливающихся легированных сталей обычно стараются обеспечить пластичный металл околошовной зоны.

Расчет скорости охлаждения при сварке. Если кривой 4 (см. рис. 137) представить ту минимальную скорость охлаждения nOxni> ПРИ которой структура будет получаться полностью мартенситной, а кривой 5 — минимальную скорость охлаждения уохл 2, при которой мартенсит будет

Таблица 38. Химический состав и механические свойства неко

Группа стали

Марка стали

Массовое

с

Мп

Хромомолибденовая

35ХМ

0,32—0,40

0,40—0,70

Хромокремпемарганцевая и хромокремиемарганцево- никелевая

20ХГСА ЗОХГСА 30ХГСН2А

0,17—0,23

0,28—0,34

0,28—0,34

0,80—1,10 0 80—1,10 1,00—1,30

Хромоникельмолибденовая Хромоннкельмолибденова- надиевая

Хромоникельванадиевая

30ХН2МА

30ХН2МФА

20ХН4ФА

0,27—0,34 0,27—0,34

0,17—0,24

0,30—0,60

0,30—0,60

0,25—0,55

Группа стали

Вид термической обработки

Хромомолибденовая

Закалка при 850 °C; отпуск при 560 °C

Хромокремнемарганцевая и хромокремнемарганнево- иикелевая

Закалка; отпуск

То же

Закалка при 900 “С; отпуск при 200—

300 °C

Хромони кельмолибденовая Хромоникельмолибденова- 1 адиевая

Хромоникельванадиевая

Закалка; отпуск при 580 °C

То же, при 680 °C

То же, при 630 °C

торых легированных конструкционных сталей

< одержание основных элементов, %

Si

Ст

Ni

Мо

V

0,17—0,37

0,80—1,10

0,15—0,25

—

0,90—1,20

0,90—1,20

0,90—1,20

0,80—1,10 0,80— ,10 0,90—1,20

1,40—1,80

—

—-

0,17—0,37

0,17—0,37

0,60—0,90 0,60—0,90

1,25—1,65

2,00—2,40

0,20—0,30 0,20—0,30

0,10—0,18

0,17—0,37

0 70—1,10

3,75—4,15

—

0,10—0,18

Механические свойства

кси.

"в

°т

6

Ф

МПа/мм2

%

Дж/см2

не менее

950

850

12

45

80

800

650

12

45

70

1100

850

10

45

50

1650

1400

9

45

60

1000

800

10

45

80

900

800

10

40

90

900

700

12

50

10-9

Ti — (Tmin — 55) ,Ti — (Tmin — 55) ,^ОХЛ! ^ОХЛ! ^ОХЛ 2^ОХЛ 2(137)(137)(138)(138)

Ti — (Tmin — 55) ,

Ti — (Tmin — 55) ,

^ОХЛ!

^ОХЛ!

^ОХЛ 2

^ОХЛ 2

(137)

(137)

(138)

(138)

полностью исключен, то эти скорости охлаждения приближенно могут быть вычислены по формулам:

2-1,5/т|П

= Т\ — 3502-1 >5/min

где гохл — скорость охлаждения, °С/с; Тх — температура, соответствующая точке Асг, °C; /т1п — минимальная про-

296

должительность полного распада аустенита при непрерывном охлаждении.

Температура 350 °C в формуле принята как наиболее характерная для мартенситной точки большинства конструкционных закаливающихся сталей. Поправка к Тщш в 55 °C в формуле (137) является обычной для многих сталей, как характеристика снижения Тт1п при непрерывном охлаждении по сравнению с Т№п при изотермическом распаде. Поправочный коэффициент 2 в этой формуле учп-

тывает рост зерна аустенита, соответствующий сварочному нагреву, а 1,5 вводит поправку на непрерывность охлаждения.

Таким образом, если известна характеристика данной стали, то по формуле (13) можно подсчитать критические скорости охлаждения, обеспечивающие в околошовной

зоне отсутствие закаленных структур.

скорость охлаждения в условиях сварки является решаскорость охлаждения в условиях сварки является решаРанее уже было установлено, что погонная энергия оказывает влияние на основной металл (см. рис. 61). Однако

скорость охлаждения в условиях сварки является реша

скорость охлаждения в условиях сварки является реша

ющим фактором в формировании конечных структур и свойств околошовной зо

ны, особенно при сварке закаливающихся сталей. Поэтому регулирование скорости охлаждения при сварке имеет большое значение.

Рис. 138. График зависимости без- охлаждения металла в размерных величин <о и 1/0 сварном соединении поРис. 138. График зависимости без- охлаждения металла в размерных величин <о и 1/0 сварном соединении поТеория распределения теплоты при сварке позволяет рассчитать скорость

Рис. 138. График зависимости без- охлаждения металла в размерных величин <о и 1/0 сварном соединении по

Рис. 138. График зависимости без- охлаждения металла в размерных величин <о и 1/0 сварном соединении по

уравнениям:

при наплавке валика на полубесконечное тело

^л = 2лХ-&^(139)

при сварке пластин

"--^-Т^2-:<м0>

при наплавке валика на лист любой толщины

^охл-®-,U41)

где То — начальная температура свариваемого изделия, °C; ю — безразмерная величина процесса охлаждения, которая также зависит от свойств свариваемого металла и условий сварки и определяется через другую безразмерную величину 1/6 по формулам (142) и (143), а взаимосвязь обеих величин показана на рис. 138:

(142)(143)(142)(143)126эф/у

(142)

(143)

(142)

(143)

03ts3cy (Г mj,,Го)

m рохл Уэф/У

йД(Гт1п~г^ *

Формулы (139) и (141) приведены для случая наплавки валика на поверхность изделия и однопроходной сварки встык, поэтому при сварке многопроходных швов встык, тавровых или нахлесточных швов, чтобы приблизить расчетную схему к фактически действующей рекомендуется в расчетные формулы вводить поправочные коэффициенты (табл. 39).

При сварке легированных сталей, склонных к закалке, металл околошовной зоны в результате быстрого охлаждения приобретает структуру закалки. При этом

конечная структура каждого участка зоны термического влияния будет зависеть от свойств металла, погонной

Приводимая величинаПоправочный коэффициент<и О м m ® 3 ™ ° и К о “ я g 2 s1 2 гоК О UГо ” 3||ЦВоО >. ^ и £у я ^^^2 SКом К О КРзф^ S1 I3/23/22/3 1Приводимая величинаПоправочный коэффициент<и О м m ® 3 ™ ° и К о “ я g 2 s1 2 гоК О UГо ” 3||ЦВоО >. ^ и £у я ^^^2 SКом К О КРзф^ S1 I3/23/22/3 1Таблица 39. Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние конструкции соединенияТаблица 39. Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние конструкции соединенияэнергии и размеров изделия, влияющих на скорость охлаждения при сварке. Структура участков может быть получена либо полностью мартенситной, либо со смешанной структурой с тем или иным количеством более стабильных продуктов распада аустенита, поэтому в зоне термического влияния сварных соединений закаливающихся сталей в процессе охлаждения или через некото

Приводимая величина

Поправочный коэффициент

<и О м m ® 3 ™ ° и К о “ я g 2 s1 2 го

К О U

Го ” 3||

ЦВо

О >. ^ и £

у я ^^^

2 S

Ком К О К

Рзф^ S

1 I

3/2

3/2

2/3 1

Приводимая величина

Поправочный коэффициент

<и О м m ® 3 ™ ° и К о “ я g 2 s1 2 го

К О U

Го ” 3||

ЦВо

О >. ^ и £

у я ^^^

2 S

Ком К О К

Рзф^ S

1 I

3/2

3/2

2/3 1

Таблица 39. Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние конструкции соединения

Таблица 39. Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние конструкции соединения

рое время после полного остывания образуются холодные трещины.

Для предотвращения образования трещин приходится усложнять технологический процесс. Одним из наиболее действенных приемов является подогрев изделия. Сварка производится предпочтительно с общим предварительным и сопутствующим подогревом или только сопутствующим подогревом.

Эксплуатационная надежность конструкций из металла повышенной толщины может быть обеспечена лишь после стабилизации структуры и снятия напряжений путем отпуска сварных соединений. При этом температура отпуска сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей должна быть не ниже 700 °C, так как выпадение дисперсных карбидов ванадия из твердого "раствора при низких температурах отпуска приводит к охрупчиванию

металла околошовной зоны и возникновению местных разрушений сварных соединений при отпуске или в процессе эксплуатации конструкций.

Подогрев при сварке

Сопутствующий сварке местный или общий на

грев изделия является надежным средством предотвращения холодных трещин, так как уменьшает разницу тем-

ператур металла в зоне сварки и на рядом расположенных участках, что снижает напряжения первого рода.Подогрев также уменьшает скорость охлаждения металла, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающего появление напряжений второго рода. Нагрев уменьшает вероятность появления холодных трещин, так как повышает пластичность и, следовательно, деформационную способность металла.При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничить неператур металла в зоне сварки и на рядом расположенных участках, что снижает напряжения первого рода.Подогрев также уменьшает скорость охлаждения металла, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающего появление напряжений второго рода. Нагрев уменьшает вероятность появления холодных трещин, так как повышает пластичность и, следовательно, деформационную способность металла.При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничить неМарка сталиТолщина свариваемого изделия (мм) и температура подогрева, °C7—30выше 3012МХ 15ХМ 20ХМ—Л150—200200—250150—200200—250250—30012Х1МФ250—300300—35015Х1М1Ф 20ХМФ—Л 15Х1М1Ф—Л300—350300—400(длявсех толщин)Х5МФ350—400 (для толщин до 30 мм)400— 450Марка сталиТолщина свариваемого изделия (мм) и температура подогрева, °C7—30выше 3012МХ 15ХМ 20ХМ—Л150—200200—250150—200200—250250—30012Х1МФ250—300300—35015Х1М1Ф 20ХМФ—Л 15Х1М1Ф—Л300—350300—400(длявсех толщин)Х5МФ350—400 (для толщин до 30 мм)400— 450Таблица 40. Температура предварительного и сопутствующего подогрева в зависимости от толщины и марки сталиТаблица 40. Температура предварительного и сопутствующего подогрева в зависимости от толщины и марки сталитолько нижний, но и верхний предел температуры подогрева. Излишне высокие температуры подогрева приводят к распаду аустенита в высокотемпературной области с образованием грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей длительной прочности и необходимой ударной вязкости сварных соединений.

ператур металла в зоне сварки и на рядом расположенных участках, что снижает напряжения первого рода.

Подогрев также уменьшает скорость охлаждения металла, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающего появление напряжений второго рода. Нагрев уменьшает вероятность появления холодных трещин, так как повышает пластичность и, следовательно, деформационную способность металла.

При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничить не

ператур металла в зоне сварки и на рядом расположенных участках, что снижает напряжения первого рода.

Подогрев также уменьшает скорость охлаждения металла, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающего появление напряжений второго рода. Нагрев уменьшает вероятность появления холодных трещин, так как повышает пластичность и, следовательно, деформационную способность металла.

При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничить не

Марка стали

Толщина свариваемого изделия (мм) и температура подогрева, °C

7—30

выше 30

12МХ 15ХМ 20ХМ—Л

150—200

200—250

150—200

200—250