Текст
Учебное пособие
сварка
наплавка
резка
пайка
УДК 621.791(075.32)
ББК 34.64
К 60
Колганов Л. А. Сварочные работы. Сварка, резка, пайка, на-К 60 плавка: Учебное пособие. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2003. - 408 с.
ISBN 5-94798-305-2
Содержание пособия соответствует требованиям государственного образовательного стандарта при подготовке специалистов-сварщиков.
Книга содержит материалы по основам теории сварочных процессов, сварочным материалам, оборудованию, технике и технологии сварки, наплавки, резки.
Рассмотрены вопросы технологии изготовления сварных конструкций, технологические особенности различных способов сварки, наплавки, пайки; требования к сварным конструкциям на стадии проектирования.
С достаточной полнотой рассмотрены содержание технологических процессов и общие понятия операции, перехода и вида техпроцесса по степени подробности его описания, а также вопросы безопасности труда.
Приведен перечень ответственных сварных конструций Госгортехнадзора России, сварка которых выполняется аттестованными сварщиками, а также комментарий Правил аттестации сварщиков и специалистов.
Книга будет полезной для студентов колледжей, учащихся профессиональных училищ, а также мастерам и технологам, рабочим, занятым в сварочном производстве.
УДК 621.791(075.32)
ББК 34.64
© Колганов Л.А., 2003
Предисловие
Сварка является одним из основных технологических процессов в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. Она позволила внести коренные изменения в технологию производства с вытеснением клепаных конструкций и создать принципиально новые конструкции машин.
Современный технический уровень сварочного производства требует от сварщиков и специалистов определенного объема профессиональных знаний.
В книге доступно излагаются основы теории сварочных процессов, дается описание оборудования и технологических процессов с применяемыми материалами для сварки, наплавки, пайки.
Тематические разделы и содержание материала в предлагаемом учебном пособии составлены в соответствии со стандартом России ОСТ 9.02.10-95 на образование по профессии «сварщик».
В книге приведены перечень групп опасных технических устройств, сварка которых выполняется аттестованными сварщиками, а также основные положения и комментарии к новым Правилам аттестации сварщиков и специалистов — ПБ 03-273-99, введенным с 15 января 2000 г.
Для лучшего усвоения материала в конце глав даны контрольные вопросы. Приведенный перечень литературы, а также стандарты использованы при составлении учебного материала в части не меняющихся технических основ и понятий.
ВВЕДЕНИЕ
XX в. стал принципиально важным для развития и применения сварочной науки и техники, особенно первая его половина. В последние 20 лет сварочное производство заметно совершенствовалось, в первую очередь в области оборудования и аппаратуры. В настоящее время сварка — один из ведущих технологических процессов в создании материальной основы современной цивилизации.
Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы в любых условиях — на земле, в воде, в Космосе.
Толщина свариваемых деталей колеблется от микронов до метров, масса конструкций — от граммов до сотен тонн.
Зачастую сварка является единственно возможным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к форме и размером готовой детали или конструкции.
Более половины валового внутреннего продукта промышленно развитых стран создается с применением сварки и родственных технологий.
До 70% мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений.
Соединения, получаемые сваркой, характеризуются высокими механическими свойствами, небольшим расходом металла, низкой трудоемкостью и невысокой себестоимостью. Надежность соединений, выполненных сваркой, позволяет применять ее при сборке самых ответственных конструкций.
Введение
5
Научно-технические, экспериментальные и практические работы, выполненные в последние десятилетия XX в. (примерно с 1970 г.) в области сварки, позволили создать принципиально новые конструкции машин.
Развитие сварки
В развитие сварочной науки и техники особый вклад внесли российские ученые и инженеры — В. В. Петров (1761—1834), Н. Н. Бенардос (1842-1905), Н. Г. Славянов (1854—1897).
Василий Владимирович Петров впервые в мире в 1802 г. обнаружил явление электрического дугового разряда от построенного им сверхмощного «вольтового столба», который состоял из 2100 пар разнородных кружков — элементов (медь + цинк), проложенных бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря.
Проделав большое количество опытов со своей батареей, он показал возможность использования электрической дуги для освещения и плавления металлов. К моменту открытия дугового разряда электротехника только начинала создаваться. Открытие В. В. Петрова опередило время практического применения дуги для сварки на 80 лет. Его осуществил Николай Николаевич Бенардос — автор многих изобретений в области электротехники.
Н. Н. Бенардос предложил и произвел в 1880—1890 гг. все основные виды дуговой сварки: плавящимся и неплавящимся электродами дугой прямого и косвенного действия, ручную, полуавтоматическую и автоматическую, незащищенной дугой и в среде защитного газа.
Н. Н. Бенардос в 1887 г. предложил основные виды электрокон-тактной сварки — точечную и роликовую.
После детальной разработки своего изобретения Н. Н. Бенардос получил на него патенты в Англии, Бельгии, Германии, Италии, Франции, США и в других странах.
В 1886 г. он получил русский патент на «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электричес
6
Сварочные работы
кого тока». Н. Н. Бенардос применил созданный им способ не только для сварки, но и для наплавки и резки металлов.
Почти одновременно с Н. Н. Бенардосом работал другой крупнейший изобретатель — Николай Гаврилович Славянов, много сделавший для развития дуговой сварки.
Николай Гаврилович Славянов в конце 1888—1889 гг. осуществил и широко внедрил электродуговую отливку металлических изделий и сварку плавящимся металлическим электродом, разработал основы металлургии сварочного процесса и, в частности, осуществил сварку под шлаковой защитой.
Обладая глубокими знаниями металлургии и электротехники, Н. Г. Славянов разработал способ дуговой сварки металлическим электродом с защитой сварочной зоны слоем порошкообразного вещества (флюса) и первый в мире механизм «электроплавильник» — для полуавтоматической подачи электродного прутка в зону сварки.
Способ сварки плавящимся металлическим электродом получил название «дуговая сварка по способу Славянова». Первая публичная демонстрация нового способа состоялась в 1888 г. в Перми.
Изобретения Н. Г. Славянова получили мировое признание, они были запатентованы во многих странах Европы, в Америке. В 1893 г. на Всемирной выставке в Чикаго Н. Г. Славянов был награжден дипломом и золотой медалью за изобретение электро-дуговой сварки металлов.
Н. Г Славянов научился рассчитывать и строить электрические приборы и машины, в том числе крупные по тем временам динамо-машины для нужд заводского производства, и в частности специальный сварочный генератор.
Эти машины в дальнейшем стали технической базой разработки блестящих изобретений дуговой электросварки и электрической отливки, прототипа электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава сталей.
Славянов впервые с помощью нового способа сварил вал паровой машины. Свой способ он назвал «электрической отливкой металлов», электросварщика — «электроотливщиком», а организованный им впервые в мире электросварочный цех — «электролитейным». Здесь были подготовлены первые электросварщики. Под
Введение
7
«электрической отливкой» изобретатель понимал дуговую электрическую сварку металлическим электродом, а под термином «сварка» — только сварку давлением или пластическую сварку без расплавления свариваемого металла, например, широко применяемую тогда кузнечную сварку.
В 30-х годах XX в. были организованы исследовательские лаборатории, институты. Началась подготовка специалистов по сварке. В этот период большой вклад в развитие и внедрение сварочных процессов внес другой наш соотечественник — Евгений Оскарович Патон. Он разработал и приступил к реализации программы совершенствования оборудования и технологий сварки, особо добиваясь улучшения качества соединений. В созданной им лаборатории, преобразованной в 1934 г. в научно-исследовательский институт (первую в мире специализированную организацию по изучению проблем сварки), одним из направлений стало развитие электроду-говой сварки металлическими электродами и электродной проволокой.
К концу 30-х годов исследователи вернулись к идее Славянова защищать зону дуги насыпным флюсом, а электрод подавать без специальных защитных материалов.
Основные этапы развития сварки
Развитие сварки в нашей стране можно условно разделить на 5 этапов.
1. Подготовка кадров (1918—1928) и начало развития науки. В 1925 г. академики В. П. Никитин и А. И. Вологдин организовали сварочные специальности в институтах Днепропетровска и Владивостока.
2. 1929—1935 годы — бурное развитие сварки и резкое повышение ее качества. Сварка стала применяться как технический процесс для изготовления новых изделий в отдельных областях промышленности. В 1929 г. создан Автогенный комитет, который способствовал внедрению электродуговой сварки.
3. 1935—1940 годы — курс на резкое повышение качества сварных конструкций и производительности труда сварщиков. В этот период сварку стали внедрять во всех отраслях промыш
8
Сварочные работы
ленности. В 1936 г. началось применение качественных электродов вместо электродов с меловой обмазкой.
4. 1941—1945 гг. — активное применение сварки, продиктованное условиями военного времени. В Нижнем Тагиле открыто явление саморегулирования дуги (профессор Дятлов). Разрабатываются различные способы сварки под флюсом, а также продолжаются исследования в области сварки.
5. С 1946 г. — дальнейшее всестороннее развитие сварки и наплавки, появление новых видов и способов сварки, наплавки и резки, например, сварка трением, ультразвуковая сварка, взрывом, вибродуговая наплавка, плазменная, лазерная сварка и резка, сварка в защитных газах и другие.
Глава I ОСНОВЫ ТЕОРИИ сварки
1.1. Основные понятия
Процесс неразъемного соединения двух или нескольких деталей (металлов) называется сваркой. Соединение металлов происходит за счет сцепления их атомов. Межатомные связи можно получить при смещении (движении) их за счет сторонней энергии, при котором атомы смогут занять устойчивое положение в общей атомной решетке. Этим достигается равновесное состояние между силами притяжения и отталкивания.
Энергия извне называется энергией активации.
Для преодоления трудностей, мешающих соединению твердых тел, в сварочной технике используют следующие основные средства:
1. Нагрев — термическая активация.
2. Давление — механическая активация.
3. Зачистка соединяемых поверхностей.
Необходимым условием для образования неразъемных соединений из однородных металлов, является соприкосновение свариваемых частей.
По признаку применяемой активации для образования межатомных связей неразъемного соединения сварку делят на два вида:
1. Сварка плавлением — сварка выполняется без сдавливания.
2. Сварка давлением.
Сварка плавлением состоит в том, что жидкий металл одной оплавленной кромки соединяется и перемешивается с жидким метал
10
Сварочные работы
лом второй оплавленной кромки, образуя общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной.
По способу нагрева электрическая сварка плавлением делится на электрическую дуговую и электрошлаковую, электроконтакг-ную и электронно-лучевую.
Металл шва может образовываться как за счет оплавленных кромок (рис. I), так и за счет дополнительного присадочного металла (рис. 2). Для нагрева свариваемых кромок металла используются различные источники местного нагрева: электрическая дуга, газовое пламя, химическая реакция с выделением теплоты, теплота расплавленного шлака, энергия электронного или лазерного излучения, плазма, а также печь. Межатомные связи в сварном соединении при сварке плавлением достигаются за счет расплавления кромок, смачивания их между собой, либо расплавления их присадочным металлом. Зона вблизи границы оплавленной кромки называется зоной сплавления. В этой зоне образуются межатомные связи. Ширина ее очень мала (микрометры), но роль в прочности соединения исключительно велика.
Рис. 1. Схема электродуговой ручной сварки плавящимся электродом:
1 — изделие; 2 — дуга;
3 — электрод
Этот способ имеет массовое применение в промышленности. На его долю приходится до 65% всех объемов сварочных работ
Рис. 2. Схема электродуговой ручной сварки неплавящимся электродом (как правило, в среде защитного газа, в том числе инертного):
1 — изделие; 2 — дуга;
3 — присадочный металл;
4 — электрод неплавящийся (вольфрамовый); 5 — поток защитного газа
Глава 1. Основы теории сварки
11
Рис. 3. Сварка электроду говая автоматическая под флюсом: 1 — электрод; 2 — ролики, подающие электродный материал; 3 — изделие; 4 — шланг флюсоотсоса; 5 — бункер для флюса с пневматическим флюсоотсасывающим устройством;
6 — воздух сжатый для создания разряжения (вакуума) во флюсоотсасывающем шланге
Рис. 4. Контактная стыковая сварка:
1 — зажимные контакты машины; 2 — свариваемые стержни; Р — усилие сдавливания заготовок в стыке после его разогрева
Применяется для сварки стыков заготовок круглого сечения, например, концевого режущего инструмента
Сжатие
Сжатие
Рис. 5. Контактная точечная сварка:
1 — электроды, подводящие сварочный ток к свариваемым изделиям; 2 — свариваемые изделия с нахлесточным соединением; 3 — сварочный трансформатор
Рис. 6. Контактная шовная (роликовая) сварка:
1 — изделие; 2 — токоподводящие вращающиеся ролики Подача изделия вдоль шва выполняется вращающимися роликами.
12
Сварочные работы
Через ролики подводится сварочный ток кратковременными импульсами (доли секунд) с небольшими паузами, образуя сварные точки, перекрывающие краями друг друга, этим создается сплошность шва. Применяется для сварки бензобаков, огнетушителей, фляг и подобных изделий (рис. 6)
Рис. 7. Электрошлаковая сварка:
1 — кромка свариваемого изделия; 2 — флюс;
3 — электродный металл (проволока, пластина, лента и т. д.); 4 — расплавленная шлаковая ванна (расплавленный флюс);
5 — сварочная ванна;
6 — водоохлаждаемые формирующие устройства ползуны подвижные ? — направление сварки (движения ползунов)
Рис. 8. Электронно-лучевая сварка.
Сварка производится теплом, которое выделяется при ударе быстро движущихся электронов (пучка) 1 о поверхность свариваемых деталей 7. Источником излучения электронов служит раскаленный катод 2, питаемый высоковольтным источником 3. Электронный луч проходит через анод 4 и фокусируется магнитной линзой 5.
Сварка осуществляется в камере б с глубоким вакуумом. Вакуум нужен для беспрепятственного прохождения потока электронов, чтобы не потребовалось запредельно поднимать напряжение в установке
Глава 1. Основы теории сварки
13
Сварной шов имеет очень малую ширину, так как электронный луч представляет собою весьма концентрированный источник тепла, проникающий на значительную глубину (до 100 мм). Сварку применяют для стыковых соединений, снятие фасок не требуется.
Электронно-лучевая сварка применяется для соединения деталей из металлов, имеющих высокую температуру плавления (вольфрам, молибден, ниобий), а также легко поддающихся окислению (алюминий, магний, бериллий), сварки изделий из хромоникелевых и других высоколегированных сталей. Способ электронно-лучевой сварки опубликован в 1956 г. французом Старом, в СССР впервые осуществлен в 1958 г.
Сварка давлением
Образование сварного соединения происходит за счет пластического деформирования свариваемых частей без расплавления металла и перехода его в жидкое состояние.
Пластическое деформирование стыка свариваемых кромок производится статической либо ударной нагрузкой, например сваркой взрывом. Для осуществления холодной сварки достаточно применить механическое усилие сжатия. Иногда при сварке давлением применяют местный нагрев.
При пластической деформации в зоне свариваемых кромок происходит трение, что ускоряет процесс установления межатомных связей между соединяемыми частями. Это называется зоной соединения.
1.2. Виды, способы, методы сварки
Группа сварочных процессов, в которых используется один источник теплоты характеризует вид сварки, например, есть три основных вида сварки — дуговая электросварка, где источником теплоты является электрическая дуга; электрошлаковая — теплота аккумулируется в сварочной ванне, электронно-лучевая.
Способ сварки — это вариант конкретного вида сварки, который отличается от других по ведению процесса, например, сварка открытой дугой, сварка под флюсом, сварка в защитных газах, ручная сварка.
Метод сварки — это разновидность способа сварки и отличается от других непринципиальными изменениями, например, ручная
14
Сварочные работы
дуговая сварка обычная и с опиранием обмазки, или сварка наклонным электродом, автоматическая сварка с увеличенным вылетом электрода, когда коэффициент расплавления теплотой Джоуля—Ленца выше.
По виду применяемой энергии сварку подразделяют на 3 класса (ГОСТ 19521-74):
1. Термический.
2. Термомеханический.
3. Механический.
К термическому классу относятся виды сварки, которые выполняются с плавлением соединяемых частей в зоне сварки с использованием тепловой энергии.
Основные виды сварки термического класса — дуговая, газовая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, лазерная и другие.
К термомеханическому классу относятся виды сварки с использованием давления в сочетании с тепловой энергией. Это элект-роконтактная сварка, диффузионная, газопрессовая и другие.
Широкое применение имеет электрическая контактная сварка с применением давления и электронагрева. Электрический сварочный ток проходит в зоне контакта соединяемых деталей, мощным кратковременным импульсом разогревает металл до состояния местного расплавления и при приложении давления происходит сварка.
Диффузионная сварка — сварка давлением за счет взаимной диффузии атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации.
При прессовой сварке разогрев соединяемых частей выполняется газовым пламенем, затем производят сжатие деталей.
К механическому классу относятся виды сварки, выполняемые с применением механического усилия (энергии) и давления, например, холодная сварка, сварка взрывом, ультразвуковая, трением и другие.
Холодная сварка — это сварка давлением при большой пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей. Свар
Глава 1. Основы теории сварки
15
ке подвергают только пластичные материалы (медь, алюминий, свинец и др.)
Сварка взрывом — сварка, при которой для создания давления используется энергия взрыва, при этом происходит соударение соединяемых деталей. Таким способом соединяют, например, большие листы внахлест из разнородных материалов (рис. 9). Более 20 лет применяется соединение стального листа с алюминиевым с очень высоким качеством сварки при толщине стального листа 8 мм, алюминиевого 10 мм. По всей площади соединения (1500 х 4000 мм) свар-
1,3 — свариваемые листы; 2 — заряд взрывчатого вещества нужной толщины; a — угол между листами(5—8°); 4 — зазор (необходимый);
5 — детонатор
Ультразвуковая сварка — сварка давлением под воздействием ультразвуковых колебаний. Впервые появилась в 1958—1959 годах.
Сварка трением — сварка давлением, при которой нагрев свариваемых торцов выполняют за счет трения в их стыке. Детали вращаются обе в разные стороны, либо одна неподвижна.
1.3. Электродуговая сварка
>. Для электродуговой сварки необходима сварочная дуга, которая получает питание от специального электрического источника. Дуга горит между электродом и изделием, ^дя питания дуги используются переменный и постоянный ток от трансформаторов или преобразователей, выпрямителей, агрегатов (рис. 10).
Глава 1. Основы теории сварки
17
Рис. 10. Схема ручной сварки:
1 — источник питания дуги; 2 — провода сварочные; 3 — электрод;
4 — изделие
При дуговой сварке плавящимся электродом шов образуется за счет расплавления электрода и свариваемого металла^ При сварке неплавящимся электродом шов заполняется металлом свариваемы?? частей, но иногда присадочным металлом, подаваемым в зону дуги со стороны.
К плавящимся электродам относятся стальные, медные, алюминиевые, к неплавяшимся — угольные, графитовые, вольфрамовые.
.. Сущность электродуговой сварки в том, что свариваемый металл плавится теплом дуги. >
При сварке постоянным током количество тепла на электродах различное, поэтому в сварке введено понятие полярности — прямой и обратной. Обратная полярность — когда (+) от источника на элек-трододержателе, а (—) на детали, прямая — наоборот.
Материал электродного покрытия также налагает ограничения на выбор полярности. Например, угольный электрод горит с сильным разогревом при обратной полярности и быстро разрушается (на (+) больше тепла), а голая проволока лучше горит при (+) на ней и очень плохо горит, когда на ней (—), совсем не горит при переменном токе. При горении дуги и плавлении свариваемого и электродного металлов требуется защита расплава сварочной ванны от воздействия кислорода и азота воздуха, ибо последние ухудшают механические свойства металла шва. Поэтому защищают зону дуги, сварочную ванну, а также электродный стержень.
По способу защиты металла от воздуха дуговую сварку разделяют на следующие способы: с покрытыми электродами, в защитных газах, под флюсом, порошковой самозащитной проволокой.
Длиной сварочной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью кратера (углубления) сварочной ванны.
По степени механизации сварочного процесса дуговая сварка подразделяется на ручную, полуавтоматическую (механизированную) и автоматическую.
При горении дуги по мере плавления электрода необходимо электрод подавать в зону сварки для поддержания постоянной длины дуги. В процессе сварки выполняются два основных движения: подача электрода или проволоки в сварочную ванну по мере его оплавления и перемещение электродного материала (дуги) по направлению свариваемых кромок.
При ручной сварке оба движения выполняются сварщиком вручную.
При полуавтоматической сварке (механизированной) подача электродного материала в сварочную ванну выполняется так называемым подающим механизмом. Подающий механизм в комплекте со шланговым держателем и источником питания представляет собой сварочный полуавтомат.
Различные конструкции подающих механизмов в комплекте со шланговым держателем позволяют осуществлять подачу сварочной проволоки (по направляющей спирали) сплошного сечения диаметром 0,8—3,2 мм. Эти диаметры применяются в производстве как самые рациональные.
При автоматической сварке подача электродной проволоки или электродной ленты, а также движения по сварочному стыку осуществляется механизмами. Такие устройства называются сварочными автоматами.
Конструктивное исполнение сварочных автоматов возможно самое различное — от самоходных сварочных тракторов до подвесных (на монорельсе) самоходных сварочных головок.
При сварке под флюсом дуга горит под слоем порошкообразного, зернистого флюса, который полностью закрывает дугу и место плавления металла.
Электродом служит сварочная проволока. Флюс защищает расплавленный металл от газов воздуха и улучшает качество формирования шва. При этом отсутствуют излучение, разбрызгивание металла,
/мёныЦены 1 азивые выдолсния.
Б И ЕЛ ИОТЕ КА пре ф гесдоладьное училище № 129
18
Сварочные работы
Дуговая сварка под флюсом выполняется сейчас автоматами, хотя ранее применялись (ограниченно) и полуавтоматы.
Сварка порошковой проволокой выполняется в защитном газе (СО2), а также и без газовой защиты — когда проволока самоза-щитная, т. е. внутри заформован (закатан) порошок из смеси необходимых веществ. Сварка порошковой проволокой в углекислом газе не отличается по схеме от сварки сплошной проволокой в СО2.
Сварка в защитных газах выполняется как с подачей плавящейся проволоки, так и неплавящимся электродом и может быть ручной, механизированной и автоматической. В качестве защитных газов применяют углекислый газ (химически активный), аргон (инертный), азот (инертный для меди, бронзы), а также смеси газов (аргон + углекислый газ).
Сварка давлением — сварка без местного нагрева (холодная сварка, ультразвуковая сварка, сварка взрывом) и с местным нагревом для ускорения пластической деформации металла в зоне сварки, например, контактная сварка, сварка трением.
Сварка трением очень широко применяется в инструментальной, автомобильной промышленности и во многих отраслях машиностроения.
1.4. Соединения и швы
Все соединения элементов под сварку подразделяются на четыре основных вида: стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное, а швы делят на два вида: стыковые и угловые (рис. 11).
Сварное соединение состоит из сварного шва, зоны сплавления, зоны термического влияния и основного металла (рис. 12).
Тип сварного соединения и вид сварки назначает конструктор с указанием стандарта на сварку.
Например, ГОСТ 5264 предусматривает форму подготовки кромок и размеры шва для ручной дуговой сварки, ГОСТ 14771 — на сварку в защитном газе.
Достоинство стыковых соединений — широкий диапазон соединяемых толщин металла, экономичность по металлу и элекгроэнер-
Глава 1. Основы теории сварки
19
гии; недостаток — необходимость точной сборки и обработки скосов кромок (фасок) под сварку.
Недостатком нахлесточных-еоединений является неэкономич-
ность расхода металла.
Величина нахлестки должна быть не менее трех толщин металла (который тоньше). Силовой поток в нахлесточном соединении от
в
ж
Рис. 11. Виды сварных соединений:
а, б — стыковое; в — стыковое отбортовочное; г — нахлесточное; д — угловое; е — тавровое; ж— прорезное; з — торцовое
20
Сварочные работы
Рис. 12. Схема сварного соединения:
1 — сварной шов; 2 — зона сплавления; 3 — зона термического влияния (ЗТВ), 4 — изделие
рабочей нагрузки проходит не по одной прямой линии, как это происходит в стыковом соединении, поэтому нахлесточное соединение хуже работает при переменных или динамических нагрузках. Недостатком нахлесточного соединения является и возможность попадания влаги между листами. К преимуществам нахлестки относятся простота сборки, отсутствие фасок под сварку, меньшая точность сборки.
Форму подготовки кромок под сварку в зависимости от толщины и соединения указывает в ГОСТ.
Сварной шов — это конструктивный элемент сварного соединения, образованный затвердевшим после расплавления металлом по линии перемещения источника сварного нагрева.
Геометрическое очертание и размеры швов указаны в ГОСТ на каждый вид соединения и сварки (рис. 13).
Стыковой шов характеризуется шириной и усилением, глубиной провара, зазором в стыке, а угловой — катетом шва (рис. 13). Угловые швы имеются в тавровых, угловых и нахлесточных соединениях.
По форме наружной поверхности швы могут быть плоскими и выпуклыми. Вогнутые швы нежелательны, так как при остывании и кристаллизации металла шва часто появляются горячие трещины из-за воздействия растягивающих сил при усадке шва.
При остывании контур усиленного шва по линии 1—2—3 будет занимать положение, обозначенное пунктирной линией, которая
Глава 1. Основы теории сварки
21
Рис. 13. Сварные швы:
А — зазор; В — ширина шва; Н— высота шва (усиление); К— катет шва
короче первоначальной, и усадка будет проходить спокойно (см. рис. 13).
При вогнутом шве эти процессы будут протекать с удлинением кривой контура шва по пунктирной линии, металл либо должен удлиниться в зоне 1—4—3 по пунктирной линии, либо произойдет разрыв местный, поверхностный, не на всю глубину, образуя кристаллизационную трещину.
1.5. Виды подготовки кромок
При подготовке кромок к сварке выполняют три основных требования:
1. Зачистка кромок от коррозии и загрязнений, особо от масел.
2. Снятие фасок нужных размеров — в соответствии с ГОСТом на данный вид сварки.
3. Обеспечение зазоров, которые указаны в ГОСТе для конкретного вида соединения.
На кромках снимают фаски для обеспечения доступности сварочной дуги на всю толщину металла для обеспечения провара. При слишком большой толщине свариваемых кромок фаски делают криволинейными, чтобы не снимать обычными прямыми фасками излишки металла (на станке), который затем приходится возвращать путем сварки.
Виды подготовки кромок представлены на рис. 14.
Сварочные работы
Рис. 14. Виды подготовки кромок под сварку:
1 — со скосом двух кромок; 2 — со скосом одной кромки;
3 — с двумя симметричными скосами одной кромки; 4 — с двумя симметричными скосами двух кромок; 5 — с криволинейным скосом двух кромок;
6 — с двумя симметричными криволинейными скосами двух кромок; 7 — со скосом одной кромки; 8 — с двумя симметричными скосами одной кромки
На торцах свариваемых кромок оставляют притупления для предотвращения прожогов. При сборке стыков между кромками (притуплениями) всегда оставляют зазор, необходимый для провара.
Выбор формы подготовки кромок зависит от способа сварки, толщины металла, способа соединения элементов.
На каждый способ сварки существует стандарт на формы подготовки кромок, размеры швов и допускаемые отклонения от них. Например, ГОСТ 5264-80 — на ручную дуговую сварку; ГОСТ 14771-76 на дуговую сварку в защитных газах; ГОСТ 15164-68 — на электрошлаковую сварку; ГОСТ 15878-79 — на контактную сварку, и т. д.
Глава 1. Основы теории сварки 23
1.6. Система обозначения сварки
В конструкторской и технологической документации обозначение швов сварки применяют в соответствии с ГОСТ 2.312-72.
Обозначение сварки выполняется наклонной линией с односторонней стрелкой, а характеристика шва, способ сварки и прочее — указывается над или под горизонтальной полкой, которая смыкается с наклонной линией. Односторонняя стрелка указывает место шва. Если контур шва на лицевой стороне — видимый, то характеристика шва указывается над полкой, если шов невидимый — то под полкой линии — выноски, т. е. шов видимый
^шов невидимый.
Условное обозначение сварного шва состоит из вспомогательных знаков, обозначения стандарта на сварку, вида и способа сварки.
Применяются следующие вспомогательные знаки:
/ — прерывистый шов с цепным расположением участков;
— прерывистый шов с шахматным расположением участ-ков;
| — шов по незамкнутому контуру;
| — монтажный шов;
_ шов со снятым усилением;
(2) — шов по замкнутому контуру;
W. — шов, имеющий плавный переход к основному металлу.
Для обозначения видов и способов сварки используют буквенное обозначение:
Э — дуговая сварка. В связи с самым широким применением дуговой сварки буква Э на чертежах не проставляется;
Г — газовая сварка;
Ш — электрошлаковая сварка;
24
Сварочные работы
Глава 1. Основы теории сварки 25
И — сварка в инертных газах;
Вз — взрывом;
Пл — плазменная;
Кт — контактная;
У — в углекислом газе;
Тр — трением;
X — холодная сварка.
Виды соединений указываются соответствующими буквами — С, Т, Н, У (стыковое, тавровое, нахлесточное, угловое). Цифры после буквы указывают номер соединения по соответствующему ГОСТу на сварку. Под этим номером изображены форма соединения и размеры шва.
Примеры обозначения сварки:
ГОСТ 5264-80-А8-50/150- кду -
означает, что сварка ручная, катетом 8 мм, прерывистый цепной шов, провар 50 мм, пропуск 100 мм, так как L/t — это шаг сварки по ГОСТ, где L —
длина шва, a t — это шаг сварки, в который входит шов, и пропуск — участок без шва. Самая распространенная ошибка сварщиков, когда проваривают 50 мм, а пропускают 150 мм. L/t — обозначение прерывистого шва (цепного).
ГОСТ 14771-76-Т4-УПА6-507150 — означает, что шов на неви
димой стороне, сварка в защитном газе, шов таврового соединения № 4 по ГОСТ 14771-76, в углекислом газе, полуавтоматическая сварка, катетом 6 мм, прерывистым швом шахматного расположе
ния, по всему контуру.
Когда на сварном узле несколько одинаковых сварных швов, то первое обозначение сварки нумеруют на наклонной части линии-выноски, а в остальных местах такой же сварки наносят наклонную
линию обозначения ее, а над линией проставляют номер обозначе-
ния этой сварки. Например,
3 № 1
~] ГОСТ 5264-80A6-ZJ -означает, что с этой характеристи-кой шва сварка еще в трех местах
(3 № 1) на чертеже узла, шов монтажный (при монтаже — вне цеховых условий), катетом 6 мм, по не-
замкнутому контуру.
1.7. Сварочная дуга
Электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов и паров металла с выделением теплоты, звуковой и лучистой энергии называется сварочной дугой.
Для получения длительного дугового разряда в газе необходима достаточная сила тока.
Хорошим источником тока считается тот, который расплавляет свариваемые кромки при минимальной температуре.
Для сварки металлов обычно используется электрическая дуга прямого действия, когда одним электродом является металлический или угольный стержень, а вторым — свариваемое изделие. Электропитание может быть от источников постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Свойства дуги зависят от рода тока, полярности, характеристики источника тока, состава атмосферы, дугового промежутка, состава расплавленного металла, режима сварки.
В сварочной технике различают дугу свободную и сжатую.
Свободная — когда дуга горит между электродами и изделием на воздухе, сжатая — когда поперечное сечение дуги принудительно уменьшено.
Свободная дуга состоит из трех зон: 1 — катодной, с катодным пятном; 2— анодной, с анодным пятном, бомбардирующимся электронным (т. е. минусовым) потоком; 3— столба дуги в промежутке между катодной и анодной зонами (рис. 15).
26
Сварочные работы
Рис. 15. Строение дуги:
1 — катодное пятно;
2 — анодное пятно;
3 — столб дуги
Температура в столбе свободной дуги — 7000°С, на анодном, катодном пятне — до 1900°С. Этой разностью температур объясняется нерасплавля-емость вольфрамового электродного стержня, у которого температура плавления более 3000°С.
Процесс образования электри
чески заряженных частиц (электронов и ионов) в межэлектродном
пространстве называется ионизацией, а газ, в котором появились
заряженные частицы, делается электропроводным и называется ионизированным газом.
Основным фактором, вызывающим ионизацию, является высокая температура газа, поддерживаемая энергией электрического тока. Степень ионизации столба дуги очень высока. Сильно ионизированный газ столба называют электронной плазмой и его (газа) электропроводность приближается к электропроводности металлов.
Чем больше заряженных частиц в газе, тем выше его ионизация. Дуговой разряд существует за счет эмиссии, т. е. выхода электронов. Заряд электрона постоянный.
Энергия, затраченная на отрыв электрона от атома, а значит, и на образование положительного иона, называется работой ионизации. Эта работа, выраженная в электронвольтах (эВ), называется потенциалом ионизации. Величины потенциалов для различных материалов колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные материалы (кальций, калий, натрий) и их соединения.
Для повышения степени ионизации, а значит, для стабилизации горения дуги, в дуговой промежуток (через обмазку электродов или флюс) вводят элементы с малым потенциалом ионизации. Чем ниже потенциал ионизации, тем легче оторвать электрон с электронной оболочки, т. е. получить свободный электрон, тем легче стабилизировать электрическую дугу.
Но от потенциала ионизации зависит температура столба дуги: чем выше потенциал, тем выше температура. Потенциалы ионизации некоторых элементов следующие (в эВ): калий — 4,32 ; натрий
Глава 1. Основы теории сварки
27
— 5,12; алюминий — 5,96; хром — 6,74; марганец — 7,6; железо — 7,83; кремний — 7,94; углерод — 11,24; углекислый газ — 14,3; аргон — 15,7; азот — 14,51.
Длина дуги — это расстояние от конца электрода до поверхности сварочной ванны и обычно равно 2—6 мм. Дуга длиной более 6 мм считается длинной.
Между температурой столба дуги и потенциалом ионизации найдена зависимость в форме числа 810, т. е.
Тс = 810 х ГэВ,
где Тс — температура столба дуги в "Кельвина; КэВ — потенциал ионизации данного вещества.
При сварке покрытыми электродами температура столба дуги намного не достигает температуры, необходимой для полной ионизации газов в дуговом промежутке.
Из нескольких видов эмиссии электронов следует отметить две, особенно заметные при сварке: термоэлектронную и автоэлектронную.
Термоэлектронная эмиссия, или электронная эмиссия нагретого катода, происходит от нагревания металла до высокой температуры, при этом ослабляется связь электрона с ядром атома и под влиянием электростатического поля электрон отрывается с поверхности катода и устремляется к аноду. Термоэлектронная эмиссия достигает очень высоких значений у тугоплавких материалов (угольный, графитовый, вольфрамовый электроды).
У стальных и медных катодов электронная (термоэлектронная) эмиссия нагретого катода незначительна.
Автоэлектронная эмиссия — или эмиссия холодного катода, создается появлением электрополя очень высокой напряженности в тонком слое у поверхности катода. Для стальных и медных катодов эта эмиссия имеет решающее значение. Она происходит независимо от температуры электрополя, за счет его энергии.
Другие факторы, вызывающие электронную эмиссию на катоде, в условиях сварочной дуги имеют второстепенное значение.
Электрическая дуга — это неоднородный проводник, включенный последовательно в сварочную цепь. Общее падение напряже
28
Сварочные работы
ния, равно сумме падений напряжения в катодной, анодной областях и в столбе дуги (рис. 16):
U = U xU + U . д к а с
Рис. 16. Падения напряжения на дуге:
UK — в катодной области, Ua — в анодной области, Uc — в столбе дуги, L6 — длина дуги
Катодное и анодное падения напряжения зависят от материала электрода и свариваемого изделия, свойств газовой среды и других показателей; для каждого данного процесса они постоянны. Падение напряжения в столбе дуги зависит от ее длины. При сварке стали металлическим электродом напряжение на дуге составляет 18—30 В, угольным электродом — 30—40 В. Для возбуждения дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 40—60 В. Это напряжение называется напряжением зажигания.
Участки статической вольт-амперной характеристики дуги (рис. 17)
Рис. 17. Статическая вольт-амперная характеристика дуги
Участок 1 — характеристика дуги падающая, напряжение падает, ток возрастает, катодное пятно и поперечное сечение дуги увеличиваются.
Участок 2 — плотность тока в столбе постоянна, так как сечение столба дуги увеличивается пропорционально току, поэтому напряжение дуги постоянно. Характеристика дуги этого участка называется жесткой; она обеспечивает устойчивый процесс сварки.
Участок 3 — когда сечение столба дуги уже не может увеличивать-
ся, плотность тока возрастает с увеличением тока, а проводимость дуги остается постоянной, это вызывает увеличение напряжения дуги. Характеристика называется возрастающей.
Глава 1. Основы теории сварки
29
Электрическая дуга переменного тока может гаснуть и вновь зажигаться один раз в течение каждого периода. Во время этих перерывов будет уменьшаться (прерываться) и степень ионизации дугового промежутка, что снизит устойчивость дуги. Для повторного зажигания дуги требуется несколько большее напряжение, чем напряжение горения.
Для повышения устойчивости дуги переменного тока применяют повышенное напряжение зажигания (по сравнению с постоянным током), введение в покрытия электродов элементов с низким потенциалом ионизации и включение в сварочную цепь индуктивного сопротивления для сдвига нулевого значения тока относительно нулевого значения напряжения.
1.8. Тепловая мощность дуги
Нагрев
Тепловую энергию сварочная дуга получает за счет превращения электрической энергии, которая составляет 0,24 U • I кал/с, где 0,24 кал/Вт • с — коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые. U • I — напряжение и ток дуги.
Эффективная (действующая) тепловая мощность дуги всегда меньше ее полной мощности на величину непроизводительных потерь тепла в окружающую среду, разбрызгивание, нагрев электрода, и т. д.
Эффективный коэффициент полезного действия Кэ показывает, какая часть тепла используется на расплавление металла. При сварке металлическими электродами Кэ = 0,7—0,75; при сварке под флюсом Кэ = 0,8—0,95.
Нагрев при электрошлаковой сварке осуществляется за счет расплавленного, сильно перегретого токопроводящего шлака, который находится в зазоре между свариваемыми деталями. Температура шлака превышает 2000°С. При прохождении электрического тока от электрода к расплавленному металлу происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая мощность, так же как
30
Сварочные работы
и при электродуговой сварке, равна 0,24 U • I кал/с. Почти вся электрическая мощность расходуется на расплавление шлака, электрода и кромок основного металла.
Тепловая эффективность
Эффективность оценивается коэффициентом расплавления ар и коэффициентом наплавки ан. Коэффициент расплавления ар зависит от количества теплоты, передаваемой от дуги к электроду, и показывает массу расплавленного электродного металла, приходящуюся на один ампер тока в течение часа горения дуги, и имеет размерность г/А ч. Он зависит от плотности тока, состояния покрытия электрода и полярности тока на электроде. Но расплавленный металл электрода не полностью переносится в шов, а частично теряется на разбрызгивание, испарение и угар в процессе горения дуги. Эти потери и учитывает коэффициент наплавки ан, который всегда меньше коэффициента расплавления на величину потерь. Обычно ан < ар на 1—3 г/А ч.
На состояние ан и ар влияет состав электродного покрытия и иногда они могут быть почти равны. Потери электродного металла составляют 3—20%. Потерь меньше 3% не бывает, а при потерях более 20% сварка электродами становится невыгодной.
1.9. Магнитное дутье
Это явление создает иногда серьезные препятствия качественной сварке, так как дуга отклоняется от нужной зоны и процесс образования шва нарушается.
Магнитное дутье — это воздействие на сварочную дугу магнитным полем при взаимодействии магнитного поля изделия и магнитного поля электрода, которое приводит к отклонению дуги от оси электрода и от зоны сварки (рис. 18). Это явление присуще сварке при постоянном токе и становится заметным при сварочном токе более 150 А, а при повышенном сварочном токе оказывает большое воздействие и отклоняет дугу от оси электродов в сторону более близких к дуге ферромагнитных масс, так как эти массы имеют
Глава 1. Основы теории сварки
31
меньшее сопротивление для замыкания магнитного потока (поля), чем воздух.
Это явление создает серьезные трудности при выполнении шва. Все проводники, по которым протекает электрический ток, чувствительны к магнитным полям, сами проводят магнитные поля. Эта чувствительность относится и к сварочной дуге. Собственное магнитное поле — это поле, которое возникает при прохождении электрического тока по собственным элементам сварочной цепи, в состав которой входят электропровод, электрод, сварочная дуга. На величину магнитного дутья влияют конфигурация и расположение деталей, а также толщина металла и сила сварочного тока. Если магнитное дутье отсутствует, значит, сварочная дуга расположена симметрично и горит, являясь продолжением электрода, т. е. вдоль его оси.
Дуга отклоняется влево, так как вокруг нее образуется несимметричное магнитное поле. С правой части дуга более концентрированна, поэтому появляется равнодействующая, называемая силой бокового распора. Сила распора появляется с той стороны, где происходит сложение магнитных потоков, где больше плотность магнитного поля на конкретном участке при несимметричном подводе тока второго сварочного провода (см. рис. 18).
Направление отклонения не зависит от полярности, но зависит от симметричности магнитного поля, неравномерности распределения тока по изделию, конфигурации изделия, наличия зазоров, сочетания деталей в сварном узле. Сила, отклоняющая дугу, прямо
32
Сварочные работы
пропорциональна квадрату рабочего тока (т. е. чем больше, тем больше). Магнитное дутье весьма значительно при сварочном токе более 450 А, особенно при питании дуги постоянным током, а при переменном токе оно невелико. В нормальных условиях дуга стремится сохранить направление по оси тока. Это явление практически используется для изменения направления магнитного дутья и для уменьшения вредного его воздействия на процесс сварки, путем наклона электрода в нужную сторону.
Магнитное дутье иногда бывает полезным и нужным, например при сварке дугой косвенного действия, когда оно позволяет осуществлять подвод тепла дуги к изделию (рис. 19). Без использования явления магнитного дутья было бы трудно подвести тепло дуги к изделию. Изменением угла а между электродами изменяется и степень воздействия дуги, т. е. давление и касание дуги изделием.
Способы уменьшения магнитного дутья
Наличие в зоне дуги ферромагнитных масс приводит к искажению симметричности магнитного поля и появляются силы, действующие на дугу. При отклонении электрода от оси свариваемых кро
Глава 1. Основы теории сварки
33
мок плотность магнитного поля изменяется, так как замыкание магнитного потока происходит на ближнюю кромку сварного стыка и от этого появляется составляющая (сила) бокового распора, которая отклоняет дугу (рис. 20).
Дуга искажается в сторону большей массы за счет появления отклоняющей силы. При выведении шва на край листа (пластин) дуга резко
Рис. 20. Отклонение дуги
отклоняется в сторону массы — это называется краевым эффектом. Для обеспечения качества шва в таких случаях пристыковывают выводные технологические пластины. Иногда бывает такое сочетание свариваемых деталей, когда до 50% расплавленного металла электрода с дугой сносит магнитным дутьем в сторону от шва.
Уменьшить действие магнитного дутья на дугу можно измене
нием места подвода тока, наклоном электрода в сторону отклонения дуги, уменьшением длины дуги, временным размещением ферромагнитных масс в нужном месте (рис. 21), а также использова
нием переменного тока для сварки.
Пунктиром показаны ферромагнитные массы.
Рис. 21. Временное размещение ферромагнитных масс (пунктир) с целью создания симметричного магнитного поля
34 Сварочные работы
1.10. Сварочное пламя
Сварочное пламя — это горящая смесь газов: кислорода (воздуха) с каким-либо горючим газом (горючими парами). При этом пламя имеет очень высокую температуру. Такое пламя применяется для сварки, резки, пайки, наплавки уже более ста лет. В качестве горючей смеси применяют ацетилен, пропан-бутан и другие горючие газы в смеси с чистым кислородом.
Процесс газовой сварки был открыт в 1895 г. французским химиком Анри Луи ле Шателье, который показал, что сгорание равных объемов кислорода и ацетилена образует пламя, имеющее температуру намного выше, чем температура пламени других известных газов.
В России способ газовой сварки был продемонстрирован в 1906 г. в Московском высшем техническом училище. Позднее первые газосварочные установки появились на заводах Москвы и Петербурга, а с 1910 г. газосварочные посты работали уже на нескольких уральских заводах.
В 20-е годы XX в. газовая сварка стала основным видом сварки. В 1929 г. был создан Комитет по автогенному делу, а в 1944 г. он был преобразован в Институт автогенного машиностроения — ВНИИАвтогенмаш. В настоящее время в связи с развитием других, более производительных и совершенных видов сварки газовая сварка в промышленности применяется в меньших объемах — до 15%), но есть определенные виды работ по сварке, пайке, наплавке, где газокислородое пламя бывает незаменимым или самым удобным и доступным за счет своих достоинств. Например, наплавка латуни на стальную основу (поршни, штоки гидросистем), пайка различных изделий, в том числе и в серийном производстве, в ремонтных работах, а также при сварке деталей малых толщин и габаритов.
Ацетиленокислородное пламя имеет большое значение для сварочной техники. Полное сгорание ацетилена происходит по уравнению
С2Н2 + 5/2О2 = 2СО2Т + Н2О.
Это уравнение дает лишь состав начальных и конечных продуктов сгорания ацетилена и не отражает сложных промежуточных
Глава 1. Основы теории сварки
35
процессов в пламени. Схематически процесс сгорания ацетилена в смеси с кислородом можно в грубой приближенности разделить на две стадии. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы по уравнению
С2Н2 + О2 = 2С + Н2 + О2, а затем начинается первая стадия сгорания ацетилена и процесс окисления углерода по уравнению:
2С + Н2 + О2 = 2СОТ + Н2.
Во второй стадии СО окисляется в СО2, а Н2 в Н2О:
2СО + Н2 + 3/2О2 = 2СО2Т + Н2О.
В первой стадии горения кислород называется первичным и в сварочное пламя вводится в технически чистом виде из баллона. Для второй, заключительной стадии горения, кислород, называемый вторичным, в сварочное пламя поступает главным образом из окружающего атмосферного воздуха. Обе стадии горения ацетилена в кислороде экзотермичны. Наивысшая температура развивается в зоне пламени, где происходит первая стадия сгорания ацетилена по реакции
СН2 + О2 = 2СОТ + Н2Т.
В соответствии с уравнением первой стадии горения кислород и ацетилен должны подаваться в горелку в равных объемах, т. е. должно сохраняться объемное соотношение
О2:С2Н2=1.
В действительности, как показывает опыт, для полного окисления углерода в СО в первой стадии горения приходится давать в пламя больше кислорода, и соотношение
О2: С2Н2 = 1,1-1,2.
Это объясняется тем, что уравнение не отражает полностью процесса, протекающего в первой стадии горения. Раскаленные твердые частицы углерода ярко светятся, поэтому оболочка ядра является самой яркой частью сварочного пламени, несмотря на то, что ее температура относительно невысока и не превышает 1500’0 Ядро называется первой зоной пламени (рис. 22).
36
Сварочные работы
Рис. 22. Сварочное пламя:
1 — ядро пламени; 2 — восстановительная зона; 3 — факел пламени
Внешний вид ядра 7 является индикатором для визуального определения состава газовой смеси и исправности горелки. Зона 2 — самая важная часть сварочного пламени, т. е. собственно сварочная зона, так как в ней развивается наивысшая температура. Эта зона называется восстановительной. Факел (хвост) пламени образует зону 3, в которой стадия горения протекает за счет кислорода из атмосферного воздуха, равного ~ 1,5 объема. Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется 2,5 объема кислорода: 1 объем поступает из кислородного баллона и 1,5 объема — из атмосферного воздуха.
Атмосферный воздух вводит в пламя вместе с кислородом и азот, а реакция приближенно протекает по уравнению
2СО + Н2 + 3/2О2 + 6N2 = 2СО2Т + Н2О + 6N2T.
Это более точный состав газов наружной зоны.
В этой зоне помимо азота имеется двуокись углерода СО2 и пары воды, которые при высоких температурах окисляют железо, поэтому факел пламени называется окислительной зоной. При увеличе
нии содержания кислорода или уменьшении содержания ацетилена в смеси форма и строение пламени меняются, особенно заметны изменения ядра пламени. При избытке кислорода ядро бледнеет, приобретая синеватую окраску и заостренную форму. Пламя с избытком кислорода имеет более высокую температуру. С увеличени
ем содержания ацетилена в пламени реакция окисления замедляет
ся, поэтому ядро пламени удлиняется, очертания увеличенного ядра
Глава 1. Основы теории сварки
37
становятся размытыми и теряют четкость. При значительном избытке ацетилена пламя становится коптящим, удлиняется и приобретает красноватую окраску.
Сварочная зона нормального пламени состоит в основном из смеси СО и Н2, восстанавливает железо из оксидов и мало влияет на содержание углерода в расплавленной стали. Такое пламя называется восстановительным по отношению к оксидам металла и нейтральным по отношению к углероду в металле.
Вещество, содержащее элемент, отдающий электроны, называется восстановителем.
Окисление состоит в потере электронов окисляющимся веществом, а вещество, в состав которого входит элемент, присоединяющий электроны, называется окислителем.
Наивысшая температура ацетиленового пламени сосредоточена на небольшом участке, на расстоянии 2—5 мм от конца ядра и составляет 3100—3200°С. Участок пламени с этой температурой и используется для газовой сварки.
Тепловая мощность газового пламени, получаемого от сварочных горелок, условно оценивается расходом горючего газа (л/мин; л/ч). Газовое пламя является рассредоточенным источником теплоты, поэтому нагревает металл плавнее, медленнее, чем сварочная дуга, образуя при этом сравнительно широкую зону термического влияния около шва, ослабляя сварное соединение.
Контрольные вопросы к главе 1
• ... • ..................-...- ............
1. Дайте понятие вида, способа и метода сварки.
2. Назовите виды швов в дуговой сварке.
3. Для чего снимают фаски с кромок под сварку?
4. Расскажите о температурных зонах сварочной дуги.
5. В чем причина отклонения дуги под влиянием магнитных полей?
6. В какой зоне наивысшая температура пламени газовой горелки?
ГЯШ 2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРКИ
2.1. Сварочная и наплавочная проволока
Сварочная и наплавочная проволока является специальной, так как стандартом к ней предусмотрены специальные требования по химическому составу, способу, точности изготовления и упаковки, в отличие от обычной товарной проволоки.
Для сварки плавящимися электродами, для наплавочных работ выпускаются:
• проволока стальная сварочная — ГОСТ 2246-70;
• проволока стальная наплавочная — ГОСТ 10543-82;
• проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов - ГОСТ 7871-75;
• прутки чугунные для сварки и наплавки — ГОСТ 2671-70;
• проволока порошковая сварочная и наплавочная — по техническим условиям.
• голая сплошная легированная проволока — по техническим условиям.
Стальная и алюминиевая сварочная проволока применяется для изготовления электродов для ручной сварки, а также для полуавтоматической и автоматической сварки в среде защитных газов и под флюсом.
ГОСТ 2246-70 содержит 77 марок стальной сварочной проволоки разного химического состава: 6 марок из низколегированной стали (Св-08: Св-08А; Св-08АА: Св-08ГА; Св-ЮГА; Св-10Г2), 30 марок из легированной стали (Св -08ГС; Св-08Г2С: Св-18 ХГС и
Глава 2. Материалы для сварки
39
др.), 41 марку из высоколегированной стали (Св-12Х11НМФ; Св-10Х17Т: Св-06Х19Н9Т и др.).
В проволоке из низкоуглеродной стали содержание углерода допускается не более 0,2%. В легированной стали легирующих элементов содержится от 2,5 до 10%, в высоколегированной — более 10%.
Буквы и цифры в написании марок проволоки обозначают: Св — сварочная, цифра после Св — содержание углерода в сотых долях процента, например, 08 означает — 0,08% углерода, А — пониженное, АА — еще более низкое содержание серы и фосфора: буквы — условные обозначения легирующих элементов; цифры после буквенных обозначений — среднее содержание легирующих элементов в процентах. Химические элементы в сталях условно обозначаются следующими буквами: алюминий — Ю, азот — А (только в высоколегированных сталях), бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам — В, кремний — С, кобальт — К, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б, титан — Т, хром — X, цирконий — Ц.
Стальную сварочную проволоку для всех видов сварки плавлением и изготовления электродов выпускают следующих диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм.
В ГОСТе указаны все требования к способу изготовления, маркировки проволоки, к точности изготовления, упаковке и поставке. ГОСТ 2246 распространяется на холоднотянутую гладкую проволоку.
Проволока поставляется свернутой в мотки с внутренним диаметром от 150 до 750 мм, массой от 1,5 до 40 кг, а также намотанной на катушки или кассеты, иногда с омедненной поверхностью. Каждый моток или бухту проволоки снабжают металлической биркой, на которой указано наименование завода-изготовителя, условное обозначение проволоки, номер партии, клеймо технического контроля. Каждая партия проволоки сопровождается сертификатом (удостоверением) качества. Проволока с диаметром от 2,0 до 6,0 мм используется в основном для изготовления электродов для ручной сварки; от 0,8 до 5,0 мм — для механизированной и автома
40
Сварочные работы
тической сварки под флюсом и в защитных газах. Проволока больших диаметров — для наплавочных работ.
Сварочная проволока из алюминиевых сплавов выпускается диаметром от 0,8 до 12,0 мм более 10 различных марок.
В последние 25 лет на многих передовых предприятиях широко применяются сварка и наплавка порошковой проволокой, применение которой заметно улучшает механические свойства и внешний вид швов, а также уменьшает разбрызгивание; увеличивается глубина проплавления, уменьшаются деформации.
Порошковая проволока представляет собой трубку, свернутую из стальной ленты размером 0,2 х 20 мм и заполненную порошком из газообразующих и шлакоббразующих компонентов. Сечения трубки делаются при закатке сложными, чтобы придать жесткость проволоке и максимально исключить возможность смятия ее между подающими роликами при прижиме для подачи.
Все основные марки порошковых проволок разработаны в Институте электросварки им. Е.О. Патона в Киеве под руководством И. К. Походни. Он возглавил организацию промышленного производства различных .марок проволоки. Основным изготовителем (и одним из первых) в России является Череповецкий сталепрокатный завод. Это предприятие имеет высокий технический уровень и обеспечивает выпуск порошковой проволоки высокого качества. Она выпускается по техническим условиям.
Порошковую проволоку выпускают для сварки открытой дугой (самозащитную) и для сварки в среде защитного газа (СО2 или смеси инертных газов), а также наплавочную — для получения твердосплавного слоя.
Сварку порошковой проволокой применяют в основном для углеродистых и низколегированных сталей со средними и тяжелыми режимами работы конструкций.
Порошковая проволока применяется для полуавтоматической сварки, наплавки с использованием стандартных подающих механизмов, но лучше — с двумя парами роликов, во избежание смятия (сплющивания) проволоки по сечению, которое практически прекращает ее подачу.
Порошковая проволока выпускается диаметром 2,2; 2,5; 3,2 мм.
Глава 2. Материалы для сварки
41
Стальная наплавочная проволока (сплошного сечения) выпускается диаметром от 0,3 до 8 мм, из углеродистой стали — 9 марок (Нп-25, Нп-40 и др.), из легированной стали-11 марок (Нп-40Г, Нп-50Г, Нп-30 ХГСА и др.), из высоколегированной стали — 11 марок (Нп-20X14, Нп-30X13, Нп-ЗОХЮПОТ и др.). Проволока используется для наплавки под флюсом, в защитных газах, для электрошлаковой наплавки и изготовления покрытых электродов для ручной наплавки. Марку проволоки выбирают в зависимости от назначения и требуемой твердости наплавленного металла.
Твердые сплавы отличаются высокой твердостью. Они сохраняют свою рабочую твердость при нагревании до высоких температур. Некоторые твердые сплавы не поддаются отпуску и не могут быть смягчены термической обработкой, поэтому механическая обработка таких твердых сплавов возможна лишь на наждачном камне. Твердые сплавы при высокой твердости, естественно, обладают малой пластичностью и отличаются хрупкостью, поэтому плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Хрупкость твердых сплавов сохраняется и при высоких температурах, им свойственно образование мелких (волосных) трещин по наплавке.
Твердые сплавы можно разделить на две группы:
1 ) литые сплавы, или стеллиты, 2) порошкообразные, или зернообразные продукты.
Основой всех твердых сплавов являются прочные карбиды металлов, не разлагающиеся и не растворяющиеся при высоких температурах. Особенно важны для твердых сплавов карбиды вольфрама, титана, хрома, частично марганца. Карбиды металлов слишком хрупки и часто тугоплавки, поэтому для образования твердого сплава зерна карбидов связываются подходящим металлом. В качестве связки используются железо, никель, кобальт.
2.2. Электроды
Сварочный электрод — это электропроводный стержень с нанесенной на него специальной обмазкой (покрытием), либо без покрытия.
42
Сварочные работы
Применяемые электроды в промышленности бывают плавящимися и неплавящимися.
Они мотуг быть металлическими или угольными, в форме стержня или пластины (ленты). Электрод находится в сварочной цепи в последовательном соединении, подводит ток к дуге, поддерживает горение дуги и расплавляет свариваемые кромки.
На начальном этапе применения сварки в промышленности широко использовались электроды с тонкой стабилизирующей обмазкой, которая обеспечивала устойчивое горение дуги. Обычно в качестве обмазки использовался размолотый мел, замешанный на водном пастообразном растворе жидкого (растворимого) стекла, т. е. силиката натрия, обладающего клеящими свойствами. Силикат натрия (конторский клей) выполняет роль связующего и стабилизирующего компонента. Электродные стержни погружают в пасту, затем медленно вытаскивают и устанавливают, например, на доску в вертикальном положении для подсушки.
Жидкое стекло — это силикат, т. е. соль кремниевой кислоты щелочных металлов, является почти единственным применяемым веществом для всех типов электродных обмазок. Качество жидкого стекла определяется его модулем, который равен молекулярному отношению содержащейся в нем двуокиси кремния и щелочи:
m = SiO2/Na2O.
От модуля жидкого стекла зависит клеящая способность стекла, возрастающая с увеличением модуля. Для электродных смазок применяется жидкое натриевое стекло с модулем от 2,2 до 3,0.
В целях проверки пригодности и приемлемости различных материалов для электродных покрытий в ИЭС им. Патона К.К. Хреновым были выполнены (до 1940 г.) важные опытные работы. Он опытным путем установил влияние различных соединений калия и натрия на устойчивость горения дуги. Во всех случаях соединения калия (потенциал ионизации 4,3 эВ) дает устойчивость дуги более высокую, т. е. длину дуги после естественного разрыва при неподвижных электродах, чем аналогичные соединения натрия (потенциал ионизации 5;1 эВ). Этими опытами были выявлены элементы и соединения, резко понижающие устойчивость горения дуги.
Глава 2. Материалы для сварки
43
К гасителям дуги относится вода, поэтому сырые электроды плохо пригодны для сварки. Не рекомендуются также для обмазок вещества, содержащие кристаллическую воду или сильно гигроскопичные. Гасят дугу хлор и фтор и их соединения. Мел ионизирует дугу до длины 9 мм и, как более доступный и менее вредный для здоровья рабочего, прежде широко применялся для обмазки. Но при меловой обмазке процесс сварки проходит без защиты от воздействия атмосферного воздуха, поэтому механические свойства шва невысокие. Меловые электроды относились к типу Э-34, т. е. временное сопротивление на разрыв 34 кгс/мм2. Угол загиба металла шва был небольшой — 50°, а шов имел содержание азота в 50 раз больше, чем основной металл. Увеличивалось в 5—10 раз и содержание кислорода в шве, уменьшалось содержание углерода в 4 раза. Электроды для сварки с меловой обмазкой (меловые) применялись для сварки неответственных конструкций.
С 1935 г. началось промышленное применение электродов с так называемой качественной обмазкой, или, как их тогда называли — качественных электродов, так как они имели сложную по составу обмазку и резко улучшали качество сварки.
В настоящее время термин «качественные электроды» утратил смысл, так как электроды с меловой обмазкой давно не производятся.
Общее назначение электродных покрытий — это обеспечение стабильности горения сварочной дуги и получение сварного шва высокого качества.
Изобретение качественных электродных обмазок и их промышленное освоение является крупнейшим достижением сварочной техники мирового масштаба.
Покрытие (обмазка) электродов состоит из нескольких, разных по назначению, компонентов (материалов) и наносится на металлический стержень толщиной от 1 до 3 мм, вес обмазки не менее 15—20% от веса электродного стержня. Покрытие — это смесь порошкообразных материалов на клеящем растворе.
Сварка покрытыми электродами улучшает химический состав и механические свойства шва, поскольку при расплавлении они
44
Сварочные работы
создают шлаковую и газовую защиту сварочной ванны от вредного влияния кислорода и азота атмосферного воздуха, а также обеспечивают устойчивость горения дуги, очищают металл шва от вредных примесей и легируют его для улучшения свойств. Сварка покрытыми электродами называется ручной потому, что две обязательные операции процесса, т. е. подача электрода в зону дуги и перемещение дуги по изделию с целью образования шва, сварщик выполняет вручную. Ручной сваркой покрытыми электродами можно выполнять швы в любом пространственном положении и в труднодоступных местах. При ручной дуговой сварке электродом является стержень круглого сечения различной длины и диаметра. При механизированной дуговой сварке в качестве электрода применяют сварочную проволоку сплошного сечения и порошковую — с закатанным внутрь стержня порошком.
Защита расплавленного металла от кислорода и азота воздуха при сварке достигается газами и шлаками, которые образуются из покрытия в зоне дуги. Для устойчивого горения дуги, для образования газовой защиты в покрытия вводят целлюлозу и другие органические вещества, обладающие малой величиной потенциала ионизации, главным образом соли щелочноземельных металлов: рутил (ТЮ2), полевой шпат, содержащий некоторое количество солей щелочных металлов, калиевое и натриевое жидкое стекло.
Для металлургической обработки сварочной ванны в качестве легирующих компонентов в состав электродных покрытий вводят ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и другие ферросплавы.
Электроды должны удовлетворять следующим технологическим требованиям:
• легкое зажигание и устойчивое горение сварочной дуги;
• равномерное расплавление покрытия;
• отсутствие трещин в металле шва;
• равномерное покрытие шва шлаком и легкое его удаление.
Стандартом установлены требования к прочности покрытия и равномерности его нанесения, т. е. ограничения по его разнотол-щинности, а также методы испытания сварных соединений и швов.
Требуемые свойства шва обеспечиваются следующими действиями покрытий.
Глава 2. Материалы для сварки
45
• Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла от кислорода и азота атмосферного воздуха. К газообразующим компонентам обмазок относятся древесная зола, крахмал, пищевая мука, хлопчатобумажная пряжа, декстрин, целлюлоза.
• Раскисление металла сварочной ванны, т. е. связывание кислорода, находящегося в шлаках. Раскислителями служат в основном металлы, обладающие большим сродством с кислородом, чем железо: марганец, титан, молибден, хром. Эти металлы вводятся в обмазку в виде ферросплавов. Раскислителем служит также ферросилиций и алюминий.
• Шлаковая защита от воздействия кислорода и азота воздуха. Шлак создает оболочку вокруг жидкого металла, переходящего с электрода в сварочную ванну. Шлаковое покрытие уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствуя выходу из него газов и неметаллических включений за счет замедленного остывания ванны. Шлакообразующими компонентами обмазок являются титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок и др.
• Легирование металла шва для улучшения механических, физических и химических свойств, т. е. введение в него таких элементов, как хром, марганец, кремний, молибден, титан, ниобий и др. Легирование металла шва иногда производится с применением специальной проволоки, содержащей нужные элементы. Шире применяют легирование металла шва введением элементов в обмазку. Легирующие компоненты — ферросплавы, иногда — чистые металлы.
Для повышения производительности сварки в электродные покрытия иногда вводят железный порошок. Он улучшает технологические свойства электродов, облегчает повторное зажигание дуги, уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла.
Электродные покрытия различаются по характеру шлака. По химическому составу шлаки, полученные при расплавлении электродных обмазок, могут быть разделены на кислые и основные. Для обмазок применяется оба типа. Преобладание кислотных или основных оксидов делает шлак соответственно кислым или основным.
46
Сварочные работы
Кислые шлаки могут уменьшать содержание кислорода в наплавленном металле — происходит непрерывный переход закиси железа FeO из металла в шлак, т. е. процесс раскисления металла кислым шлаком.
Обмазки, дающие шлаки сильно основного характера, с большим содержанием окиси кальция СаО, обеспечивают получение наплавленного металла особенно высокого качества. Шлаки основного характера не производят раскисление металла, и для уменьшения содержания кислорода в ванне обмазка содержит сильные раскислители (кремний, титан) в форме ферросплавов.
Важны и физические свойства шлака. Температура плавления шлака должна находиться в пределах 1100— 1200°С, шлак должен обладать малой вязкостью, большой подвижностью и жидкотекучестью для правильного формирования сварного шва. Шлаки не имеют строго определенной температуры плавления. Например, обмазка электродов УОНИИ13 дает шлак основного характера и состоит из следующих компонентов: мрамор СаСО3 — 53%, плавиковый шпат CaF2 — 18, кварц SiO2 — 9, ферромарганец — 2, ферросилиций — 3, ферротитан — 15%. Жидкое стекло (водный раствор плотностью 1,4) — 30 частей на 100 частей сухой смеси (по весу). Электроды УОНИИ13 имеют малую склонность к образованию трещин в наплавленном металле и в ЗТВ (зоне термического влияния). Образование трещин в металле связывается с влиянием водорода. Водород в атомарной форме диффундирует в металл и восстанавливает имеющуюся там закись железа с образованием паров воды. Пары воды, имеющей молекулу значительных размеров, не могут диффундировать сквозь металл и накапливаются в значительных размерах, развивают огромное давление и разрывают металл, образуя трещины. Источником водорода могут быть крахмал, влага и др. Электроды УОНИИ13 не содержат органических веществ и при сухой обмазке обеспечивают минимум водорода в шве, трещины не образуются.
Роль различных компонентов обмазки УОНИИ13 следующая. Основная составная часть — мрамор, представляющий собой углекислый кальций, при нагревании разлагается, образуя сильно основную окись кальция и газообразную двуокись углерода СО2,
Глава 2. Материалы для сварки
47
создающую защитную оболочку вокруг дуги. Двуокись углерода, заполняя зону сварки, вытесняет из нее водород и частично окисляет его в водяной пар. Окислительное действие двуокиси углерода компенсируется наличием сильных раскислителей в сварочной ванне. Как СО2, так и СО нерастворим в расплавленном металле.
Плавиковый шпат, представляющий собой почти чистый фтористый кальций, вводится в обмазку для понижения температуры плавления и уменьшения вязкости шлака. При разложении плавикового шпата образуется HF, нерастворимый в металле. Все указанные факторы сводят к минимуму содержание водорода в металле, что уменьшает образование пор и трещин. Электроды подобного типа иногда называют низководородными.
Кварц вводится для разжижения шлака и для уменьшения выгорания кремния в металле.
Ферромарганец и ферросилиций вводятся в обмазку для легирования металла шва, ферротитан действует как раскислитель и модификатор, улучшающий структуру шва.
Электроды УОНИИ13 (всех четырех модификаций) разработаны в ИЭС им. Патона под руководством инженера К.В. Петраня до 1940 г.
Электроды подразделяются на типы и марки. Тип электрода характеризует механические свойства или химический состав металла шва. Марка (промышленная марка) содержит название электрода, используемое в промышленном обиходе, и не содержит технической информации об электродах, но названием, как правило, зашифрована организация-разработчик.
К каждому типу электродов относится несколько различных промышленных марок.
2.3. Характеристики электродов
На все разновидности сварочных электродов, имеющих применение в промышленности, действуют государственные стандарты, в которых изложены общие и специальные технические требования.
48
Сварочные работы
Электроды для дуговой сварки сталей и наплавки изготовляют в соответствии с ГОСТ 9466-75, который содержит классификацию, размеры и общие технические требования.
По назначению электроды делятся по ГОСТ 9467-75 на следующие группы:
1. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 600 МПа — девять типов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60), обозначаются общим индексом У;
2. Для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа — пять типов (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150), индекс Л;
3. Для сварки легированных теплоустойчивых сталей — девять типов, индекс Т;
4. Для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами — 49 типов (ГОСТ 10052-75), индекс В;
5. Для наплавки поверхностей слоев с особыми свойствами — 44 типа (ГОСТ 10051-75), индекс Н.
Цифры в обозначении типов электродов для сварки конструкционных сталей показывают минимальный предел прочности металла шва.
По составу покрытия электроды подразделяются на: имеющие кислое покрытие, обозначается буквой А; основное покрытие — Б; целлюлозное — Ц; рутиловое — Р; смешанного типа — соответствующее двойное обозначение: прочие виды покрытий — П. Если покрытие содержит железный порошок в количестве более 20%, то к обозначению вида покрытия добавляется буква Ж.
Кислые покрытия А состоят в основном из оксидов железа и марганца (обычно в виде руды), кремнезема, ферромарганца. Электроды с кислым покрытием технологичны, однако наличие оксидов марганца делает их токсичными.
Рутиловые покрытия Р (электродыМР-3,АНО-4, ОЗС-6 и др.) имеют в своем составе преобладающее количество рутила Т1О2. Рутиловые покрытия технологичны, менее вредны для дыхательных органов сварщика, чем другие.
Глава 2. Материалы для сварки
49
Целлюлозные покрытия Ц состоят из целлюлозы, органической смолы, ферросплавов, талька и др. Эти покрытия удобны для сварки в любом пространственном положении шва, но дают наплавленный металл пониженной пластичности.
Основные покрытия Б (электроды УОНИИ13 и др.) не содержат оксидов железа и марганца. Например, покрытие марки УОНИИ 13/45 состоит из мрамора, плавикового шпата, кварцевого песка, ферросилиция, ферромарганца, ферротитана — в порошковом состоянии и замешанного на жидком стекле. ^Металл шва, выполненный электродами с основным покрытием, обладает повышенной пластичностью. Этими электродами сваривают ответственные конструкции^
Но толщине покрытия в зависимости от отношения диаметра электрода (D) к диаметру стального стержня (J) различают электроды:
• с тонким покрытием (D/d < 1,2) — буква М:
• со средним покрытием (1,2 < D/d «£ 1,45) — буква С;
• с толстым покрытием (1,45 < D/d 1,8) — буква Д;
• с особо толстым покрытием (D/d > 1,8) — буква Г.
По качеству, т. е. по точности изготовления, состоянию поверхности покрытия, качеству металла шва, электроды делят на группы: 1, 2, 3. Чем больше цифра, тем выше качество.
По пригодности пространственных положений шва для сварки, наплавки электроды делят на следующие группы:
• для всех пространственных положений шва;
• для всех положений, кроме вертикального сверху вниз;
• для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх;
• для нижнего и нижнего «в лодочку».
По роду полярности применяемого при сварке или наплавке тока, а также по номинальному напряжению холостого хода источника сварочной дуги переменного тока электроды обозначают с номера 0 до 9.
На чертежах и технологических картах обозначение электродов состоит из указания типа, марки, диаметра, группы.
Обозначения на этикетках электродной тары более сложные. Например, электроды типа Э46Апо ГОСТ 9467-75 марки УОНИИ
50
Сварочные работы
13/45 диаметром 3 мм для сварки углеродистых и низколегированных сталей У с толстым покрытием Д, 2-й группы, с установленной по этому ГОСТ группой индексов 43 2(5), указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва, с основным покрытием Б для сварки во всех пространственных положениях 1, на постоянном токе обратной полярности 0 обозначается:
Э46А-УОНИИ 13/45-3,0 - УД2
Е-43-2(5)-Б10
Эти же электроды в технической документации обозначаются УОНИИ 13/45-3,0-2 ГОСТ 9466-75.
Группа индексов в структуре условного обозначения электродов для сварки легированных конструкционных сталей с прочностью > 600 МПа (60 кг/мм) содержит данные о среднем содержании основных химических элементов в наплавленном металле, также минимальную температуру, при которой металл шва и наплавленный металл после термической обработки, при испытании образцов, составляют не менее 3,5 • 105 Дж/м2.
Например, электроды типа Э85 (ЦНИИТМАШ, легированные, номер 18) диаметром 3,0 мм для сварки легированной стали Л с пределом прочности более 600 МПа (60 кг/мм2) с толстым покрытием Д, 2-й группы, с установлением по ГОСТ 9467-75 группой индексов, указывающих на получение наплавленного металла и металла шва со средним содержанием 0,18% углерода, 1% хрома, 1% марганца, с нормальной вязкостью (2), электроды имеют основное покрытие Б, для сварки во всех пространственных положениях шва 1, на постоянном токе обратной полярности 0, обозначаются на этикетках тары (ящиках, коробках, пачках)
Э85-ЦЛ18-3,0ЛД2
Е-18Х1Г1-2-Б10
по ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75.
В техдокументации эти электроды обозначаются: ЦЛ18-3,0-2 ГОСТ 9466-75.
Для сварочных и наплавочных работ также применяются не-плавящиеся электроды — это электродные стержни из вольфрама с присадками оксидов тория, лантана — для повышения электропро
Глава 2. Материалы для сварки
51
водности дугового промежутка, из электротехнического угля или прессованного графита.
Вольфрам — тугоплавкий металл (температура плавления 3400°С), имеет достаточно высокую электропроводность и теплопроводность. При сварке вольфрамовым электродом на постоянном токе применяют прямую полярность. Это обусловлено и балансом тепла на электродах и износостойкостью электрода от действия дуги. Для электродов применяются стержни следующих марок: ЭВЧ — электрод вольфрамовый чистый; ЭВЛ-10; ЭВЛ-20 — электродный вольфрам с присадкой 1-2% оксида лантана; ЭВТ-15 — электродный вольфрам с оксидом тория; ЭВИ-30 — электродный вольфрам с 1,5—2,0% иттрия. Чаще применяют электроды ЭВТ-15.
Лантан и все остальные оксидные присадки, в силу своего расположения в таблице химических элементов Д.И.Менделеева, имеют определенную радиоактивность, об этом нужно это помнить и соблюдать правила обращения с электродами, указанные в сопроводительной документации.
Присадки к вольфраму способствуют устойчивому горению дуги, а также позволяют увеличить плотность тока на электроде. Для уменьшения окисления вольфрамового электрода и зашиты сварочной ванны сварка производится в инертном газе. Диаметры вольфрамовых электродов от 1,0 до 8,0 мм рассчитаны на разную силу сварочного тока. Расход вольфрамовых электродов очень мал и составляет 0,5 г на метр шва при токе 300, при прямой полярности — «минус» на электроде.
2.4. Литые твердые сплавы
Их делят на настоящие стеллиты и сплавы-заменители. Настоящие стеллиты представляют собой, главным образом, карбиды вольфрама и хрома, сцементированные, кобальтом и железом. Из-за высокого содержания вольфрама и кобальта литые твердые сплавы достаточно дорогие. Литые сплавы-заменители являются более де
52
Сварочные работы
шевыми и в большинстве случаев работают вполне хорошо, поэтому, как не содержащие вольфрама и кобальта, они широко применяются в промышленности.
Примером такого сплава является изобретенный в 1929 г. отечественный сплав сормайт, название которого происходит от названия Сормовского завода, где впервые было освоено производство этого сплава. Сормайт представляет собой железо-хромистый сплав с небольшой добавкой никеля и не содержит вольфрама и кобальта. Твердость сормайту придает карбид хрома — химическое соединение хрома с углеродом.
В основу настоящих стеллитов входят (в %): ванадий — до 5, хром — от 28—32, кобальт — 58 —62, углерод — 1—1,5, никель — 2, и железо — до 2.
Сплав-заменитель сормайт содержит в своей основе (в %): хром — 15—30; углерод — 2,5—3,5; никель — 3—5; марганец — 1,5; кремний — 1,5— 4 и остальное — железо.
Твердость наплавленного слоя HRc — 70—80 единиц. Эти сплавы находят применение главным образом для наплавки рабочих поверхностей, подвергающихся значительному износу, например, штампов, матриц и пуансонов, калибров, шаблонов, деталей машин и механизмов, работающих на трение. Наплавленный слой обладает высокой износостойкостью до температур 600—700°С и поддается термообработке.
2.5. Порошкообразные (зернообразные) твердые сплавы
Порошковая смесь (шихта) это еще не твердый сплав, а промежуточный продукт. В твердый сплав смесь превращается лишь в процессе наплавки на деталь с получением однородного металла с заданными свойствами по твердости, износостойкости и другим спецпоказателям.
Порошковые смеси являются наиболее дешевыми в изготовлении, поэтому чаше применяются в промышленности. По внешнему виду смесь представляет собой зернистый порошок (или
Глава 2. Материалы для сварки
53
крупку) черного цвета. Различают два вида порошковых смесей для наплавки: вольфрамовые и безвольфрамовые.
Вольфрамовая смесь состоит из смеси технического вольфрама с науглероживающими материалами. Отличительным признаком вольфрамовых продуктов является их высокий удельный вес.
Порошкообразные твердые сплавы, не содержащие вольфрама, более дешевые, например, сталинит. Наплавочный металл таких смесей обладает высокими механическими показателями, и зачастую удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к детали. Достоинство безвольфрамовых порошковых смесей — относительно низкая температура плавления — 1350°С, по сравнению с вольфрамовыми — 2700°С. Это облегчает наплавку и повышает производительность.
Основой безвольфрамовых твердосплавных порошков (сталинита) является смесь дешевых порошкообразных ферросплавов — феррохрома и ферромарганца. Твердость наплавки — от 53 до 57 HRc.
В последние годы кроме сталинита выпускается много марок порошковых безвольфрамовых смесей с добавками бора и других элементов, но в основе своей они содержат хром и другие легирующие элементы. Например, боридная смесь содержит хрома — 35%, бора — 7,6% при содержании углерода всего 12%, остальное — железо.
Промышленностью выпускается также спеченная из порошков порошковая лента для твердосплавной наплавки. Она оформлена в виде рулона. Наплавка лентой позволяет выполнять широкий слой за один проход.
2.6. Сварочные флюсы
Назначение сварочных флюсов следующее: защищать расплавленный металл ванны от вредного воздействия воздуха, уменьшать скорость охлаждения сформировавшегося шва, обеспечивать нужное качество металла шва за счет легирования, улучшать формирование шва, восстанавливать окислы, разжижать и понижать температуру шлаков, стабилизировать горение дуги, улучшать расте-
54
Сварочные работы
каемость металла и выполнять металлургические функции по получению шва нужного химического состава.
Флюс — это неметаллический материал, который вводится в зону сварки, наплавки, пайки.
Для дуговой сварки и наплавки флюс обычно зернистый, порошкообразный. Такой же флюс и для электрошлаковой сварки, но с дополнительными спецсвойствами по электропроводности и т. д.
Для газовой сварки и пайки в качестве флюсов применяют пасты, порошки и газ.
Флюс получают сплавлением составляющих его компонентов и последующим дроблением (плавленые флюсы) или механическим связыванием (склеиванием) порошкообразных компонентов с последующим измельчением (неплавленые флюсы).
По назначению флюсы разделяют на три группы: для сварки углеродистых и легированных сталей; для сварки высоколегированных сталей; для сварки цветных металлов и их сплавов. Некоторые марки флюсов, предназначенные для сварки металлов одной из этих групп, можно применять для сварки металлов и другой группы.
В зависимости от их химического состава различают флюсы высококремнистые (более 35% кремнезема), низкокремнистые (до 35% кремнезема), безмарганцевые (менее 1% марганца), марганцевые (более 1% марганца). Изготовляют также легированные флюсы, содержащие чистые легирующие металлы или ферросплавы. Флюсы для автоматической сварки выпускаются по ГОСТ 9087-81. Флюс с размером зерен от 0,25 до 1,6 мм предназначен для сварки проволокой диаметром до 3,0 мм: с размерами зерен от 0,35 до 3 мм — для сварки проволокой диаметром более 3,0 мм.
Плавленые флюсы изготовляются двух видов: стекловидные (зерна прозрачные, от светло-желтого до бурого и коричневого цвета) и пемзовидные (пористые зерна светлой окраски). Объемная масса стекловидных флюсов — от 1,3 до 1,8 кг/дм3, пемзовидных — не более 1 кг/дм3. Наиболее распространены стекловидные флюсы.
К неплавленым флюсам относятся керамические, которые используются главным образом как легирующие: они малочувствительны к ржавчине, окалине и влаге на кромках свариваемых швов;
Глава 2. Материалы для сварки
55
добавление керамических флюсов к стекловидным позволяет получать швы высокого качества даже при плохой очистке кромок. Назначение флюса:
• зашита расплавленного металла и зоны дуги от действия кислорода и азота воздуха;
• стабилизация горения сварочной дуги;
• легирование металла шва;
• раскисление расплавленного металла;
• формирование шва;
• уменьшение потерь тепла;
• уменьшение потерь электродного металла на угар и разбрызгивание.
Флюсы должны обеспечивать легкую отделяемость шлака и минимальное количество вредных газов и пыли, выделяющихся при сварке.
По сложившейся традиции, марки флюсов обычно указывают наименование разработчика и порядковый номер флюса. Так, флюсы, разработанные ИЭС им. Е. О. Патона, имеют сериал, обозначенный буквенными индексами «АН» (АН-348-А; АН-20; АН-22 и т. д.), что обозначает — «Академия наук» (в составе которой находится ИЭС им. Патона). Флюсы, предложенные НПО ЦНИ-ИТМАШ, имеют сериал «ФЦ» — флюсы ЦНИИТМАШ, и т. д. Были попытки ввести индексы, в какой-то степени характеризующие состав флюсов, например, ОФ6 и ОФ10 (основной флюс), КФ 16 (кислый флюс), НФ 17 (нейтральный флюс). Однако эта практика до сих пор не получила широкого распространения среди разработчиков флюсов.
Преимущество плавленых флюсов перед керамическими — это более высокие технологические свойства (защита, формирование, отделяемость шлаковой корки и др.) и меньшая стоимость. Преимуществом керамических флюсов является возможность в более широких пределах легировать металл шва через флюс. В настоящее время промышленность применяет преимущественно плавленые флюсы.
Высококремнистыми и марганцовистыми флюсами являются флюсы ОСЦ-45 и АН-348А, АН-348Ш, шихта которых состоит из
56 Сварочные работы ;
марганцевой руды (МпО), кварцевого песка (SiO2) и плавикового , шпата (фтористого кальция CaF2). Буква А в конце марки флюса обозначает, что грануляция крупная (для автоматической сварки), а буква Ш — мелкая грануляция, т. е. для использования при полуавтоматической сварке шланговыми полуавтоматами (они применялись на заводах до 70-х годов).
Для автоматической наплавки под флюсом служат те же флюсы, что и для сварки. Наиболее распространены плавленые флюсы АН-348А; ОСЦ-45; АН-20; АН-60; 48-ОФ-6; АН-26; АН-15М; АН-8; АН-25; АН-22; АНФ-6 в сочетании с легированными проволоками.
Флюсы для газовой сварки, пайки и наплавки приведены в разделе «Газовая сварка».
2.7. Газы для защиты сварочной ванны
Защита плавящегося металла и расплавленной сварочной ванны от вредного воздействия окружающего воздуха при дуговой сварке является одной из главных задач для обеспечения определенного качества шва.
Защита создается истекающей из сопла горелки направленной струей защитного газа. В качестве защитных сред (газов) широко применяют инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый газ и азот) газы, а также их смеси — аргон с углекислым газом. Идея защиты переплавляемого дугой металла от воздействия воздуха путем подачи в зону сварки специально подобранного газа принадлежит русскому изобретателю Н.Н. Бенардосу, предложившему еще в 1883 г. сварку в струе газа.
Инертными называются газы, которые химически не взаимодействуют с металлом и не растворяются в нем. В качестве инертных газов используют аргон, гелий и их смеси, азот — для меди. Чаще инертные газы применяют для сварки химически активных металлов (титан, алюминий, медь и др.), а также когда нужно получить швы высокого качества изделий из хромоникелевых сталей.
Глава 2. Материалы для сварки
57
Аргон — при обычных условиях бесцветный, неядовитый, невзрывоопасный, без запаха и вкуса газ, почти в 1,5 раза тяжелее воздуха, поэтому опасен удушьем в закрытом пространстве. В природе аргон присутствует только в свободном виде. Объемная концентрация аргона в воздухе 0,93%. С большинством элементов аргон не образует химических соединений. В металлах, как в жидком, так и в твердом состоянии аргон нерастворим. Основным промышленным способом получения аргона является метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением основных продуктов — кислорода и азота с попутным извлечением аргона.
Первые удачные опыты применения инертного газа — аргона для дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом были проведены в США в 1939 г., а в начале 40-х годов этот метод нашел широкое применение в авиационной промышленности Америки.
Сварка в аргоне потребовала создать мощное производство этого газа. В нашей стране в 1957 г. были пушены установки для производства аргона, и с этого периода начала внедряться в производство сварка с его применением. Промышленность выпускает аргон трех сортов по ГОСТу 10157-79: высший — 99,993%, первый — 99,987%, второй — 99,95% и поставляет в газообразном или жидком состоянии. Газообразный аргон хранят и транспортируют в стальных 40-литровых баллонах под давлением 150 кг/см2 (15 МПа). Объем газообразного аргона можно приближенно определять как произведение вместимости баллона на давление газа в баллоне. Баллон для аргона окрашен в серый цвет, надпись зеленого цвета. Иногда используют жидкий аргон, который подвергают газификации. Жидкий аргон — бесцветная жидкость, без запаха, с температурой кипения при атмосферном давлении —185,7°С и плотностью 1392 кг/м3, хранится в сосудах Дьюара. Газообразный аргон в 1,4 раза тяжелее воздуха, поэтому его струя надежно и длительно удерживается в зоне сварки и хорошо защищает сварочную ванну. Плотность газообразного аргона — 1,662 кг/м3 при нормальных условиях. Расход аргона при сварке зависит от диаметра электрода и обычно составляет от 100 до 500 л/ч. Подробнее процессы сварки в аргоне описаны в разделе «Сварка в защитных газах».
58
Сварочные работы
Гелий для сварки применяют редко и обычно как добавку к аргону, в связи с его дефицитностью и высокой стоимостью. Гелий относится к инертным газам, без цвета и запаха, плотностью 0,18 кг/м3, т. е. в 10 раз легче аргона.
Гелий сжижается труднее всех известных газов (при —268,93’С). На земле гелия мало, в небольшом количестве содержится в воздухе и в земной коре, где он постоянно образуется при распаде урана и других а-радиоактивных элементов (а-частицы — это ядра атомов гелия). Объемное содержание гелия в воздухе — 0,00052%. Газ неядовит, хорошо диффундирует через твердые тела (гелиевые течеискатели используются при проверке плотности швов), значительно легче воздуха и аргона. Не образует химических соединений с большинством элементов. Гелий получают из природных газов, естественно образующихся при распаде горных пород, содержащих уран. В малом количестве гелий можно получить в качестве побочного продукта при разложении воздуха на кислород и азот. Гелий для сварки поставляется промышленностью по ТУ 51-689-75 трех сортов: марки А, Б и В.
Условия поставки регламентируются ГОСТ 20461-75. Чаще транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах под давлением 15 МПа (150 кг/см2). Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому его применяют в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния. Из-за способности обеспечивать повышение проплавления (благодаря высокому значению потенциала ионизации) гелий применяют иногда в тех случаях, когда требуется получить большую глубину проплавления или специальную форму шва.
Баллоны для гелия окрашены в коричневый цвет, имеют белую надпись «Гелий». Расход гелия на 1 м шва на 50% больше, чем аргона, при сварочном токе 300 А он составляет примерно от 200 до 900 л/ч, так как он в 10 раз легче аргона и быстро улетучивается из зоны сварки в атмосферу, поэтому для поддержания надежной защиты сварочной ванны необходимо увеличивать подачу (расход) гелия.
Глава 2. Материалы для сварки
59
Азот — по отношению к меди и ее сплавам является инертным газом и применяется для сварки и наплавки, а также для плазменной резки. Например, вибродуговая наплавка бронзовой проволокой КМЦ-3-1 на стальную поверхность поршней и штоков выполняется в защитной среде азота. Он поставляется в газообразном состоянии по ГОСТ 9293-74 «Азот газообразный и жидкий» четырех сортов (состав в %:) высший — 99,9; первый — 99,5; второй — 99,0 и третий — 97; остальное — примеси. Азот — бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичен и не взрывоопасен. В воздухе свободный азот (в виде молекул N2) составляет 78,09%. Азот немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м3 при нулевой температуре и атмосферном давлении. Температура кипения —195,8°С. Критическая температура — 147°С и критическое давление — 3,39 МПа (33,9 кг/см2). По отношению к стали и другим металлам азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне сварки стремятся ограничить. Азот поставляется в газообразном состоянии в стальных 40-литровых баллонах под давлением 15 МПа (150 кг/см2).
Активные газы. В качестве активных защитных газов при сварке используют углекислый газ и смеси его с аргоном. В конце 50-х годов внедряется сварка плавящимся электродом в активном окислительном углекислом газе.
Активным газ называется потому, что вступает в химические реакции (взаимодействия) с расплавленным металлом ванны и растворяется в нем. Окисление металла шва нейтрализуется раскислителями, содержащимися в проволоке.
Углекислый газ, или двуокись углерода, высший оксид углерода может находиться в газообразном, сжиженном и твердом (в виде сухого льда) состоянии. Основные свойства углекислого газа:
• газ бесцветен и неядовит;
• плотность при атмосферном давлении и 20°С — 1,98 кг/м3;
• температура сжижения при атмосферном давлении —78,5°С;
• выход газа из 1 кг жидкой углекислоты (при 0°С и 1 атм.) — 509 л.
Углекислый газ имеет слабый кисловатый запах и вкус, хорошо растворяется в воде и придает ей кислый вкус, тяжелее воздуха в 1,6 раза. В воздухе содержится 0,03% СО2.
60
Сварочные работы
Двуокись углерода определяют и продают по массе. Она хорошо растворяет машинное масло. Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостатке теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается.
В состав двуокиси углерода по ГОСТ 8050-85 входит еще водяной пар в количестве 0,037 г/см3 (высший сорт) и 0,184 г/см3 (1 сорт), т. е. в 5 раз больше, чем в высшем, и об этом нужно помнить при сварке швов высокого качества.
Для уменьшения влаги применяют силикагелевые осушители. Силикагель — гигроскопическое вещество, представляющее собой специально обработанную окись кремния (кварцевый песок).
Углекислый газ получают в промышленности несколькими способами. Наиболее распространенные пути его получения:
• из газов при брожении спирта, пива, расщеплении жиров как побочный продукт, почти чистый;
• из отходящих газов химических производств — синтетического аммиака и метанола, где отходящие газы содержат примерно 90% СО2;
• из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо. Дымовой газ содержит от 12 до 20% СО2. Двуокись углерода нетоксична, но при содержании ее более 5% (92 г/м3) отрицательно влияет на здоровье человека. Транспортируется и хранится углекислота в стальных 40-литровых баллонах под давлением от 60 до 70 кг/см2 газообразной фракции. В стандартный (40 л) баллон вмещается 25 кг жидкой углекислоты, занимающей неполный объем (до 80%) баллона, остальной объем занят испарившимся газом. Объем газа в баллоне составляет около 13 м3 газообразного СО2. Цвет баллона черный, надпись желтого цвета.
Смеси газов нередко применяются в производстве для получения швов повышенного качества. В ряде случаев они обладают лучшими технологическими свойствами, чем остальные газы. Смесь СО2 + О2 (2—5%) обеспечивает мелкокапельный перенос металла и уменьшает разбрызгивание на 30%, улучшает формирование шва.
Глава 2. Материалы для сварки
61
Смесь из 70% гелия + 30% аргона повышает производительность сварки алюминия, увеличивает глубину проплавления, улучшает формирование шва. Смесь газов аргона (88%) + СО2 (12%) повышает стабильность дуги при сварке стали, заметно уменьшает и измельчает разбрызгивание металла, улучшает формирование шва за счет существенного снижения поверхностного натяжения жидкого металла из электродной проволоки. Благодаря добавке окислительного газа улучшаются форма и глубина провара, меньше брызг. При увеличении СО2 до 25—30% стабильность процесса заметно снижается, а при содержании СО2 до 40—50% сварка в смеси с аргоном практически мало отличается по электрофизическим характеристикам от сварки в чистом СО2.
Достоинства сварки в защитных газах: визуальный контроль процесса, широкий диапазон рабочих режимов сварки, сварка широкой номенклатуры металлов, в том числе цветных и их сплавов, доступность механизации процесса, улучшение гигиенических условий труда сварщиков. Сварка может вестись с дополнительной подачей присадочной проволоки в зону дуги при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом.
При сварке плавящимся электродом дуга горит между электродной проволокой, непрерывно подаваемой в дугу, и изделием.
Дуга расплавляет проволоку и кромки изделия, образуя общую сварочную ванну. По мере перемещения дуги сварочная ванна затвердевает, образуя шов, соединяющий кромки изделия.
2.8. Изготовление электродов
По составу применяемого оборудования, технологическим тонкостям и санитарным условиям изготовление электродов следует относить к сложному технологическому процессу. Количество единиц применяемого оборудования в единой технологической цепочке бывает от 15 до 20 единиц. Все оборудование для этого в России — отечественного производства.
Стальная проволока для электродов выправляется и рубится на стержни нужной длины.
62
Сварочные работы
Компоненты покрытия тонко измельчаются и перемешиваются. Молотые компоненты просеиваются на ситах с числом отверстий от 1600 до 3600 на 1 см2. Из изготовленных размолотых и просеянных компонентов изготовляется обмазочная паста для покрытия электродов, которая имеет консистенцию влажной земли и при сжатии в руке слипается в комок. Для приготовления пасты сначала смешиваются сухие компоненты, затем сухая смесь размешивается в растворе связующего вещества (жидкого стекла).
Нанесение обмазочной пасты на электродный стержень производится на специальных прессах, имеющих прутковые питатели (накопители) для стержней. Усилие прессов для нанесения обмазки — от 700 до 1600 т. Максимальное давление в цилиндре пресса — 720 кг/см2.
Электродный стержень проходит через мундштук пресса, и концентрически со стержнем выдавливается электродная паста, покрывающая стержень слоем строго определенной толщины. Обмазочная паста периодически загружается в цилиндр пресса. Электродные стержни проталкиваются через мундштук цилиндра в количестве от 100 до 500 штук в минуту и выходят покрытыми плотным, концентричным со стержнем слоем обмазки равномерной толщины.
Разнотолщинность обмазки ограничена ГОСТ, и ее превышение приводит к образованию «козырька» на торце электрода, который мешает управлять ванной. При выходе из пресса один конец электрода зачищается от обмазки (механически — спецщеткой) для захвата электрододержателем. Современный электродный пресс имеет производительность от 4,5 до 6,5 т электродов диаметром 4 мм в смену.
Окончательная сушка ведется при высоких температурах. Для электродов, не содержащих органических веществ, например типа УОНИИ13, температура прокалки 300—400°С, а для обмазок с органическими веществами температура прокалки не выше 150—180°С во избежание разложения, расплавления органических веществ. После сушки электроды поступают на контроль и упаковку. Хранение электродов должно исключать доступ к ним влаги и влажности.
Глава 2. Материалы для сварки
63
В настоящее время выпускается Около 140 марок сварочных и наплавочных электродов. АО «Спецэлектрод» выпускает всю гамму высококачественных сварочных электродов со специальными свойствами, а также углеродистых электродов с рутиловым, ильменитовым, основным покрытием.
Только высокооснащенная технология позволяет выпускать электроды высокого уровня качества, подтвержденного Сертификатами качества Госстандарта, гигиеническими Сертификатами Минздрава России.
По желанию покупателя (потребителя) электроды могут поставляться для поднадзорных объектов по допуску Морского и Речного регистров судоходства, либо по лицензии Госатомнадзора, либо по Сертификату Ллойд регистра (Великобритания).
2.9. Материалы для газосварки и резки
Для газовой сварки и резки требуется высокотемпературное газовое пламя. Такое пламя можно получить при сжигании горючего газа или паров горючей жидкости в смеси с технически чистым кислородом. Если горение газа, паров происходит в воздухе, в котором кислорода содержится только 1/5 по объему (остальное азот с примесями), то температура сварочного пламени будет значительно ниже, чем при сгорании в чистом кислороде. Идея о промышленном применении кислорода впервые была высказана русским ученым Д.И. Менделеевым в 1903 г., когда он предложил использовать кислород для ускорения связанных с горением технологических процессов в металлургии.
Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химический соединений с различными элементами: в земле — до 50% по массе, в соединении с водородом в воде — около 86% по массе и в воздухе — до 21% по объему и 23% по массе. Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, атмосферное давление) — это бесцветный негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, активно поддерживающий
64
Сварочные работы
горение. При атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С — 1,33 кг.
Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения почти со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер. При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами: маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами — может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому используя кислород, необходимо исключить его контакт с легковоспламеняющимися и горючими веществами. Кислород способен образовать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих веществ, что может привести к взрыву при наличии огня или даже искры. Особенно опасны пропитанные жидким кислородом пористые вещества (уголь, сажа, войлок, вата и им подобные), которые в этом случае становятся сильными взрывчатыми веществами. При взрыве газовой смеси удар фронта детонационной волны достигает 5 кг/см2, т. е. сила, действующая на общую площадь, достаточно разрушительна.
В атмосферном воздухе содержится 20,5% кислорода. Его можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от пыли и других примесей, сжижают в компрессоре до нужного давления холодильного цикла от 60 до 200 кг/см2 (0,6—20 МПа) и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения. Разница температур сжижения кислорода и азота в 13°С достаточна для их полного разделения из жидкой фазы. Температура кипения кислорода (—183°С), азота (—196”С), поэтому сначала происходит испарение азота (либо в атмосферу, либо в газосборник), а затем испаряется кислород из уже очистившейся жидкой фазы и накапливается в воздухоразде
Глава 2. Материалы для сварки
65
лительном аппарате и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа (200 кг/см2). Часто кислород транспортируется потребителю в жидком виде в спецтаре. При атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм3 (1л) жидкого кислорода испаряет 850 дм (л) газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки выгоднее в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары и транспортноскладские расходы.
Для сварки и резки по ГОСТ 5583-78 технический кислород выпускается двух сортов: 1-й — чистотой не менее 99,7%; 2-й — 99,5% по объему. Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше чистота кислорода, тем хуже качество реза, медленнее процесс резки, трудней отделяется грат (шлак) с кромок, заметно увеличивается расход кислорода. При снижении чистоты кислорода с 99,2 до 98%, его расход увеличивается в 2 раза, а при чистоте кислорода менее 92% процесс резки не происходит. На 1 м3 кислорода, получаемого из воздуха, расходуется от 1 до 2,0 квт-ч электроэнергии.
Ацетилен (С2Н2). Ацетилен является одним из лучших, но не основных газов, применяемых для газовой сварки, пайки, резки металлов. Вообще, для газовой сварки температура пламени горелки должна быть примерно в два раза выше температуры плавления металла. Температура ацетиленового пламени в технически чистом кислороде при смеси стехиометрического состава — до 3200°С. Стехиометрической называют смесь, имеющую состав, обеспечивающий полное сгорание до СО2 и Н2О;
Для ацетилена:
С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2О.
Ацетилен — это химическое соединение углерода и водорода. Технический ацетилен — бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом из-за примесей сероводорода, аммиака и др. Длительное вдыхание его вызывает тошноту, головокружение и даже отравление. Плотность ацетилена равна 1,09 кг/м3, т. е. он в 1,1 раза легче воздуха. При атмосферном давлении ацетилен сжижается при температуре (—82° С), а при (—85°С) переходит в твердое состояние.
66
Сварочные работы
Теплотворная способность ацетилена, т. е. количество теплоты, получаемое при полном сгорании 1 кг, или 1 м3 газа, составляет 11900 ккал на 1 кг, или 13700 ккал на 1 м3 ацетилена. Для нормального пламени в горелку на 1 м3 ацетилена должно подаваться 1,15 м3 кислорода.
Ацетилен для сварки получают из карбида кальция в спецге-нераторах. В последние годы чаще используют баллонный ацетилен, т. е. от специальных ацетиленовых баллонов.
Осуществляется также промышленное производство ацетилена из природного газа. Из общего объема производимого ацетилена лишь до 3% идет на нужды сварки. Из ацетилена получают этиловый (винный) спирт, волокна для тканей, уксусную кислоту, синтетический каучук и многие другие ценные продукты.
Нестойкость молекул ацетилена обусловливает повышенную способность ацетилена к химическим реакциям, делает его необходимым ценным продуктом для химической промышленности.
При атмосферном давлении и медленном нагревании до 700°С происходит полимеризация ацетилена, т. е. процесс соединения нескольких молекул С2Н2 в одну, более сложную молекулу с образованием высокомолекулярных органических соединений (полимеров) из низкомолекулярных соединений (мономеров). Также идет спокойное разложение ацетилена на углерод и водород с последующим образованием других углеводородов с общей формулой пС2Н2 = С2яН2п, например, бензол С6Н6, стирол С8Н8 и другие жидкие смолообразные продукты сложного состава. При быстром нагревании со скоростью от 100 до 400° С в секунду полимеризация переходит в самовоспламенение или взрыв ацетилена Практически допускается нагрев ацетилена до следующих температур: при давлении 1,5 кг/см2 — от 150 до 180°С, при большем давлении — до 100°С.
В условиях работы ацетиленовых генераторов полимеризация может начинаться в заметных размерах при температуре от 150 ДО | 180°С. На ее наличие указывают желтоватая окраска карбидного-ила, удаляемого из генератора, а также наличие смолистых продуктов в каналах горелки, резака (особенно в инжекторе). Это связано^ с сильным перегревом ацетилена при ненормальной работе генерач
Глава 2. Материалы для сварки
67
тора. В правильно работающих ацетиленовых генераторах полимеризация газа практически отсутствует.
Ацетилен взрывоопаснее водорода, пропана, метана из-за более низкой температуры вспышки. Он взрывоопасен при давлении 1,5 кг/см2 и температуре свыше 58О°С, при давлении 2,0 кг/ см2 и при температуре от 350°С, т. е. чем выше давление, тем более низкая требуется температура для взрывоопасного состояния.
Ацетил ено-воздушная смесь взрывается при содержании в ней ацетилена 2,2—81%, наиболее взрывоопасной является смесь с содержанием 7—13% ацетилена. Ацетилено-кислородная смесь имеет пределы взрываемости с 2,3 до 93% ацетилена. Взрыв смеси может произойти от сильного нагрева (более 430°С) или от искры. Допустимый нагрев ацетилена при атмосферном давлении — до 300°С. Присутствие окиси меди снижает температуру самовоспламенения ацетилена до 240°С. При определенных условиях ацетилен реагирует с медью, образуя взрывоопасные соединения, поэтому категорически запрещается применение сплавов меди с содержанием более 70% меди при изготовлении аппаратуры и оборудования для ацетилена.
Взрываемость ацетилена понижается при растворении его в жидкостях. Особенно хорошо он растворяется в ацетоне. Растворимость ацетилена зависит от его температуры: чем она выше, тем хуже растворимость. Например, в 1 л ацетона растворяется ацетилена: 20 л при 20°С; 33 л при 0°С; 52 л при —20°С.
Ацетилен в баллонах находится растворенным в ацетоне.
Карбид кальция — это химическое соединение кальция с углеродом (СаС2). Оно используется для получения горючего газа — ацетилена. Карбидами называются все вещества в химическом соединении с углеродом. Карбид кальция является твердым веществом темно-серого или коричневого цвета, плотностью 2,4 г/см3, с резким чесночным запахом и способностью жадно поглощать воду. Его получают сплавлением кокса с негашеной известью в специальных карбидных электрических дуговых печах при температуре 2000—2300°С, по эндотермической реакции:
СаО + ЗС = СаС2 + СО? - 450 ккал
(1 Дж = 0,24 кал).
68
Сварочные работы
Для получения 1 т карбида кальция расходуется 950 кг кокса, 650 кг негашеной извести, 55 кг графитовых электродов от 3000 до 6000 кВт/час электроэнергии. Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает. Затем его подвергают дроблению и сортировке на куски размером от 2 до 80 мм. Размеры менее 2 мм считаются карбидной пылью, ее в карбиде кальция не должно быть более 3%.
Готовый карбид кальция упаковывают в герметически закрываемые барабаны, так как он активно поглощает влагу из воздуха, выделяя при этом ацетилен. При раскупорке барабана с карбидом кальция нужно об этом помнить.
При взаимодействии с водой карбид кальция быстро разлагается и выделяет газообразный ацетилен, образуя в остатке гашеную известь (отход). Теоретически реакция разложения карбида кальция с водой происходит так:
СаС2 + 2Н2О = С2Н2? + Са(ОН)2 + 450 ккал.
карбид вода ацетилен кальция 0,562л (газооб-1 кг разный)
0,406 кг
Весовые части указаны для химически чистого карбида кальция. Так как 1 м3 ацетилена при атмосферном давлении и 20°С весит 1,09 кг, то из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 0,406 кг: 1,09 = 0,372 м3, или 372 л (дм3) ацетилена. Поскольку технический карбид кальция с? держит 70— 80% химически чистого карбида кальция, а остальное — примеси, преимущественно негашеная известь, то из 1 кг техжшеского карбида кальция можно получить от 235 до 285 л (дм3) адетилена. Реально на ацетиленовых генераторах для получения 1 ь ? (1000 л) ацетилена расходуется до 4,5 кг карбида кальция. Потери ацетилена — это растворение его в воде и продувка генератора после зарядки. Растворимость ацетилена в воде —1,10 объема. <
Разложение карбида кальция водой идет быстро и с выделением большого количества тепла. Чем меньше размеры кусков, тем быстрее происходит его разложение. При разложении 1 кг карбида каль
гашеная известь 1,156 кг
Глава 2. Материалы для сварки
69
ция выделяется примерно 400 ккал тепла. Карбид кальция размером 50 х 80 мм разлагается за 15 мин, а размером 8 х 15 — за 7 мин. Карбидная пыль (менее 2 мм) разлагается водой очень быстро, выделяя большое количество тепла за единицу времени. Это приводит к перегреву ацетилена и взрыву ацетиленового генератора.
Чем выше температура воды, тем быстрее идет разложение карбида кальция. Если вода сильно загрязнена гашеной известью, то реакция разложения замедляется.
Для охлаждения ацетилена и ацетиленового генератора берут не теоретические 0,56 кг (0,56 дм3) воды, а от 7 до 20 дм3 на 1 кг карбида кальция, обеспечивая безопасность и предотвращая полимеризацию ацетилена. В ацетиленовых генераторах хорошей конструкции при правильной эксплуатации полимеризация практически отсутствует.
Барабаны с карбидом кальция должны храниться в сухом помещении с полом высотой 1 м от поверхности земли, не имеющем водопроводных и отопительных систем. Категорически запрещается хранить тару с карбидом кальция в подвальных помещениях. Нарушение этого правила неоднократно приводило к взрывам в подвалах жилых домов с частичными разрушениями нескольких квартир и человеческими жертвами, например в 1989 г. на Украине. При вскрытии барабанов любыми способами нужно предотвращать искрообразование.
Газы — заменители ацетилена. В настоящее время, начиная с 1960 г., в промышленности для газовой сварки и резки широко применяются вместо ацетилена различные более дешевые и доступные газы: природный, пропан технический, пропан-бутановые смеси и др. Эти газы в 10—20 раз дешевле ацетилена. Сравнительная простота аппаратуры при их использовании улучшает условия работы. Такие газы принято называть газами-заменителями ацетилена.
В принципе, любой газ, имеющий теплотворную способность более 6000 ккал на 1 м3 и температуру горящего в смеси с кислородом пламени более 2000°С, пригоден для газовой сварки и тем более для кислородной резки.
70
Сварочные работы
Теплотворной способностью газа называют количество теплоты в килокалориях, полученное при полном сгорании 1 м3, или 1 кг газа.
При выборе газа-заменителя учитывают еще температуру воспламенения, пределы взрываемости, возможности работы в любое время года на открытом воздухе, доступность газа и удобство в работе. Из всех газов-заменителей и горючих жидкостей самыми пригодными и удобными оказались пропан технический, пропанбутановые смеси и природный газ, которые имеют широкое применение.
Пропан технический — бесцветный газ с резким запахом (от добавления одорантов), состоящий из пропана С3Н8 с примесью пропилена С3Н6, суммарное содержание которых 93%. Получают пропан как побочный продукт при переработке нефтепродуктов.
Пропан-бутановая смесь — бесцветный газ с резким (от одорантов) запахом, является также побочным продуктом при переработке нефти.
Смесь легко переходит в жидкое состояние. В ней от 5 до 30% бутана (С4Н|0). Одорантами называют сильнопахнущие вещества, которые добавляют в газ, не имеющий запаха, для обнаружения возможной утечки. Смесь пропана с бутаном применяют потому, что у этих газов различная теплотворная способность и температура перехода в жидкое состояние, т. е. практическое прекращение выделения паровой (газовой) фракции. Температура кипения (начало испарения) у пропана (—42°С), бутана (—0,5°С), т. е. при этой температуре начинает образовываться газовая фракция, а если указанные температуры будут немного ниже, то испарения (газообразования) происходить не будет. Как видно, недостатком бутана является то, что г|ри ГС мороза он уже не испаряется, газоотбор невозможен. Но за счет его заметного преимущества в теплотворной способности бутан добавляют в пропан, получая смесь, при этом немного повышается температура испарения смеси, т. е. с — 42°С до —36°С, а смесь можно использовать при температуре окружающего воздуха до —25°С.
Теплотворная способность пропана в среднем 21000 ккал/м3, бутана — до 28000 ккал/м3 газа.
Глава 2. Материалы для сварки
71
Пропан-бутановая смесь имеет удельную массу (вес) больше воздуха почти в два раза, рассеивается медленно, способна оседать в приямках, подвалах и других нижних частях помещений, создавая взрывоопасную концентрацию. Вес (масса) 1 л жидкого пропан-бутана в среднем равен 0,5—0,55 кг; вес 1 м3 газовой смеси = 1,9 кг при 20°С.
Потребное количество кислорода, подаваемое в горелку на 1 м3: пропан-бутановой смеси — 3,4—3,6 м3, ацетилена — 1,1—1,3 м3. Температура горения пропан-бутановой смеси с кислородом равна 2400—2700°С, воспламенения — 480°С.
Пределы взрываемости при содержании пропан-бутана в воздухе — от 2,2 до 9,5%. Способность пропана и бутана при сжатии переходить в жидкость обеспечивает удобство хранения, транспортировки и использования, так как 1 м3 газа после сжижения можно поместить в баллон емкостью 4 л. Состав сжиженных газов регламентирует ГОСТ 10196-62 «Газы углеводородные сжиженные топливные». По этому стандарту предусмотрен выпуск следующих марок: пропан — технический газ, бутан — технический газ, смесь пропана и бутана — технический газ.
К месту потребления сжиженные газы доставляют железнодорожными цистернами, автоцистернами и в баллонах под давлением не выше 16 кг/см2.
Сжиженные газы менее взрывоопасны в смеси с воздухом и имеют малую Скорость сгорания и большую устойчивость против обратных ударов пламени в шланги по сравнению с ацетиленом. Понятие — коэффициент замены ацетилена каким-либо другим газом — показывает отношение теплотворных способностей ацетилена к газу-заменителю и указывает насколько меньше или больше потребуется заменителя, например, QAUETWItHA = 12600 ккал/м3, Q = 21000 ккал/м3, К = Q / Q = 12600/21000 = 0,6 -это значит, что потребуется 60% пропана, вместо 100% ацетилена.
При применении метана (основного компонента природного газа); QMEtaha = 8000 ккал/м3,
К = QA_ / Qmetaha •= 12600/8000 = 1,58.
Это значит, что расход метана окажется больше на 58%.
72
Сварочные работы
Теоретическое количество кислорода, необходимое для полного сгорания пропана по фазам горения, определяется по следующим реакциям:
1. С3Н8 + 1,5О2 = ЗСОТ + 4Н Т
2. ЗСО + 4Н2 + 3,5О2 = ЗСО2Т + 4Н2О — получается, что на 1 объем пропана требуется 5 объемов кислорода (1,5 + 3,5).
Для метана (основа природного газа) реакции следующие:
1. СН4 + 0,5О2 = СОТ + 2Н2?
2. СО + 2Н2 + 1,5О2 = СО2Т + 2Н2О — на 1 объем метана требуется 2 объема кислорода.
Практически кислорода расходуется для пропанового и метанового пламени меньше на 20—40% из-за различия качественных характеристик каждой фазы горения.
Рабочий пост сварки, резки снабжается от индивидуального баллона. Давление в баллоне зависит от температуры газа в нем, и при 40°С давление может быть до 16 кг/см2. Наиболее широко применяются баллоны емкостью 40—50 л. Баллоны для сжиженного про-пан-бутана изготовляются из стали толщиной 2,5—3,0 мм. Штуцеры вентилей баллонов имеют левую резьбу диаметром 21,8 мм и 14 ниток на 1 дюйм. Сжиженные газы имеют большой коэффициент объемного расширения жидкой фракции, т. е. в 15 раз больше, чем у воды, поэтому наполнение баллона свыше 85% емкости может привести к разрыву баллона при нагревании.
По давлению сжиженного газа в баллоне нельзя судить о его количестве, как это делается для сжатых газов. Количество про-пан-бутана (как и другого сжиженного газа) в баллоне можно определить только взвешиванием. Для нормальной работы любого потребителя газа от пропанового баллона максимальный отбор газа не должен превышать 1,25 м3 в час от одного баллона. При испарении 1 кг (= 2 л) пропан-бутана образуется в среднем 500 л (0,5 м3) газа.
Природный газ состоит в основном из метана (СН4) до 80—98%. Его транспортируют по трубопроводам. Природный газ широко применяется в промышленности как самое дешевое топливо. Газ имеет слабый чесночный запах. Сгорая в струе чистого кислорода, природ
Глава 2. Материалы для сварки
73
ный газ дает пламя с температурой до 2200°С и теплотворной способностью 4500—7000 ккал/м3.
Практически смесь поступает в горелку, резак в соотношении с кислородом 1 : 1,5. Как заменитель ацетилена природный газ применяется для резки сталей, пайки и сварки цветных металлов.
Керосин — прозрачная, бесцветная, легко испаряющаяся жидкость, состоящая из смеси углеводородов (С13Н18). Для керосинокислородной резки и нагрева металла применяют осветительный керосин по ГОСТу 4753-68. Не рекомендуется применять тракторный керосин, так как в нем содержится больше смолистых веществ, которые при температурах 300—600°С образуют смолообразные соединения. Это засоряет аппаратуру и приводит к частой ее разборке и чистке.
Для газовой сварки применяют сварочную проволоку, близкую по химическому составу к свариваемым изделиям. •
Флюсы для газовой сварки. При газосварке от нагрева пламенем цветные металлы энергично вступают в реакцию с кислородом окружающего воздуха и сварочного пламени, образуя окислы, которые имеют более высокую температуру плавления, чем металл. Окислы покрывают капли расплавленного металла тончайшей пленкой и сильно затрудняют сплавление капель в одно целое при сварке. Для защиты от окисления и для удаления образовавшихся окис-лов применяют различные активные химические реактивы, называемые флюсами, в виде порошков и паст. Флюсы образуют легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность металла. Пленка шлаков покрывает расплавленный металл, защищая его от окисления. Расплавленный флюс способен образовывать оксиды, растворяя их и образуя с ними химические соединения. По составу флюсы бывают различные и разрабатываются с учетом свойств сварочного материала и функции флюса. Основные требования к флюсу: легкоплавкость — раннее расплавления металла, хорошая растека-емость и смачиваемость металла, способность полностью удалять оксиды, переводя их в легкоплавкие химические соединения и удаляя до затвердевания ванны, безвредность для свариваемого металла и людей.
Разработано много марок различных флюсов (более сотни).
74
Сварочные работы
Часто в качестве флюса используют обезвоженную буру, борную и кремниевую кислоту и другие вещества, их сочетания и многокомпонентность. Плотность флюса должна быть меньше плотности свариваемого металла, чтобы флюс всплывал в ванне, а не оставался в металле.
При газовой сварке углеродистых сталей флюсы, как правило, не применяют.
2.10. Металлургия сварки
Расплавленные шлаки и газы от электродных обмазок, а также флюсы взаимодействуют с расплавленным металлом сварочной ванны, образуя химические реакции металлургического процесса.
В сварочной ванне проходят такие же металлургические процессы, как и в сталеплавильных печах. Шлак при сварке образуется из расплавленного электродного покрытия, содержащего различные минеральные вещества, руды, горные породы и т. д. Шлак защищает ванну от доступа воздуха, а также замедляет скорость охлаждения шва. Этого достаточно для улучшения качества шва, но не для получения высококачественного металла шва. Необходимо легирование металла, т. е. введение в ванну таких элементов, как марганец, хром, кремний, никель и другие, а также рафинирование.
Рафинирование металла — это удаление избыточного количества вредных примесей и газов из металла шва.
В сталях вредными газами и примесями являются азот N2, водород Н2, кислород О2, сера S, фосфор Р.
Основные особенности металлургических процессов в сварочной ванне, отличающие их от таких же процессов в сталеплавильных печах, состоят в том, что при сварке масса нагретого и расплавленного металла очень мала, высокая температура (до 2400°С) нагрева, число капель электродного металла, проходящих через дуговое пространство в сварочную ванну, незначительно, теплоотвод из сварочной ванны и химические реакции протекают очень быстро и не всегда могут завершиться полностью, кристаллизация металла шва скоротечная.
Глава 2. Материалы для сварки
75
При сварке проходят в основном следующие металлургические процессы: окисление, раскисление, легирование, рафинирование и борьба с растворением газов в металле. Исходя из требований к металлу шва, применяют различные типы электродных покрытий. Преобладание кислотных или основных окислов делают расплавленный шлак кислым или основным по типу. В зависимости от характера металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне, и от химического состава расплавленного шлака электродные обмазки делятся на следующие типы: кислые (рудно-кислые), рутиловокислые, или ильменитовые, основные.
Ильменитом называют титанистый железняк FeTiO3 — минерал класса оксидов. Это основная руда для получения титана. Еще его называют титановый (ильменитовый) концентрат.
Кислые типы расплавленного шлака сварочной ванны характеризуются реакциями, аналогичными реакциям выплавки кипящей стали в сталеплавильных печах. Важнейшими кислотными оксидами в обмазках выступают SiO2 и ПО2. Основной реакцией в ванне является реакция восстановления закиси железа углеродом:
FeO + С = Fe + СО, сопровождаемая образованием газообразной окиси углерода, вызывающей кипение ванны. Для быстрого проведения указанной реакции в обмазку вводятся в большом количестве оксиды железа в форме железных руд и другие оксиды, легко отдающие кислород и способные интенсивно окислять металл ванны, например двуокись марганца МпО2 в форме минерала — пиролюзита. Дополнительным источником углерода является ферромарганец. В сварочной ванне протекают экзотермические реакции, которые дополнительно разогревают ванну.
Ферросплавы, кроме легирующих, имеют свойства сильных раскислителей и уменьшают содержание кислорода в ванне, восстанавливая закись железа в железо.
При сварке стали в большом количестве окисляется железо, и в результате реакции получается низший оксид железа FeO, который необходимо восстанавливать в железо.
76
Сварочные работы
Реакции восстановления железа при взаимодействии с различными элементами обмазки или флюса следующие:
1. 2FeO + Т1 = [2Fe] + (ТЮ2)
растворенные в железе
2. 2FeO + Si = [2Fe] + (SiO2)
растворенные в железе
3. FeO + СО = [Fe] + СО2Т
раств. газ в железе
4. FeO + Мп = [Fe] + (МпО)
растворенные в железе
5. FeS + Мп = [Fe] + (MnS)
растворенные в железе
Квадратными скобками [ ], как принято в теории металлургических процессов, обозначены вещества в металлическом, а в круглых ( ) — в шлаковом расплаве.
Преимущества и недостатки кислых покрытий. Преимущества — высокая скорость расплавления, возможность сварки на форсированных режимах, высокая проплавляющаяся способность, хорошая производительность при сварке в нижнем положении.
Недостатки с металлургической точки зрения — металл шва имеет повышенное содержание кислорода, фосфора, серы и чувствителен к образованию холодных и горячих трещин, сравнительно невысокий уровень характеристик механических свойств металла шва, неблагоприятные санитарно-гигиенические показатели для сварщика.
Преобладание основных оксидов в расплавленном шлаке от электродного покрытия, т. е. основной тип покрытия электродов, делает преобладающей металлургической реакцией реакцию восста-, новления закиси железа металлом с большой теплотой образования, оксида, обычно кремнием или титаном:
2FeO + Si = 2Fe + SiO2.
Реакция протекает без газообразования и кипения ванны. Основными окислами являются Na2O; CaO; MgO; МпО; FeO и др.
Глава 2. Материалы для сварки
77
В обмазку вводятся достаточно прочные оксиды, не отдающие кислород ванне и не окисляющие металл, например, оксид кальция. Металлургический процесс сходен с выплавкой спокойной стали.
Кислород находится в расплавленном железе в форме закиси железа FeO, имеющей ясно выраженный основной характер и реагирующей с кислотными оксидами шлака, если они содержатся в избытке, образует силикаты или титаниты закиси железа 2FeO • SiO2 и 2FeO • TiO2, которые в ванне металла практически нерастворимы и переходят из металла в шлак, т. е. удаляют закись железа из ванны шлаком. Сильноосновной характер обмазки — с большим содержанием окиси кальция СаО — дают шлаки, обеспечивающие получение металла шва особо высокого качества. Шлаки основного характера не раскисляют металл, и для уменьшения содержания кислорода в ванне в обмазку приходится вводить сильные раскислители (кремний, титан) в форме ферросплавов.
Основные покрытия обычно базируются на карбонате кальция СаСО3 (мрамор, мел) и плавиковом шпате (флюорите) — CaF2. В состав покрытия вводят также минеральные силикаты (кварц, гранит и т. д.) и несколько раскислителей одновременно (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан). Образующийся расплавленный шлак, содержащий оксиды кальция, кремния, железа, алюминия, носит ярко выраженный основный характер.
Сварку электродами с основным покрытием выполняют в постоянном токе обратной полярности, (+) на электроде.
Достоинством электродов с основным покрытием является малое содержание оксидных включений в металле шва. Это обусловливает высокие вязкопластические свойства металла шва и хорошую сопротивляемость образованию горячих трещин. На базе основных покрытий выпускают «низководородные» электроды, обладающие Малой чувствительностью к образованию холодных трещин.
К недостаткам основного покрытия электродов следует отнести: низкую технологичность при сварке переменным током; трудности при изготовлении, в частности, необходимо применение особых добавок, пластификаторов — веществ, повышающих пласти
78
Сварочные работы
ческие свойства обмазочной массы: чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия и наличии влаги, окалины, ржавчины на свариваемых кромках. Необходимо строго ограничивать содержание влаги в электродном покрытии путем высокотемпературной прокалки при изготовлении и повторной прокалке перед сваркой при температуре 260—350°С. Хранить электроды с основным покрытием нужно в герметичной таре.
В России и за рубежом основное покрытие используется для электродов специального назначения: высокопрочных, хладостойких, теплоустойчивых, жаропрочных, коррозионно-стойких и т. д.
Органические вещества (целлюлоза, крахмал, декстрин, сахар, пищевая мука, древесная мука и т. п.) вводятся в оба типа покрытий для газовой защиты сварочной дуги. Под действием высокой температуры при сварке они разлагаются с образованием смеси газов, имеющих восстановительные свойства, и защищают металл шва от воздействия атмосферного воздуха. Защитная газовая оболочка, образуемая от разложения органических соединений, ограждает ванну от доступа кислорода и азота, а соединения железа с азотом в присутствии газа, богатого водородом (от органики), практически не образуются.
Рафинирование металла шва выполняется также за счет химического взаимодействия расплавленного шлака с ванной.
Основные вредные для сварочной ванны газы — это водород, азот и кислород.
Применяется два способа борьбы с этими газами:
• физический — это защита сварочной ванны от компонентов, содержащих водород, азот и кислород;
• химический — перевод газов из растворимого состояния в нерастворимое.
Водород — растворяется в большинстве металлов в зависимости от температуры металла. Водород — вредная примесь. Он является причиной пор, микро- и макротрещин в шве и зоне термического влияния. При быстром затвердевании ванны водород в виде газовых пузырей может остаться в сварном шве и под большим давлением.
Глава 2. Материалы для сварки
79
Азот растворяется в элементах, с которыми образует соединения, называемые нитридами. Это твердые игольчатые кристаллы со слабой взаимосвязью. Они заметно уменьшают вязкость и увеличивают твердость металла шва. Азот не растворяется в меди, никеле, золоте, серебре и не образует с ними химических соединений (инертный по отношению к ним газ). Азот способствует образованию пор в металле шва.
Кислород. С увеличением содержания в металле шва более 0,05% кислорода ухудшаются механические свойства сварного соединения. Для улучшения прочности стали применяют раскислителъный процесс, восстановительные реакции, т. е. железо восстанавливается из растворенной закиси железа металлом, обладающим более высоким химическим сродством к кислороду и дающим оксид с очень малой растворимостью в железе.
Для большинства металлов и сплавов при сварке для устранения окислительных процессов в присадочные материалы, покрытия (обмазки) и флюсы вводят специальные раскислители — это вещества, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва.
С помощью окислительно-восстановительных реакций и взаимодействия расплавленного шлака с ванной происходит рафинирование шва, даже с растворением при высоких температурах некоторых вредных неметаллических включений и образованием с ними легкоплавкой смеси, которая всплывает в шлак.
При газовой сварке металл ванны интенсивно перемешивается с газовым потоком пламени и вступает во взаимодействие с ним, в результате чего происходит окисление, испарение и выгорание отдельных компонентов металла. В основном металл шва окисляется газами пламени горелки или кислородом воздуха. Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение с легирующими компонентами, что увеличивает общее содержание кислорода в металле шва и приводит к снижению механических свойств последнего. Процессы окисления и раскисления происходят одновременно и находятся во взаимосвязи. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.
80 Сварочные работы
Следует отметить, что ацетилено-кислородное пламя по отно-j шению к расплавленному металлу является в основном защитно# средой, затрудняющей доступ кислорода к сварочной ванне и за4 медляющей окисление металла. При сварке меди, латуни, бронзы ц других цветных металлов, раскисления которых одним пламенем недостаточно, применяют флюсы, способствующие образованию легкоплавких соединений (шлаков) и удалению оксидов из металла.
В остальном металлургические процессы дуговой и газовой сварки схожи по сути химических реакций.
Кристаллизация металла шва. Кристаллизация — это переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое с образованием зерен из расплава. Кристаллизация ванны начинается от готовых центров, зародышей кристаллизации — в основном от оплавленных зерен основного металла. Размер зерен зависит от объема жидкого металла, скорости охлаждения (величины теплоотвода). Чем быстрее охлаждение ванны, тем тоньше кристаллический слой и меньше размеры зерен. При газовой сварке нагрев и охлаждение происходят медленней, поэтому зерна больше по размеру. Металл шва имеет более выраженное столбчатое строение, так как состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу. Центрами кристаллизации могут быть мелкие тугоплавкие твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии. Растущие кристаллы называют в металловедении кристаллитами.
Кристаллиты могут быть различными по строению: ячеистые, дендритные и ячеисто-дендритные. Чем чище металл, тем строение ближе к ячеистому.
Ячеистая структура — это ряд параллельных ячеек, вытянутых в направлении кристаллизации, т. е. в направлении отвода тепла. Границы ячеек образованы скоплением примесей. По направлению к центру сварочной ванны ячейки увеличиваются по размеру. На ячейках могут появиться ветви, и ячеистая структура переходит в дендритную (столбчатую). Дендриты (от греческого — дерево) — это древовидные кристаллы, образующиеся при кристаллизации в условиях направленного отвода тепла. От ствола дендритной структу
Глава 2. Материалы для сварки
01
ры под углом возникают и растут ветви. При образовании осей кристаллизации одновременно пространство между ними заполняется жидким, более чистым металлом.
Чаще всего сварные швы имеют столбчатое строение кристаллов. В общем случае строение кристаллов зависит при сварке от чистоты металла в сварочной ванне, от загрязняющих примесей, скорости охлаждения ванны, величины сварочного тока. Размеры столбчатых кристаллов могут быть от 0,3 до 3,0 мм. В зоне сплавления — более мелкие кристаллиты, а ближе к центру шва — крупные с дендритно-ячеистой структурой. Кристаллизационные слои рассматривают под микроскопом на специально подготовленных микро- и макрошлифах с фотографированием.
На завершающем этапе затвердевания в ванне кристаллитов могут образовываться горячие трещины (кристаллизационные трещины). Трещины образуются от загрязнений, которые имеют более низкую температуру плавления, чем железо. Эти загрязнения при охлаждении шва долго находятся между кристаллитами в жидком и полужидком состоянии и не могут сопротивляться растягивающим силам в процессе усадки охлаждающегося металла шва, и от этого по границам кристаллитов появляются трещины. Это не единственная причина появления горячих трещин, так как условия несвободной усадки шва и линейного сокращения металла при охлаждении влияют более значительно на их появление.
Холодные трещины образуются при нормальной температуре, или до 200”С. Это местные межкристаллические разрушения. Они возникают под влиянием имеющихся в металле водорода, нитридов, сульфидов, фосфидов, а также остаточных сварочных напряжений или закалки ЗТВ.
При содержании в сталях фосфора больше допустимых норм сталь приобретает хладоломкость. Первая авария на первой в России железной дороге (скол рельса при —26°С) произошла по причине большого содержания фосфора в металле.
Строение сварного шва. В поперечном сечении сварной шов на шлифе имеет следующие четко выраженные зоны: металл шва, зона сплавления, зона термического влияния (ЗТВ), основной металл. С
02
Сварочные работы
точки зрения качества сварного соединения больший интерес представляет ЗТВ, которую и рассмотрим (см. рис. 12).
Зона термического влияния — это участок основного металла около зоны сплавления, структура, свойства и ширина которого зависят от термического цикла, склонности к восприятию закалки и от свойств пластического деформирования при сварке.
ЗТВ состоит из зоны перегрева — перегретого металла, нагреваемого до температур, близких к температуре плавления, и отличающейся значительным укрупнением зерна и пониженной вязкостью; зоны нормализации, нагреваемой несколько выше температур критической точки Aj (диаграммы «железо-углерод») и характеризуемой значительным измельчением зерна; зона неполной перекристаллизации (частичной нормализации) с максимальной температурой нагрева, лежащей между критическими точками А, и Aj, характеризуемой неравномерностью структуры металла, наличием мелких зерен, образовавшихся при перекристаллизации, и более крупных, не изменившихся зерен: участок рекристаллизации характеризуется восстановлением приблизительно равноосных зерен из деформированных, созданных процессом прокатки металла.
Затем зона неполной перекристаллизации переходит в зону сплавления, далее — основной металл.
Ширина ЗТВ в стали влияет на эксплуатационные качества сварного соединения, и чем эта зона шире, тем хуже прочностные показатели. Например, при электронно-лучевой сварке ширина ЗТВ ~ 0,6 мм, при автоматической сварке под флюсом — от 2 до 3,5 мм, при ручной дуговой сварке — 3,5—6,0 мм, а при газовой сварке — от 24 до 27 мм. Как правило, усталостные разрушения происходят в ЗТВ по зоне перегрева.
2.11. Сварочные деформации и напряжения
К пониманию и учету деформаций и внутренних напряжений в конструкциях после сварки нужно подходить очень серьезно, так как они могут приводить к неприятным последствиям.
Глвва 2. Материалы для сварки
83
Конструкции после деформации иногда не поддаются исправлению, а при неправильных схемах и режимах сварки внутренние напряжения способны локально разрушать сварные швы или металл в околошовной зоне, если не произошла деформация и отсутствует возможность релаксации внутренних напряжений. Автору приходилось сталкиваться с разрывом стыков труб большого диаметра и стыков листовых конструкций. Поэтому очень важен грамотный подход к разработке технологического процесса.
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием силы. Деформации подразделяются на упругие и пластические.
Упругие деформации имеют место, когда после прекращения действия силы форма и размер тела восстанавливается. Упругая деформация по величине небольшая, для малоуглеродистой стали — это любое усилие, вызывающее относительное удлинение не более 0,2%, и находится ниже предела текучести металла (точки начала текучести).
Пластическая деформация происходит при величине силы, превышающей предел упругости и текучести металла. После прекращения действия силы тело не восстанавливает форму и размеры. Она еще называется остаточной деформацией.
К деформациям после сварки приводят внутренние напряжения в сварном узле.
Внутренние напряжения — это напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних сил. Они бывают различного характера действия: растяжения, сжатия и др. Между деформацией и напряжением существует определенная связь, т. е. чем больше величина пластической деформации, тем меньше в теле внутренние напряжения. Внутренние напряжения возникают в теле (детали) при невозможности свободной деформации нагреваемой детали. Основными причинами возникновения напряжений и деформаций при сварке являются: неравномерный нагрев основного металла, большая величина погонной энергии, когда скорость сварки низкая, а сечение шва относительно большое, литейная усадка и, особенно, структурные изменения металла шва и околошовной зоны.
04
Сварочные работы
Неравномерный нагрев приводит к деформации, или внутренним напряжениям, следующим образом. Если нагреть небольшой участок стального листа, то при нагревании металл начнет расширяться в зоне нагрева, но этому расширению будут препятствовать менее нагретые части листа вокруг зоны нагрева. В результате возникновения этих внутренних напряжений лист в зоне нагрева либо потеряет устойчивость и начнет деформироваться, если относительно тонкий, либо создаст в себе внутренние напряжения. Они после сварки могут быть настолько большими, что вызовут разрушение шва или металла конструкции (рис. 25).
Усадка металла — уменьшение объема стали при переходе из жидкого состояния в твердое. Чугуны при таком переходе несколько увеличивают свои размеры, этим свойством они схожи с водой при замерзании.
Усадка швов при сварке вызывает в них продольные и поперечные силы после охлаждения.
Структурные изменения состоят в том, что происходит изменение размера кристаллической решетки стали и взаимного расположения кристаллов, которое сопровождается изменением объемов тела. В некоторых марках стали размер кристаллической решетки уменьшается, например, с 2,8 Е до 2,6 Е (Е — ангстрем — одна десятимиллионная доля миллиметра), в которых после нагрева кристаллы приходят в прежнее состояние. Но в некоторых сталях размер кристаллической решетки после трех—четырехкратного нагрева возрастает с 2,8 Е до 3,6 Е безвозвратно, и сталь себя распирает в более слабой зоне, образуя трещину. К такой стали относится сталь 30 ХГСА и др. Они характеризуются боязнью термического удара, т. е. многократного нагрева.
Внутренние напряжения бывают и от неудачного конструктивного сочетания свариваемых элементов, т. е. от нетехнологичнос-ти сварного узла. При этом затвердевающий металл шва уже прочно связан с основным металлом, а усадка шва встречает сильное препятствие, и если шов не разорвет внутренними напряжениями от усадки, то внутренние напряжения останутся в сварном узле постоянно действующей незримой силой, до приложения внешних (рабочих) нагрузок (рис. 24).
Глава 2. Материалы для сварки
05
Напряженное состояние малопластичных материалов способствует образованию трещин в сварном шве или основном металле.
Внутренние напряжения от сварки вызывают коробление сварных конструкций.
Чем менее пластичный металл, чем меньше его теплопроводность, тем больше он подвергается деформации, так как зона нагрева становится (по тепловложению) точечной, т. е. неравномерной, без достаточного теплоотвода. Например, для изделий одинаковой конструкции у изготовленного из хромоникелевой стали (типа Х18Н9) величины деформаций и внутренних напряжений будут очень большими, больше, чем из низкоуглеродистой, а у произведенного из меди — их, как правило, не бывает.
Изменение размеров и объема кристаллической решетки металла от температуры всегда порождает внутренние напряжения в нем. Если олово длительное время будет находиться на двадцатиградусном морозе, то оно начнет самопроизвольно растрескиваться.
Механизм образования деформаций и внутренних напряжений в металле для конкретных сварных узлов достаточно сложный и не поддается расчету, даже приближенному к реальному результату, по причине влияния очень многих нестабильных факторов. Это задача со многими неизвестными и меняющимися во времени. Поэтому в прочностных расчетах зависимости сварных конструкций от внешних (рабочих) нагрузок величины сварочных напряжений в них не учитывают, но проектируют сопряжения, соединения отдельных элементов таким образом, чтобы эти напряжения свести до минимума. Причем принимаются во внимание основные сведения о поведении сварных швов.
Например, особенно большие и опасные сварочные напряжения возникают при сварке литых деталей, закрепленных от свободных перемещений поперек стыка: шов и детали стремятся сократиться, а концы их защемлены, в деталях возникают значительные растягивающие напряжения, способные привести к разрыву.
В угловых швах величина поперечных сварочных напряжений (от неодновременности застывания металла шва по сечению) тоже велика, но резко уменьшается при многослойной сварке.
86
Сварочные работы
Усадка швов (продольная и поперечная) происходит всегда «на себя» — к центру шва. Величина поперечной усадки примерно в 10 раз больше продольной.
Эпюра су как бы складывается из двух эпюр, полученных при наплавке шва на кромку листа.
Ввиду того, что сварной шов соединяет оба листа по прямой линии, создается препятствие их выгибу и возникает эпюра поперечных сварочных напряжений ах (рис. 23).
Для уменьшения поперечных напряжении применяется обратноступенчатый способ сварки, когда направление каждого отдельного шва — в одну сторону, а общее направление сварки — в противоположную.
Рис. 23. Эпюры сварочных напряжений в стыковом шве: ау—эпюра остаточных продольных напряжений; сж— эпюра поперечных сварочных напряжений; е — сжатие волокон металла; е — растяжение волокон металла.
Эпюры сварочных напряжений при соединении встык: 1 — при сварке в одном направлении; 2 — при обратноступенчатой сварке — уменьшенные напряжения
Глава 2. Материалы для сварки
87
Рис. 24. Сварочные напряжения при стесненной деформации — самое напряженное состояние
При соединении внахлестку, если расстояние между швами будет меньше пяти толщин наиболее тонкого листа, то податливость листков между швами становится настолько малой, что в шве может образоваться трещина.
Есть много конструктивных и технологических способов уменьшения деформаций и внутренних напряжений, так как невозможно избежать их полностью.
1. Конструктивные способы:
1.1. Минимальное количество сварных швов, их катеты не должны превышать 16 мм — для уменьшения тепловложения в конструкцию.
1.2. Симметричность расположения швов для уравновешивания деформаций.
1.3. Обеспечивать размерами чертежа минимальные зазоры в местах сварки, т. е. не превышающие требования соответствующего ГОСТа на сварные швы.
1.4. Симметричное расположение ребер и минимальное их количество.
1.5. Учитывать в сопряжениях деталей возможность конструктивной свободной усадки сварного шва при остывании без жестких заделок.
1.6. Не допускать перекрещивающихся швов, особо в ответственных конструкциях.
1.7. Для большеобъемных ответственных конструкций стыковые соединения надежней и технологичней выполнять нахлесточными, например, резервуары для хранения нефтепродуктов — с нахлесточными стыковыми соединениями в горизонтальных плоскостях.
1.8. Избегать в конструкциях сварных швов, неудобных для выполнения (потолочных, вертикальных).
80
Сварочные работы
Рис. 25. Деформация элементов при сварке: а — однослойная сварка; б — многослойная сварка с эпюрами напряжений
2. Технологические способы:
2.1. Минимальная погонная энергия, т. е. высокая скорость сварки при минимальном поперечном сечении шва.
2.2. Равномерное, малыми дозами, симметричное распределение тепловложения от сварки, с указанием последовательности и направления наложения швов, их протяженности и сечения, применяя и встречное направление второго слоя (прохода) шва.
2.3. Обоснованные режимы сварки и правильная последовательность наложения швов.
2.4. Минимальное количество прихваток и малое их сечение.
2.5. Предварительное взаимное расположение деталей с учетом будущей деформации, а также предварительные прогибы, которые исчезнут от деформации после сварки.
2.6. Предварительное закрепление деталей перед сваркой; хотя после сварки, охлаждения в зажатом состоянии и раскрепления обязательно имеются остаточные деформации, но очень небольшой величины, по сравнению со свободным охлаждением после сварки.
2.7. Проковка швов в холодном (либо горячем) состоянии. Этот прием значительно снимает внутренние напряжения и повышает надежность конструкции.
Глава 2. Материалы для сварки
89
2.8. Местный подогрев, предварительный подогрев в печи, отжиг, нормализация. Чаще применяют один из перечисленных методов термического влияния.
2.9. Применение гнутых профилей.
Все перечисленные способы достаточно действенны и результативны, поэтому нужно их помнить при решении вопросов качества ответственных конструкций и грамотно ими пользоваться. Габаритные, а также жесткие ответственные конструкции не допускают ошибок, так как не поддаются правке, исправлению.
Деформированные сварные узлы обычно подвергают механической правке молотком, кувалдой, прессом.
9 Контрольные вопросы к главе 2
• — ------- ............ , ............. „ '
1. В чем отличия сварочной проволоки от проволоки обычной (товарной) ?
2. Из каких основных компонентов состоят порошковые твердые сплавы?
3. Для чего наносят обмазку на сварочные электродные стержни?
4. В чем различия типа и марки электрода?
5. Из каких основных операций состоит процесс производства электродов?
6. Для чего нужны защитные газы при сварки?
7. Каково назначение флюса при сварке?
8. Какие сварочные материалы применяются при газоплазменной обработке металлов?
9. Перечислите основные причины деформаций и напряжений при сварке.
10. В чем различия деформаций и внутренних напряжений?
11. Что понимается под выражением «полимеризация ацетилена» ?
12. Назовите виды швов и сварных соединений.
Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И РЕЗКИ
3.1. Сведения о сталях
Для сварных конструкций применяются только стали, относящиеся к углеродистым, низколегированным и в небольших количествах — к среднелегированным сталям. Это ограничение связано со свариваемостью сталей и пригодностью сварных узлов.
• Сварные конструкции должны быть прочными, жесткими и надежными, а также экономичными и минимально трудоемкими. Исходя из этих требований выбирают и соответствующие марки сталей. В промышленности России применяется более 400 различных марок сталей, но для сварки узлов и конструкций применяют только около 40 марок прокатной стали. Для сварных узлов и конструкций применяются следующне-груттттвгсталей:
- • сталь конструкционная, углеродистая, обыкновенного качества, общего назначения, например от стали В Ст. 2 (КП, ПС, СП) до стали В Ст. ЗГ ПС;
f • сталь конструкционная, углеродистая, качественная, напряг шр, сталь 10 (КП',’ ПС), сталь 20 (КП, ПС), сталь 35, сталь 15К, сталь 20К идр;;
• сталь конструкционная, низколегированная для сварных конструкций ответственного назначения, например, 09Г2, сталь 14Г2, стали 12ГС, 17ГС, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и др-;
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
91
• сталь конструкционная легированная, например, стали: 15Х, 20Х, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГСА, ЗОХГСА, 20ХН, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 12ГН2МФАЮ и др.;
• сталь конструкционная, теплоустойчивая, например, сталь 12МХ, сталь 12X1 МФ, сталь 25Х2М1Ф и др.;
• стали и сплавы коррозийно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие. Из 50 марок этой группы сталей наиболее часто применяют для сварных изделий следующие стали: 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; 12Х18Н9: 08Х18Н10; 20Х23Н18 -как лучшая для изготовления цементационных реторт в термическом производстве. Из стали Х20Н80, т. е. нихрома, делают спирали электронагревательные не только для быта (электроплиты и другие нагреватели), но и спирали для нагрева цементационных реторт и электропечей. Диаметры проволоки этих спиралей от 3 до 8 мм, и сварщикам зачастую приходится их сваривать при стыковке.
В перечисленных группах сталей в качестве примеров приведены только некоторые марки, применяемые для сварных изделий.
По прочности стали условно делят на три группы:
• стали обыкновенной прочности (низкоуглеродистые);
• стали повышенной прочности (низколегированные);
• стали высокой прочности.
В зависимости от содержания легирующих компонентов стали делятся на четыре группы:
1) углеродистые — легирующие элементы умышленно не вводятся;
2) низколегированные — суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%;
3) среднелегированные — легирующих компонентов от 2,5 до 10%;
4) высоколегированные — легирующих компонентов более 10%.
Углеродистая сталь в зависимости от содержания углерода подразделяется на:
• низкоуглеродистую — углерода до 0,25%;
• среднеуглеродистую 0,25—-0,6%;
92
Сварочные работы
• высокоуглеродистую 0,6—1,7%.
Свойства и качество стали оценивают по механическим характеристикам и химическому составу. Механические свойства стали характеризуют следующие основные показатели.
1. Предел текучести С5Х (сигма) — предельная удельная нагрузка (сила), до которой можно считать металл работающим упруго и пользоваться методами расчета прочности по упругой стадии металла.
Предел текучести — это начало участка (точка) пластической стадии работы металла, его текучести, т. е. когда происходит удлинение без роста нагрузки.
2. Временное сопротивление (предел прочности) ов показывает удельную нагрузку, при которой происходит разрыв образца при растяжении. Усилие (нагрузка), отнесенное к единице площади поперечного сечения разрыва, — это и есть ов.
3. Относительное удлинение е (эпсилон) — отношение приращенной длины образца после разрыва к ее исходному значению. Относительное удлинение характеризует пластические свойства стали.
4. Ударная вязкость ак (альфа) — работа, затраченная на разрушение специального образца ударным изгибом. Ударная вязкость характеризует склонность стали к переходу в хрупкое состояние. Показатели ударной вязкости зависят от структуры стали, ее чистоты и однородности.
5. Изгиб в холодном состоянии на 180° характеризует пластические свойства и склонность к образованию трещин.
Влияние различных компонентов стали на ее свойства и свариваемость
Углерод (У)* повышает предел текучести и временное сопротивление стали, однако уменьшает пластичность и свариваемость стали. Поэтому в сварных конструкциях применяются только низкоуглеродистые стали: (углерода до 0,25%).
* Здесь и далее в скобках указано условное обозначение элемента в марках сталей.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
93
Кремний (С) раскисляет сталь, поэтому его количество возрастает от кипящей к спокойной стали. Он, как и углерод, но в меньшей степени, увеличивает предел текучести и временное сопротивление, но несколько ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и сильно снижает ударную вязкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.
Марганец (Г) увеличивает предел текучести и временное сопротивление стали, незначительно снижая ее пластические свойства и мало влияя на свариваемость.
Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное (более 1,0%) содержание меди способствует старению стали (старение — см. ниже).
Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, несколько повышает ее ударную вязкость.
Азот (А) в несвязанном состоянии увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах, и способствует ее старению. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном и ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, улучшающим структуру и механические свойства. Азота в металле шва содержится до 0,1%.
Никель (Н), хром (X), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т), бор (Р) являются легирующими компонентами, улучшающими те или иные механические свойства стали, а никель, кроме того, всегда улучшает и свариваемость сталей.
Однако в сталях еще имеются неизбежные примеси, которые отрицательно влияют на механические и конструкционные характеристики.
Фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладоломкой (хрупкой при отрицательных температурах). Допускается в сталях не более 0,08%.
Сера несколько уменьшает прочностные характеристики стали и, главное, делает ее красноломкой, хрупкой и склонной к образованию трещин при температуре 800— 1100°С, что влечет за собой появление сварочных трещин. Допускается в сталях 0,02— 0,06%, в некоторых до 0,01%.
94
Сварочные рабой
Кислород, водород и азот, которые могут попасть в расплавленный металл из воздуха и остаться там, ухудшают структуру и свариваемость стали и способствуют увеличению ее хрупкости. В сталях кислорода допускается не более 0,20%. В металле шва кислорода, как правило, не более 0,05%, водорода — 3—20 см3/100 г.
В зависимости от степени раскисления различают спокойнук (СП), полуспокойную (ПС) и кипящую (К) стали. Остывание спокойной стали при разливе ее в изложницы происходит спокойно без бурного выделения содержащихся в ней газов и образовали газовых пузырей, приводящих впоследствии к внутренним поро кам и расслоению металла при прокате. Спокойная сталь имее лучшую структуру и однородное строение. Эти показатели в по луспокойной и кипящей сталях соответственно ниже, поэтому дле ответственных конструкций с большими усилиями, а также npi знакопеременных и вибрационных рабочих нагрузках в узлах при меняют спокойную сталь, а в менее ответственных — полуспо койную и даже кипящую.
По своей структуре низкоуглеродистая сталь является однород ным кристаллическим телом, состоящим из зерен (кристаллов) фер рита, занимающих почти весь объел стали, а также перлитовых и цемента-: товых включений между зернами феррита и по его граням (рис. 26). i Феррит представляет собой кристаллы чистого железа, он мягок и пластичен, предел его текучести равен примерно 10 кг/мм2, а предел прочности —> 25—30 кг/мм2, относительное удлинение очень высокое — около 50%. Феррит очень магнитен при температуре до: 768°С. |
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом; Fe3C (карбид железа). Цементит очень тверд, прочен и упруг Его предел проч-; ности — 80—100 кг/мм2, а удлинение:
Рис. 26. Микроструктура низкоуглеродистой стали, полученная на шлифе путем его травления: зерна феррита — светлая окраска, перлиты и цементиты — темная
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
95
всего 1%. При температуре более 210°С цементит немагнитен. Цементит неустойчив, особенно при высоких температурах в высокоуглеродистых сталях, в низкоуглеродистых — устойчив, считается самостоятельным компонентом.
Перлит (от французского — жемчуг) является смесью цементита с ферритом, образующимся по границам зерен феррита. Механические характеристики перлита занимают среднее положение: предел прочности — 60—80 кг/мм2, удлинение — 5—20%.
Вкрапления и прослойки перлита, обволакивая зерна феррита, создают как бы жесткую и упругую «сетку» вокруг мягкого и пластичного феррита. Такое строение стали объясняет ее работу под нагрузкой и ее пластические свойства.
Структура низколегированных и среднелегированных сталей похожа на структуру низкоуглеродистой стали. Прочностные свойства низкоуглеродистых сталей повышаются благодаря введению различных легирующих элементов, которые входят в твердый раствор с ферритом стали и этим его упрочняют. Некоторые легирующие добавки, кроме того, образуют различные карбиды и дополнительно упрочняют сетку прослоек между зернами феррита.
Для металла шва и участка перегрева зоны термического влияния (ЗТВ) углеродистых и низколегированных сталей характерна так называемая видманштеттова структура, т. е. структура феррито-перлитовая с игольчатой формой феррита. Такая же структура наблюдается при сильном перегреве стали и крупнозернистости — в литых изделиях и изделиях, сильно перегретых в процессе горячей обработки.
Старение металлов — это изменение свойств металлов вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре (естественное старение) и более интенсивно при повышенной температуре или после холодной деформации (искусственное старение), например чеканка. Чаще всего под термином «старение металлов» подразумевают изменение свойств сплавов в результате распадения перемещенных твердых растворов — так называемое дисперсионное твердение.
Способность ряда сплавов к старению позволяет получить материал с очень высокими физическими характеристиками — твердостью, прочностью.
96 Сварочные работч
3.2. Свариваемость сталей
Сварка — это сочетание нескольких одновременно протекаю* щих процессов: взаимная кристаллизация металлов, тепловое воз-ч действие на металл в зоне термического влияния и кристаллизация шва. ’I
* Свариваемость характеризуется способностью изменять свой-4 ства шва и сварного соединения по сопоставлению со свойствам^ основного металла, способностью к взаимной кристаллизации.
, Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств — равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционности, вязкости и т. д. Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова.
Свариваемость — это способность металлов и сплавов образовывать соединение с помощью сварки без трещин, пор и других дефектов.
Оценка свариваемости — это склонность сварного соединения к образованию трещин закалочных структур и других структурных изменений в ЗТВ. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке.
При определении свариваемости исходят из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Степень свариваемости металла считается более высокой, если для сварки можно применить различные ее способы и различные режимы при каждом способе, как, например, у низкоуглеродистой стали.
Взаимная кристаллизация в принципе всегда возможна, если металлы од нородны.
Для качественной сварки металлы должны обладать свойствами принципиальной (физической) свариваемости и технологической свариваемости.
Единого показателя свариваемости металлов нет.
Принципиальная, или физическая, свариваемость — это способность металлов в условиях сварки образовывать соединение на
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
97
основе взаимной кристаллизации. Принципиальной свариваемостью обладают все однородные металлы. Не свариваются металлы, не обладающие взаимной растворимостью, они образуют не межатомные связи, а хрупкие химические соединения.
Например, свинец и медь образуют несмешивающиеся пары. Необходимо также условие сходности металлов, например, по атомному весу, температуре плавления и др. По этим причинам не свариваются алюминий и висмут. Медный сплав и титан, а также сталь и титан не обладают взаимной растворимостью, но задача их соединения решена с применением металловставок, например, медь + тантал + титан; титан + ванадий + сталь. Металл вставки образует смешивающиеся пары с обеими свариваемыми металлами. Но принципиального соединения еще мало, так как нужно еще и качество по прочности. При соединении сваркой несмешивающихся металлов, например, железа со свинцом, меди со свинцом и других, зоны сплавления и атомного сцепления не будет, произойдет лишь «слипание» металлов.
Технологическая свариваемость — совокупность свойств основного металла, определяющих чувствительность его к термическому циклу сварки и способность при данной технологии сварки образовывать сварное соединение надлежащего качества по прочности и вязкости без применения специальных технологических приемов (подогрева, отжига и т. д.).
Технологическая свариваемость в свою очередь подразделяется на тепловую (отношение металла к тепловому воздействию) и металлургическую технологическую свариваемость, которая учитывает отношение металла к плавлению, металлургической обработке и кристаллизации.
Учитывается как критерий свариваемости окисляемость металла, стойкость к горячим и холодным трещинам. Особого внимания заслуживает участок перегрева в ЗТВ — как самая ослабленная область в сварном соединении. Она нагревается до температуры 1100— 1400°С, поэтому структура металла в этой зоне — крупнозернистая с пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства Тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева (как у газовой сварки).
98
Сварочные работы
Оценочным показателем свариваемости металлов служит сопротивляемость к образованию горячих и холодных трещин, которые описаны в предыдущем разделе при рассмотрении кристаллизации металла шва. Существует много методов оценки свариваемости, применяемых в машиностроении и описанных в литературе, но они распространяются на однородные и, главным образом, стальные материалы. Все они имеют одну основную цель — оценить свариваемость металлов по стойкости против образования горячих и холодных трещин и склонности образовывать закалочные структуры в зоне термического влияния (ЗТВ). На состояние ЗТВ влияет содержимое химических элементов в стали, особенно углерода.
Для определения свариваемости металлов используются в основном два метода: моделирование условий работы сварного соединения, близких к реальным, с изготовлением образцов соединения, и пробы — испытание при сварке либо после сварки, с оценкой свариваемости, технологические пробы и т. д.
Косвенные, количественные методы оценки свариваемости по химическому составу металла. До сих пор не существует достаточно надежной и достоверной единой системы определения свариваемости металлов.
В практической деятельности удобно пользоваться марочниками сталей и сплавов, в которых в разделе технологических свойств на каждую марку сталей приводятся и сведения о свариваемости, способах и условиях сварки.
В практике используется четыре вида испытания металла на свариваемость.
1. Определение стойкости металла шва против образования горячих (кристаллизационных) трещин.
2. Определение стойкости металла околошовной зоны против образования холодных трещин.
3. Испытание стойкости основного металла и металла околошовной зоны и шва, а также всего сварного соединения в целом, против перехода в хрупкое состояние (охрупчивание).
4. Проверка соответствия сварного соединения специальным заданным свойствам служебного характера.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
99
Общее число методов испытаний по этим четырем направлениям достигает более 150. Идея (принцип) метода технологических проб состоит в том, что кристаллизация проходит в состоянии пластин, закрепленных разными конструктивными приемами. При этом склонность к трещинам определяется наглядно. Для исключения ошибки выводы делаются по трем образцам.
Заслуживает внимание еще метод МВТУ им. Баумана, когда сварка стыка выполняется одновременно с медленным растягиванием пластин. Этим выявляется критическая скорость растяжения образца, при которой появляются трещины горячие и устанавливается стойкость металла (в мм/с) к образованию горячих трещин.
В остальных методах напряжение растяжения создается за счет усадки металла. Все остальные методы в основном моделируют условия работы сварного соединения.
Косвенные методы оценки свариваемости металлов (количественные) заключаются в оценке количества углерода и легирующих элементов в стали, и полученное количество сопоставляется с так называемым эквивалентным содержание углерода Сэкв по которому оценивают свариваемость. Формул Для определения Сэкв до десятка, и достоверность их, в принципе, весьма относительная, так как формулы эти эмпирические, т. е. без вывода. Вот некоторые из них:
1) Сэкв = С + Мп/6 + Сг/6 + Si/5 + Cu/7 + Р/2 + Ni/12 + Мо/4 + + V/5.
Это уточненная формула для всех сталей, т. е. общепринятая формула.
2) Для малоуглеродистых сталей:
Сэкв = С + Мп/6 + 0,0245, где 5 — толщина свариваемой кромки (наибольшей) (по разработке Челябинского политехнического института (ЧПИ, ныне ЮрГУ).
3) Для легированных сталей (по ЧПИ):
Сэк». = С + Mn/20 + Ni/15 + (Сг + Mo + V)/10 + 0,0248 5, где S — толщина металла.
Для различных сталей (по К. К. Хренову):
Сэкв. = с + Мп/6 + Сг/3 + Ni/15 + V/5.
100 ’ Сварочные работы
5) С кв = С + Мп/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 - для всех марок сталей (по журналу «Сварочное производство»; 1969, № 5.).
Во всех формулах количество указанного элемента дается в процентном содержании, затем выполняется вычисление.
При Сэкв < 0,45 — свариваемость хорошая для легированных ста-! лей.
При Сэкв « 0,49 — свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.
При Сэкв > 0,45 до 0,5 — свариваемость удовлетворительная и требуется подогрев.
При Сэкв > 0,5 до 0,6 — свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.
При Сэкв > 0,6 до 0,8 — свариваемость плохая.
В общем случае- по свариваемости все стали условно подразделяют на четыре группы.
1. Хорошо сваривающиеся —'до 0,3% углерода.
2. Удовлетворительно сваривающиеся -^до 0,38% углерода.
3. Ограничено сваривающиеся — до_0,48% углерода.
4. Плохо сваривающиеся — свыше 0,48% углерода.
Как видно, основным критерием этого разделения является количество углерода (не эквивалента углерода). Углерод влияет на склонность к закалочным структурам в околошовной зоне и на образование холодных трещин при наличии таких структур.
Для получения качественного сварного соединения из сталей с плохой свариваемостью необходимо применять различные специальные технологические приемы, например различные виды термообработки (подогрев, отжиг, нормализация, отпуск) как перед сваркой, так и в процессе сварки и после нее.
При оценке сталей на свариваемость учитывают следующее
Углерод увеличивает твердость и уменьшает пластичность, приводит к закаливаемости ЗТВ и к появлению трещин, к увеличению количества газовых пор в процессе окисления при сварке.
Марганец — при содержании до 1% не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. В качестве хорошего раскислителя он способствует уменьшению содержания кислорода в стали. Однако при
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
101
содержании более 2,5% свариваемость ухудшается, так как повышается твердость стали, появляются закалочные структуры, могут быть трещины.
Кремний — до 1% вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. Но при содержании кремния более 2,5% свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие оксиды, ведущие к появлению шлаковых включений, повышаются прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость.
Хром — до 0,6% не отражается на свариваемости. При содержании хрома более 1% свариваемость ухудшается и особо при повышении содержания углерода.
Никель — в обычных углеродистых сталях никеля до 0,3%, а в высоколегирующих — до 28%. Никель, вместе с прочностью, повышает и пластичность металла сварного соединения и не ухудшает, а даже улучшает свариваемость.
Молибден — в сталях от 0,5 до 3% существенно увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость, повышает склонность к образованию трещин в шве и переходной зоне.
Медь — содержание ее в сталях до 1% улучшает свариваемость, повышает их прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость.
3.2.1. Сварка малоуглеродистых сталей
Сварка малоуглеродистых сталей не создает особых трудностей. Перед сваркой зачищают торцы кромок и околошовную зону на ширину 20 мм от всяких загрязнений и ржавчины. Очистку кромок выполняют различными способами, но чаще — механическим путем: металлическими щетками, напильником, абразивными кругами и пневматическими машинками (ручными). Хорошие результаты по зачистке и безопасности дает применение армированных шлифовальных кругов диаметром 180 мм, с зерном НА по ТУ2-036799-82.
В зависимости от толщины свариваемых элементов и степени ответственности изделия в зоне сварного шва делается разделка кромок или одной кромки. Это необходимо для обеспечения глубины провара по всему сечению шва при большой толщине кромок
102
Сварочные paooi
или при малой мощности источника тепла, что облегчает формиро вание шва при возможно большом объеме сварочной ванны.
Разделка (скос) кромок позволяет «опустить» сварочную ванн; вниз для обеспечения провара корня шва. На кромках оставляю притупления для предотвращения прожогов. В процессе сборки сва риваемых деталей между кромками (торцами притуплении) остав ляют зазор, нужный для приближения дуги к притуплению, а такж< для уменьшения внутренних напряжений при более свободном про цессе усадки во время остывания металла шва. Чрезмерно больши зазоры приводят к повышенной деформации при усадке шва и 1. внутренним напряжениям, иногда — к появлению горячих трещин; Это относится и к нахлесточным соединениям.
Угол раскрытия фаски (разделки кромок) для сварки в углекислом газе меньше, чем для сварки ручной, так как доступ к корню шва проволокой диаметром от 1,2 до 2,0 мм намного лучше, чем для электрода с обмазкой. За счет этого, кроме высокой производительности процесса, повышается экономичность сварки в СО2.
Конструктивные формы и размеры отдельных элементов кромок установлены стандартами на конкретный способ сварки. Этим создаются условия, при которых будет обеспечено необходимое качество шва при минимальном сечении разделки, так как станочной обработкой фаски (скосы) бывает снять проще и быстрей, чем позднее восстановить сваркой металл, образовывая шов. Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку также указаны в ГОСТ на каждый конкретный способ сварки.
Государственные стандарты содержат основные типы и конструктивные элементы швов сварных соединений:
• ГОСТ 5264-80 — для ручной дуговой сварки;
• ГОСТ 8713-79 — для автоматической сварки под флюсом;
• ГОСТ 14771-76 — для дуговой сварки в защитных газах;
• ГОСТ 15164-78 — для электрошлаковой сварки;
• ГОСТ 15878-79 — для электроконтактной сварки и др.
По расположению в пространстве швы бывают (рис. 27):
• в нижнем положении — до угла наклона ~ 60°;
• вертикальные — на вертикальной плоскости ~ от 60° до 120°;
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
103
• потолочные ~ от 120° до 180°;
• горизонтальные — на вертикальной плоскости.
Элементы режима сварки — это совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных швов, заданных размеров, формы, качества рис. 28). Режимы сварки подразделяются на основные и второстепенные (дополнительные).
К основным элементам режима относятся: диаметр электрода, сила тока, напряжение на дуге, скорость сварки, род тока, полярность, а для сварки в углекислом газе — еще и вылет электрода.
К дополнительным: величина наклона электрода, исходная температура изделия (для легированных сталей), тип и марка покрытого электрода.
Выбор режима при дуговой сварке часто сводится к определению диаметра электрода и величины сварочного тока, а скорость сварки сварщик задает практически, с учетом вида и формы соединения, толщины кромок, положения шва в пространстве, марки электродов. Диаметр электрода зависит от толщины металла, положения шва в пространстве, катета или размера шва. При сварке в нижнем положении выбор диаметра электрода зависит от квалификации сварщика, его умения управлять сварочной ванной нужного объема. Ориентировочно для толщины металла 1—3 мм берут электроды диаметром 3 мм. Электроды диаметром 2 мм выпускаются редко и в малых объемах, поэтому широкого применения не имеют,
104
Сварочные работы
хотя обеспечивают хорошее качество сварки тонких металлов — 0,5—1,0 мм, например электроды АНО-21 Каменского опытно-механического завода Ростовской области.
При сварке толщины 4—8 мм применяют электроды диаметром 4—5 мм. При сварке толщины более 10 мм применяют электроды 4—6 мм. Для тавровых соединений не рекомендуются и, как правило, не применяются размеры катета шва более 16 мм.
При сварке вертикальных и горизонтальных швов диаметр электрода — 3—4 мм и реже 5 мм. Сварка потолочных стыковых швов с разделкой кромок является самой сложной операцией и требует большого навыка и высокой квалификации сварщика, хотя сварка потолочных тавровых швов намного проще и длительной тренировки от сварщика со стажем не требует. Необходимо лишь правильно подбирать силу тока. Если она занижена даже немного, то хорошего формирования и качества шва не будет. При силе тока, немного увеличенной относительно нормальной, неприятностей значительно меньше, так как на перенос металла электрода в шов заметно влияют электродинамические силы (кроме прочих), а их величина зависит от величины сварочного тока. Если катет более 6 мм, то лучше и легче выполнять потолочные швы не в один слой. Расплавленный металл ванны при потолочных швах удерживается только поверхностным натяжением.
Для сварки потолочных швов применяют электроды диаметром 3—4 мм. Производительность сварки зависит от коэффициента наплавки электродов осн и от сварочного тока. С увеличением любого из этих показателей увеличивается производительность.
На этикетках к упаковкам (пачкам) электродов указываются рекомендательные режимы сварочного тока для различных пространственных положений шва.
Учитывая свой производственный опыт, автор рекомендует величину сварочного тока устанавливать на 10% больше указанной на этикетке к электродам. Это улучшит провар, формирование шва, качество и производительность. Ток для потолочного шва таврового должен быть почти таким же, как ток для шва в нижнем положении. При несоблюдении этих закономерностей сварщик может не
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
105
понять важность тока и не сумеет освоить сварку потолочных швов хорошего качества.
При сварке таврового потолочного шва нельзя манипулировать дугой поперек шва, а нужно образовать хорошую ванну и держать ее давлением дуги, чуть двигая дугой вдоль шва. Наклон электрода, по отношению к шву и потолочной плоскости имеет большое значение.
Для вертикального шва ток берут такой, при котором должен быть провар, сварка должна выполняться почти без отрывов и гашения дуги, и чтобы жидкий металл не вытекал из сварочной ванны. Это нетрудно выполнить после тщательной тренировки. Здесь высоко ценится профессионализм сварщика.
Возможность сварки швов в потолочном, а также вертикальном положении объясняется действием электродинамических сил электрополя, влиянием давления газов в дуге по переносу капель электродного металла в ванну и действием сил поверхностного натяжения по удержанию этих капель в ванне. Чем меньше силы поверхностного натяжения расплавленного металла, тем металл будет более жидкотекучий, и выполнить сварку такого металла с вертикальными и потолочными швами не удастся, например, меди, чугуна и др.
Величина сварочного тока всегда определяется по опытным формулам, например:
I =itd2 /М.
св эл-да •
Рис. 28. Характеристика сечения шва:
b — ширина шва; h — глубина проплавления (провара); с — высота валика; Н — толщина шва
106
Сварочные работы
Это основная, более точная формула, где i — удельная плотность тока, равная 8,5—20 А/мм2.
Нижний предел обусловлен условиями устойчивости горения дуги, т. е. ниже 8,5 А/мм2 дуга горит неустойчиво. Верхний предел ограничивается предельно допустимой температурой нагрева электрода, так как при большей температуре происходит растрескивание и оплавление обмазки, и повышается электросопротивление. Плотность тока приведена в табл. 1.
При прочих равных условиях электроды больших диаметров имеют худшие условия теплоотвода.
На величину i влияет состав покрытия электродов и электропроводность стержней и покрытия, особенно при сварке электродами с хромово-никелевым стержнем, у которого низкая электропроводность и теплопроводность, что приводит к сильному разогреву стержня.
Более упрощенная эмпирическая (без вывода) формула:
Z =*£, СВ э’
где к = 40—60, d — диаметр электрода.
Величина сварочного тока является важной для процесса сварки и, как правило, уточняется сварщиком практически с учетом конкретных условий, поскольку на многих источниках сварочной дуги, особенно переменного тока, если и имеются указатели тока, то показания приближенные.
Напряжение на дуге при ручной сварке не устанавливается, а обеспечивается электрической характеристикой источника питания дуги и находится в пределах 20—26 В на дуге, и изменяется само, в зависимости от изменения длины дуги при оплавлении электрода.
Таблица 1
Допускаемая плотность тока
Вид покрытия Допускаемая плотность тока /, А/мм2 при диаметре электрода в мм
3 4 5 6
Рудно-кислое, рутиловое 14—20 11,5—16 10—13,5 9,5—12,5
Фтористо-кальциевое 13—18,5 10-14,5 9—12 8,5—12
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
107
Важным показателем процесса сварки является величина погонной энергии дпог. Она характеризуется площадью поперечного сечения шва, скоростью сварки и служит тем обобщающим показателем, который определяет пригодность соединения к рабочим нагрузкам. Чем она меньше, тем выше надежность.
q — q/v = 0,24 • I • U n /v ,
“пог св ’ св д w св’
где q — общая тепловая энергия от сварочной дуги, vCB — скорость сварки, / в — величина сварочного тока, т] — КПД сварочной дуги конкретного способа сварки (ручная, автоматическая и т. д.), Ц — напряжение на дуге, 0,24 — коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые — 0,24 кал/Вт • с.
Из формулы видно, что величина погонной энергии, при прочих равных условиях, зависит от скорости сварки.
Еще проще формула погонной энергии (вывод не излагается для сокращения материала):
9nor = A'
где А — 14500 для стали; F— площадь поперечного сечения шва.
Скорость ручной дуговой сварки можно определить по формуле:
vCB = KH-/ca/p-F-3600 [см/с], где Кн — коэффициент наплавки [г/а • ч], р — удельный вес металла [г/см3], 7св — величина сварочного тока [A], F— площадь поперечного сечения шва [см2], 3600 — перевод 1 ч в секунды, так как итог в см/с.
Чем меньше v в, тем шире шов и глубже провар и, если ток сильно завышен, то под влиянием давления столба дуги, расплавленный металл вытесняется из-под основания дуги и может произойти прожог (проплавление).
Техника сварки
Теоретическими описаниями технике сварки обучить невозможно. Даже приступая к практическому обучению, сварщик не станет хорошим специалистом, пока не поймет и не освоит основы правильного ведения процесса сварки.
108
Сварочные работы
«Неправильно» обученный сварщик трудно поддается переучиванию. Сварщиков вообще много, а хороших — не очень. Это в какой-то мере зависит и от индивидуальных способностей человека. Следующая особенность: из хорошего электросварщика всегда после обучения получается хороший газосварщик, а из газосварщика — не всегда. Эго подтверждается опытом обучения сварщиков и немалым производственным опытом автора.
Учитывая, что сварщики в большинстве своем по культуре производства уступают рабочим станочных профессий (более небрежны), настоятельно рекомендуется не пренебрегать ни одним из нижеперечисленных правил (советов), так как все они важны и каждый по-своему.
В сварке мелочей не бывает.
Главное:
1. Следует работать только стандартным электрододержателем (рычажным — ГОСТовским). Это особенно важно при работе на монтаже, стройке и т. п., когда при выбивании огарка электрода из уродливого трехрожкового (самодельного) электрододержателя огарок вылетает в непредсказуемое место и может даже вызвать пожар. Это очень опасно. При использовании самоделок заметно ухудшается площадь токосъема на электроде, больше нагрев, так как практически электроконтакты точечные. Неудобно устанавливать наклон электрода в электрододержателе из-за подгорания контактов и шероховатости губок самоделки.
2. Электропровод к электрододержателю должен быть не более 35 мм2 в сечении, чтобы была хорошая гибкость для манипулирования при управлении процессом сварки. Если при сварке провод электрододержателя нагревается более чем на 80’С, то можно подсоединить еще один такой же держатель к сварочному проводу и работать ими поочередно, или подвести к держателю двойной тонкий провод. Это лучше, чем один толстый, так как не ухудшится гибкость.
3. Подвод «массы» — второго провода к изделию должен быть как можно лучше, с зажимом и большой площадью контакта с изделием. Электроконтакт сильно влияет на величину
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
109
изменения сварочного тока от нагрева при сварке. Нужно помнить, что переменный ток проходит только по поверхности проводников, а постоянный — по всему поперечному сечению.
4. Категорически запрещается выполнять сварку без защитного светлого стекла, так как брызги на темном стекле, после их удаления, образуют локальные утонения стекла с потерей им защитных свойств. Подобные случаи приводили к потере зрения до 80% и инвалидности.
5. Необходимо обеспечить четкую свободу манипуляций руки с электрододержателем, перебросив часть электропровода на свободную руку в сгиб локтя и оставив свободный конец с электрододержателем, примерно равным 1 м. Этот прием не позволит свободным болтающимся концам провода «подталкивать» руку сварщика при работе, как подталкивают руку при письме.
6. Зажигание дуги нужно выполнять касательным движением торца электрода по изделию.
7. Необходимо научиться различать в расплаве ванны шлак и жидкий металл. Без этого навыка дальнейшая отработка навыков и приемов сварки невозможна. Ванна должна быть свободна от шлака, а шлак должен оттесняться давлением дуги на шов. Это особенно важно при сварке стыков с разделкой кромок.
8. Управляя расплавом ванны, нельзя делать резких движений торцом электрода, иначе будут получаться уступы в остывшем металле шва, а не мелкочаешуйчатость. Надо избегать резких поперечных колебаний, процесс вести, не нарушая целостности ванны и не теряя ее.
9. Необходимо выбирать такое направление шва при сварке, чтобы не уменьшать самим электродом видимость ванны.
10. Образовав сварочную ванну, вести ее следует по стыку плавно, спокойно, не прерывая и с нужной скоростью сварки. Управлению сварочной ванной при необходимом навыке автоматически подчиняются все манипуляции руки сварщика.
110
Сварочные работы
11. Длина дуги выбирается равной от 0,5 до 1,1 от диаметра электродного стержня (проволоки), и чем больше диаметр электрода, тем больше длина дуги.
12. Надо выдерживать наилучший наклон электрода к шву, чтобы хорошо и производительно формировать его.
Соблюдая изложенные правила, рабочий достаточно быстро освоится с управлением процессом сварки, а после приобретения достаточных навыков станет хорошим сварщиком.
Сварка низкоутлеродистых сталей не представляет особых технологических трудностей. Основное движение торца электрода из многих рекомендуемых — полумесяцем, иногда с небольшой задержкой по углам, но не нарушая общую целостность ванны. О последовательности наложения швов изложено в разделе «Деформации и внутренние напряжения».
При больших сечениях швов лучше применять многослойную сварку, достоинства которой состоят в следующем:
1. Малая погонная энергия при тех же режимах.
2. При малом объеме металла скорость охлаждения металла повышена, и размер зерен уменьшается, улучшая качество шва.
3. Химический состав металла шва близок к химическому составу основного металла из-за расплавления незначительного количества основного металла.
4. Каждый последующий шов (слой) термически обрабатывает металл предыдущего слоя, металл шва образует при этом мелкозернистое строение с повышенной пластичностью и вязкостью.
При сварке таврового соединения угловые швы катетом более 8 мм рекомендуется выполнять многослойными, а последующие швы — прямо по шлаку с равномерным перемещением дуги. Получаются хорошие результаты, шов ровный, без подрезов. Для этого нужны ток больше обычного и навык. Указанный способ хорошо проверен практикой.
-] Окончание шва должно быть с заполненным
X швы кратером (движением на шов), но лучше, когда кратер выведен от шва в сторону, либо на техно-I I логическую пластину.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
111
Техника сварки горизонтальных и потолочных ш в о в (рис. 29).
Особо нужно отметить сварку в отверстиях — электрозаклепками, или в прорезах — при нахлесточном соединении. В этих соединениях образуются сравнительно большие внутренние напряжения.
Исключительно важны диаметр отверстия или ширина прорези в верхнем элементе, и наличие усиления шва, иначе в центре электрозаклепки создастся напряженное состояние.
Стандартом рекомендуется наименьший диаметр отверстия — не менее двух толщин верхнего элемента, но это не гарантирует надежный провар и качество. Диметр отверстия должен быть не менее 3,5 толщин металла, чтобы была возможность наложить качественный шов с катетом (рис. 30), а не заплавлять отверстие. Эта рекомендация проверена и была применена автором на ответственных конструкциях.
В сварных конструкциях не должно быть вогнутых швов, так как они провоцируют внутренние напряжения, а иногда и вызы-
Рис. 29. Положение и движение электрода при сварке в горизонтальном (а) и потолочном (б) положении швов
112
Сварочные работы
кМ
Рис. 30. Электрозаклепочные швы
У7///////Ж
Рис. 31. Сечение
вают появление горячих трещин, исходя из закономерностей остывания металла.
На рис. 31 пунктиром показана линия 2—2 контура шва после остывания (усадка шва) с выпуклостью. Видно, что пунктирная 2—2 короче, чем сплошная линия горячего металла 2—2 и усадка пройдет без последствий. Вогнутый шов имеет сплошную линию 7—7, которая короче, чем пунктирная 7—7. Поскольку пунктирная линия длиннее, металл при остывании будет растягиваться, а не сжиматься, провоцируя внутренние напряжения или образуя горячую трещину, т. е. при кристаллизации. Это особо важно при сварке легированных сталей.
3.2.2. Сварка угольными электродами
Ранее этот способ называли сваркой по Бенардосу, так как этот способ предложил Н.Н. Бенардос. Сейчас этот способ применяется редко, а для некоторых материалов и соединений он мог бы быть незаменимым.
У сварки угольным электродом есть недостатки, но есть и достоинства, заслуживающие внимания. Для сварки и наплавки уголь-' ными электродами применяется обычно постоянный ток прямой по-лярности (минус на электроде). Дуга прямой полярности не науг-i лероживает основной металл. Дуга обратной полярности (+ на; электроде) интенсивно науглероживает расплавленный металл, по--вышая в нем содержание углерода до 0,8—1,0%. Такой шов может подвергаться закалке, но применения в промышленности это явле-’
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
113
ние до сих пор не нашло. Дуга обратной полярности малоустойчива и длина ее может быть 10—15 мм, хотя для процесса бывает нужна более длинная. Электрод при обратной полярности сильно разогревается по всей длине до очень высокой температуры, усиливается его испарение, заостренный конец электрода притупляется и становится плоским.
Дуга с (-) на электроде горит очень устойчиво и может иметь длину до 30—50 мм. Электрод не плавится в дуге, его конец разогревается до высокой температуры, создавая мощную термоэлектронную эмиссию, способствующую устойчивому горению дуги при токах 5—10 А. Электрод медленно испаряется и не прилипает, к детали, это облегчает работу сварщика.
Угольная дуга переменного тока неустойчива и применяется редко.
В процессе сварки угольная дуга способ- шов
на отклоняться под действием магнитных по-лей, поэтому для стабилизации применяют I|П
пасты или флюс, содержащие хорошие иони- J
заторы дугового разряда и другие способы, г - ----1
Сварка чаще всего применяется без присадки Рис. 32. Сварка
— по отбортовке тонких металлов и иногда по п0 отбортовке угловым соединениям (рис. 32). Это удобнее и выгоднее, нежели применять присадку. Хотя КПД этой дуги ниже, чем у металлического электрода, скорости сварки достигались сравнительно высокие — до 60 м/ч сварного шва.
Для сварки угольной дугой применяют электроды из электротехнического угля, т. е. из прессованного коксового порошка, обожженного при температуре 1400°С, или из синтетического графита в форме стержней диаметром от 6 до 30 мм и длиной 200—300 мм с концами, заточенными на конус под углом 60—70°.
Графитовые электроды лучше угольных практически во всем, в том числе по своей доступности, так как их легко изготовить из остатков (отходов) электродов дуговых электроплавильных печей.
Они хорошо поддаются обработке. Специально изготовленные графитовые электроды иногда имеют омедненную поверхность (фольгу), поэтому их стойкость повышается при работе на больших плотно
114
Сварочные работы
стях тока. Графитовые электроды имеют меньшую твердость, лучшую электропроводность (так как их электросопротивление в 4 раза меньше сопротивления прессованного угля), высокую стойкость окисления на воздухе при высоких температурах. Это позволяет j использовать их для сварки на больших плотностях тока со срав- ; нительно низким расходом электродов.
Для сварки под угольные электроды необходимо использовать стандартизованный (ГОСТовский) электродержатель, чтобы обеспечить хороший электроконтакт (не точечный).
Следует отметить, что этот способ сварки забывается незаслуженно, так как целесообразность его применения в отдельных случаях неоспорима, в особенности для науглероживания и нанесения порошковых специальных покрытий, а также для сварки по отбортовке тонких металлов и для сварки цветных металлов дугой косвенного действия, т. е. когда дуга горит между двумя угольными электродами на переменном токе. Дуга косвенная выдувается собственным магнитным полем на длину 100—150 мм. В зависимости . от угла между электродами зона дуги имеет температуру от 6000’С в столбе и до 900°С в конце факела дуги. Такой дугой можно сваривать легкоплавкие металлы малых толщин, выполнять пайку твер- дыми припоями, нагревать металл без расплавления, нагревать и j сваривать стекло, кварц, керамику.
3.2.3. Сварка углеродистых сталей
Для сварных изделий применяются в основном среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,45%. Трудности) сварки таких сталей заключаются в обеспечении необходимого термического цикла для улучшения ЗТВ. Сварку этих сталей выпол-< няют с дополнительными технологическими приемами термичес-’ кого воздействия и с обеспечением замедленной скорости охлажце-ния — не более 50° в секунду, чтобы не допускать образования^ трещин. J
Термические воздействия (подогрев и т. п.) должны учитывать и< температуру окружающего воздуха, чтобы скорость охлаждения, была медленной. Чем больше углерода в стали, тем выше должна
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки 115
быть температура предварительного подогрева. Подогрев выполняется симметрично сварному шву на ширину 50—80 мм от оси шва до температуры 100—200°С. Тип электрода для сварки по прочности должен быть не ниже прочности основного металла, например, УОНИИ 13/45, УОНИИ 13/55, УОНИИ 13/65 и другие электроды.
При механизированных способах сварки нужно применять проволоку малых диаметров (например, 1,2 мм) с минимальной погонной энергией. Большая глубина проплавления для таких сталей (например, сварка под флюсом) неприемлема, так как происходит оплавление основного металла в больших объемах, при этом большом усложняется, строже режимы сварки и при малейших отклонениях ухудшается качество.
Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,48—0,7%, как правило, не применяются для .сварных конструкций, как непригодные. Из этих сталей изготовляют различные детали, которые подвергаются наплавке для повышения износостойкости, как новые, так и при восстановлении (ремонтные), например, валки прокатных станов, подкрановые колеса мостовых кранов и т. д.
3.2.4. Сварка легированных сталей
Стали, содержащие легирующие элементы, которые отсутствуют в обычных сталях или имеют малое их содержание, называются легированными.
Приобретая новые качества от легирования, они способны воспринимать высокие нагрузки, противостоять действиям агрессивных сред и высоких температур.
По назначению легированные стали делятся на группы:
1. Конструкционные, или с повышенной прочностью.
2. Жаропрочные.
3. Нержавеющие.
4. Жаростойкие.
Жаропрочные — сохраняющие прочность при высоких температурах.
Жаростойкие — стойкие против образования окалины (окали-ностойкие при высоких температурах — до 900°С).
116
Сварочные работы
По степени легирования стали делятся на 3 группы.
1. Низколегированные — с содержанием легирующего элемента до 2%, а суммы всех легирующих — до 5%.
2. Среднелегированные — с содержанием одного легирующего элемента — 2—5%, а суммы всех легирующих — 5—10%.
У металлургов нет разграничения на среднелегированные стали, а у сварщиков — есть, так как важна свариваемость.
3. Высоколегированные стали — содержание одного легирую- i щего элемента 5—10%, а сумма всех легирующих — более : 10%.
Влияние легирующих элементов на прочность ов и текучесть от определили металлурги и предложили формулу для определения этих показателей по химсоставу: .
ов = 23 + 70С + 8Mn + 9,2Si + 7,4Cr + 3,4Ni + 5,7Cu + + 32V + 54Т1 + 46Р + [2,1-0,14(h - 5)] кг/мм2,
о = 12,4 + 28С + 8,4Mn + 5,6Si + 5,5Cr + 4,5Ni + 8Cu + + 36V + ' 77T1 + 55P + [3,0—0,2(h - 5)] кг/мм2.
В этих формулах числа перед символами — это коэффициенты J упрочнения. Вместо символа (обозначающего элемента) ставят со- .1 держание элемента в %. Многочлен в [ ] представляет поправку на толщину h металла.
Эти формулы дают хорошую сходимость результатов с фактическими для низкоуглеродистых сталей при толщине h — 5—20 мм.
Технология сварки низколегированных сталей. Низколегированные стали содержат до 0,23% углерода, имеют легирующие добавки и иногда называются сталями повышенной прочности.
Низколегированные жаропрочные стали имеют легирующие элементы — молибден, вольфрам, ванадий.
Разработка марок легирующих сталей выполняется по принцип пу обеспечения хорошей свариваемости. Широкое применение имеют стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и многие другие.
Особенности сварки низколегированных сталей. Они себя ведут; себя при сварке так же, как и низкоуглеродистая сталь, но имеются отличия при действии термических циклов. >,
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
117
1. Больше склонность к росту зерна в околошовной зоне, особенно при перегреве.
2. Более склонны к подкалке при повышенных скоростях остывания.
3. Стойкость металла шва против образования горячих трещин ниже из-за наличия легирующих элементов.
4. Чувствительность к концентраторам напряжений и даже к тепловым «ожогам».
Эта группа сталей (низколегированных) при сварке имеет незначительное отличие от низкоуглеродистых сталей. Оно заключается в правильном выборе электродов, флюсов и присадочного электродного материала, с учетом прочностных характеристик стали, и в уменьшении погонной тепловой энергии при сварке.
Q = QJv = (0,24 I U и ) / v . *^пог ев ' ’ св д *д' ' св
Техника сварки такая же, как и для низкоуглеродистых сталей, но сварщик должен быть более высокой квалификации (разряда).
(2ПОГ — погонная тепловая энергия (берется из таблиц) в кал/см, в среднем Qnor = 8000/23000 кал/см в зависимости от марки свариваемой стали, vce — скорость сварки, (2эф — эффективная тепловая энергия, /св — величина сварочного тока, С/ — рабочее напряжение дуги, г)д — КПД дуги, 0,24 — коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые, кал/(Вт • с).
Чем больше скорость, тем меньше погонная энергия.
Успешно выполняется сварка под флюсом, в защитных газах и электрошлаковая.
Низколегированные жаропрочные стали сваривают в основном электродами или сплошной (специальной) сварочной проволокой в защитных газах — чаще в смесях аргона — 90% и углекислого газа — 10%.
Из жаростойких сталей, как правило, изготовляют конструкции сложной конфигурации в теплоэнергетике, химнефтегазовой отрасли и т. д., где очень редко используется автоматическая и электрошлаковая сварка.
Применяемые типы электродов, промышленные марки и их назначение приведены в учебнике отдельным приложением, ис
118 Сварочные работы
пользуя которое можно сделать правильный выбор. Электродные > стержни изготавливаются из сварочной проволоки Св12М (и ей подобных) с содержанием молибден до 0,7%.
При сварке жаропрочных сталей подогрев считается обязательным при толщине более 10 мм. При сварке жестких конструкций, например труб, подогрев до 200'С считается совершенно необходимым. При сварке хромомолибденовых сталей технологический процесс еще сложнее, так как после сварки необходима термообработка в виде нормализации и высокого отпуска. После термообработки жаропрочная сталь может находиться на уровне равнопрочности. Погонная энергия ограничена. Начало и конец шва должны быть на технологических планках, а не на изделии. Для низколегированных и среднелегированных сталей технологические рекомендации одинаковы. Хромистые и хромоникелевые стали очень чувствительны к нагреву. В интервале температур 400—900°С в этих сталях происходит образование карбидов хрома — химического соедине- ' ния хрома с углеродом. Поэтому содержание хрома уменьшается, ; сталь теряет антикоррозийные свойства. Хром способен легко окис- i ляться, образовывая тугоплавкий шлак и затрудняя сварку. Хромистые и хромоникелевые стали имеют низкую теплопроводность и> этим объясняется их большая склонность к короблению. Особенно; важно в процессе сварки равномерно и симметрично распределять; по всему изделию малыми дозами тепловложение от сварочной дуги,; тогда не будет перегревов и деформаций. Порядок, последовательность и направление небольших по протяженности швов должны быть четко указаны в технологическом процессе.
Сварку хромистых безникелевых нержавеющих сталей ведут н мягких тепловых режимах, с малой скоростью охлаждения свар ного соединения. Для сварки применяют электроды с фтористо калиевыми покрытиями. Сварку ведут на постоянном токе npi обратной полярности. При сварке хромистых сталей большой тол щины (15—10 мм) применяют предварительный и сопутствующи подогрев до 300—350 °C, а после сварки — термическую обработк отпуск при температуре 700—720’С .
Сварка хромоникелевых сталей ведется так, чтобы не было пер< грева основного металла и большого объема сварочной ванн!
Глвва 3. Оборудование, технология сварки и резки 119
Сварочный ток по возможности пониженный. Дуга короткая, сварка без поперечных колебательных движений, многослойными швами, Необходимо жестко закреплять детали, чтобы предотвратить коробление свариваемого изделия. Оптимальная скорость охлаждения хромоникелевых и, в особенности, хромистых сталей для создания благоприятной структуры шва и околошовной зоны должна быть 3,0—5,0’С в секунду. При этом пригодны любые технологические способы, способные тормозить скорость охлаждения.
Особенность сварки среднелегированной стали. Эти стали отличаются тем, что содержание углерода в них наполовину меньше и они содержат как обязательный легирующий элемент хром — до 5%, а остальные легирующие элементы — молибден, ванадий, вольфрам, ниобий. Если хрома в стали более 5%, сталь, как правило, относится к мартенситному классу с хрупкой структурой, а когда хрома менее 5%, то сталь относится к перлитному классу.
В жаропрочных сталях имеют имеет место сложное, комплексное легирование. Оно позволяет упрочнить феррит, а после сварки и термообработки получить сварные конструкции с высокой прочностью ов == 60—200 кг/мм2.
В настоящее время широкое применение получили стали: ЗОХГ-СА (хромомарганцовистая), сталь 30ХН2МФА и подобные им.
Трудности сварки.
• Повышенная вероятность появления холодных трещин в околошовной зоне, реже — в наплавленном металле вследстви-еповышенного содержания углерода и других элементов. Сопротивляемость околошовной зоны холодным трещинам снижается из-за резкого различия свойств металла шва и околошовной зоны.
• Повышенная вероятность образования в металле шва кристаллизационных трещин обусловлена повышенным содержанием серы, углерода (по Сэкв).
• Необходимость получения равнопрочного сварочного соединения вступает в противоречие с необходимостью уменьшения содержания углерода в металле шва по условиям трещи-нообразования.
120 Сварочные работы
• Разный химический состав основного металла и шва затруд- • няет выбор режима термообработки. При грамотном под- ; боре присадочного материала, защитного газа, электродов при ' правильно выбранном технологическом процессе сварные со- ' единения получаются качественными и надежными. ’
Вариант техпроцесса.
1. Например, для сварки деталей ответственного назначения из : стали ЗОХГСА применяется следующая технология сварки, ' проверенная на изделиях: подогрев до 350°С, сварка в защит- i ной газовой смеси (аргон — 90%, углекислый газ — 10%), с . разделкой кромок; толщина металла (и шва) — 22 мм, сва- л рочная проволока марки СВ07ХНЗМД по ТУ14-1-4345-87, J диаметр 1,2 мм. Сварочный ток 210—230 ампер, сварка в 3—: 4 слоя, подогрев после сварки зоны шва на ~ 200°С, затем 5 защита (укутывание) асботканью в 3 слоя всей зоны сваркий остывание со скоростью 3—6°С в секунду до температуры^ ~ 60°С. Сварной шов испытывает большие переменные (не знакопеременные) нагрузки и прекрасно работает. ’
2. Сварка крупных изделий из стали 12ГН2МФАЮ выполняет-. ся проволокой сварочной марки СВ08ХН2ГМТА диаметром л 1,2 мм в защитной среде смеси газов: аргон — 88% + угле-я кислый газ — 12%, с предварительным местным подогревом, зоны сварки до 200°С ширины околошовной зоны примерно; 80 мм, толщина листов 8 мм, швы в 2 слоя: один на другой — ступенькой (не во всю ширину). Указанная газовая смесь смягчает процесс сварки, уменьшает количество и размер брызг, повышает глубину провара, уменьшает вероятность' появления горячих трещин и пор.
Для сварки легированных сталей существует много различных марок сварочной проволоки, вьпускающихся по ГОСТ, а также и по ТУ. Для правильного выбора сварочных материалов под какой-’ либо конкретный способ сварки и для определенной группы сталей] в промышленности существуют конкретные, в том числе и официч альные (для обязательного использования), справочные материа-4 лы, например для грузоподъемных кранов — РД22-16-88, где прич
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
121
водятся перечни групп сталей и необходимые для сварки сварочные материалы, в том числе флюсы.
Опасной вредной примесью в околошовной зоне является водород, который диффундирует в околошовную зону, скапливается в микропустотах и несовершенствах кристаллической решетки, и переходя в молекулярный создает громадное давление, что приводит к образованию трещин.
Для сваривания низколегированных и среднелегированных сталей используются ручная сварка электродами, автоматическая под флюсом, полуавтоматическая и автоматическая в защитных газах и их смесях. Оптимальная скорость охлаждения для сталей типа ЗОХГСА равна 6,3°С в секунду.
Необходимо применять многослойную сварку по принципу «слой на слой», с перекрытием 1/3 предыдущего слоя, но не во всю ширину шва в окончательном виде.
Словосочетание «плохая свариваемость» не означает, что плохо проходит сам процесс сварки, формирования шва. Смысл слов «хорошая» и «плохая» свариваемость в том, какой будет эксплуатационная пригодность сварного узла после сварки.
Например, с точки зрения протекания процесса сварки, сталь низколегированную высокопрочную марки 14Х2ГМР не отличить от низкоуглеродистой, но для получения надежного качества после сварки необходимо выполнить комплекс технологических мер и правильно выбрать сварочные материалы. Варианты сварки этой стали следующие: полуавтоматическая сварка сварочной проволокой марки СВ10ХГ2СМА, защитный газ СО2 или Аг + СО2, или порошковой проволокой ПП-АН54 по ВТУ ИЭС № 90-73. Сварочная проволока диаметром 1,0; 1,2; 1,6 мм не более. При ручной сварке сталей 14Х2ГМР + 09Г2С, 10ХСНД, сталь 3 применяются электроды АНП-2 по ТУ 14-4-468-73, или УОНИ 13/45.
При автоматической сварке под флюсом — проволока сварочная СВ-08ХН2ГМЮ, флюс АН-17М или проволока СВ-ЮГА, СВ-08ГС, СВ-10Г2, флюс тот же. Сварка должна выполняться при отсутствии сквозняков и при окружающей температуре не ниже —10°С. Местный подогрев до 150—200°С применяют для больших
122
Сварочные работы
толщин (более 8 мм) и для узлов со сложными сопряжениями деталей.
Время нагрева примерно 1,5—2,0 мин на 1 мм толщины соединения нормальным пламенем газового резака. Сварные швы — начало и конец, должны быть выведены на технологические пластины. Сварочный ток немного ниже обычного (до 10%), протяженность сварки одного участка шва — до 250 мм, сварка многослойным швом, а также прочие условности технологии.
3.2.5. Сварка высоколегированных сталей
Эти стали широко применяются в промышленности, но далеко не многие пригодны для сварных конструкций и изделий. Это связано с оценкой пригодности по свариваемости. По содержанию никеля эти стали делят на 3 группы.
1. Безникелевые.
2. Никелесодержащие — до 8%Ni.
3. Никелесодержащие — 8—30% Ni.
По назначению они образуют 8 групп.
1. Инструментальные высококачественные.
2. Шарикоподшипниковые.
3. Магнитные.
4. Нержавеющие.
5. Жаростойкие.
6. Маломагнитные и немагнитные.
7. Жаропрочные.
8. С высоким омическим сопротивлением (например, нихр Х20Н80).
Но нас больше интересует только три из этих восьми, котор применяются в сварных конструкциях.
Сварке чаще подвергаются стали 4, 5 и 7-й групп.
Высоколегированные стали имеют ряд свойств, которые ci зываются на технологии сварки.
1. Теплопроводность по сравнению с низкоуглеродистыми с лями понижена в 1,5—2 раза, а коэффициент линейного pi ширения увеличен в 1,5 раза. Это приводит при сварке к к< центрации теплоты и к увеличению проплавления металла из
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
123
лия, поэтому при сварке нужно уменьшать силу тока на 15— 20%. Большой коэффициент линейного расширения порождает значительные деформации в процессе и после сварки, а при отсутствии зазоров в сварном соединении и большой жесткости узла или больших толщинах свариваемого изделия — даже трещины, к которым эти стали более склонны.
2. Высокое омическое сопротивление приводит к сильному нагреву электродного стержня. Электроды с хромоникелевыми стержнями выпускают длиной не более 350 мм.
3. Сравнительно большая литейная усадка увеличивает деформацию и склонность к образованию трещин.
Коррозионностойкие высокохромистые стали способны утрачивать антикоррозийные свойства при неправильном термическом цикле сварки. Это явление называется межкристаллитной (ножевой) коррозией. Если сталь не содержит до 1 % титана или ниобия, а содержит бор и ванадий, которые снижают жаростойкость, то при нагревании выше 500’С происходит выпадение из твердого раствора карбидов хрома и железа по границам зерен. Хромом обедняются границы зерен (кристаллов) и карбиды хрома и железа становятся центрами коррозии и коррозионного растрескивания. Поэтому коррозия называется межкристаллитной (ножевой), так как нет химической однородности зерна (кристалла).
Меры по предотвращению межкристаллитной коррозии:
1. Снижение содержания углерода в металле до 0,02—0,03%. При этом минимальном содержании выпадение карбида хрома исключается.
2. Применение основного металла, легированного элементами, обладающими большим сродством по углероду, чем хром. Например, титан, ниобий не позволяют обеднять границы зерен хромом. Титан прочно связывает освободившийся углерод, не давая возможности образовываться карбидам хрома, предотвращает распад аустенита.
3. Последующая термообработка (чаще — закалка) позволяет восстановить антикоррозионные свойства. Нагревом до 850’С ранее выпавшие из раствора карбиды хрома вновь раство
124
Сварочные работы '
ряются в аустените, а при быстром охлаждении они не выделяются в отдельную фазу. Быстрым охлаждением фиксируется строение металла.
Такой вид термообработки называется стабилизацией. Но стабилизация несколько снижает пластичность и вязкость металла, хотя эти свойства зачастую у коррозионностойких сталей не являются главенствующими, и этим снижением свойств можно пренебречь.
При сварке жаростойких сталей нужно обеспечивать быстрое охлаждение (любыми методами), тогда коррозийная стойкость сохраняется и без применения термообработки. К таким маркам относятся стали аустенитного класса, типа 18/8, т. е. с содержанием 18% хрома и 8% никеля. Эти марки сталей относятся к группе хорошо сваривающихся из-за наличия никеля и позволяют применять ускоренное охлаждение при сварке и после нее.
Для получения высокой пластичности, вязкости и без потери антикоррозийных свойств сварного соединения необходимо нагреть металл до температуры 1000—1100°С, прогреть по всей толщине и быстро охладить в воде (закалка). Этот режим приемлем для хромоникелевых сталей аустенитного класса. Электроды для сварки высоколегированных сталей имеют основной тип покрытия и редко — смешанный. Электродный стержень близок по химическому составу к основному металлу, но с увеличенным количеством некоторых легирующих элементов (молибден, марганец, вольфрам), необходимых сварному шву, для придания ему мелкозернистой структуры и для улучшения механических свойств, в первую очередь пластичности.
В сварном стыке обязательно должен быть зазор (разумного размера) для свободной усадки шва при остывании. Сварку нужно вести по возможности тонкими электродами и швами при минимальной погонной тепловой энергии.
Подогрев до 100—300°С высоколегированных сталей применяется тогда, когда по характеру микроструктуры основного металла, содержанию углерода, толщине металла и жесткости изделия сварной стык склонен к закалке либо к трещинам. Для мартенситных
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки 125
сталей и сплавов требуется подогрев изделия, а для аустенитных сталей в этом нет необходимости.
Цель подогрева — более равномерно распределять нагрев по изделию в процессе сварки и уменьшать скорость охлаждения изделия и после нее— для сталей, склонных к закалке.
Главной причиной появления пор при сварке жаростойких сталей является водород. Источники водорода — флюс, электродное покрытие, защитный газ, различные наслоения с влагой. Свариваемые кромки должны быть чистыми. Сварочная проволока (в том числе и для электродов) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами выпускается по ГОСТу 2246-70, которым предусмотрена 41 марка, например, марки СВ-06Х19Н9Т, СВ-04Х19Н9, СВ-05Х19Н9ФЗС2, СВ-10Х17Т, СВ-12ХПНМФ и др. Электроды этой группы применяются для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, таких как: 15Х25Т, О8Х18Т1, 20Х23Н13, 20Х23Н18,10Х23Н18,15Х12ВНМФ, 14Х17Н2,12Х18Н9,12Х18Н10Т и др. Следует еще раз отметить, что никель улучшает свариваемость.
Газовая сварка высокоуглеродистых сталей может применяться только когда нет другого выхода, так как процесс этот непростой.
Небольшой избыток кислорода в пламени приводит к выгоранию хрома. В качестве присадки применяют сварочную проволоку, близкую по химсоставу к свариваемому металлу. При газосварке титан выгорает полностью, что приводит к межкристаллитной коррозии. При нагреве до 500—800°С и медленном охлаждении, что характерно для газовой сварки, выпадают из твердого раствора карбиды хрома по границам зерен (кристаллов), с потерей коррозионной стойкости. Для сварки необходим еще и флюс сложного состава: 28% мрамора, 30% фосфора, 10% ферромарганца, 6% ферросилиция, 6% ферротитана, 20% двуокиси титана.
Флюс разводится на жидком стекле и наносится на кромки детали в виде пасты. Сварка выполняется после высыхания флюса.
При наличии в настоящее время хороших электродов и источников питания дуги нет необходимости применять более сложную и малопроизводительную технологию сварки, да еще с потерей качества соединений.
126
Сварочные работы
Самым предпочтительным способом сварки высоколегированных сталей является автоматическая сварка, затем остальные, с учетом наименьшей погонной энергии.
Для повышения коррозийной стойкости сталей необходимо ускоренное охлаждение (вода, медные подкладки, обдув воздухом и другие приемы), минимальная продолжительность нагрева и по возможности меньшее количество вводимого тепла.
3.3. Сварочные источники питания дуги
3.3.1. Основные понятия
Электрическая цепь с таким особым потребителем (нагрузкой), как сварочная дуга с почти мгновенно меняющимися параметрами, требует достаточных знаний сущности самой дуги и процессов в ней, а затем источников тока.
Напряжение между концами электродов дуги (как и сама электрическая цепь с дугой) является сложной и нелинейной функцией длины дуги и силы тока в ней, которая еще зависит от других существенных факторов, например, от величины тока, наличия и состава обмазки, флюса, состава и давления газов, состава металла. Источники тока для обычных целей, например, освещения, питания электродвигателей, электроприборов имеют внешнюю характеристику, приближающуюся к прямой, параллельной оси тока, так как эти потребители тока требуют для нормальной работы постоянного напряжения питающей сети независимо от изменений нагрузки.
Другое явление при горении сварочной дуги, т. е. при постоянном напряжении источника питания: загоревшаяся дуга будет непрерывно разрастаться, сила тока в ней будет неограниченно увеличиваться, пока не произойдет либо отключение ее, либо разрушение проводников цепи. Поэтому источник питания дуги должен обладать такими свойствами, чтобы напряжение на клеммах источника снижалось с увеличением нагрузки и повышалось — с уменьшением нагрузки дуги.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
127
Несколько десятилетий после изобретения и разработок Славя-нова основным источником питания сварочной дуги был генератор, подвергавшийся усовершенствованию по мере развития электротехники. Глубокое изучение явлений и свойств дуги, а также создание электродных покрытий с содержанием в них ионизирующих веществ (подобно тому, как Славянов вводил в ванну силикаты) открыло путь к применению в качестве источников питания трансформаторов.
Дуговая сварка возникла в конце XIX в., когда техника получения переменного тока еще только зарождалась, и не о каких сварочных трансформаторах не могло быть и речи. Для питания дуги были доступны Лишь машины постоянного тока, и до 1930 г. считалось, что переменный ток для сварки — это неполноценный заменитель постоянного тока, так как мгновенное значение переменного тока 100 раз в секунду (периодически) переходит через нуль и дуга будет не достаточно устойчива. В дуге постоянного тока можно менять распределение тепла, меняя полярность при сварке, при переменном же токе это невозможно.
Совершенствование сварочных источников питания и сварочных материалов, а также глубокое познание На базе совершенствования электротехники и электроники явлений, происходящих в дуге, позволили добиться устойчивого горения дуги и безупречного качество сварки. Исследованиями было доказано, что для большинства случаев переменный ток выгоднее постоянного. Практически полностью отсутствует магнитное дутье, как при использовании постоянного тока, которое мешает сварке, отклоняя дугу магнитными полями. Немало и других достоинств переменного тока, которые подробнее приведены в описании сварочных трансформаторов.
Но составы некоторых электродных покрытий принуждают применять постоянный ток, потому что на переменном токе дуга постоянно прерывается и процесс нормальной сварки не происходит.
3.3.2. Процессы в сварочной дуге
Электрическая сварочная дуга представляет собой неоднородный проводник с нелинейной зависимостью U и I дуги, так как сопротивление дуги постоянно изменяется, а общее падение напря-
Сварочные работы
128
жения в дуге состоит из суммы падений напряжения анодной, катодной областей и столба дуги. Все эти составляющие величины зависят от материалов, состава газовой среды, длины дуги.
Электрическая дуга в газах не подчиняется закону Ома, так как меняется сопротивление дугового разряда.
Изучение сварочной дуги позволило установить закономерности поведения, отличительные особенности и свойства разных дуг, а также влияние на них внешних факторов. Опытным путем установлена зависимость напряжения горящей дуги от тока при различных режимах. В сварочной дуге протекают сложные процессы ионизации газового промежутка (дуги), которые делают его электропроводным. Ионизация газа — это увеличение в газе количества свободных заряженных частиц, которые являются проводником электричества.
Процессы, происходящие в столбе сварочной дуги, нельзя считать полностью изученными, особенно в части ионизации дугового пространства.
Электрическая сварочная дуга — это самостоятельный разряд, т. е. без внешних ионизаторов. Дуговой разряд существует за счет собственной эмиссии. Эта эмиссия бывает четырех видов: термоэлектронная, автоэлектронная, фотоэлектронная и эмиссия соударения.
Термоэлектронная эмиссия имеет место у тугоплавких материалов (угольный, графитовый электроды и прочие). Для стального электрода такая эмиссия имеет незначительную долю, хотя в некоторых источниках ей придается чуть ли не первостепенное значение.
Автоэлектронная эмиссия зависит не от температуры электрополя, а от его энергии.
Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет облучения элек-
тронов световой энергией, которой хватает, чтобы «вырвать» электроны.
Эмиссия соударения обусловлена той энергией, которой обладают (+) ионы, бомбардирующие поверхность катода.
Ни один из четырех видов ионизации (эмиссии) не может обеспечить 100%-ной ионизации в дуге, обеспечивая ее электропровод
Гпава 3. Оборудование, технология сварки и резки
119
ность. Электроны, вышедшие из катода, под действием сил элект-рополя сильно разгоняются и летят к аноду, а при столкновении с молекулами газа «вырывают» из них электроны и за счет этого ионизируют эти молекулы.
Металлы и газы имеют свой потенциал ионизации в электронвольтах, который характеризует степень трудности отрыва («выры-ва») электрона с его оболочки. Чем меньше число электрон-вольту материала, тем легче «выбить» с оболочки электрон, и наоборот. Ионизация газов в дуге при сварке происходит частичная, так как для полной ионизации газа в дуговом промежутке требуется очень высокая температура — до 22000°С, а это уже плазменное состоят ние газа, когда одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц обеспечивает высокую электропроводность и высокую температуру. Электропроводность плазмы почти равна электропроводности металла. При сварке плавящимся электродом в столбе дуги содержатся пары электродного металла, имеющие, как правило, низкий потенциал ионизации, поэтому эффективный потенциал ионизации дугового разряда при сварке плавящимся электродом приближается к потенциалу ионизации металлических паров. Устойчивое горение дуги — это длительное горение дуги без изменения основных элементов режима. Потенциалы ионизации » электрон-вольтах (э-В.) некоторых элементов следующие: калий — 4,32; натрий — 5,12; алюминий — 5,96; кальций — 6,08; хром — 6,74; титан — 6,81; молибден — 7,35; марганец — 7,6; железо — 7,83; кремний — 7,94; углерод — 11,24; кислород — 13,57; углекислый газ (СО2) — 14,3; азот — 14,51; аргон — 15,7; фтор — 18,7.
Вообще, наибольший потенциал ионизации — 24,5 э-В. Самый высокий потенциал ионизации у фтора и это является одной из причин нестабильного горения дуги у электродов с фтористо-каль-циевым покрытием на переменном токе.
При сварке электродами с обмазкой (покрытием) температура в столбе дуги зависит от эффективного потенциала ионизации, величина которого близка по величине к наименьшему потенциалу ионизации одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа.
Т =810 С, столба дуги / ’
130
Сварочные работы
где U — эффективный потенциал ионизации; Т — температура столба дуги, °C; 810 — коэффициент.
На поверхностях электродов в зоне дуги температура 1800— 185О°С.
Температура в столбе дуги не достигает такой величины, при которой можно получить полную ионизацию газов в дуговом промежутке при обычной дуговой сварке. Полная ионизация газов — это плазменная.
Качество сварки зависит от энергетических и технологических свойств дуги: устойчивости, характера переноса металла, характера плавления основного металла и др. На свойства дуги влияют род тока, полярность, характеристика (электрическая) источника питания дуги, состав атмосферы, состав расплавленного металла, режим сварки и др.
На рис. 30 представлена осциллограмма очень ускоренной киносъемки горения дуги покрытых электродов и дуги голой плавящейся проволоки в СО2.
При сварке в СО2 напряжение дуги и рабочее (U ) напряжение сварки имеют различия и это показано на осциллограмме.
При сварке металлическим электродом напряжение дуги составляет 18—28 В, угольным электродом — 30—40 В. Для возбуждения
Рис. 33. Осциллограмма I, U
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
131
дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 4СН65 вольт. Это напряжение называется напряжением зажигания.
При различных видах сварки общее падение напряжения на дуге примерно lO-s-45 В.
Сварочные дуги бывают с плавящимся и неплавящимся электродом, свободные и сжатые, переменного и постоянного тока, прямой и обратной полярности.
Условия зажигания и горения дуги:
• достаточность напряжения холостого тока источника питания дуги, которое складывается из напряжения горения дуги и напряжения ее зажигания.
Обычно напряжение зажигания дуги больше в 1,5—2,5 раза чем напряжение горения дуги;
• наличие специального источника электропитания дуги, позволяющего быстро разогревать точечный контакт торца электрода до испарения;
• наличие и поддержание ионизации в столбе дуги.
• наличие в сварочной цепи переменного тока повышенной индуктивности (реактивного сопротивления) для повышения стабильности горения дуги, так как в такой цепи имеется только омическое сопротивление и дуга будет получать ток, переходящий по величине своей через нуль 100 раз в секунду.
По причине недостаточной индуктивности или при практически очень малой ее величине «самодельные» сварочные трансформаторы при работе резко «снижают» напряжение питающей сети и электролампы снижают накал.
Индуктивностью проводника называют способность данного проводника создавать электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции при изменении тока в нем.
Величина индуктивности — это показатель, характеризующий связь между скоростью изменения тока в цепи и возникающей при этом ЭДС самоиндукции, т. е. скоростная связь двух указанных показателей.
132
Сварочные работы
L = — \ Т = со-Ф, где L — индуктивность, Гн (генри); Ч' — поток сцепления — это произведение числа витков на их пронизывающий магнитный поток; со — число витков; I — ток в электрической цепи; Ф — магнитный поток (1 Гн равен индуктивности такого проводника, в котором при изменении постоянного тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 1 В).
Скорость изменения магнитного потока у катушки больше, чем у витка потому, что каждая силовая линия, пронизывающая витки катушки, сцепляется с ней большее число раз (на количество витков), чем с одним витком — при одинаковой скорости изменения тока в цепи для обоих случаев. При этом плотность магнитного потока для ЭДС самоиндукции больше, индуктивность больше, выше коэффициент самоиндукции.
Ток самоиндукции всегда направлен навстречу прохождению основного тока в цепи с той же частотой, но не совпадающий по фазе (во времени). Это явление используют в сварочной технике, чтобы заметно уменьшить отрицательное действие сварочного переменного тока при переходе его через нулевые значения. В момент нулевых значений сварочного основного тока этот «провал» восполняет ЭДС самоиндукции, так как эта ЭДС сдвигает нулевое значение тока относительно нулевого значения напряжения и горение дуги заметно смягчается, обрывы в горении дуги отсутствуют.
Индуктивное сопротивление — реактивные катушки более 30 лет применялись на сварочных трансформаторах типа СТЭ-24, СТЭ-34, СТН-500, СТН-700 и др.
Реактивные дроссельные катушки этих трансформаторов выполняли роль регуляторов сварочного тока и задатчика внешней электрической характеристики источника тока. Индуктивность ускоряет отделение капли от электрода в ванну за счет повышения скорости нарастания тока короткого замыкания на этой капле, стабилизирует процесс.
Повышенная электрическая индуктивность (реактивное сопротивление) в сварочной цепи, стабилизирующая горение дуги, вклю
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
133
чается не только в сварочную цепь переменного тока, но и в цепь постоянного тока. Некоторые сварочные выпрямители, в особенности с жесткой характеристикой, изготовляют с включением в сварочную цепь индуктивности для стабилизации горения дуги. Это важно в первую очередь при сварке, наплавке голой проволокой в СО2. Чем больше диаметр электродной проволоки, тем большая величина индуктивности нужна в сварочной цепи. Например, при антифрикционной наплавке бронзовой проволокой БрКМц-3-1 диаметром 1,8 мм в среде азота на стальную деталь потребовалось для стабилизации горения дуги на очень малых режимах (£/ = 16— 18 В, I = 70—90 А) в сварочную цепь последовательно с выпрямителем ВС-600 включить индуктивность в виде сварочного регулятора тока (дросселя) РСТЭ-34 и отрегулировать его примерно на 0,5— 0,8 мГ. Это позволило значительно ускорить возрастание тока с изменением напряжения на дуге, а значит, стабилизировать процесс горения и отделения электродной капли. Правильность подбора индуктивности несложно определить по качеству наплавленного металла.
Источник питания должен поддерживать горение дуги за счет своей электрической характеристики, отрабатывая все возмущения и отклонение процесса сварки до нормы (это длина дуги, колебания напряжения, скорость подачи проволоки и др.).
Одной из важнейших характеристик дуги в целом является ее вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость напряжения на дуге U от тока /св, которая служит главным показателем при выборе источника питания. Эта характеристика между установившимися значениями напряжения и тока при постоянной длине дуги называется статической, а между неустановившимися — динамической.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги (рис. 34) — это графическое изображение зависимости напряжения дуги от сварочного тока для конкретного (мгновенного) установившегося режима при конкретной длине дуги. Участки кривой нелинейные (непропорциональные) и не имеют строгих закономерностей, а только общие — с приближенными контурами.
134
Сварочные работы
Рис. 34. Статистическая характеристика дуги длина дуги Lg1 >Ld2 > Le3
Вольт-амперную характеристику можно разделить условно на три области. В области I (приблизительно до 100 А) характеристика дуги падающая.
При возрастании тока происходит увеличение площади катодного пятна и числа заряженных частиц в межэлектродном пространстве; благодаря снижению сопротивления дуги напряжение на дуге уменьшается. Это область неустойчивого горения дуги, так как небольшое увеличение тока приводит к значительному падению напряжения.
В области II с увеличением тока дуги напряжение мало изменяется, происходит почти полная ионизация газа в столбе дуги и его некоторое сжатие. Сечение столба дуги увеличивается пропорционально току, находящемуся в диапазоне 100+700 А. Характеристика этого участка называется жесткой, обеспечивает устойчивый процесс сварки.
В области III повышение тока связано с повышением напряжения, сечение столба дуги уже не может увеличиваться, плотность тока возрастает с его увеличением, а проводимость дуги остается постоянной (Л ~ const). Это вызывает увеличение напряжения дуги.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
135
Характеристика дуги в этой области называется возрастающей, используется при сварке под флюсом и в защитных газах.
Название характеристик дуги (падающая, жесткая и возрастающая) отражает изменение величины напряжения на дуге при разной величине тока.
На графике указаны зоны вольт-амперной характеристики дуги, которые используются для конкретных способов сварки и служат обоснованием внешней электрической характеристики источника питания.
На схеме изображены три кривые характеристики дуги, причем каждая кривая принадлежит (относится) только одной конкретной длине дуги. Сколько раз изменяется при сварке длина дуги, столько раз кривая характеристики будет менять свое месторасположение на схеме, но в определенном диапазоне — в диапазоне устойчивых режимов.
3.3.3. Перенос электродного металла
Процесс образования капли на конце электрода весьма сложен и зависит от многих факторов, имеющих разную природу, например, силы тяжести, силы поверхностного натяжения, электродинамические силы поля, силы давления газов в дуге от обмазки электродов, силы давления струи защитного газа.
Основные виды переноса электродного металла:
1. Крупнокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка.
2. Крупнокапельный без коротких замыканий.
3. Перенос каплями среднего размера без коротких замыканий.
4. Струйный перенос.
При крупнокапельном переносе большая капля образуется на электроде постепенно и долго удерживается на нем. Если капля больше дугового промежутка, то при ее переходе в ванну происходит кратковременное замыкание. Этот вид переноса происходит в основном за счет силы тяжести и силы поверхностного натяжения. У различных металлов силы поверхностного натяжения (о, Н/м) в жид
136
Сварочные работы
ком состоянии различные, например, для алюминия о = 0, 8, для меди о = 1,15, для железа = 1,22, для титана = 1,51, для вольфрама — 2,68, для хромоникиелевых сталей от 1,5 до 2,5 Н/м.
С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается.
Размер капель зависит от материала электрода, диаметра, состава обмазки, состава защитного газа, напряжения на дуге, силы тока, полярности.
С увеличением тока растет сжимающее действ,ие электромагнитных сил, ускоряющих отделение капли, уменьшается размер капель, изменяется характер переноса металла от крупнокапельного к мелкоструйному из-за быстроты нагрева торца электрода. Затем при определенном значении тока, называемом критическим, процесс переноса капли переходит в струйный. Струйный перенос капель отличается высокой стабильностью размера капель и мелким разбрызгиванием. Основная причина разбрызгивания капли металла при сварке — это электрический взрыв перемычки из жидкой капли между электродом и ванной с выбросом металла за пределы сварочной ванны.
Для уменьшения разбрызгивания металла, повышения стабильности процесса, улучшения формирования шва, повышения кап-леобразования при сварке стали в среде аргона добавляют 10-18% углекислого газа СО2.
Добавка окислительного газа в смесь значительно снижает поверхностное натяжение жидкого металла электродного материала, уменьшаются размеры капель, увеличивается в 3—5 раз их количество за тот же отрезок времени, снижается критический ток перехода к струйному переносу металла, диапазон токов стабильного процесса сварки расширяется, повышается глубина провара с одновременным уменьшением ширины шва по сравнению со сваркой в чистом аргоне.
При увеличении содержания СО2 в смеси до 25—40% стабильность процесса заметно снижается. При содержании СО2 40—50% в смеси аргона с углекислым газом процесс сварки практически не отличается от сварки в чистом СО2, при котором сложно обеспечить струйный перенос электродного металла из-за уменьшения
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
137
количества капель с одновременным ростом их размера и повышением поверхностного натяжения жидкого металла капли.
Снизить разбрызгивание и получить другие важные технологические достоинства можно за счет принудительного управления переносом электродного металла импульсами сварочного тока при сварке в импульсно-дуговом режиме, а также за счет наличия в дуге активизирующих веществ, например, калия, натрия, цезия, рубидия и других элементов, обеспечивающих ведение струйного процесса при сварке в СО2.
Процесс сварки в смеси СО2 + О2 неоднозначный, и недостаточно изучен, поэтому рекомендовать его к применению не следует. Добавление кислорода к углекислому газу меняет течение процесса незначительно, сохраняет тот же размер капель и ту же степень разбрызгивания, как и при сварке в СО2.
3.3.4. Саморегулирование дуги
Саморегулирование дуги — это свойство сварочной дуги при сварке плавящимся электродом с равномерной скоростью подачи при постоянных изменениях длины дуги (из-за отделения капель металла электрода) восстанавливать ее путем изменения скорости плавления электрода. Саморегулирование дуги вызывается тем, что скорость плавления электрода изменяется с изменением длины дуги: с увеличением длины дуги уменьшается скорость плавления электрода (чтобы не произошло разрыва дуги), с уменьшением длины дуги эта скорость увеличивается, чтобы не произошло короткого замыкания электродом.
При постоянной равномерной скорости подачи электрода случайное изменение длины дуги при горении вызывает изменение скорости плавления электрода, направленное на восстановление первоначальной длины дуги.
На быстроту процесса саморегулирования дуги влияет много факторов, но особо сильное и действенное влияние оказывает графическая форма электрической характеристики источника питания дуги. При ручной и автоматической сварке и сравнительно небольших плотностях сварочного тока (15—25 А/мм2) дуга должна
138
Сварочные работы
гореть стабильно. Большие плотности сварочного тока (30— 200 А/мм2) существенно улучшают саморегулирование дуги.
Источник питания должен обеспечивать саморегуривание дуги. Если источник питания дуги не будет реагировать (отзываться) на отклонения в дуге и не обеспечит возможность ее саморегулирования, то случайное укорочение дуги приведет к короткому замыканию электродом, а удлинение — к обрыву дуги раньше, чем в процессе саморегулирования успевала восстановиться нормальная длина дуги.
При высоких плотностях тока саморегулирование дуги протекает наиболее интенсивно при пологих и жестких характеристиках источников питания дуги, а в некоторых случаях — при возрастающих характеристиках, когда напряжение возрастает с увеличением сварочного тока.
Явление саморегулирования дуги впервые обнаружил В.И. Дятлов в 1942 г.
3.3.5. Источники питания сварочной дуги
Сварочные источники питания должны иметь электрическую
характеристику (т.
е.
зависимую связь между током
и напряжение
ем) с учетом статической характеристики дуги для каждого коню
ретного способа сварки.
Электрической характеристикой источника питания сварочной1 дуги, или внешней характеристикой источника питания, называется графически изображенная зависимость между напряжением на клеммах источника питания и сварочным током. Источники питан! могут иметь следующие внешние характеристики (рис. 35):
1. Крупнопадающую.
2. Пологопадающую.
3. Жесткую.
4. Возрастающую.
Графическая форма электрической характеристики источника
питания обеспечивается конструктивно, в зависимости от предназначения — одной, определенной формы, но иногда один источник питания обладает двумя различными внешними характери
стиками.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
139
Для ручной дуговой сварки наилучшая характеристика источника — крутопадающая, которая обеспечивает незначительное изменение сварочного тока при постоянных изменениях длины дуги в процессе сварки, которые требуют постоянно изменять напряжение на дуге. Длина дуги меняется в связи с отделением капель электрода в ванну, а увеличивающаяся длина дуги образует повышенное сопротивление дуги, для преодоления которого (чтобы не погасла дуга) требуется мгновенно увеличивать напряжение — в этом и заключается отзывчивость характеристики источника тока для поддержания стабильного горения дуги. При укорачивании дуги напряжение ей требуется меныпее, но должно ускоряться плавление электрода, восстанавливая нормальную длину дуги. Это ускорение достигается за счет мгновенного увеличения тока.
Пологопадающая, а также жесткая и возрастающая внешние электрические характеристики источников питания обеспечивают значительное изменение величины сварочного тока при изменении длины дуги, а это вызывает быстрое увеличение или уменьшение скорости плавления электродной проволоки.
Происходи! быстрое саморегулирование дуги при повышенных плотностях тока без большого изменения напряжения.
Чем сильнее изменяется ток в дуге, тем быстрее восстанавливается прежняя длина дуги и выше ее стабильность горения, но это на средних и повышенных и высоких плотностях тока — 30—50 А/мм2 и 60—200 А/мм2. Большие плотности тока в сочетании с жесткой
140
Сварочные работы
характеристикой источника тока дуги при постоянной подаче обеспечивает стабильность процесса сварки голой проволокой с газовой защитой и даже без нее.
Требуемая электрическая характеристика источника питания дуги (графическая форма кривой) обеспечивается конструкцией при изготовлении источника, и в процессе сварки форма ее не изменяется. Колебания режима сварки, происходящие вследствие изменения длины дуги, обусловлены только изменением статической характеристики дуги.
Важное значение имеют динамические свойства источника питания — это быстрота восстановления напряжения от нулевого значения в момент короткого замыкания до напряжения повторного зажигания дуги. Динамические свойства зависят от индуктивности источника питания. Чем индуктивность выше, тем выше динамические свойства, при которых существует спокойный перенос электродного металла и малое разбрызгивание. Все это происходит под воздействием свойств внешней характеристики дуги и динамичности электрической системы.
Дуга Z[ > L2 > Lv т. е. чем больше длина дуги, тем больше потребное напряжение для нее, но при этом ток уменьшается незначительно (видно на графике на рис.36), и это обеспечивается (мгновенно) конструктивной спецификой электросистемы сварочного аппарата.
Точки Ар А2, А3 — это точки устойчивого горения дуги конкретной (моментной) длины.
На графике видны точки режима холостого хода (при I = 0) и короткого замыкания — к. з. (при 1= шах).
Сколько будет длин дуг, столько будет точек на кривой внешней характеристики источника питания устойчивого горения дуги.
Равенство токов и напряжений дуги и источника питания имеет место в точках А(| 2 и С, представляющих собой точки пересечения внешней и статической характеристик. Точки А(| 2 соответствуют устойчивому горению дуги. Если по какой-либо причине ток дуги уменьшится, напряжение источника превзойдет установившееся напряжение на дуге. Это в свою очередь увеличит ток,
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
141
Рис. 36. График изменения режимов сварки с изменением длины дуги при крутопадающей электрической характеристике (сварка электродом): 1 — внешняя характеристика источника тока; 2 — волыпамперная характеристика дуги
т. е. произойдет возврат в точку А(1 2 . Наоборот, при случайном увеличении тока напряжение источника оказывается меньше напряжения дуги, поэтому ток уменьшается и режим горения дуги восстанавливается. Точки С отвечают неустойчивому горению дуги, так как всякое случайное изменение тока развивается вплоть до обрыва дуги или до тех пор, пока не достигнет величины, соответствующей точке А(12 .
Следовательно, если статическая характеристика дуги — падающая, то для обеспечения устойчивости горения дуги внешняя характеристика источника питания тоже должна быть падающей, а в рабочей точке, соответствующей условию устойчивости, — более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги, тогда, особенно при ручной сварке, напряжение на дуге практически не будет зависеть от тока.
Устойчивое горение дуги в диапазоне малых токов достигается в источниках с повышенным напряжением холостого хода.
При регулировании тока на источнике питания кривая внешней характеристики будет занимать разные положения — соответ-
Сварочные работы
142
ственно режиму, но параллельные друг другу. Длина дуги одинаковая, но на разных режимах (рис. 37).
Падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивое горение плавящихся и неплавящихся (вольфрамовых и др.) электродов.
Для сварки под флюсом необходима пологопадающая характе ристика, для сварки механизированной (голой проволокой) — жесткая или возрастающая внешняя характеристика источника пита ния.
Источники питания выпускаются в соответствии с требованиями ГОСТов 95-69; 7012-69; 13821-68, которыми установлены различные требования, как технические, так и по безопасности.
В настоящее время промышленность России выпускает большое количество различных источников питания дуги постоянным и переменным током.
>
I
Рис. 37 График регулирования режима сварки для дуги постоянной длины
3.3.6. Требования к источникам питания дуги
1. Напряжение холостого хода (цепь разомкнута) должно быть в два-три раза выше напряжения горения дуги, но не более 90 В.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
143
2. Ток короткого замыкания сварочной цепи должен быть не более чем полторы величины сварочного тока, чтобы не перегревался электрод. Источник питания должен выдерживать длительное замыкание.
3. При изменении напряжения на дуге сварочный ток не должен сильно изменяться, чтобы существенно не изменялся режим сварки.
4. Источник питания должен обладать хорошими динамическими свойствами, т. е. восстанавливать напряжение после короткого замыкания от нуля до 25 В за время не более 0,05 с.
5. Он должен иметь устройство для плавного регулирования сварочного тока в пределах рабочего диапазона. В источниках питания с жесткой характеристикой (при сварке в защитных газах) режим регулируется изменением напряжения, так как напряжение холостого хода практически должно быть равным напряжению на дуге.
6. Источник должен иметь заданную внешнюю электрическую характеристику.
Источники питания подбираются исходя из того, какая область статической характеристики дуги будет использоваться для сварки.
3.3.7. Характер работы сварочных источников тока
Продолжительность горения дуги и продолжительность паузы, т. е. холостого хода либо отключения полностью характеризует работу источника электропитания при сварке, который оценивается показателями ПР или ПВ.
• ПР — относительная продолжительность работы.
• ПВ — относительная продолжительность включения.
Процесс сварки чередуется с паузами (смена электрода и подобные перерывы), при которых источник тока охлаждается.
В режиме ПР источник тока во время паузы сварки находится в работе на холостом ходу (ручная сварка и подобное). В режиме ПВ источник тока во время паузы отключается от сети, как это делается при механизированной сварке.
144
Сварочные работы
ПР у 100%; ПВ = 7~~------ х 100%,
‘lb + ‘х х 'си + ‘ ПАУЗ!
где tx х — время холостого хода; tce — время сварки.
Эти показатели выражаются в % и характеризуют допустимую степень эксплуатации источника дуги.
Обычно для расчетов источников принимают /св = 3 мин, /паузы = 3
= 2 мин, тогда ПР = х 100 = 60 %. При ПР = 20% время дуги
равно 1 мин, время паузы равно 4 мин.
Однако бывают виды техпроцессов, например, наплавка валка прокатного стана, когда недопустимо прерывание процесса в течение нескольких часов. В этих случаях определяется допустимый сварочный ток для ПР = 100%, при паспортном ПР = 60% по формуле
I ПР ном
Aion Аюм V ПРдоп
где / оп — допустимый ток для работы при ПР = 100%; /ном — номинальный по паспорту ток при паспортном ПР; ПРном — паспортное значение ПР источника питания; ПРдаг1 — допустимое, т. е. нужное нам значение ПР.
Например, определить допустимый сварочный ток для выпрямителя ВС-600 с номинальным паспортным током /ном = 600 А, ПР = 60%, если выпрямитель будет загружен с ПР = 100% длительное время:
[бб~
I = 600 х J— = 600 х 0,774 - 359 А.
ЛОП V100
Значит, используя выпрямитель ВС-600 в режиме ПР = 100%, можно от него потреблять только 359 А.
Малоуглеродистые стали можно сваривать дугой от постоянного и переменного тока, сварку легированных сталей выполняют на постоянном токе при обратной полярности. Источники постоянного тока применяют также для сварки цветных металлов, чугуна, для
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
145
наплавки и плазменной резки. При сварке на открытом воздухе лучше применять трансформаторы и сварочные генераторы с различными видами механического привода. При больших колебаниях напряжения в питающей сети сварочные генераторы являются лучшим источником дуги.
Для дуговой сварки, наплавки выпускаются источники питания переменного и постоянного тока, а также специализированные источники питания.
3.3.8. Сварочные генераторы
Сварочные (вращающиеся) преобразователи состоят из сварочного генератора и привода — электродвигателя, выполненных на одном валу. При вращении якоря генератора в нем вырабатывается ток сварочный. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, которая приводит во вращение якорь генератора. Эта механическая энергия преобразуется в электрическую: сварочный ток нужных параметров.
Если в качестве привода — вращателя якоря генератора используется двигатель внутреннего сгорания (бензиновый или дизельный) — ДВС, тогда эта установка называется агрегатом. Часто генераторы конструктивно одинаковы в преобразователях и агрегатах. Сварочные генераторы могут получать вращение якоря от вала отбора мощности колесного трактора.
Сварочный генератор — это специальный генератор постоянного тока, обеспечивающий устойчивое горение дуги за счет своей внешней электрической характеристики, которая обеспечивается конструкцией. Это достигается изменением магнитного потока в генераторе в зависимости от сварочного тока. Наиболее распространенные — сварочные генераторы с падающей внешней характеристикой для ручной и автоматической (под флюсом) сварки. Генератор имеет устройство для регулирования сварочного тока.
В начальный период развития сварки сварочные генераторы были основными источниками питания, поэтому существовало много различных конструкций электромагнитных систем.
В настоящее время применяется в основном две системы сварочных генераторов:
146 Сварочные работы
• с независимым возбуждением и последовательной размагни-чивающей обмоткой в сварочной цепи;
• с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой. Эта система применяется в агрегатах с приводом от ДВС.
Сварочный генератор состоит из статора, на котором размещаются магнитные полюсы и якоря (вращающейся части) с уложенными в нем витками обмотки, в которых наводится ЭДС переменного направления (рис. 38).
Концы витков соединены с пластинами коллектора, вращающегося на том же валу, что и якорь. Коллектор — это вращающееся с валом устройство, на котором расположены угольно-графитовые щетки для токосъема. Коллектор выполняет функцию выпрямителя сварочного тока каждого витка и токосъема.
Принцип устройства и работы генератора следующий. Якорь представляет собой вал, в продольные пазы которого уложено мн«'
Рис. 38. Схема генератора
I
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
147
го рамок — витков, не соединенных между собой. В торце вала-якоря расположен коллектор, диаметром намного меньше якоря. Концы каждого витка, уложенного в продольные пазы, выведены на пластины коллектора, изолированные друг от друга.
Один конец витка подсоединен к одной пластине, второй конец витка — к другой, но противоположной по диаметру пластине коллектора.
Пластины коллектора имеют контакт с токосъемными щетками.
На статоре расположены магнитные полюсы, создающие мощный магнитный поток, направленный на якорь. Для образования этого потока на магнитные полюсы устанавливаются обмотки, называемые обмотками возбуждения, так как они возбуждают магнитный поток. Они подключаются только к постоянному току, чтобы магнитный поток, обтекая якорь, не менял своего направления. Если обмотки будут подключены неправильно по (+) и (—), то магнитный поток будет направлен от якоря и сварочного тока на щетках не будет. На рис. 38 рамка (якорь) вращается, пересекая своими проводниками (теми, что в пазах) постоянный по направлению магнитный поток от северного N к южному полюсу S. За счет пересечения каждым проводником этого магнитного потока в них по закону электромагнитной индукции индуцируется ЭДС. Направление индуцированной ЭДС определяется по правилу правой руки.
При рассмотрении оборота рамки видно, что за один полный оборот в витках рамки ток четко по синусоиде дважды меняет свое направление и величину от нуля до максимума, виток рамки 1—1 (или 2—2) отдает на щетки ток разного направления, но со сменой направления ЭДС меняется и контактная щетка. За первые полоборота (180°) виток рамки контактирует только с (+) щеткой, а за вторые пол-оборота этот же виток, поменяв в себе направление тока, контактирует с (—) щеткой. Такой процесс идет постоянно. Этим обеспечивается постоянство одного знака ЭДС на щетках, значит, и выпрямление тока. Чем насыщенней (плотнее) магнитный поток на якорь, тем больше сварочный ток.
Необходимо напомнить, что ток в якоре переменный, а постоянным его делает коллектор.
148
Сварочные работы
Для изменения величины сварочного тока нужно изменить величину тока в обмотках магнитных полюсов, так как магнитный поток изменяет свою величину в зависимости от количества ампер, а не вольт. Последовательно в обмотку возбуждения включают реостат для регулировки тока в обмотках возбуждения.
Для получения падающей характеристики в сварочную цепь последовательно включают размагничивающую обмотку, магнитный поток которой направлен навстречу основному намагничивающему потоку якоря. Поток размагничивания своим действием уменьшает поток намагничивания на якорь, а в случае короткого замыкания — уравновешивает его (т. е. сводит его действие до ми-1 нимума), напряжение холостого хода мгновенно становится нулей вым, а при разрыве сварочной цепи (дуга не горит) действие раз-1 магничивающей обмотки отсутствует (ток в цепи равен нулю), то моментально восстанавливается напряжение холостого хода. В процессе горения дуги размагничивающий поток постоянно изменяется в зависимости от изменения тока в цепи и, взаимодействуя с потоком намагничивания, создает крутопадающую внешнюю электрическую характеристику.
Величина индуцированной ЭДС в рамке (якоре) зависит от плотности магнитного потока в момент пересечения витком потока. Индуцированная ЭДС максимальна при перпендикулярном пересечении проводником магнитного потока, когда проводник рамки проходит под серединой магнитного потока (полюса). При движении проводника рамки вдоль магнитного потока (в любом направлении), пересечение магнитных силовых линий отсутствует, а значит, отсутствует и явление электромагнитной индукции и ЭДС = 0. За 1 оборот проводник проходит две нулевые точки ЭДС и две — с наибольшей ЭДС, но с разными знаками.
Между нулевыми и максимальными значениями находятся все промежуточные значения. Выполнив 1 оборот витка и обозначив на осях координат значение и величины ЭДС в периоде одного оборота (в каждой 1/4 части окружности), можно графически изобразить изменения индуцированной ЭДС. Эта кривая называется синусоидой, а ток называется синусоидальным.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
149
3.3.9. Генератор с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой
Взаимодействие обмоток в схеме рассмотрено выше, поэтому к принципиальной электрической схеме можно добавить генератор с падающей характеристикой. Независимая обмотка (рис. 39) питается от сети переменного тока через понижающий трансформатор ПТ и селеновый выпрямитель СВ создает магнитный поток, индуцирующий на щетках генератора напряжение, необходимое для возбуждения дуги.
Регулирование тока производится переключением перемычки П числа витков последовательной обмотки: клемма А — диапазон больших токов, клемма Б — диапазон малых токов. Последовательная обмотка из шины — большого сечения, как в сварочной цепи. В пределах каждого диапазона сварочный ток плавно регулируется реостатом РТ.
По этой схеме выпускались генераторы ГСО-500 к преобразователям ПСО-500 и др. Генераторы с независимым возбуждением сейчас практически не выпускаются.
Рис. 39. Генератор с независимым возбуждением: а — принципиальная электрическая схема; б — внешние характеристики
148
Сварочные работы
Для изменения величины сварочного тока нужно изменить величину тока в обмотках магнитных полюсов, так как магнитный поток изменяет свою величину в зависимости от количества ампер, а не вольт. Последовательно в обмотку возбуждения включают реостат для регулировки тока в обмотках возбуждения.
Для получения падающей характеристики в сварочную цепь последовательно включают размагничивающую обмотку, магнитный поток которой направлен навстречу основному намагничивающему потоку якоря. Поток размагничивания своим действием уменьшает поток намагничивания на якорь, а в случае короткого замыкания — уравновешивает его (т. е. сводит его действие до минимума), напряжение холостого хода мгновенно становится нулевым, а при разрыве сварочной цепи (дуга не горит) действие размагничивающей обмотки отсутствует (ток в цепи равен нулю), то моментально восстанавливается напряжение холостого хода. В процессе горения дуги размагничивающий поток постоянно изменяется в зависимости от изменения тока в цепи и, взаимодействуя с потоком намагничивания, создает крутопадающую внешнюю электрическую характеристику.
Величина индуцированной ЭДС в рамке (якоре) зависит от плотности магнитного потока в момент пересечения витком потока. Индуцированная ЭДС максимальна при перпендикулярном пересечении проводником магнитного потока, когда проводник рамки проходит под серединой магнитного потока (полюса). При движении проводника рамки вдоль магнитного потока (в любом направлении), пересечение магнитных силовых линий отсутствует, а значит, отсутствует и явление электромагнитной индукции и ЭДС = 0. За 1 оборот проводник проходит две нулевые точки ЭДС и две — с наибольшей ЭДС, но с разными знаками.
Между нулевыми и максимальными значениями находятся все промежуточные значения. Выполнив 1 оборот витка и обозначив на осях координат значение и величины ЭДС в периоде одного оборота (в каждой 1/4 части окружности), можно графически изобразить изменения индуцированной ЭДС. Эта кривая называется синусоидой, а ток называется синусоидальным.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
149
3.3.9. Генератор с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой
Взаимодействие обмоток в схеме рассмотрено выше, поэтому к принципиальной электрической схеме можно добавить генератор с падающей характеристикой. Независимая обмотка (рис. 39) питается от сети переменного тока через понижающий трансформатор ПТ и селеновый выпрямитель СВ создает магнитный поток, индуцирующий па щетках генератора напряжение, необходимое для возбуждения дуги.
Регулирование тока производится переключением перемычки П числа витков последовательной обмотки: клемма А — диапазон больших токов, клемма Б — диапазон малых токов. Последовательная обмотка из шины — большого сечения, как в сварочной цепи. В пределах каждого диапазона сварочный ток плавно регулируется реостатом РТ.
По этой схеме выпускались генераторы ГСО-500 к преобразователям ПСО-500 и др. Генераторы с независимым возбуждением сейчас практически не выпускаются.
Рис. 39. Гэнератор с независимым возбуждением: а — принципиальная электрическая схема;
б — внешние характеристики
150
Сварочные работы
3.3.10. Генератор с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой
Он относится к системе генераторов с самовозбуждением, имеет падающую характеристику за счет размагничивающей обмотки, включенной последовательно в сварочную цепь, но расположеной (как и все подобные) на полюсах магнитной системы статора (рис.40).
Питание намагничивающей обмотки берется от дополнительной, третьей щетки с коллектора, расположенной посредине между основными щетками а и б. Благодаря потоку поперечной реакции якоря напряжение между третьей щеткой и основной мало зависит от нагрузки. Поэтому свойства такого генератора практически не отличаются от свойств генератора с независимым возбуждением.
Рис. 40. Схема генератора с самовозбуждением:
Фн — намагничивающий магнитный поток; Фр — размагничивающий магнитный поток; !н — ток намагничивающей обмотки;
РТ — реостат регулирования /н (ФJ; а, б, с — щетки на коллекторе якоря генератора; П — перемычка грубой регулировки тока
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
151
По такой схеме (самовозбуждения) делают генераторы типа ГСО-300 и подобные (усовершенствованные), предназначенные для сварочных агрегатов с бензиновым или дизельным двигателем, а также для сварочных преобразователей — когда якорь вращается электродвигателем.
Сварочные агрегаты с ДВС (двигатель внутреннего сгорания) должны иметь мощность не менее 30 л. с. Средний расход горючего при нормальной сварке — 5—6 кг/ч.
При недостатке сварочного тока (необычные работы) можно соединять в параллельное электрическое соединение два, три генератора, но однотипных по паспортной характеристике.
Средний расход электроэнергии при ручной сварке электродами равен 7—8 кВт • ч на 1 кг наплавленного металла. Средний КПД сварочных преобразователей и агрегатов — 0,4—0,5% ввиду значительных потерь при работе на холостом ходу. Для сопоставления: у сварочных трансформаторов однотипной мощности КПД = 0,6— 0,7%, а расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла — 3,5—4,25 кВт • ч.
Сварочные агрегаты типа АДБ — бензиновый, АДД — дизельный бывают незаменимы при работе на объектах, где отсутствует электроэнергия или усложнено ее использование, поэтому до настоящего времени они выпускаются и совершенствуются разработчиками. Модели их приведены в приложении-перечне оборудования.
В конце 60-х годов начинался выпуск сварочных преобразователей с жесткой и даже универсальной (жесткой и падающей) характеристикой, типа ПСГ-500, ПСУ-500 — для сварки голой проволокой в защитных газах и для ручной сварки. Суть ПСУ-500 в том, что размагничивающая последовательная обмотка, обеспечивающая падающую характеристику, переключалась на роль подмагничивающей с превращением Фр в поток подмагничивания, чем и обеспечивалась жесткая характеристика генератора.
Бурное развитие и совершенствование выпрямительной сварочной техники в середине 70-х годов позволило многим предприятиям применить эту более совершенную технику, достоинства которой
152
Сварочные работы
были настолько очевидны, что почти везде были вытеснены преобразователи, но не агрегаты.
3.3.11. Выпрямители
I Сварочный выпрямитель — это аппарат, преобразующий переменный ток в постоянный при помощи полупроводниковых вентилей и состоящий из сварочного трансформатора с регулирующим устройством и блока полупроводниковых вентилей с охлаждающим вентилятором^Иногда в комплект выпрямителя входит еще дроссель, включаемый в цепь постоянного тока. В выпрямителях в основном используются селеновые, кремниевые вентили и управляемые тиристоры. Дроссель служит для получения падающей внешней характеристики.
Первые образцы сварочных выпрямителей для ручной дуговой сварки были разработаны во ВНИИЭСО в 1955 г., а изготовлены в 1956 г. Они имели низкий КПД (менее 65%) и большой вес, затем совершенствовались.
ССу шествуют две типовые схемы выпрямления: однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления (рис. 41) и трехфазная мостовая схема. Трехфазная схема обеспечивает меньшую пульсацию напряжения, лучшее использование трансформатора и более равномерную загрузку трехфазной сети. Поэтому в подавляющем большинстве случаев выполняются трехфазные схемы выпрямления тока. \
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
153
( Полупроводнике
вые элементы проводят ток только в одном на
правлении и используются в сварочной технике для преобразова
ния переменного тока в пульсирующий постоянный. В качестве
электрод селен основание
материала для полупроводникового вентиля служат селен, кремний, германий. Д
Селеновые вентили имеют меньший КПД, но обладают большей перегрузочной способностью, чем кремниевые. Селеновый вентиль (рис. 42) состоит из тонкого металлического основания, слоя кристаллического
селена и электрода из специального сплава. Выпрямительными свойствами обладает тонкий запирающий слой на границе селена и элек
Рис. 42. Селеновый вентиль (схема)
трода.
Запирающий слой в селеновых вентилях образуется между селеном и селенистым кадмием.
Селеновые вентили применяют в выпрямителях с падающий и жесткой характеристикой, а кремниевые — главным образом в выпрямителях с падающий характеристикой, где ток короткого замыкания незначительно превышает рабочий ток.
Кремниевые вентили требуют интенсивного охлаждения, поэтому обязательно в выпрямителях устанавливают охлаждающие вентиляторы с датчиком давления струи воздуха.
Запирающий слой кремниевых, германиевых полупроводниковых вентилей образуется между основным полупроводниковым материалом и тем же материалом с введенными в него примесями (в малых долях процента).
Из схемы на рис. 43 видно, что в каждый момент времени ток проходит через два вентиля. В течение одного периода происходит шесть пульсаций выпрямленного тока вместо двух пульсаций при однофазной схеме.
В сварочных выпрямителях выпрямительный блок собирается по трехфазной мостовой схеме из полупроводниковых вентилей. -Известную трехфазную схему с нулевым выводом не применяют, гак как отрицательные полуволны не выпрямляются и в каждый момент работает только один блок (вентиль).
154
Сварочные работы
В трехфазной мостовой схеме выпрямления (схема Ларионова) выпрямленное напряжение в два раза больше, чем в схеме с нулевым выводом при одном и том же действующем напряжении переменного тока, подводимого к выпрямителю.
Кроме того, в мостовой схеме при том же значении выпрямленного напряжения величина обратного напряжения в два раза меньше, чем в нулевой схеме. Следовательно, в мостовой схеме можно применять вентили с более низким значением допустимого обратного напряжения.
К трехфазному мосту подводится напряжение от вторичной обмотки силового трансформатора (см. рис. 43).
Выпрямительный блок имеет две группы вентилей нечетную группу (вентили 1, 3, 5), у которых все катоды соединены в одну точку и образуют «плюс» выпрямителя, и четную группу (вентили 2, 4, 6), у которых все аноды соединены в одну точку и образуют
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
155
«минус» выпрямителя. В каждый момент времени работают лишь два элемента из шести (один из четной, другой из нечетной группы); ток проходит по цепи, обозначенной пунктирной линией, между теми фазами, напряжение между которыми в данный момент имеет наибольшее значение. Пульсация выпрямленного тока имеет шестифазную частоту (300 Гц при частоте напряжения в сети 50 Гц). Таким образом, при трехфазной мостовой схеме кривая выпрямленного напряжения получается хорошо сглаженной (рис. 44), что важно для создания условий устойчивого горения дуги.
? Следует отметить, что в большинстве сварочных выпрямителей для большего сглаживания пульсации в цепь выпрямленного тока включаются дроссели.
Падающая характеристика в сварочном выпрямителе создается включением в цепь реактивной катушки или применением трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием Во многих выпрямителях трансформаторы имеют подвижные первичные обмотки.
Регулирование сварочного тока производится при помощи секционированных обмоток трансформатора, специальным дросселем насыщения или изменением расстояния между обмотками.
Особо следует отметить широкое применение в последние годы управляемых полупроводниковых вентилей — тиристоров в сварочных выпрямителях, которыми очень легко регулировать сварочный ток (как громкость у радио).
Управляемым тиристором полупроводниковый вентиль становится тогда, когда при подведении к нему напряжения, приложен
156
Сварочные работы
ного в проводящем направлении, он не пропускает тока до тех пор, пока он не открывается при помощи специального управляющего электрода.
Выпрямители выпускаются с различными внешними электрическими характеристиками, на малые и большие сварочные токи, однопостовые и многопостовые, например, модели ВД-309, ВД-313, ВД-306, ВДУ-505, ВДУ-506, ВДМ-1202, ВДМ-630 и другие - для различных способов сварки (см. рис. 45—47).
Рис. 45. Сварочный выпрямитель ВД-301
В многопостовых выпрямителях применяется шестифазная схема выпрямления (рис. 48). Вторичная обмотка состоит из двух трехфазных обмоток, соединенных каждая в звезду с выведенным нулем (первичная обмотка трансформатора на рис. 48 не показана).
В сварочных выпрямителях для цепей управления также используются выпрямительные блоки, но в отличие от силовых они собираются по однофазной мостовой схеме (рис. 49). В этой схеме вентили включены в 4 плеча, образующие мост. В одну диагональ включена нагрузка, питаемая постоянным током — потребитель, а в другую — однофазный источник. В этой схеме происходит выпрямление обеих полуволн переменного напряжения. При одном направлении переменного напряжения ток проходит через два вентиля, лежащие в противоположных плечах, например 1 и 3. Во вторую половину пе-
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
157
Рис. 46. Сварочный выпрямитель ВДУ-504
Рис. 47. Сварочный выпрямитель ВДУ-1601
158
Сварочные работы
Рис. 48. Шестифазная схема выпрямления напряжения
Рис. 49. Однофазная мостовая схема выпрямления тока для цепей управления
Рис. 50. Выпрямленный ток
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
159
риода, при обратном направлении напряжения, ток проходит вентили 2 и 4. Следовательно, направление тока в нагрузке (потребители) в оба полупериода не изменяется. Частота пульсации тока 100 Гц (рис. 50).
Обратное напряжение в плече, которое не проводит в данный момент ток, равно действующему значению переменного напряжения, так как это плечо присоединено через другое работающее плечо к источнику переменного тока.
В сварочных выпрямителях отечественного производства применяются в основном селеновые и кремниевые полупроводниковые вентили, а германиевые вентили применяются лишь для маломощных выпрямителей. В последние годы в конструкциях выпрямителей роль вентилей выполняют тиристоры управляемые (например, тиристор Т-160).
Все выпрямители оснащены пуско-регулирующий и защитной аппаратурой для включения, выключения, защиты выпрямительного блока и выпрямителя в целом от перегрузок, настройки выпрямителя на заданный режим и контроля за его соблюдением.
Рассмотрим отличительные особенности селеновых и кремниевых вентилей по КПД и надежности.
Селеновые вентили имеют более низкий КПД, но дешевле по стоимости изготовления и обладают большей перегрузочной способностью. Они используются в выпрямителях с любой внешней характеристикой. Размеры селеновых пластин 100 х 400; 100 х 100 мм. Допустимый ток на 1 см2 площади селеновой шайбы (вентиля) — 0,05 А.
Кремниевые вентили кроме повышенного КПД имеют большую надежность в работе, так как обратное напряжение у них выше и герметизация лучше. Такие вентили применяют главным образом в выпрямителях с падающими внешними характеристиками, так как ток короткого замыкания этих характеристик мало отличается от рабочего.
В выпрямителях с жесткими характеристиками ток короткого замыкания может превышать рабочее значение в 4-8 раз. Кремниевые вентили применяются при условии,что характеристика формируется с помощью дросселя насыщения, а схемой его управления предусмотрено ограничение тока короткого замыкания.
160
Сварочные работы
Во всех сварочных выпрямителях на кремниевых вентилях для их защиты от перегрузки при коротком замыкании вторичной обмотки или выходе из строя одного из вентилей во вторичной цепи устанавливают магнитный усилитель (МУ), быстро отключающий установку от сети. Промышленностью выпускается и применяется два типа кремниевых вентилей для сварочных выпрямителей: ВК-200 (ВК2-200) и ВК-50 — с допустимым обратным напряжением 150 В и с воздушным охлаждением.
Германиевые вентили с воздушным охлаждением выпускаются в России для токов до 50 А. Вентили больших токов имеют водяное охлаждение и их использование в сварочных выпрямителях практически невозможно.
Многопостовые сварочные выпрямители одновременно питают током несколько сварочных постов при ручной или механизированной сварке. Обязательное условие — независимость работы каждого поста от работы остальных. Поэтому внешняя характеристика источника питания должна быть жесткой.
В настоящее время есть несколько оправдывающих себя моделей многопостовых выпрямителей, например серии ВДМ, ВКСМ.
До появления многопостовых сварочных выпрямителей выпускались многопостовые сварочные преобразователи ПС М-1000 (на 1000 А) с вращающимся якорем генератора со скоростью 2925 об/мин от электродвигателя большой мощности и с большим расходом электроэнергии — на 1 кг наплавленного металла 10—11 кВт • ч. ПСМ-1000 может питать 6 работающих сварочных постов. Созданные многопостовые сварочные выпрямители ВКСМ-1000 для замены преобразователей ПСМ-1000 имеют вес 625 кг (против 1500 кг у ПСМ-1000), их КПД выше на 13%, есть и много других преимуществ.
Трансформатор выпрямителя трехфазный с нормальным рассеянием. Первичная обмотка соединена треугольником и имеет отпайки, позволяющие повысить напряжение вторичной обмотки на 5%. Вторичная обмотка соединена шестифазной звездой. Выпрямительный блок собран из кремниевых вентилей, схема выпрямления шестифазная, в каждой фазе по 2 вентиля параллельно. Вентили размещаются по периметру медной шины в один ряд. Охлаждение принудительное — воздушное. Защищает вентили от
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
161
большого тока короткого замыкания быстродействующий автомат.
Для регулирования сварочного тока и получения необходимой при ручной сварке падающей характеристики на каждом посту устанавливается реостат. Он состоит из секций с разным сопротивлением. Пятью или шестью рубильниками можно включить параллельно разные комбинации сопротивлений, что дает 20 ступеней регулирования. Наиболее широкое применение получил балластный реостат РБ-300-1. Сопротивление реостата выполнено в виде проволоки из медно-никелиевого сплава константан, который очень незначительно меняет свое омическое сопротивление от нагрева при прохождении сварочного тока, а это для режима сварки очень важно (рис. 51).
Внешняя характеристика источника питания после балластного реостата — пологопадающая. Количество постов, которые могут быть одновременно подключены к работе, определяется по формуле
Л (ОМ Л = /Р К’ где /ном — номинальный ток генератора; / — средний сварочный ток поста; К — коэффициент одновременности работы (обычно К 0,6).
Регулировочные диапазоны балластовых реостатов:
РБ-201 — от 10 до 200 А через каждые 10 А.
Рис. 51. Внешний вид и схема балластного реостата
162
Сварочные работы
РБ-302 — от 15 до 300 А через каждые 15 А.
РБ-501 — от 25 до 500 А через каждые 25 А.
На лицевой верхней стороне балластного реостата имеется таблица, указывающая порядок установления нужного сварочного тока, т. е. включение необходимых рубильников в разном сочетании и соответствие величины тока какому-либо сочетанию.
Сварочные выпрямители имеют следующие преимущества перед мотор-генераторными преобразователями:
1. Более высокий КПД (0,74 против 0,54).
2. Высокие сварочные свойства и более широкие пределы регулирования сварочного тока и напряжения.
3. Меныпий вес (ПСО-300М — 330 кг; ВД 302 = 220 кг).
4. Бесшумность в работе и отсутствие вращающихся частей (не считая вентилятора).
5. Большая простота изготовления.
6. Меньше затраты на обслуживание.
7. Высокая надежность при эксплуатации.
8. Широкие возможности для замены медных обмоток алюминиевыми.
К недостаткам выпрямителей следует отнести:
1. Чувствительность к перегрузкам.
2. Невозможность ремонта вентилей или вентильных блоков.
3. Чувствительность к изменением напряжения питающей сети.
3.3.12. Сварочные трансформаторы
Сварочные трансформаторы выпускаются для ручной дуговой сварки, для автоматической сварки под флюсом, для электрошла-ковой сварки.
Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат, преобразующий энергию переменного тока одного (высокого) напряжения в другое напряжение (пониженное). Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем с использованием нужного количества витков в обмотках, находящихся на магнитопроводе. На магнитопроводе размещаются две обмотки — первичная и вторичная.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
163
Конструктивно трансформаторы сварочные выполняются с дросселем, с пакетом (шунтом) рассеяния, с подвижными обмотками, либо с секционированными обмотками. Сварочный дроссель (для дуговой сварки) — это регулируемое индуктивное сопротивление, включаемое последовательно с дугой в сварочную цепь переменного тока.
Трансформатор с дросселем — это объединение понижающего силового трансформатора с дросселем, включаемым в сварочную цепь последовательно с дугой для повышения индуктивности. Дроссель может быть конструктивно выполнен отдельно от трансформатора (двухкорпусное исполнение) или же расположен на общем магнитопроводе — в едином корпусе (однокорпусное исполнение). Внешняя характеристика — крутопадающая.
Трансформатор с пакетом (шунтом) рассеяния — сварочный трансформатор, в котором для повышения индуктивности и регулирования величины магнитного потока, воздействующего на вторичную обмотку, между первичной и вторичной обмоткой вводится пакет (шунт) рассеяния, которым отвлекается часть магнитного потока, действующего на вторичную обмотку. Перемещением пакета выполняется регулировка сварочного тока. Внешняя характеристика — крутопадающая.
Трансформатор с подвижными обмотками — сварочный трансформатор, в котором для повышения индуктивности перемещают обмотки на магнитопроводе, за счет этого изменяются потоки рассеяния и таким образом регулируется сварочный ток, т. е. вторичная обмотка может быть под воздействием более плотного магнитного потока первичной обмотки — при сближении их, или может быть под слабым, очень рассеянным магнитным потоком — при максимальном удалении обмоток друг от друга. Сварочный ток во втором случае будет самый малый. Это так называемые трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием. Внешняя характеристика — крутопадающая.
Трансформатор для электрошлаковой сварки — понижающий грансформатор, отличающийся от обычного сварочного трансформатора широким диапазоном регулирования вторичного напряжения, которое может осуществляться путем секционирования обмо
164
Сварочные работы
ток трансформатора или же применения специальных регулировочных (вольтодобавочных) трансформаторов малой мощности. У трансформатора жесткая характеристика.
Любой сварочный трансформатор имеет сердечник — магнитопровод из трансформаторной стали, от магнитных свойств которой (магнитопроницаемости) во многом зависит вес трансформатора. Трансформаторная сталь — это тонколистовая низкоуглеродистая сталь с повышенным содержанием кремния (до 4%) и низким содержанием серы и фосфора (до 0,02%), из которой изготовляют магнитопроводы трансформаторов и других электрических аппаратов и машин, подвергающихся попеременно намагничиванию и размагничиванию.
От свойства максимально, почти без потерь пропускать через себя магнитный поток зависит вес аппарата при конкретной мощности, т. е. чем выше магнитная проницаемость стали, тем меньше ее потребуется для аппарата.
В промышленности имеются такие сварочные аппараты с высококачественной трансформаторной сталью, вес которых при одинаковой мощности в три раза меньше.
Все сварочные трансформаторы работают на принципе (явлении) электромагнитной индукции, т. е. переменный по направлению (с частотой тока) магнитный поток в магнитопроводе, образовавшийся от действия переменного тока первичной обмотки, пересекает витки вторичной обмотки трансформатора и по закону электромагнитной индукции индуцирует (возбуждает) в ней ЭДС — напряжение. И пока вторичная цепь (сварочная) не будет замкнута, во вторичной цепи тока (кроме напряжения) не будет.
Крутопадающие и падающие внешние электрические характеристики сварочных трансформаторов обеспечиваются индуктивными сопротивлениями (дросселями и т. п.) в сварочной цепи, т. е. в цепи вторичной обмотки, включенными последовательно. Индуктивное сопротивление — это ЭДС самоиндукции препятствует прохождению сварочного тока и приводит к падению напряжения на дуге, созданию падающей характеристики источника питания.
От величины ЭДС самоиндукции, т. е. реактивной ЭДС зависит крутизна графической линии внешней характеристики.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
165
Индуктивность в сварочной цепи исключает перерывы горения дуги и этим улучшает стабильность горения дуги на переменном токе при переходе его через нулевое значение напряжения.
Регулирование сварочного тока в трансформаторах производится за счет изменения величины индуктивного сопротивления или изменением величины вторичного напряжения холостого хода трансформатора пугем секционирования числа витков первичной или вторичной обмоток, но это дает ступенчатое, а не плавное регулирование тока.
Существенным недостатком всех сварочных трансформаторов является низкий коэффециент мощности cos ср. Этот недостаток порожден принципом устройства трансформатора, в котором падающая внешняя характеристика создается высокой индуктивностью цепи сварочной. Для надежного зажигания дуги требуется напряжение холостого хода трансформатора должно быть не менее 65 В, тогда как напряжение сварочной дуги 20-30 В. Индуктивное сопротивление создает большие потери мощности, поэтому для сварочных трансформаторов коэффициент мощности cos <р = 0,4-4),5.
Сварочные трансформаторы подразделяются по конструктивным признакам на три группы:
1. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и отдельной реактивной обмоткой (дросселем) (рис. 52). Реактивная (дроссельная) обмотка включается в сварочную цепь последовательно. Падающая характеристика и регулировка тока сварки обеспечивается электродвижущей силой (ЭДС) самоиндукции, возникающей в обмотке дросселя и только при наличии в обмотке сварочного тока. Магнитопровод дроссельной катушки имеет своей составной частью подвижной пакет, являющейся частью магнитопровода дросселя. Величиной зазора в магнитном пакете регулируется величина магнитного потока в этом магнитопроводе.
Чем меньше зазор, тем больше магнитный поток, так как он меньше ослабляется (теряется) в воздушном зазоре, а чем больше ызор, тем меньше магнитный поток в магнитопроводе дросселя.
От величины этого магнитного потока зависит величина индук-1ированной ЭДС самоиндукции, которая всегда направлена на-
166
Сварочные работы
Рис. 52. Трансформатор с дросселем в отдельном корпусе: 1 — реактивная катушка;
з — зазор в регуляторе
Рис. 53. Регулятор с дросселем на общем середечнике: 1 — реактивная катушка; з — зазор в регуляторе
Рис. 54. Трансформатор с магнитным шунтом:
1 — магнитный шунт, поворачивающийся вокруг оси по направлению стрелок, либо выдвигающийся; 2 — первичная обмотка;
3 — вторичная обмотка; 4 — магнитопровод (сердечник)
встречу прохождению основного, сварочного тока в цепи, и чем больше эта ЭДС, тем меньше сварочный ток. Максимальная величина ЭДС самоиндукции бывает при самом малом зазоре в подвижном пакете магнитопровода, когда наибольший магнитный поток, тогда сварочный ток минимальный. Величина магнитного потока при большом воздушном зазоре в магнитопроводе самая малая, ЭДС от этого очень мала, а сварочный ток наибольший, так как он не встречает препятствия при своем прохождении по проводнику.
За счет этих явлений взаимодействия и регулируется плавно' величина тока, и обеспечивается падающая характеристика источника тока.
Эта схема в прошлом хорошо себя зарекомендовала и использовалась в промышленности около 40 лет, примерно до 1967 г. Не
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
167
достатками ее были большой вес трансформаторов, невысокий КПД из-за потерь, сравнительно завышенный расход цветных металлов. По такой схеме выпускались трансформаторы типа СТЭ-22, СТН-500, СТЭ-34. СТН-700, ТСД-1000 и им подобные. Трансформаторы типа СТН были предложены академиком В. П. Никитиным еще в 1925 г., затем под его руководством были усовершенствованы.
Реактивная обмотка (дроссель) выполнялась либо в отдельном корпусе, либо на общем сердечнике) (рис. 53) с применением согласного или встречного направления магнитного потока реактивной катушки к основному потоку трансформатора.
2. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием.
Увеличенные магнитные потоки рассеяния вызывают появление во вторичной обмотке трансформатора реактивной ЭДС
К трансформаторам этой группы относятся трансформаторы с магнитными шунтами пакетами из трансформаторной стали (рис. 54), трансформаторы с подвижными катушками и трансформаторы со ступенчатым (витковым) регулированием тока.
Трансформаторы с магнитным шунтом типа СТАН-0, СТАН-1, ОСТА-350, СТШ-250, СТШ-500 и другие подобные не выпускаются с 1965 г. В свое время они себя прекрасно зарекомендовали (надежность, мягкость процесса сварки), но они неэкономичны по металлу и электроэнергии. Роль шунта магнитного заключается в том, чтобы уменьшать или увеличивать магнитный поток (рассеяние), идущий на вторичную обмотку, отвлекая на себя часть магнитного потока.
Трансформаторы с подвижными катушками сейчас выпускаются массово и имеют определенные достоинства по диапазонам регулирования тока, хорошей динамике, плавности регулирования и в особенности по удержанию стабильным установленного тока, чего нельзя сказать о трансформаторах СТЭ и СТН, у которых приходилось привязывать ручку регулировочную, чтобы при сварке она самопроизвольно не выкручивалась, убавляя при этом ток, так как на нее от подвижного пакета передавались значительные переменные магнитодинамические силы с вибрацией.
В большинстве выпускающихся сейчас сварочных трансформаторов используется принцип перемещения вторичной катушки
168
Сварочные работы
Рис. 55. Трансформатор с подвижными катушками:
1 — сердечник (магнитопровод);
2 — вторичная обмотка; 3 — первичная обмотка; 4 — конденсатор (гаситель эфирных помех)
относительно неподвижной первичной. Этим изменяется индуктивное сопротивление сварочной цепи и обеспечивается крутопадающая характеристика источника тока. Для расширения пределов регулирования сварочного тока в трансформаторах конструктивно предусмотрено переключение на режим малых или больших токов использование того же диапазона плавного регулирования тока. Это достигается за счет переключения вторичных обмоток с параллельного (когда большие токи) на последовательное соединение (на малые токи). Конструктивно трансформаторы этой группы (рис. 55) устроены и работают следующим образом.
На нижней части сердечника 1 находится первичная обмотка 3, состоящая из двух
катушек, расположенных на двух стержнях магнитопровода. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно.
Вторичная обмотка 2 также состоит из двух катушек, но имеет возможность перемешаться по магнитопроводу, приближаясь и удаляясь от первичной катушки.
Катушки первичной и вторичной обмотки соединены параллельно.
Вторичная катушка скреплена специальной траверсой с резьбовым отверстием в центре траверсы. Через это отверстие проходит (вертикально) регулировочный винт, имеющий на верхнем конце рукоять. Вращением этой рукояти с помощью винта траверса с вторичной обмоткой перемещается вверх — вниз до предельных расстояний. Чем ближе катушки первичной и вторичной обмоток друг к другу, тем меньше рассеяние магнитного потока и индуктивное сопротивление, тем больше сварочный ток. Пределы регулирования i сварочного тока от 70 до 500 А. На лицевой стенке трансформатора имеется прорезь с указателем ориентировочной силы тока. Трансформаторы этой группы очень надежны и при нормальной эксплуатации даже в условиях учебных мастерских работают более 15 лет.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
169
Перечень моделей трансформаторов, а также другого сварочного оборудования, выпускаемого промышленностью России, с их техническими характеристиками представлен в приложении.
3. Трансформаторы с жесткой характеристикой д ля питания элек-трошлаковой ванны при ЭШС на токи от 1000 до 3000 А, модели ТШС-1000-1, ТШС-3000-1 — однофазные и ТШС-1000-3, ТШС-600-3, ТШС-3000-3 — трехфазные имеют секционированные первичные и вторичные обмотки для регулирования вторичного напряжения. Изменение вторичного напряжения переключателем витков первичной обмотки производится контроллером, приводимым в действие электродвигателем, управляемым дистанционно — с рабочего места сварщика. Витки вторичной обмотки переключаются перестановкой перемычек. При ЭШС практически отсутствует дуговой процесс, а плавление металла происходит за счет высокой температуры расплавленного шлака (до 2000°С) за счет прохождения тока через шлак.
К специализированным сварочным трансформаторам можно отнести малогабаритные, маломощные переносные (монтажные) трансформаторы, в том числе и бытовые, с ПР = 20%, пригодные для сварки с большими перерывами (1 минута сварки, 4 минугы пауза). Такие трансформаторы позволяют выполнять сварку электродами диаметром 2, 3,4 мм с хорошими результатами. Трансформаторы имеют увеличенное магнитное рассеяние и секционированные вторичные обмотки, подвижную вторичную обмотку и падающие внешние электрические характеристики.
Специальные многопостовые сварочные трансформаторы не выпускаются, но при необходимости можно использовать любой сварочный трансформатор достаточной мощности для двух и более сварочных постов, применяя на каждом посту свой отдельный дроссель (регулятор), которым устанавливается потребная величина тока, например дроссель РСТЭ-34. Падающая характеристика на каждом посту создается своим, отдельным дросселем.
Два-три сварочных поста можно питать, например, от трансформатора ТДМ-503, три—четыре — от ТСД-1000 — рис. 57, используя для каждого поста отдельный дроссель.
170
Сварочные работы
Рис. 56. Питание от трансформаторов с отдельными дросселями для каждого поста сварки
Рис. 57. Питание от трехфазного трансформатора с отдельными дросселями
Можно использовать любой понижающий трехфазный трансформатор достаточной мощности и с необходимым вторичным напряжением обмотки, но с персональным дросселем (регулятором) для каждого поста.
Схемы многопостового питания сварочной дуги переменным током даны на рис. 56 и 57.
3.3.13. Источники питания для сварки алюминия
Затруднение при сварке алюминия и сплавов вызывает тугоплавкая окисная пленка поверхности металла. В расплавленной ванне окислы находятся в твердом состоянии, что препятствует получению качественного соединения. Дуговая сварка в инертных газах плавящимся и вольфрамовым электродами отличается тем, что при обратной полярности (плюс на электроде) постоянного тока или при переменном токе (в полупериоды обратной полярности) происходит разрушение (и даже оттеснение к краям ванны) окисной пленки без применения флюсов вследствие явления катодного распыления и токовых импульсов.
Сварка плавящимся электродом производится на постоянном токе обратной полярности. В качестве источников питания используются
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
171
сварочные выпрямители и генераторы с жесткими и падающими внешними электрическими характеристиками.
При сварке вольфрамовым электродом питание дуги, как правило, производится переменным током от трансформаторов, входящих в состав специальных установок. Теплофизические свойства электрода и изделия различны, поэтому условия существования дугового разряда при смене полярности будут также различными. В кривой тока появляется составляющая постоянного тока, т. е. происходит частичное выпрямление переменного тока. Наличие этой составляющей отрицательно сказывается на качестве сварки, поэтому составляющую постоянного тока необходимо устранять. С начала 60-х годов много лет выпускались установки для сварки алюминиевых сплавов на переменном токе типа УДАР конструкции ВНИИЭСО. В настоящее время выпускаются усовершенствованные установки типа УДГ, но вся принципиальная основа в них использована от установок УДАР.
В установку типа УДАР входит сварочный трансформатор СТЭ-24-У или СТЭ-34-У соответственно на токи 300 и 500 А. Регулирование сварочного тока производится дросселем насыщения, который имеет рабочие обмотки, включаемые последовательно со вторичной обмоткой трансформатора, и подмагничивающую обмотку.
Перестановкой перемычек на доске зажимов дросселя рабочие обмотки его включаются последовательно (ступень меньших токов) или параллельно (ступень больших токов) между собой. Регулирование тока в пределах каждой ступени производится плавно, изменением тока подмагничивания. Питание обмотки подмагничивания производится от понижающего трансформатора через селеновый выпрямитель.
Для подавления составляющей постоянного тока в сварочную цепь последовательно с источником питания включена батарея конденсаторов.
Возбуждение дуги происходит с помощью осциллятора, последовательно включаемого в сварочную цепь.
После установления дугового разряда (дуги) питание осциллятора автоматически отключается и включается импульсивный стабилизатор, который подает на дуговой промежуток (дугу) импуль
172
Сварочные работы
сы напряжением 300 В в полупериоды обратной полярности. Стабилизатор обеспечивает надежное восстановление дуги в эти периоды при низком напряжении холостого хода трансформатора.
Для работы на малых токах в схеме установки предусмотрена система «горячего пуска» с целью надежного возбуждения дуги. Действие системы заключается в том, что возбуждение дуги происходит при токе 100 А с последующим автоматическим переключением на необходимое значение тока меньше 100 А. Кроме того, в состав установки входит ряд дополнительных элементов, обеспечивающих необходимый цикл работы установки и контроль за соблюдением режимов сварки.
Более совершенная конструкция установки для сварки алюминиевых сплавов — это модель УДГ, которая выпускается в настоящее время вместо установок типа УДАР.
Эти установки имеют однокорпусное исполнение.
Шкаф управления включает в себя следующие узлы:
1. Сварочный трансформатор.
2. Контактор для включения первичной обмотки сварочного трансформатора.
3. Блок магнитного усилителя для управления сварочным током.
4. Блок конденсаторов.
5. Блок аппаратуры для управления работой установки.
6. Блок поджигания для возбуждения и поддержания горения дуги.
7. Блок ограничения работы осциллятора.
8. Панель органов управления и контроля за работой установки.
Сварочные трансформаторы типа ТРПШ-300 для УДГ-301 или ТРПШ-500 для УДГ-501 являются однофазными понижающими трансформаторами с подмагничивающим шунтом. Первичная и вторичная обмотки трансформатора состоят из 2 катушек. Специальным переключателем катушки обеих обмоток одновременно переключаются последовательно или параллельно между собой. Переключателем устанавливается диапазон сварочных токов.
Внутри диапазона сварочный ток регулируется плавно в результате изменения тока в обмотке подмагничивания шунта. В установ
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
173
ке УДГ-301 для расширения диапазона сварочных токов последовательно в сварочную цепь включается дроссель Др 1 (рис. 58).
Блок конденсаторов состоит из 50 конденсаторов типа ЭС (1000 МКФ, 12 В), включенных параллельно. В установке УДГ-301 установлено два блока, а в установке УДГ-501 — три блока конденсаторов.
Электросхема установки обеспечивает:
1. Зажигание дуги пробоем дугового промежутка высокочастотной искрой импульсного осциллятора, который для снижения помех радиоприему работает по циклу: 1 с — работа, 9 с — пауза.
2. Поддержание горения дуги импульсным стабилизатором.
3. Компенсации постоянной составляющей сварочного тока батареей конденсаторов (С1).
4. Грубое и плавное регулирование сварочного тока.
5. Заварку кратера специальным устройством.
Рис. 58. Электросхема установки типа УДГ:
ПС1; ПС2 — переключатель специальный; Др1 — дроссель (для УДГ-301); Др2 — дроссель 1 защита от напряжения осциллятора
С2 — емкость J высокой частоты;
С, — батарея конденсаторов из двух (трех) блоков для компенсации постоянной составляющей сварочного тока, т. е. частицы выпрямленного переменного сварочного тока; Стаб. — стабилизатор восстановления дуги;
ОС — осциллятор
174
Сварочные работы
6. Защиту элементов установки от напряжения высокой частоты осциллятора с помощью индуктивно-емкостного фильтра (Др 2, С2).
7. Подачу аргона за 0,15—4 с. До начала сварки и прекращение подачи аргона через 2—30 с после окончания сварки.
8. Включение и выключение сварки с помощью выключателя сварки.
Имеются еще источники питания И П К-120 и ИПК-350-4, предназначенные для ручной, полуавтоматической и автоматической сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом. Источники имеют однокорпусное исполнение. Элементы установки: сварочный трансформатор, конденсаторная батарея, осциллятор, стабилизатор, реостат заварки кратера, защитный фильтр, пускорегулирующая аппаратура.
В источнике ИПК-120 регулирование тока производится дросселем насыщения, а в ИПК-350-4 изменением подмагничивания шунта трансформатора. Технические данные источников УДГ и ИПК приведены в табл. 3.
3.3.14. Специализированные источники питания
Особенность источников в том, что сварочный ток поддерживается постоянным при изменении длины дуги и напряжения в питающей сети. Принципиальная электрическая схема с помощью тиристоров (управляемых кремниевых вентилей) предусматривает специальные источники питания постоянного тока с унифицированными блоками для аргоно-дуговой и плазменной сварки, наплавки, напыления и резки.
Осцилляторы специализированных установок
В специализированных источниках питания для облегчения зажигания и устойчивого горения дуги применяются специальные приборы — искровые генераторы, называемые осцилляторами. Осциллятор имеет небольшую мощность, до 150 Вт и преобразует ток промышленной частоты (50 Гц) и низкого напряжения (60— 220 В) в ток высокой частоты (60—300 кГц) и высокого напряжения (2500—6000 В). Этот вспомогательный переменный ток посредством наложения его на дуговой промежуток пробивает газовый проме
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
175
жуток при отсутствии или ослаблении основного сварочного тока (снижение ионизации газа между электродами).
Искровой разряд при пробое газа создает канал с достаточно высокой степенью ионизации и электропроводностью и открывает пугь прохождению сварочного тока.
Высокое напряжение вспомогательного зажигающего тока необходимо для легкого пробоя газового промежутка между электродами, а высокая частота тока необходима для устранения опасного воздействия (поражения) тока на организм человека. Ток высокой (радио) частоты (примерно 50 кГц и выше) вследствие своих свойств проходит только по наружному, тонкому слою кожных покровов человеческого тела, не задевая нервных окончаний. Мощность вспомогательного тока осцилляторов приходится ограничивать до 100 Вт и менее, так как тепловое действие тока остается и при высокой частоте, и ток значительной мощности может вызывать ожоги тела, разрушать изоляцию при замыканиях. Одновременное наложение на дуговой промежуток параллельно действующих основного сварочного тока низкой частоты и вспомогательного зажигающего тока высокой частоты достигается зависимостью индуктивного Rl и Rc сопротивлений от частоты тока:
RL = 2nfL и Rc= 2nfC’
где f — частота тока; L — коэффициент самоиндукции; С — емкость цепи.
Индуктивное сопротивление прямо, а емкостное обратно пропорционально частоте тока.
Поэтому можно осуществить одновременное параллельное питание дуги сварочным током низкой частоты от сварочного трансформатора и вспомогательным током зажигания от генератора высокой частоты (осциллятора) через фильтрующие конденсаторы — как показано на схеме (рис. 59).
Осциллятор возбуждает дугу без касания электродом изделия и поддерживает ее устойчивое горение без всяких других мер.
Промышленность выпускает для сварочных установок различные модели осцилляторов с различным первичным и вторичным
напряжениями от 2500 до 6000 В, мощностью от 50 до 150 Вт, весом от 7 до 15 кг, но, как правило, они являются встроенными в специальные источники питания и отдельно сейчас не реализуются за ненадобностью. Еще в 40—50-е годы XX в. из-за низкого качества электродных покрытий осцилляторы широко применялись при ручной сварке. С подключением осциллятора к держателю и изделию сварочной цепи (буквально подключались булавками) можно было выполнять сварку даже голой проволокой, поэтому в то время они имели реализацию как самостоятельные единицы. С повышением качества электродных покрытий применение осцилляторов резко сократилось.
Первичная обмотка небольшого повышающего трансформатора Тр питается от вторичной обмотки сварочного трансформатора или от сети с напряжением 220 В (рис. 60), а вторичная, создающая напряжение 2000+6000 В, питает колебательный контур из индукци-1 онной катушки L и конденсатора, шунтированных искровым разряд-] ником Р, искровой промежуток которого отрегулирован на напряже-| ние, меньшее амплитуды вторичного напряжения трансформатора Тр. При работе, по мере возрастания мгновенного напряжения трансформатора от нуля, наступает пробой воздушного промежутка, и колебательный контур, состоящий из индуктивности L, емкости С
I
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
177
Рис. 60. Схема осциллятора:
Тр — повышающий трансформатор осциллятора; L — индукционная катушка; Р — разрядник; С — емкость; ВЧ — высокая частота тока
и разрядника Р, оказывается замкнутым накоротко через искру разрядника. В этом случае в колебательном контуре возникают собственные электромагнитные колебания, генерируется ток высокой частоты, частота которого определяется параметрами контура. Приближенно, если пренебречь омическим сопротивлением колебательного контура, частота f возникающих колебаний определяется соотношением:
1
•^= ItiJlC ’
где: L — индуктивность; С — емкость колебательного контура.
Применение осцилляторов влечет увеличение изоляционной защиты оборудования и требует квалифицированного ухода и обслуживания разрядника. Осцилляторы создают помехи радиоприему.
3.3.15. Источники питания для плазменных процессов
Плазма — это газ, состоящий из положительно и отрицательно мряженных частиц, общий заряд которых равен нулю, т. е. это четвертое состояние вещества. Для плазменной обработки металлов используется концентрированный источник нагрева — плазменная (сжатая) дуга или плазменная струя.
178
Сварочные работы
Устройство, обеспечивающее формирование таких источников тепла, называют плазмотроном, или плазменной горелкой. Несмотря на разнообразие конструкций плазмотронов, принцип действия их одинаков. Он основан на принудительном охлаждении и сжатии дуги соплом и потоком газа или жидкости.
Применяют два типа плазмотронов: с дугой прямого действия а и с дугой косвенного действия б (рис. 61). В обоих типах одним из электродов служит тугоплавкий стержень (в большинстве случаев вольфрамовый или гафниевый и подоб.)
Электродный стержень / крепится в корпусе плазмотрона (горелки) 2. К корпусу также крепится через изоляционную прокладку 3 сопло 4. Сопло и корпус плазмотрона обычно изготовляются из меди и охлаждаются проточной, лучше дистиллированной или
б
Рис. 61. Схема плазмотрона
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
179
обессоленной кипячением и отстоявшейся водой с циркуляцией насосом, с определенным расходом — до 10 л/мин.
В плазмотронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие 6, сопло же электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации столба дуги. Газ (плазмообразующий), поступающий в плазмаотрон, через его корпус, а входит через канал сопла, нагревается и ионизируется. Наружный слой остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Этим сопло предохраняется от разрушения. Кроме того, наружный слой газа охлаждает столб дуги, что приводит к его сжатию. Такой источник нагрева получил название сжатой дуги прямого действия 5, имеющей высокую температуру. Температура столба дуги (20000°С) и кинетическая энергия плазмы используются для резки и сварки.
В плазмотронах с дугой косвенного действия (см. рис.61, б) дуга возбуждается между электродом и соплом (а не изделием). Анодное пятно обычно располагается на внутренней стенке канала сопла и перемещается по ней.
Плазмообразующий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде струи 8. Такой источник нагрева получил название плазменной струи.
В плазмотронах с дугой косвенного действия тепловая энергия передается от дуги к изделию лишь струей плазмы, нагреваемой в столбе. Такой источник нагрева применяется д ля обработки неэлек-гропроводных материалов, при металлизации.
В плазмотронах с дугой прямого действия в обрабатываемое изделие вводится еще тепло за счет электронного потока. КПД сжатой дуги выше, чем КПД плазменной струи.
Возбуждение дуги между электродом и изделием через канал сопла затруднено. Поэтому сначала возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом; дуга питается от того же источника 9через токоограничительное сопротивление 7. После того как факел этой дуги коснется изделия, зажигается основная дуга. 11одача плазмообразующего газа в плазмотрон может выполняться аксиально (осевая подача) — газ идет вдоль (см. рис. 61) электрода, или тангенциально (вихревая подача) — газ двигается по спи-
180
Сварочные работы
ради, омывая столб дуги вихревым потоком (см. рис. 61), независимо от типа плазмотрона.
С точки зрения стабильности горения дуги и стабильности технологического процесса оптимальными внешними характеристиками источников являются крутопадающие (даже вертикальные). При сварке и наплавке плазмотроны удовлетворительно работают от стандартных сварочных источников питания с падающими характеристиками.
При включении мощных плазмотронов (например, при резке больших толщин) ток должен нарастать до рабочего значения плавно или ступенчато. Плавное нарастание тока можно осуществить при использовании специальных источников тока или генераторов. Применяя выпрямители или трансформаторы, целесообразно выполнять автоматическое ступенчатое нарастание тока с помощью переключаемых сопротивлений.
Кроме специальных, источники питания плазмотронов должны отвечать ряду общих требований: иметь возможно минимальный вес и габариты, высокие КПД и cos <р.
При отсутствии специальных источников плазменную установку можно укомплектовать стандартными источниками питания для дуговой сварки: трансформаторами, выпрямителями, генераторами. При этом необходимо соблюдать ряд требований.
Следует подбирать однотипные источники питания с падающими характеристиками. Поскольку их номинальный ток рассчитан на продолжительность работы (ПР) не более 65 %, то при длительной работе ток нагрузки необходимо уменьшить.
Нормальное рабочее напряжение плазмотрона превышает напряжение источника, поэтому возникает необходимость в последовательном соединении двух или трех однотипных источников. При сварке сжатой дугой в аргоне можно обойтись одним источником.
Для обеспечения нормальной работы плазмотрона в дополнение к стандартным источникам должна быть смонтирована схема управления, включающая вспомогательные блоки: зажигания дуги, защиты плазмотрона, подачи газа и т. п.
При использовании, например, трансформаторов типа СТШ-500 они соединяются в трехфазную схему с выпрямительным мостом на кремниевых вентилях.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
181
Из специальных мощных источников питания сжатой дуги следует отметить выпрямитель ИПГ-500, выпрямитель ИПР-12/600, входящие в комплект установок плазменной сварки, резки и наплавки.
Выпрямители ИПГ-500 и ИПР-120/600 выполнены по схеме с дросселями насыщения. Дроссель насыщения ИПР-120/600 имеет внутреннюю обратную связь, а ИПГ-500 без нее. Схема ИПР-120/600 более совершенная, благодаря применению дополнительных обратных связей (положительной по напряжению и отрицательной по току), внешние характеристики выпрямителя отличаются высокой крутизной, неизменной в широком интервале рабочих токов и напряжений (табл. 2).
Таблица 2
Технические данные выпрямителей
Показатель ИПГ-500 ИПР-120/600 ИПН-160/600
Напряжение питания 380 380 380
Номинальный ток при ПР = 100%, А 500 600 600
Пределы регулирования тока, А 150—600 200—700 —
кпд, % 70—80 — 73
Мощность, кВА 180 — 120
Вес, кг 1800 — 915
Выпрямитель ИПГ-500 по сравнению с ИПР-120/600 имеет более простую схему и обладает меньшей инерционностью.
Для питания установок плазменного напыления и наплавки типа УПУ-3 и подобных разработан и серийно выпускается выпрямитель ИПН-160/600.
В качестве источников питания при сварке сжатой дугой используются типовые источники питания, применяемые при дуговой сварке. Например, в комплект установки для сварки, наплавки УПНС-304 входит выпрямитель ВД-306.
3.3.16. Импульсные источники питания дуги (ИПИД)
Сущность способа сварки неплавящимся электродом состоит в том, что на непрерывно горящую дугу незначительной мощности
182
Сварочные работы
(«дежурную дугу») накладываются импульсы тока необходимой величины и продолжительности. Такой способ позволяет сваривать встык без присадки сталь толщиной менее 0,5 мм; получать сварные швы заподлицо с основным металлом; выполнять сварку швов в любом пространственном положении. Кроме того, этот способ дает возможность изменять в определенных пределах температурное поле металла в зоне сварки и ограничивать размеры сварочной ванны. Все это устраняет «провисание» металла шва, уменьшает коробление кромок и изделия в целом.
Импульсные источники питания предназначены для управления плавлением электрода, химическим составом наплавленного металла, формой и размерами швов (рис. 62).
Принцип действия заключается в подаче на дугу кратковременных импульсов тока большой величины — от 450 до 1200 А, длительность в микросекундах.
Рис. 62. Принципиальная блок-схема источника питания ИПИД-300М
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
183
Дуга, горящая в импульсном режиме, нашла применение при сварке как неплавящимся электродом, так и плавящимся в среде защитных газов. Ток на дуге всегда пульсирующий.
Специфические особенности сварки импульсной дугой неплавящимся электродом предъявляют ряд новых требований к источнику питания. Источник должен обеспечивать определенную (нужную) скорость нарастания тока импульса, ионизацию дугового промежутка в моменты паузы, достаточный интервал регулирования тока импульса, возможность регулирования длительности импульса и паузы.
Исследования технологических особенностей процесса показали, что на качество сварки существенно влияет форма импульса, характеризующаяся скоростью нарастания тока импульса. Каждой свариваемой толщине соответствуют определенные параметры импульса, жесткость режима, т. е. отношение времени паузы ко времени импульса, величина тока «дежурной» дуги зависит от толщины металла. Напряжение зажигания «дежурной» дуги должно быть выше напряжения основной дуги. Следовательно, источник питания при импульсно-дуговой сварке должен состоять из маломощного источника питания «дежурной» дуги и мощного источника питания основной импульсной сварочной дуги. Оба источника должны работать одновременно и независимо друг от друга.
Трехфазный сварочный трансформатор ТрС имеет увеличенное магнитное рассеяние. Регулирование сварочного тока в трансформаторе производится с помощью обмоток подмагничивания ОП, питаемых выпрямленным током от вспомогательного трансформатора Тр1 через выпрямитель ВЗ. ОП используется и для уменьшения сварочного тока при заварке кратера.
На первичную обмотку напряжение подается через прерыватель тока. Управляемые тиратроны прерывателя включаются последовательно с двумя фазами. В определенные моменты времени подаются отпирающие импульсы напряжения, которые поступают на сетки тиратронов.
Тйратрон — управляемый ионный выпрямительный прибор с накаливаемым катодом и несамостоятельным дуговым разрядом. В тиратронах при помощи одного или нескольких управляющих
184
Сварочные работы
электродов осуществляется управление моментом возникновения разряда. По принципу действия тиратроны отличаются от вакуумных приборов тем, что после возникновения газового разряда между катодом и анодом напряжение на сетке перестает управлять анодным током. Но, изменяя величину отрицательного напряжения на сетке, можно управлять моментом зажигания тиратрона. Таким образом, сетка в тиратроне служит только для включения анодного тока.
Тиратроны применяются в качестве управляемых вентилей в реле, генераторах электрических импульсов, в контактных электросварочных машинах, импульсных источниках питания сварочной дуги, т. е. во всех тех устройствах, где требуется за очень малый отрезок времени передать ток большой величины.
Управление зажиганием тиратронов производится специальной электронно-ионной схемой, состоящий из стабилизатора напряжения, выпрямителя, триггерной схемы и схемы связи. Управляющие импульсы формируются триггерной схемой источника, она позволяет также регулировать длительность импульса и паузы.
Фазорегулирующее устройство, входящее в схему связи, позволяет регулировать угол поджигания тиратронов, а следовательно, регулировать величину тока в ТрС и В1.
Источник питания «дежурной» дуги состоит из трехфазного трансформатора Тр2, трехфазного мостового выпрямителя В2 и регулируемого сопротивления R.
Этот источник питания работает непрерывно.
Аналогичные схемы имеют источники питания ИПИД-1 и ИП ИД-300.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом позволяет управлять процессом плавления и переноса электродного металла. При этом можно получить устойчивый процесс сварки при токах значительно меньших, чем критический (ток, обеспечивающий струйный перенос электродного металла). Следовательно, этот способ облегчает задачу получения швов небольших габаритов, позволяет производить сварку во всех пространственных положениях шва. Наиболее эффективна импульсно-дуговая сварка при соединении цветных металлов. При этом способе сварки на дугу подает-
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
185
Рис. 63. Схема импульсно-дуговой сварки
ся энергия от двух источников питания. В качестве основного, сварочного источника используются сварочные выпрямители и генераторы с жесткой и пологопадающей характеристиками (рис. 63).
Второй источник — генератор импульсов, напр. ГИД—1 (рис. 64), осуществляет наложение импульсов тока различной амплитуды и длительности на основной сварочный ток дуги. Параметры импульсов подбираются таким образом, чтобы обеспечить стабильный мелкокапельный перенос металла.
При работе с вращающимся преобразователем (генератором) для предотвращения шунтирования импульсов тока якорем, в сварочную цепь включается полупроводниковый вентиль, рассчитанный на сварочный ток и обратное напряжение не менее 200 В.
Генератор представляет собой однофазный управляемый вентиль и состоит из силового трансформатора ТИ, дросселя Др, кремние-
Рис. 64. Блок-схема ГИД-1
186
Сварочные работы
вых вентилей, схемы управления вентилями, пускорегулирующей и защитной аппаратуры (рис. 64).
Трансформатор ТИ имеет две первичные обмотки, подключенные к сети через управляемые вентили (тиристоры ВУ-1 и ВУ-2). Последние выполняют роль бесконтактного прерывателя тока в цепи первичных обмоток трансформаторов. Работа одного тиристора соответствует частоте 50 Гц, двух — частоте 100 Гц. Выпрямление импульсов тока и разделение импульсного и основного источников осуществляется вентилем В1 на вторичной стороне трансформатора ТИ.
Таблица 3
Основные технические данные источников питания для сварки алюминия
Тип установки Удар-500-1 УДГ-301 УДГ-501 И ПК-3 50
Напряжение питания сети, В 380 или 220 (под заказ)
Потребляемая мощность, кВа 40 23 38 25
Номинальный сварочный ток, А 500 300 500 300
Напряжение холостого хода, В 65 70 ±2 70 ±2 70 ±2
Пределы регулирования тока, А 60—500 15—300 40—500 50—300
Диаметр электрода, мм 2—10 0,8—6 2—10 2—6
Расход охлаж-дающей воды, л/ч 80—120 250—300 300—400 До 300
Расход аргона, л/мин 4—10 0,5—10 5—15 0,5—10
Генератор импульсов имеет три ступени регулирования амплитуды и длительности тока, которые осуществляются введением дросселя в сварочную цепь. Генератор импульсов имеет дополнительный зажим для подсоединения кабеля от основного отдельного сварочного источника. При этом ток источника проходит через разделительный вентиль В2.
Генератор импульсов ГИД-1 имеет амплитуду тока 400+1200 А, длительность импульса 0,8+4 мкс при частоте 50 и 100 Гц.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
187
3.3.17. Плазменная сварка
Плазменной дугой можно сваривать почти все металлы и с различным пространственным расположением швов. В основном плазменную сварку очень успешно применяют при сварке малых толщин металла — до 1,5 мм вместо традиционной газовой сварки, так как у плазменной сварки выше качество и производительность.
Плазменной дугой на постоянном токе прямой полярности выполняется сварка всех металлов, кроме алюминия, а алюминий и его сплавы — на обратной полярности с возбуждением дуги с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения основной дуги, прямого действия используется дежурная дуга, горящая между соплом горелки и электродом. Источник питания сварочной дуги должен иметь рабочее напряжение 120 В.
Защитный газ аргон является одновременно и плазмообразующим газом. К достоинствам плазменной дуговой сварки относится стабильность дуги при изменении ее длины, высокая производительность процесса сварки, повышенный провар без разделки кромок (фасок).
Плазменной струей сваривают швы стыковых и угловых соединений в основном сравнительно небольшой толщины — до 10 мм.
При сварке в случае необходимости применяют присадочный материал, который вводят прямо в сварочную ванну Диаметр сопла горелки — 2;4 мм, диаметр электрода — 3+4 мм. При сварке листов из низкоуглеродистой стали или алюминия толщиной 6 мм стыкового соединения скорость сварки =15 м/ч. Сварка жаростойкой стали хромоникилевой толщиной 5 мм выполняется с напряжением на дуге 38+40 В, сварочным током 230+240 А со скоростью 22 м/ч. Кроме алюминия успешно выполняется плазменно-дуговая сварка । итана.
Изучение процессов, происходящих в плазменной дуге, позволило установить условия большой устойчивости дуги и получить плазменную дугу в специальных горелках с малой силой тока — малоамперную дугу, названную микроплазменной.
Микроплазменная сварка с концентрированным источником (оплоты позволяет сваривать металл очень малых толщин (от 0,1 до 0,3 мм), что невозможно осуществить аргонно-дуговой сваркой.
188
Сварочные работы
Применение дежурной дуги обеспечивает устойчивость процесса при очень малых токах, до силы тока на дуге 0,5 А. Сварка выполняется в непрерываемом или импульсном режиме на прямой полярности (кроме алюминия) плазменной дугой, горящей между вольфрамовым электродом плазмотрона (горелки) и изделием в струе плазмообразующего инертного газа — аргона.
Питание сварочной плазменной дуги импульсами тока позволяет снизить средний сварочный ток при сохранении высокой плотности в импульсе.
Параметры импульса — это длительность и частота их прохождения; амплитуда тока регулируется в широком диапазоне, а значит, регулируется и средний сварочный ток (3+50 А) и мощность (0,2+2,5 кВт) плазменной дуги.
В последние 10 лет микроплазма прямого действия (дуга, а не струя) широко применяется в производстве для сварки и резки тонких металлов из различных марок сталей, цветных металлов и их сплавов.
Для сварки, пайки очень тонких изделий из фольги, сеток и мембран а также для напыления неметаллических (неэлектропроводных) материалов применяется плазменная струя, т. е. микроплазма косвенного действия.
Микроплазменная сварка обладает высокой производительностью, особенно в непрерывном (без импульсов) режиме, например, сварка стыкового соединения низкоуглеродистой стали толщиной 0,5 мм при рабочем токе дуги 26+30 А выполняется со скоростью 80 м/ч.
3.3.18. Резка металла плазменной дугой
Для резки металла применяется плазменная (сжатая) дуга прямого действия, а не струя плазмы. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, азот, кислород.
Плазмообразующие газы бывают одноатомные (аргон) и двухатомные (азот и др.) Азота в воздухе =79 %.
От применяемого плазмообразующего газа зависит количество тепла на аноде (изделии). Количество тепла на аноде больше, когда применяется двухатомный газ.
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
189
Двухатомные газы передают изделию больше теплоты из столба дуги в результате образования молекул газа с выделением дополнительной теплоты.
Устройство плазмотрона, возбуждение дуги аналогично описанному для плазменной сварки.
Плазменно-дуговая резка применяется для резки углеродистых и легированных сталей и незаменима при резке металлов, не поддающихся кислородной резке: хромоникелиевые стали, алюминий,
медь, титан.
Современные установки плазменной резки позволяют резать углеродистые стали толщиной до 100 мм.
При резке толщин до 60 мм плазменная резка экономичнее кислородной. При плазменной резке толщин 5+12 мм скорость резки выше в 3—5 раз по сравнению с кислородной резкой, а на толщине около 20 мм скорость плазменной резки примерно сравнивается со
скоростью кислородной резки.
Если кислородная резка — это химический процесс сгорания металла в струе чистого кислорода, который невозможно ускорить и невозможно выполнять быстрее 1 м в минуту, то плазменная резка — это физический процесс расплавления (проплавления) металла
па узком участке по линии реза с удалением металла струей плазмы
и газа, образующихся в дуге.
В плазмотронах в основном используют вихревую подачу плазмообразующего газа, которая обеспечивает перемешивание газа в столбе дуги и равномерность газовой оболочки вокруг столба. При вихревой подаче на конце электрода имеются сменные медные »лектродные вставки различной конструкции с гафниевым или циркониевым электродом диаметром 2 мм, длиной 4+6 мм, впресован-пым в электродную вставку (рис. 65). Полость
Рис. 65. Электрод-катод
и электродной вставке предназначена для улучшения водяного принудительного охлаждения (с циркуляцией воды).
Для осевой подачи плазмообразующего газа применяется вольфрамовый стержень диаметром 2+6 мм и длиной 100+150 мм с за
190
Сварочные работы
остренным концом под угол 20—30°, но для резки этот вариант применяется редко, только на малых режимах резки и при работе на инертных газах. Если для резки используется окислительный газ (воздух), то электрод в зоне катода необходимо защищать неактивным газом — аргоном.
Гафний и цирконий при высоких температурах образуют ок-сидно-нитридную электропроводную пленку при использовании воздуха как плазмообразующего газа. Она устойчива в окислительной среде (воздуха) и может продолжительное время в ней работать, уменьшая этим интенсивность износа катодной вставки. Износ вставки зависит и от рабочего тока на дуге: чем больше ток, тем быстрее износ.
Машинные плазмотроны с гафниевой или циркониевой встав-J кой при нормальном водяном охлаждении допускают рабочий гом до 600 А, при этом катодная вставка выдерживает 150—180 вклю-1 чений или 5-^6 ч работы. Чаще применяются рабочие режимы тока дуги 200-5-350 А. Например, сталь толщиной 20 мм режут при рабо-| чем токе дуги 230—240 А.
На теплоэлектрические показатели плазменной дуги сильна влияет конструкция сопла, точнее диаметр, форма отверстия и длина отверстия для плазменной дуги (рис. 67).
Чем меньше диаметр отверстия и больше его длина, тем больше концент-J рация энергии дуги, выше напряжение и больше скорость потока плазмы, тем вьпде режущая способность дуги. Но соотноше ние диаметра отверстия и его длины имеет технические ограничения, связанные с расходом газа и рабочим током дуги. Если отверстие сопла будет слишком малым и длинным, то может образоваться так называемая двойная дуга, когда рабочий ток, перейдя на очень близко рас-
положенную стенку сопла, начнет образовывать еще одну дугу между наружной поверхностью сопла и изделия. Это быстро приводит к выходу из строя плазмотрона (рис. 66).
сопло
Рис. 66. Отклонение дуги
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
191
Рис. 67. Сменные электроды и сопла плазмотрона
Обычно диаметр отверстия сопла равен 1,0— 1,2 мм при диаметре электродной вставки 2 мм, длина отверстия в пределах 2—4 мм.
Часто двойная дуга возникает в момент возбуждения основной, режущей дуги, когда резко увеличивают рабочий ток.
192
Сварочные работы
Рабочий ток должен увеличиваться плавно. Это выполняется различными элекгроустройствами (тиристорным, магнитным и другими).
Источники питания для резки больших, более 80 мм, толщин, например, ИПГ-500, В ПР-602 и подобные, имеют повышенное напряжение холостого хода.
Для ручной плазменной резки выпускаются специальные резаки с вольфрамовым электродом диаметром 3 мм, которые позволяют резать металл толщиной до 25 мм.
Промышленностью выпускаются комплектные установки для ручной плазменной резки.
Для механизированной резки широко применялись и применяются установки АПР-401, АПР-404, УВПР для резки черных и цветных металлов до толщины 80 мм.
Ориентировочная скорость резки алюминиевого или нержавеющего листа толщиной 10 мм равна 4^-4,5 м/мин, низкоуглеродистого листа толщиной 50 мм — 0,3-s-0,4 м/мин. Скорость резки толстого листа сопоставима со скоростью кислородной резки черных метал-1 лов, но алюминий и нержавеющая сталь не поддаются обычной кислородной резке, поэтому плазменная резка таких металлов является незаменимой.
Выпрямители для плазменно-дуговой резки выпускаются по ГОСТу 14935-77Е, в котором предусмотрено напряжение холостого хода до 180-^500 В и рабочий ток 1001250 А. Машины для плазменной резки отличаются от машин для кислородной резки только । сравнительно более высокой скоростью перемещения резака.
На плазмотроны также имеется ГОСТ 12221-79, по которому] предусматриваются конструкции для машинной и ручной резки. В настоящее время в России выпускаются комбинированные авто-1 генно-плазменнорезательные машины, например, типа «Кентавр», «Пелла», «Рубин», «Ритм» и другие, которые управляются микро! процессорной техникой и имеют высокую точность резки.
На точность механизированной кислородной и плазменно-ду! говой резки имеется ГОСТ 14792-80, в котором предусмотрены клас сы: точности, неперпендикулярности кромки в зоне реза, шероховатости, зоны термического влияния. Указанные классы устанан
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
193
ливают определенные требования к качеству вырезаемых деталей в зависимости от толщины листовой углеродистой стали в пределах от 5 до 100 мм. Этим же ГОСТом установлен порядок условного обозначения в чертежах вида резки и классов качества. Плазмообразующий газ выбирается в зависимости от состава разрезаемого металла. Углеродистые стали режут с использованием воздуха, подаваемого в плазмотроны под давлением 3-s-6 кг/см2, нержавеющие стали, медь и ее сплавы — азота, а алюминий и алюминиевые сплавы — с использованием аргона.
Режимы резки приведены в табл. 4.
Толщина разрезаемого металла зависит от электрической мощности машин. Современные плазменно-дуговые установки имеют мощность 180 кВА.
При использовании плазменно-дуговой резки в потоке воздуха или азота нужно помнить одну особенность этого процесса — насыщение кромок реза азотом с образованием твердых игольчатых кристаллов — нитридов глубиной 0,5<-1 мм. Кромки с насыщением азота не должны допускаться под сварку ответственных конструкций, например, стыков труб нефте- и газопроводов и подобных поднадзорных ответственных объектов, без предварительного механического снятия слоя азотирования.
Экономический анализ зарубежной плазменно-дуговой (воздушной) резки показывает, что затраты на 1 м реза в долевом участи следующие: амортизация машины, т. е. компенсация капитальных затрат на резательное оборудование — 50%, затраты на зарпла-гу — ~20%, стоимость электроэнергии — —12%, стоимость катодов и сопел — 10%, стоимость сжатого воздуха — 8%.
Таблица 4
Ориентировочные режимы машинной плазменно-дуговой резки
Толщина металла, мм Рабочий ток, А Напряжение, В Скорость резки, м/мин Ширина реза, мм (средняя)
10, сталь 300 145—150 2, 5—3 3-^
10, алюминий 120—200 170—180 2,0-4,5 3,5
10, медь 300 160—180 3 6
194
Сварочные работы
В России капитальные затраты, электроэнергия составляют значительную долю затрат, поэтому в последнее время сокращается применение плазменной резки, особенно из-за стоимости электроэнергии.
3.3.19. Машина для термической резки «Ритм»
Машина «Ритм» разработана и изготовлена в 2000 г. Центральным научно-исследовательским институтом технологии судостроения в Санкт-Петербурге и внедрена на Копейском машзаводе.
Машина предназначена для резки заготовок из листового металла, плазменно-дуговой и кислородной резки с использованием системы числового программного управления.
Основные технические данные машины:
1. Точность вырезаемых деталей ± 1,0-5-2,5 мм.
2. Скорость перемещения резки 0,07-5-12,5 м/мин.
3. Толщина разрезаемого листа при плазменной резке — до 80 мм, при кислородной резке — до 200 мм.
4. Максимальные габаритные размеры разрезаемого листа — 2200 х 10000 мм.
5. Пределы регулирования рабочего тока режущей дуги — SO-315 А.
6. Давление плазмообразующего воздуха — 5 кгс/см2.
В состав машины входит установка для воздушно-плазменной резки металла типа АПРМ.
Машина «Ритм» оснащена устройством ЧПУ на базе микро-ЭВМ Составление управляющих программ выполняется на персональном компьютере с разработкой карт раскроя на весь разрезаемый лист металла. Программа вводится в память компьютера, встроенного в систему управления, а рабочий орган (резак) воспроизводит заданные программой контуры.
Преобразование информации, зафиксированной в управляющей программе, в перемещения рабочего органа и в технологические команды производится с помощью компьютера и электроприводоп
Исполнительный механизм машины снабжен приводами пре дольного и поперечного ходов (рис. 68). Продольный ход — это перемещение машины вдоль рельсов, поперечный — перемещение суп
Глава 3. Оборудование, технология сварки и резки
195
порта с резаком по балке (порталу) машины в направлении, перпендикулярном опорным рельсам.
Привод движения резака вверх-вниз позволяет дистанционно регулировать положение резака по высоте относительно листа. Приводы продольного и поперечного ходов обеспечивают перемещение резака по заданному контуру.
Плазменная резка листа производится на раскройном столе, заполненном водой до нижней плоскости разрезаемого листа.
Резка над водой (на воде) значительно снижает коробление заготовок и наличие грата, который почти весь отделяется либо самостоятельно, либо при незначительных усилиях. При таком способе резки заметно снижается выброс в окружающую атмосферу вредных продуктов горения металла при резке, так как они в основном нейтрализуются в водной среде. Машина оснащена двумя резаками кислородной резки и одном резаком для плазменнодуговой.
Рис. 68. Машина термической резки «Ритм»
196
Сварочные работы
Контрольные вопросы к главе 3
• ——.—— — ——— --------——------------------------------
1. Почему не все марки сталей применяются для сварных конструкций?
2. Что понимается под свариваемостью сталей?
3. Назовите основные критерии оценки сталей на свариваемость.
4. В чем особенности сварки углеродистых и легированных сталей?
5. Почему не всякий трансформатор или генератор годен для питания сварочной дуги?
6. Какого рода ток в якоре генератора ?
7. Перечислите функции коллектора в генераторе.
8. Какое различие имеется между сварочным выпрямителем и трансформатором ?
9. В чем различие дуговой сварки обычной и дуговой импульсной ?
10. В чем сущность кислородной резки и плазменно-дуговой?
Глава 4. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА
4.1. Общие сведения
Газопламенная обработка металлов (ГОМ) до сих пор широко применяется в промышленности, несмотря на развитие и техническое совершенствование многих новых процессов сварочного производства.
Из всех видов применяемых ГОМ на долю таких процессов, как резка, сварка, газотермическое напыление (например, цинкование и др.), приходится около 80%.
В настоящее время в качестве горючих газов при ГОМ применяют ацетилен, сжиженные газы на основе пропан-бутановых смесей, природный газ, в качестве окислителя — кислород или воздух.
Ацетил ено-кислородные смеси, обеспечивающие максимальную температуру пламени (> 3000°С) могут быть использованы для любых процессов ГОМ.
Для сварки сталей толщиной до 4 мм с использованием специальной присадочной проволоки можно применять пропан-бутановые смеси.
При газоплазменной обработке алюминия, латуни, свинца и других материалов, температура плавления которых ниже температуры плавления стали, целесообразно применять пропан-бутан. Для
198
Сварочные работы
кислородной резки, пайки, наплавки металлизации можно использовать любые газы — заменители ацетилена.
Газовая сварка занимает особое место и при присущих ей недостатках до сих пор применяется там, где ее достоинства выше других способов.
Газосварка обладает следующими достоинствами:
1. Сравнительная простота и не требует сложного и дорогого оборудования, а также источника электроэнергии.
2. Широкие пределы выбора скорости нагрева и охлаждения свариваемого металла за счет регулирования тепловой мощности пламени и расстояния до места сварки.
К недостаткам следует отнести сравнительно малую скорость нагрева металла и большую зону термического влияния на металл, от состояния и ширины которой зависят механические свойства сварного соединения (а не только шва). При газовой сварке концентрация тепла меньше, чем при дуговой, поэтому разогреву подвергается большая зона и увеличивается коробление.
По причине медленного нагрева металла пламенем и относительно невысокой концентрации тепла при нагреве производительность процесса газовой сварки значительно снижается с увеличением толщины свариваемого металла. Например, при сварке стали толщиной 1 мм скорость — около 10 м/ч, а толщиной 5 мм — 2,5 м/ч. Поэтому газовая сварка стали толщиной более 4 мм менее производительна по сравнению с ручной дуговой сваркой и практически не применяется.
Стоимость ацителена и кислорода при газовой сварке выше стоимости электроэнергии при дуговой и даже контактной электросварке, поэтому газовая сварка дороже, чем электрическая.
Процесс газовой сварки почти не поддается механизации и автоматизации.
Газовая сварка необходима и применяется при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, при ремонте изделий из чугуна, бронзы, силумина; при монтаже и ремонте трубопроводов отопления, водопровода, газопровода из труб малых (до 50 мм) диаметров, а также подобных работах; при сварке изделий из алюминия, меди, латуни, свинца, при наплавке латуни на чугунные или
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 199
стальные детали (поршни, штоки гидросистем), при сварке ковкого и высокопрочного чугуна с применением присадочных прутков из латуни и бронзы.
При помощи газовой сварки можно сваривать почти все металлы, применяемые в технике. За счет этого качества и с учетом простоты применяемого оборудования газовая сварка занимает достойное место среди других процессов и заслуживает внимания и изучения.
Для газовой сварки, резки необходимо иметь:
1. Газы — кислород и горючий газ (ацетилен или его заменители).
2. Присадочный материал — проволока, прутки.
3. Кислородный баллон — для работы и хранения запаса кислорода.
4. Кислородный редуктор для понижения давления и поддержания установленного давления кислорода, подаваемого из баллона в горелку или резак.
5. Ацетиленовый генератор для получения ацетилена из карбида кальция или ацетиленовый баллон, в котором ацетилен растворен в ацетоне и находится под давлением. В этом варианте необходим еще ацетиленовый редуктор для понижения давления ацетилена, подаваемого из баллона, до рабочего места.
При пользовании горючими газами — заменителями ацетилена нужно иметь баллон или специальную емкость для жидкого горючего, или централизованный газопровод природного газа.
6. Сварочные горелки различного назначения с набором наконечников, а для резки — с комплектом мундштуков и приспособлением, упрощающих резку (циркули и т. д.)
7. Резиновые рукава (шланги) для подачи кислорода и горючего газа в горелку или резак.
8. Принадлежности для сварки, резки (очки, инструмент и т. д.)
9. Рабочее место, оборудованное всем необходимым.
10. Флюсы (пасты, порошки) для сварочных работ.
При ГОМ применяются различные способы газопитания — централизованное или от передвижных постов.
200
Сварочные работы
При выполнении сварочных работ на открытых площадках или в неупорядоченных зонах обслуживания (в строительстве, на монтаже, в судостроении и т. п.) применяют передвижные источники питания газами. В основном это установленные на специальных тележках баллоны с горючим газом и кислородом.
При периодическом проведении газоплазменных работ часто используются ацетиленовые передвижные генераторы, а кислород в этом случае получают от баллонов. При работе стационарных постов ГОМ (в цехах, мастерских и т. д., как правило, организуется централизованное питание рабочих мест горючим газом и кислородом. Оно становится необходимым при работе более 10 постов ГОМ, так как это требуется по правилам техники безопасности. Существует несколько различных технических вариантов организации централизованного газоснабжения постов ГОМ, но любая схема газопитания в общем случае предусматривает наличие трех основных групп оборудования: источников газопитания; средств газорегулирования и взрывозащиты, аппаратуры для ГОМ.
Оборудование и аппаратура для ручных работ при газопламенной обработке металлов являются более распространенными, поэтому их рассмотрению уделяется больше внимания.
4.2. Баллоны для ацетилена
Для газопитания постов ГОМ применяются баллоны со сжатым, сжиженным и растворенным газами (рис. 69), генераторы для получения ацетилена, трубопроводы природного газа и различная запорная и пускорегулирующая аппаратура.
Баллоны для ацетилена
Для наполнения, хранения и потребления ацетилена применяются баллоны (см. рис. 69, б), которые принципиально отличаются от других баллонов для горючих газов тем, что в них ацетилен находится в ацетилен-ацетоновом растворе, адсорбированном (поглощенном) пористой массой, заполняющей всю емкость баллона. Такой способ хранения ацетилена обеспечивает необходимую безопасность его эксплуатации, так как в баллоне отсутствуют свободные газо-
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла
201
Рис. 69. Баллоны для сжатых газов: а — кислорода; б — ацетилена; в — пропан-бутана (сварной конструкции); 1 — днище; 2 — опорный башмак, 3 — корпус;
4 — горловина; 5 — вентиль; 6 — коппак; 7 — пористая масса;
8 — табличка с паспортными данными баллона; 9 — подкладные кольца
вые объемы, недопустимые из-за высокой взрывоопасности ацетилена. В России в качестве пористой массы используется активированный уголь марки БАУ-А по ГОСТ-6217-74. Активированный (активный) уголь — мелкопористый древесный уголь, освобожденный от углеводородов и других примесей и обладающий обширной свободной поверхностью с большой адсорбционной способностью после обработки водяным паром при высокой температуре.
В последнее время для заполнения емкости баллонов широко применяют литые пористые массы на основе силикатов, которые имеют преимущества.
1. Большая газовбираемость — 200-;-250 г/л для литой массы, тогда как БАУ-А — 125 г/л.
Емкость ацетиленовых баллонов может быть различной, но наиболее распространены баллоны емкостью 40 л, количество ацетилена в которых составляет в среднем 5,5 м3, а с наполнителем из литой пористой массы — более 7 м3.
202
Сварочные работы
2. Увеличенная в 3 раза сопротивляемость удару с одновременным уменьшением насыпной массы по сравнению с БАУ-А.
3. Отсутствие уплотнения и высыпания пористой массы, что значительно облегчает обслуживание баллонов.
4. Уменьшенный унос ацетона.
5. Повышенная безопасность эксплуатации баллонов.
Микрообласти пористого материала заполняются ацетоном, растворяющим ацетилен. Один объем ацетона растворяет при нормальной температуре 23 объема ацетилена. Давление растворенного ацетилена в наполненном баллоне не должно превышать 19 кгс/см2 при 20°С (табл. 5). При отборе ацетилена из баллона частично уносится ацетон. Для уменьшения потерь ацетона следует отбирать ацетилен из баллона со скоростью не более 1,5 м3/ч. Остаточное давление в баллоне должно быть не менее 0,5 кгс/см2 при 20°С.
При работе ацетиленовые баллоны должны находиться в вертикальном положении.
Ацетиленовый баллон заполняется пористой массой из расчета -320 г на 1 л емкости баллона, т. е. около 13 кг массы пористой.
Ацетон заправляют из расчета 250-5-300 г на 1 л емкости баллона. Находясь в порах растворенным в ацетоне, ацетилен становится взрывобезопасным от давления до 30 кгс/см2, но давление 19 кгс/см2 установлено по ГОСТ 5457-60.
Когда открывают вентиль, ацетилен выделяется из ацетона и в виде газа выходит через редуктор в шланг к горелке.
Для определения количества ацетилена в баллоне последний взвешивают до и после наполнения или частичного расходования. Если вес полного баллона 89 кг, порожнего — 83 кг, то количество ацетилена в баллоне равно: по в е с у 89 кг — 83 кг = 6 кг, по о б ъ е м у: 6 : 1,09 = 5,5 м3, так как при 20°С плотность 1 м3 ацетилена (вес) = 1,09 кг. Вес порожнего, но готового к заправке баллона выбивается на сферической части баллона.
При отборе ацетилена из баллона уносится до 150 г ацетона после выработки одной заправки.
Преимущества баллонного ацетилена перед ацетиленом от переносных генераторов:
1. Выше чистота, малая влажность.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 203
2. Более высокое давление, увеличивающее стабильность пламени.
3. Выше производительность работ.
4. Большая компактность сварочного поста.
5. Выше безопасность работы.
Ацетиленовые баллоны имеют те же размеры, что и кислородные (см. табл. 5).
У вентилей ацетиленовых баллонов нет присоединительной резьбы, поэтому редукторы для них крепятся специальным хомутом, имеющимся на редукторе. Баллоны и редукторы для ацетилена окрашиваются в белый цвет.
Таблица 5
Характеристики различных баллонов
Показатель Кислородный Ацетиленовый Пропанбутановый
Предельное рабочее давление, кгс/см2 150 19 16
Испытательное давление, кгс/см2 225 30 25
Состояние газа в баллоне сжатый растворенный сжиженный
Цвет окраски голубой белый красный
Цвет надписи черный красный белый
Надпись на баллоне «Кислород» «Ацетилен» «Пропан-бутан»
Количество газа в баллоне, л 6000 5500—7000 12000
Жидкостная емкость, л 40 40 50
Резьба присоединительного штуцера 3/4” трубы присоединяется хомутом левая труба 21,8 х 14 ниток на Г
Размеры, мм:
высота 1390 1390 960
диаметр 219 219 300
Толщина стенки 8 7 3
Масса баллона без газа, кг 67 52 23
204
Сварочные работы
4.3. Баллоны для пропан-бутана
По конструкции эти баллоны являются сварными из листовой стали толщиной 3 мм с продольным и двумя кольцевыми швами по днищам (рис. 69, в табл. 5). К верхнему днищу приварена горловина, к нижнему — башмак (прерывистым швом).
Расчетное давление газа для баллона равно 16 кгс/см2 (см. табл. 5). Баллоны заполняют не более 85% объема из расчета 0,425 кг сжиженного газа на 1 л его вместимости.
Наибольшее распространение в промышленности имеют баллоны емкостью 50 л (на 21, 2 кг сжижаемого газа). Вес порожнего баллона 23 кг без колпака. Количество пропан-бутановой смеси в баллоне можно определить только взвешиванием и сопоставлением результата с весом порожнего баллона, так как газ в баллоне находится в сжиженном состоянии и давление внутри баллона зависит от температуры сжиженной фракции. Например, при прогреве жидкой фракции до 40°С давление достигает 16 кгс/см2, а при минус 41,5° даже в полном баллоне давления не будет и не будет испарения. Боковой штуцер вентиля баллона имеет левую трубную резьбу диаметром 21,8 мм, 14 ниток на 1 дюйм, к которой присоединяется редуктор для пропана.
Окраска баллона красная, надпись — белая.
4.4. Баллоны для кислорода
Баллон для кислорода — это цилиндрический сосуд, нижняя часть которого образует выпуклое днище, а верхняя — сферическую горловину со сквозным отверстием с конической резьбой для ввертывания запорного вентиля (рис. 69, а). Характеристика баллона приведена в табл. 5.
Корпус баллона для газов высоких давлений изготовляют по ГОСТу 949-73 из бесшовых труб из углеродистой и легированной сталей. Баллоны делятся на баллоны малой вместимости до 12 л и средней вместимости от 12 до 40 л с условным давлением до 200 кгс/см2. На нижнюю часть баллона насажен опорный башмак
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 205
для устойчивости баллона. Количество сжатого газа, в том числе и кислорода, в баллоне определяют умножением вместимости баллона в л на давление газа в баллоне в кгс/см2. Например, баллон вместимостью 40 л имеет давление газа 100 кгс/см2, тогда количество кислорода в баллоне равно 40 х 100 = 4000 л, или 4 м3. Отбирают кислород из баллона до остаточного давления не ниже 0,5 кгс/м3, чтобы в баллон не попадали посторонние вещества. На вентиле баллона не должно быть масла и других жиров для обеспечения взрывной безопасности.
Открывать вентиль кислородного баллона нужно медленно, чтобы не допустить искрообразования на выходе вентиля.
На баллонах часть верхней сферы не окрашивается (или крепится табличка-шайба на пропановых баллонах) и на ней выбивают паспортные данные баллона: товарный знак завода-изготовителя, номер баллона, месяц и год изготовления и год следующего испытания, рабочее давление Р, пробное П, емкость баллона в л, масса баллона в кг, клеймо ОТК.
Баллоны испытывают через 5 лет.
4.5. Вентили баллонов
Вентили для ацетилена изготовляются из стали и рассчитаны на рабочее давление 25 кгс/см2 (рис. 70).
В хвостовой части вентиля, вворачиваемого в баллон, помещаются войлочный фильтр и стальные сетки с размером ячеек 1,4 мм, способные служить для защиты от частиц пористой массы, которые могут попасть из ацетиленовых баллонов в уплотнитель вентиля и присоединяемый к вентилю редуктор. Вентиль не имеет маховика, так как последний помешал бы надеть присоединительный хомут с натяжным винтом. Открытие и закрытие производится специальным ключом, надеваемым на квадрат шпинделя. На седле в корпусе вентиля располагается эбонитовый уплотнитель (пятачок), открывающий и закрывающий выход ацетилена из баллона.
Уплотнение между шпинделем и корпусом достигается с помощью кожаных сальниковых колец, опирающихся на металличес-
206
Сварочные работы
Рис. 70. Вентиль для ацетиленового баллона:
1 — сальниковая гайка; 2— шайба; 3 — сальниковые прокладки; 4 — сальниковое кольцо; 5 — шпиндель; 6 — уплотнитель;
7 — сетка; 8 — проволочное кольцо; 9 — войлочный фильтр;
10 — корпус вентиля; 11 — прокладка штуцера
кое кольцо и сжимаемых сальниковой гайкой через шайбу. Поскольку уплотнитель выхода ацетилена из баллона сделан из эбонита, то не следует применять больших усилий при закрытии баллона.
Пропановые вентили (рис. 71) имеют стальной корпус и по конструкции отличаются от других тем, что в качестве запорного устройства используется мембрана из пружинной стали, или уплотнитель из неметаллического материала, но с уплотнением всей шпиндельной системы вентиля специальным резиновым чулком — ниппелем.
Кислородные вентили (рис. 72) имеют латунный корпус, так как латунь не горит в кислороде. Герметичность вентиля в зоне прохода шпинделя обеспечивается сальником, а также фибровой прокладкой, а в последнее время — капроновой прокладкой, во избежание загорания фибры.
Для крепления редуктора вентиль имеет резьбу 3/4” тр.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 207
068
Рис. 71. Вентиль баллонный для пропан-бутановых смесей:
1 — корпус вентиля; 2 — уплотнитель; 3 — шпиндель запорный;
4 — резиновый чулок-ниппель; 5 — шайба направляющая; 6 — гайка накидная; 7 — шпиндель; 8 — прокладка фибровая; 9 — маховичок;
10 — пружина; 11 — гайка маховичка; 12 — цепочка с кольцом;
13 — заглушка; 14 — прокладка фибровая
4.6. Редукторы для регулирования газов
Газовым редуктором называют прибор для понижения давления га за из баллона или газопровода до рабочего и для автоматического поддержания этого давления, независимо от снижения давления газа па входе (рис. 73).
ГОСТ 6268 устанавливает 18 разновидностей редукторов следующих типов: Б — баллонные, Р — рамповые, С — сетевые. Редук-юры указанных типов изготовляются по видам газа (А — ацетиленовые, К — кислородные, М — метановые, П — пропан-бутановые)
20В
Сварочные работы
1 2 3
Рис. 72. Вентиль для кислородного баллона:
1 — маховичковая гайка; 2 — пружина; 3 — маховичок, 4 — фибровая прокладка; 5 — шпиндель; 6 — накидная гайка; 7 — капроновая прокладка;
8 — муфта; 9 — штуцер; 10 — заглушка; 11 — клапан; 12 — уплотнитель, 13 — хвостовик; 14 — корпус
Рис. 73. Баллонные редукторы: а — кислородный ДКП-1-65; б — ацетиленовый ДАП-1 -65
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 209
и по схемам регулирования (О — одноступенчатые с механической установкой давления, Д — двухступенчатые.
Стандартом устанавливается и основные параметры редукторов для каждого вида.
Несмотря на разнообразие редукторов, все они имеют обшие принцип действия и схему устройства (рис. 74).
Газ из баллона поступает в штуцер редуктора. Давление газа на входе в редуктор указывается манометром. Далее газ проходит через клапан, преодолевая его сопротивление, вследствие чего давление газа понижается и он поступает в камеру низкого давления. Манометр указывает давление газа (рабочее давление) в камере низкого давления, идущего к горелке, резаку.
Величина рабочего давления на выходе из редуктора зависит от степени открытия клапана. Чем больше открыт клапан, тем меньшее сопротивление оказывает он потоку проходящего через него
Рис. 74. Схема устройства и работы редуктора:
а — нерабочее, б — рабочее положение; 1 — клапан; 2 — камера высокого давления; 3 — запорная пружина; 4 — клапан предохранительный;
5 — штуцер для шланга; 6 — камера низкого давления; 7 — мембрана;
8 — пружина регулирования; 9 — винт регулирования
210
Сварочные работы
газа, тем выше давление газа после него и тем большее количество газа проходит через редуктор. Для изменения положения редуцирующего клапана служит мембрана (из прорезиненной ткани), регулирующий винт, а также пружины. При ввертывании винта пружины сжимаются, клапан открывается и давление газа в камере повышается. При вывертывании винта, наоборот, клапан прикрывается, а давление газа в камере уменьшается.
Необходимое рабочее давление в редукторе автоматически поддерживается постоянным. При уменьшении отбора газа через расходный вентиль давление в камере низкого давления повышается, и газ начинает давить на мембрану, которая прогибается вниз и сжимает пружину. При этом клапан под действием пружины перекрывает седло клапана до тех пор, пока давление в камере не станет равным его первоначально установленной величине. Обратное явление будет происходить при увеличении отбора газа и понижении давления в камере низкого давления. Мембрана опять прогибается вверх — в сторону камеры высокого давления, и весь процесс работы редуктора повторяется. Камера низкого давления имеет клапан, предназначенный для сброса давления газа при повышении давления сверх установленного и защиты от разрыва мембраны в случае, если клапан начнет пропускать газ (самотек в редукторе).
Редуктор с одной камерой редуцирования называют однокамерным, а с двумя камерами — двухкамерным (двухступенчатым). В двухкамерных редукторах давление понижается в двух ступенях; в пер вой — с начального 150 кгс/см2 до промежуточного 40^-50 кгс/см2, а во второй — до конечного рабочего 3-И2 кгс/см2. Двухступенчатые редукторы имеют более постоянное рабочее давление, менее склонны к «замерзанию», но сложнее по конструкции, чем однокамерные редукторы, и требуют больше материальных и трудовых затрат на изготовление.
В настоящее время газовые редукторы унифицированы, и тех нические характеристики редукторов унифицированного ряда ох ватывают все нужные диапазоны расхода газа и рабочих давлений
Унифицированный ряд состоит из нескольких групп газовых редукторов, каждая группа разработана на одной общей базе. Элементы (детали) регулирующих систем разных типов редукторов уни
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла
211
фицированы внутри каждой группы. Это значит, что почти все основные детали взаимозаменяемы между собой в разных редукторах какой-либо конкретной группы.
Редукторы имеют окраску того же цвета, что и баллоны с газом, для которых они предназначены.
Сетевые редукторы выпускаются промышленностью для понижения давления до рабочего (кислород, природный газ и др.) давление и поддержание его постоянным при работе. Редуктор также выполняет роль обратного клапана, защищая газопровод от обратных ударов пламени в аппаратуру.
Редукторы должны содержаться в чистоте, без каких-либо следов масел, жиров, с исправными прокладками, резьбы не изношены, с исправными манометрами.
Необходимо помнить, что рабочее давление горючего газа должно быть меньше рабочего давления кислорода, чтобы горючая смесь не попала в кислородный баллон и не привела к взрыву.
При кратковременных перерывах в работе закрывают только запорный вентиль редуктора, не изменяя положения регулирующего винта. При перерывах в работе более 1ч ослабляют главную пружину редуктора, выпускают газ из горелки и вращают регулирующий пинт против часовой стрелки, пока давление газа по манометру низкого давления не будет равно нулю. После этого закрывают полностью вентиль баллона. Если стрелка манометра не устанавливается на ноль, то такой манометр следует заменить.
Одна из серьезных неисправностей редуктора — это самотек, когда при полностью вывернутом регулирующем винте газ продолжает поступать в рабочую камеру редуктора. Причиной самотека является неплотное прилегание клапана к седлу из-за твердых частиц, заносимых потоком газа в редуктор, выкрашивания или неровностей поверхности уплотнителя (непритертость), поломки или усадки запорной пружины, заедания клапана в направляющих, и г. д.
В результате самотека при неисправном предохранительном клапане и закрытом вентиле горелки может произойти разрушение мембраны, крышки, манометра, срыв или разрыв шлангов — т. е. разрушение слабого звена в перечисленной цепочке. Исправность пре
212
Сварочные работы
дохранительного клапана и его настройку на нужное давление, а также отсутствие самотека в редукторе необходимо проверять систематически, не реже I раза в неделю. Нельзя пользоваться редуктором без манометра либо с неисправным манометром.
Замерзание редуктора
При прохождении газа через редуцирующий клапан из камеры высокого давления в камеру низкого давления происходит снижение давления газа и его охлаждение. Так как газ всегда содержит пары воды, то охлаждение газа может вызвать образование кристаллов льда и закупорку ими клапанов редуктора, нарушая нормальную работу редуктора. Это называют «замерзанием» редуктора. Чтобы избежать «замерзания», нужно отбирать газ из вертикально стоящего баллона, удалять влагу из редуктора и вентиля баллона продувкой. «Замерзший» редуктор необходимо снять и отогреть в теплом помещении, затем удалить из него влагу.
В 1996 г. был разработан новый типоразмерный ряд баллонных и малогабаритных редукторов. Они имеют высокую точность, малый вес и полностью соответствуют международным стандартам.
4.7. Переносные генераторы для получения ацетилена
Для получения ацетилена из карбида кальция применяют ацетиленовые генераторы. В зависимости от способа установ-к и при эксплуатации подразделяются на стационарные и переносные, по способу взаимодействия карбида кальция с водой — на три типа: КВ (карбид в воду); ВК (вода на карбид) — с вариантами процессов М — мокрого, С — сухого; К (контактный) с вариантами процессов: ВВ — вытеснения воды и ПК — погружение карбида; в зависимости от давления получаемого ацетиена — на генераторы низкого давления — до 0,2 кгс/см2 и среднего — от 0,2 до 1,5 кгс/см2 давления. Реакция получения ацетилена экзотермична, с выделением большого количества тепла (400 ккал на 1 кг карбида кальция) и требует сильного охлаждения зоны реакции.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 213
Три типа (системы) ацетиленовых генераторов имеют достоинства и недостатки. Главные принципиальные требования к любой системе ацетиленовых генераторов едины и заключаются в том, чтобы генератор, обеспечивая наивысший выход ацетилена из карбида кальция, имел хорошее охлаждение и не допускал полимеризации ацетилена в генераторе, и нагрева генератора (и ацетилена) выше 80°С.
Анализируя работу всех трех типов (систем) генераторов (КВ; ВК; К), нужно помнить следующие особенности этих систем:
1. Система КВ — карбид периодически попадает отдельными порциями в большой объем воды. Принципиально эта система является наилучшей. Куски карбида омываются большим количеством воды, разложение практически происходит до конца; зона реакции очень хорошо охлаждается. Образующийся ацетилен, проходя через слой воды, хорошо охлаждается и промывается; полимеризация ацетилена практически не происходит, выход ацетилена из карбида кальция наивысший, около 95 % чистого и охлажденного ацетилена.
2. Система ВК — вода периодически подается на карбид, насыпанный в открытую сверху коробку, а коробка находится в специальном пространстве — цилиндрической реторте, герметически закрывающейся снаружи.
Карбид реагирует с относительно малым количеством воды, зона реакции охлаждается недостаточно (вода, охлаждающая только по наружной поверхности реторты). Возможен перегрев ацетилена и его полимеризация.
Полимеризация ацетилена — это спокойное разложение его на углерод и водород с последующим образованием других углеводородов и смол при атмосферном давлении и медленном нагревании его до 700°С. При быстром нагревании (100350 град/с) полимеризация переходит в самовоспламенение или взрыв ацетилена (например, работа карбидной пылью и т. д.). О сильном перегреве ацетилена и периодической полимеризации можно судить по присутствию смол в инжекторном узле горелки, резака, а также желтоватой окраске или у разряженного генератора. Значит, такой генератор плохой. В хороших генераторах полимеризация фактически отсутствует.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 215
I
214 Сварочные работы I
Практически допустимый нагрев ацетиленовых генераторов зависит и от давления ацетилена, например, при давлении до 1,5 кгс/см1 2 I допускается нагрев ацетилена до 150°С, при более высоком давле- I нии — до 100°С.
Ацетилен взрывоопаснее водорода, пропана, природного газа.
При системе ВК куски карбида кальция обволакиваются слоем I гидрата окиси кальция Са(ОН)2 (гашеная известь), разъединяю- I щей карбид с водой, реакция разложения не доходит до конца, и генераторы дают пониженный выход ацетилена — 85+90%. Едино- I временная загрузка карбида в реторту сравнительно невелика.
Несмотря на указанные существенные недостатки, система аце- | тиленовых генераторов ВК («вода на карбид») являлась ранее наиболее распространенной по причине простоты конструкции ее генераторов.
3. Система К — контактная, при которой карбид кальция и вода I периодически приводятся в соприкосновение и вновь разъ-1 единяются в зависимости от расхода ацетилена в генераторе. I При разъединении с водой разложение карбида производится остатками воды, смачивающей куски карбида, в условиях очень! плохого охлаждения. В результате неизбежен перегрев ацетилена и его полимеризация.
Контактная система применяется обычно лишь для переносных! генераторов малой производительности. Они значительно уступают другим генераторам вследствие низкого выхода ацетилена и его качества. Однако несмотря на указанные недостатки, контактная I система до сих пор имеет практическое применение благодаря про- стоте конструкции генераторов для малых расходов ацетилена.
Для охлаждения генераторов (и ацетилена) положено использо вать от 7 до 18 л воды на 1 кг карбида кальция, хотя для полного I разложения 1 кг карбида нужно всего 0,6 л воды.
ГОСТ 5190-78 устанавливает определенные требования к аце- I тиленовым передвижным генераторам.
1. Передвижные генераторы должны быть по возможности лег- I
кими, удобно переносимыми и обеспечивать нормальную pa-1
боту при температуре окружающей среды от плюс 40 до минус 29,5°С.
2. Конструкция генераторов должна позволять производить продувку всех газовых объемов в течение 1 мин во избежание образования взрывоопасной ацетиленово-воздушной смеси.
3. Возможность автоматического регулирования газообразования в зависимости от потребления ацетилена.
4. Наличие предохранительного устройства, ограничивающего давление газа в установленных пределах, и предохранительного затвора для предотвращения попадания взрывной волны в генератор при обратном ударе пламени.
5. Давление ацетилена после предохранительного затвора должно быть не менее 100 мм вод. ст. с тем, чтобы исключить подсос воздуха через затвор в рабочий инструмент.
6. Исключение заиливания и зависания карбида кальция.
7. Количество воды, заливаемой в аппарат, должно обеспечивать хорошее охлаждение. Температура ацетилена, выходящего из генератора, не должна превышать 35°С. Размеры кусков карбида кальция, загружаемого в генератор, должны составлять 25/80 мм. В переносном генераторе допускается использование до 5% карбида кальция грануляцией 2/15 мм при наличии специального теплоотводящего устройства. Допускается нагрев: в зоне реакции до 80°С, нагрев ацетилена — до 115°С.
8. Наличие устройства для измерения давления газа в газообра-зователе.
9. КПД генератора должен быть не ниже 0,85+0,9.
Снаружи генераторы окрашиваются в белый цвет. В генераторе нельзя применять детали из сплавов, содержащих более 70% меди, а также детали, способные при работе вызывать образование искр. Соединение ацетилена с медью образовывает ацетилениды, которые взрывоопасны. Максимальная производительность генератора не должна превышать 10% номинальной.
Ацетиленовые генераторы любого типа включают следующие основные узлы: газообразователь для получения ацетилена; газо-сборник (газгольдер) для хранения газа и компенсации неравномерности газообразования и газопотребления. Предохранительное
216
Сварочные работы
устройство (клапан), выпускающее избыток газа в атмосферу при увеличении давления выше допустимого. Защитное устройство (предохранительный затвор) для локализации пламени ацетилена — воздушной или ацетилено-кислородной смеси и предохранения от попадания в генератор воздуха или кислорода со стороны отбора газа.
В комплект передвижных ацетиленовых генераторов могут также входить промыватель для охлаждения и очистки ацетилена от примесей и осушитель для улавливания паров воды из выходящего ацетилена, которые недопустимы при работе генератора в условиях низких температур.
Передвижные генераторы используются преимущественно для работ на открытом воздухе. В случае эксплуатации генератора при минусовой температуре окружающей среды необходимо генератор устанавливать на деревянный щит, а водяной затвор заливать морозоустойчивым раствором, менять который следует не реже чем через 24 ч работы при нормальной производительности, закрывать теплоизоляцией от замерзания все узлы и сам генератор.
В случае замерзания воды в узлах отогревать их следует только горячей водой или паром. Генератор устанавливается на расстоянии не менее 10 м от места сварки (резки), а также от любого другого источника пламени.
Для временных газопламенных работ генератор разрешается устанавливать в жилых и производственных помещениях при условии хорошей естественной вентиляции и объеме помещения нс менее 300 м3 на каждый ацетиленовый генератор.
Запрещается ставить генератор в помещениях, в которых возможно выделение веществ, образующих с ацетиленом взрывоопасные соединения, а также в зонах забора воздуха вентиляторами и компрессорами, особенно для производства кислорода. Помещение, где работал ацетиленовый генератор, должно быть хорошо проветрено. Известковый ил от генератора выгружают в специальную тару, а затем сливают в иловую яму.
Передвижные генераторы необходимо осматривать и проверять на пригодность не реже 1 раза в год, и в случае неисправности — нс допускать к работе.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла
217
В настоящее время выпускаются передвижные генераторы среднего давления типа АСП-1,25-6 (рис. 75 и табл. 6) и АСП-1,25-7. Это генераторы контактного типа. В 1997 г. ВНИИавтогенмашем разработаны и поставлены на серийное производство новые надежные передвижные ацетиленовые генераторы типа БАКС-1 с водяным затвором ПГ-1,5. За основу взяты ацетиленовые генераторы типа АСП.
В генераторах АСП процесс газообразования регулируется временем соприкосновения и изменением количества карбида кадь-
Рис. 75. Ацетиленовый переносной генератор АСП-1,25-6:
1 — предохранительный затвор; 2 — корпус; 3 — предохранительный клапан; 4 — корзина; 5 — мембрана; 6 — винт; 7 — пружина; 8 — крышка; 9 — манометр; 10 — поддон; 11 — контрольная пробка; 12 — вентиль;
13 и 14 — штуцеры; 15 — переливная трубка
218
Сварочные работы
Таблица 6
Техническая характеристика генератора АСП-1,25-6
__ 3, Производительность, м /ч до 1,5
Давление, кгс/см2:
рабочее после водяного затвора 0,1—0,7
максимально допустимое в корпусе генератора 1,5
Единовременная загрузка карбида кальция, кг 3,2
Время работы без перезарядки, ч 0,7—0,8
Допустимые размеры кусков карбида кальция, мм 25/80
Общая емкость генератора, л 50,6
Емкость, л:
промывателя 24,5
газообразователя 15
вытеснителя 11,1
Объем воды, л:
заливаемой в промыватель 7
заливаемой в газообразователь 7,6
заливаемой в вытеснитель 4,5
Габаритные размеры, мм 420 х 380 х 960
Масса без воды и карбида кальция, кг 21,3
ция, смоченного водой. Процесс вытеснения воды (ВВ) в таком генераторе сочетается с процессом погружения карбида (ПК).
В процессе ВВ загрузочное устройство с карбидом кальция неподвижно, а уровень воды меняется в зависимости от выработки ацетилена. С увеличением отбора ацетилена уровень воды повышается и увеличивается слой смоченного карбида кальция. В процессе ПК уровень воды постоянный, а загрузочное устройство с карбидом кальция поднимается или опускается в зависимости от давления ацетилена в газосборнике, вследствие чего изменяется количество смоченного карбида кальция.
Корпус генератора АСП-1,25-6 состоит из газообразователя и промывателя, соединенных между собой переливной трубкой.
В газообразователе происходит разложение карбида кальция с выделением ацетилена, в промывателе — охлаждение и отделение
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 219
от частиц извести. Вода в газообразователь заливается через горловину. При достижении уровня (торца) переливной трубки 75 вода переливается по ней в промыватель, который заполняется до уровня контрольной пробки 11. Карбид кальция загружают в корзину 4, закрепляют поддон 10, устанавливают крышку с мембраной на горловину.
Уплотнение крышки с горловиной обеспечивается усилием, создаваемым винтом 6 при помощи мембраны 5.
Образующийся в газообразователе ацетилен по переливной трубке поступает в промыватель, барботируя (бурление) через слой воды, охлаждается и промывается. Из промывателя через вентиль 12 по шлангу ацетилен поступает в предохранительный затвор 7 и далее на потребление.
По мере повышения давления в газообразователе давление ацетилена на мембрану преодолевает усилие пружины, перемещая ее вверх, при этом корзина с карбидом кальция, связанная с мембраной, также перемещается вверх, уровень смоченного карбида уменьшается, выработка ацетилена ограничивается и возрастание давления прекращается. При снижении давления в газообразователе усилием пружины корзина с карбидом кальция возвращается вниз и происходит замочка карбида кальция. Таким образом, процесс выработки ацетилена регулируется с помощью мембраны. Одновременно по мере увеличения давления в газообразователе усилие давления ацетилена на поверхность воды перегоняет воду в вытеснитель (карман по диаметру внутри генератора), и корзина с карбидом кальция оказывается выше уровня воды (исчезает контакт с водой), в результате чего реакция прекращается. По мере уменьшения давления вода вновь занимает прежний уровень (возвратившись из карманов) и вновь происходит замочка карбида кальция.
Давление ацетилена контролируется манометром 9. Слив ила из газообразователей и иловой воды из промывателя осуществляется соответственно через штуцеры 13 и 14. Предохранительный клапан 3 служит для сброса ацетилена при увеличении давления в генераторе выше допустимого. В месте присоединения клапана к корпусу установлена сетка для задержания частиц карбидного ила, окали
220
Сварочные работы
ны и др. Вентиль 12 служит для пуска и регулирования подачи ацетилена к потребителю.
На базе генератора АСП-1,25-6 разработан ацетиленовый морозоустойчивый генератор АСП-1,25-7, отличающийся от АСП-1,25-6 наличием в загрузочной корзине теплоотводящей вставки, которая делает возможной переработку до 5% карбида кальция грануляцией 2/15 мм. Генератор АСП-1,25-7 удобен в эксплуатации при минусовой температуре окружающей среды в частности за счет того, что комплектуется незамерзающим затвором типа ЗСН-1,25.
В литературе имеются описания ацетиленовых генераторов типа АН В-1,25-69 (с вытеснением воды наружу), АСВ-1,25; AM В-1,25 и др., которые не выпускаются с 1980 г, поэтому они здесь не рассматриваются.
За рубежом ацетиленовые передвижные генераторы почти не выпускают в связи с неэкономичным расходованием в них карбида кальция, а пользуются баллонным ацетиленом.
Применение передвижных генераторов в России пока еще необходимо в связи с отдаленностью рабочих мест от стационарных станций, производящих ацетилен с последующей заправкой его в ацетиленовые баллоны.
4.8. Предохранительные газовые затворы
Для предотвращения взрыва газов на ацетиленовые генераторы устанавливаются предохранительные затворы — водяные и сухого действия. Водяные затворы расчитаны на низкое и среднее давление газов. Поскольку генераторы низкого давления сейчас не выпускаются, водяные затворы низкого давления здесь не рассматриваются.
Водяной затвор среднего давления (рис. 76) устроен и работает следующим образом. Газ подается через трубу 7 в корпус 3 затвора. Затем он проходит через шаровой обратный клапан 2 (поднимая его своим давлением) с газораспределителем, через слой воды и далее п горелку через ниппель 6. Вода в затвор заливается через отверстие,
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 221
Рис. 76. Устройство и схема работы водяного затвора среднего давления: а — нормальная работа затвора; б — обратный удар пламени;
1 — газоподводящая труба; 2 — обратный клапан; 3 — корпус; 4, 8 и 9 — пробки; 5 — мембрана; 6 — ниппель; 7 — контрольный кран; 10 — кран
скрываемое пробкой, до контрольного крана 7 и сливается через пробку. При обратном ударе пламени вода под давлением взрывча-гой смеси давит на шаровой клапан и закрывает его. Этим исключается прохождение взрывчатой смеси в газопроводную трубу. Под давлением взрывчатой смеси мембрана 5 разрывается и газовая смесь выбрасывается наружу. Для очистки клапана служит пробка. Затвор имеет свой кран.
Следует отметить важный момент: если водяной затвор исполь-ювать на расход газа больший, чем по его характеристике, то газ будет проходить через воду не отдельными пузырьками, разъединенными водой, а сплошным столбиком — каналом из сплошного газа и при обратном ударе пламя по этому каналу пройдет до генератора, что грозит взрывом.
222
Сварочные работы
Рис. 77. Предохранительный затвор ЗСГ-1,25-4
Мембранные затворы неудобны и невыгодны в эксплуатации. Разрыв предохранительной мембраны в случае обратного удара приводит к потере газа и перерывам в работе. А подбор, испытание и смена фольги требуют дополнительных затрат.
Затвор ЗСГ-1,25-4 — затвор среднего давления (рис. 77) на допустимое давление — 1,5 кгс/см2, а рабочее давление — до 0,7 кгс/ см2, пропускной способностью 1,25 м’/час, масса 2,5 кг. Затвор состоит из цилиндрического корпуса / с верхним и нижним сферическими днищами. В нижнее днище ввернут обратный клапан, состоящий из корпуса 4, гуммированного (гуммирование — это покрытие резиной металлической детали) клапана 3 и колпачка 2
Обратный клапан имеет отверстие для слива воды, закрытое пробкой 6, и ниппель 7 для ввода ацетилена в затвор. Сетка 5 предназначена для задержания частиц карбидного и других загрязнений ила, окалины.
В верхней части затвора расположен пла-мяпреградитель 10 и штуцер 11, а в нижней части — рассекатель газа 14, чтобы разрывать сплошность газового потока (цепочки) (рис. 77).
Пробка 8 предназначена для слива воды. Вода в затвор заливается до уровня конТ рольной пробки 9 при вывернутой накидной
гайке 12 и снятом ниппеле 13.
Ацетилен поступает в затвор по газоподводящей трубке, приподняв гуммированный клапан, проходит через слой воды, затем выходит через ниппель 13в шланги горелки или резака. При обратном ударе ацетилено-кислородного пламени клапан прижимается давлением воды к седлу и препятствует проникновению ацетилен* из генератора в затвор, а пламя гасится столбом воды.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 223
Жидкостные затворы воспринимают взрывную силу обратного удара, поэтому рассчитываются на максимальное давление, которое может создаться при взрыве.
Генераторы АСП-1,25-6 иногда комплектуются предохранительным затвором ЗСГ-1,25-4, который требует постоянного контроля уровня жидкости, а в зимнее время — замены воды антифризом, что не всегда возможно и приводит к увеличению затрат времени на обслуживание генератора.
В настоящее время выпускается надежный сухой затвор ЗСН-1,25, разработанный ВНИИавтогенмашем в 1979 г. Пропускная способность затвора 1,25 м3/ч ацетилена среднего давления. В корпусе 1СН-1,25 (рис. 78) выполнены обводной канал длиной до 1,55 м (лабиринтный), связывающий газовый объем под мембраной 2 с выходом из затвора, и седло отсечного клапана. Газонепроницаемая эластичная мембрана разделяет защитное устройство на две газовые камеры, сообщающиеся между собой только через обвод-
Рис. 78. Предохранительный затвор ЗСН-1,25:
I — корпус; 2 — мембрана; 3 — крышка; 4 — отсечной сферический клапан; 5 — стакан; 6 — уплотнитель; 7 — обратный клапан
224
Сварочные работы
ной канал. Газ от генератора через обратный и отсечной клапаны проходит обводной канал (лабиринт) корпуса и выходит из затвора.
При возникновении обратного удара пламя распространяется по обводному каналу, при этом мембрана под воздействием ударной волны прогибается и, входя в контакт с отсечным клапаном, заклинивает его в коническом седле. При возникновении обратного тока газа проникновению в генератор окислителя со стороны потребления препятствует обратный клапан.
Предохранительный клапан должен обеспечивать выпуск избытка газа из генератора и полностью открыться при давлении, превышающем максимальное рабочее давление не более чем на 15%. Так как разность максимально допустимого рабочего давления и давления, при котором открывается клапан, должна быть очень небольшой, для передвижных ацетиленовых генераторов изготавливают предохранительные клапаны мембранного типа, в которых площадь мембраны значительно больше площади выходного отверстия седла.
На ацетиленовые генераторы АСП-1,25-6 устанавливаются еще предохранительный клапан КПА-1,25-77, предназначенный дли сброса ацетилена в атмосферу из генератора при давлении в нем, большем максимально допустимого. Конструктивно он несложен и представляет собой корпус с расположенной в нем подпружи ненной мембраной. Усилие нажатия пружины на мембрану регулируется винтом и пломбируется.
В рабочем состоянии клапан закрыт.
Клапан срабатывает при давлении 1,5+1,7 кгс/см2.
Размеры клапана 62 х 80 мм, масса 0,21 кг.
4.9. Рукава (шланги) для газов
Для подачи кислорода и горючих газов к горелке резака выпуь • каются рукава (шланги) по ГОСТу 9356-75, состоящие из одной резины или двумя тканевыми прослойками для придания шламы прочности.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 225
В зависимости от назначения и условий работы, давления, рукава выпускаются трех типов.
Тип 1 — для горючих газов (ацетилен, природный газ) на рабочее давление до 6,3 кгс/см2.
Тип 2 — для жидкого горючего пропан — бутана на рабочее давление до 6,3 кгс/см2.
Тип 3 — для подачи кислорода на рабочее давление до 15 кгс/см2 (испытания — 20 кгс/см2).
По внутреннему диаметру для ГОМ в основном применяются шланги внутренним диаметром 6 и 9 мм, хотя выпускаются они различных диаметров от 6 до 16 мм.
По стандарту шланги выпускаются длиной 10 и 14 м или кратной длины.
Наружный диаметр шлангов на 8-10 мм больше внутреннего. Рукава (шланги), выпускаемые промышленностью, предусмотрены для эксплуатации при температуре от плюс 50 до минус 35°С.
Шланги, ранее использовавшиеся для горючих газов, нельзя применять для подвода кислорода.
Шланги маркируют несмываемой краской на концах по 0,5 м: шланги для горючих газов — красный, для жидкого горючего — желтый, для кислорода — синий.
Для безопасной работы от ацетиленового передвижного генера-юра длина шланга должна быть от 10 до 20 м. Шланг должен со-сюять не более чем из трех кусков, причем каждый кусок должен быть не менее 3 м.
Шланг для подачи бензина должен быть цельным, без состыко-IIOK.
Соединение рукавов выполняется с помощью двусторонних гофрированных ниппелей и укрепляется хомутиком, обжимающим шланг па ниппеле по поверхности. Для предохранения источника газопита-пия от огня рекомендуется применять различные защитные устрой-ыва (водяной или сухой затвор), если не используется газовый ре-уктор, который выполняет роль затвора.
226
Сварочные работы-
4.10. Горелки для сварки
Горелка является основным инструментом газосварщика. Горелка предназначена для образования пламени с регулируемой тепловой мощностью. Промышленностью выпускается четыре типа горелок по ГОСТу 1077-79 со следующими характеристиками:
Г1 — горелка микромощности, безынжекторная (5—50 л/ч).
Г2 — горелка малой мощности, инжекторная (25—600 л/ч).
ГЗ — горелка средней мощности инжекторная (50—2200 л/ч).
Г4 — горелка большой мощности инжекторная.
Горелки выпускаются с наконечниками следующих номеров: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Горелка Г2 поставляется с наконечниками № 1; 2; 3, а наконечник № 0 — по дополнительному заказу. Горелка малой мощности предназначена для сварки сталей толщиной 0,3^-5 мм; работает с резиновыми рукавами диаметром 6 мм.
В комплект горелки ГЗ входит три номера наконечника № 3,4 и 6, а наконечники № 1, 2, 5, 7 поставляются по отдельному заказу.
Горелка ГЗ предназначена для сварки низкоуглеродистой стали толщиной от 0,5 до 30 мм, работает с резиновыми шлангами диаметром 9 мм. Чаще всего используются горелки малой и средней мощности.
Горелки типа Г4 выпускаются редко и, как правило, по специальному заказу.
Инжекторная горелка (рис. 79) — это такая горелка, в которой подача горючего газа в смесительную камеру происходит за счет образования зоны разрежения (вакуума), которой подсасывается горючий газ. Подсос создается струей кислорода, выходящего с большой скоростью из инжектора в смесительную камеру. Этот процесс подсоса газа с более низким давлением струей газа высокого давления называется инжекцией, а горелки — инжекторными.
Для нормальной работы инжекторной горелки необходимо иметь диаметр выходного канала мундштука равным диаметру канала смесительной камеры, а диаметр канала инжектора — в 3 раза меньше
Кислород из баллона через ниппель, трубку и вентиль 5 поступает в отверстие инжектора 4. Выходя из инжектора с большой ско ростью, кислород создает разряжение в ацетиленовом канале (в по
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 227
Рис. 79. Схема инжекторной горелки
лости) и засасывает ацетилен, который проходит через ниппель 6, вентиль 7 в смесительную камеру 3. В этой камере кислород, смешиваясь с горючим газом, образует горючую смесь. Горючая смесь, выходя из мундштука 1, поджигается и образует сварочное пламя. Подача газа в горелку регулируется вентилями 5 и 7. Сменные наконечники 2 подсоединяются к корпусу горелки накидной гайкой. Более подробно схема горелки показана на рис. 80. Ниппель 2 (с резьбой по мундштуку), трубка 3 и смесительная камера 4 спаяны между собой и образуют наконечник горелки.
Безынжекторные горелки (кроме микромощности) в России не выпускаются.
Для нормальной работы инжекторной горелки давление поступающего в нее кислорода должно быть 2-4 кгс/см2. Давление горючего газа может быть значительно ниже — 0,0 НО,2 кгс/см2.
Горелки имеют присоединительные ниппели для шлангов и накидные гайки для крепления ниппелей. Подача газа в горелку регулируется через кислородный и ацетиленовый вентили, которые находятся на корпусе горелки. Горелка имеет рукоятку, инжектор, ввернутый в смесительную камеру, наконечник (мундштук).
В смесительную камеру впаяна трубка горючей смеси, а на другом конце этой трубки имеется резьба для подсоединения мундштука (см. рис. 80).
Кислород под давлением до 4 кгс/см2 через вентиль поступает в инжектор и, пройдя узкое отверстие выходного канала инжектора, расширяется и создает разрежение (подсос) в зазоре, образуемом конусом инжектора и стенками смесительной камеры. Величина шзора сильно влияет на степень разрежения (подсоса)и устанавливается сварщиком опытным путем для варианта наибольшего под-
228
Сварочные работы
coca. При увеличении зазора до предельно допустимого подсос возрастает, при уменьшении — сокращается.
Горючий газ под давлением 0,01 кгс/см2 через вентиль поступает в пространство между инжектором и смесительной камерой, откуда засасывается в канал смесительной камеры (за счет разрежения, созданного струей кислорода), смешивается там с кислородом, и образовавшаяся горючая смесь поступает в мундштук по трубке и выходит из отверстия мундштука со скоростью 60-140 м/с, сгорает, образуя пла-1 мя температурой до 3200°С.
Диаметр канала в инжекторе (в мм):
____г к___ 0,45(р +1)
зона смешивания выходной канал газов инжектора
ацетилен
Рис. 80. Схема и принцип действия инжекторных горелок
а — схема инжекторной горелки; б — смесительная камера и инжектор; 1 1 — мундштук; 2 — соединительный ниппель; 3 — трубка; 4 — смеситель- I ная камера: 5 — накидная гайка: 6— инжектор; 7— корпус;
8 — вентиль; 9 — трубка рукоятки; 10 — кислородный ниппель;
11 — ацетиленовый ниппель; 12— трубка; 13 — вентиль ацетиленовый
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 229
Техническая характеристика наконечников универсальных сварочных горелок
-30 о со сч I -3100 сч in in I -170
х— I о 1900- со со I сч О
СО 10—18 11050—1750| 11150—1950| J 36'0 I 2-8 I I W I т сч 100—160
СО о X ш И—9 | 660—11001 | 740—12001 ю 2,3 I I I 7 СЧ 90—150
X X т ф X о си X 7 | 400—7001 | 430—7501 CD_ о" СП СП 1 сч О 7 со
Номера со I сч' | 230—400 | | 250—430 | 0,45 | СО со 1 2~4 1 75—135
сч 1—2,5 | 120—240 | | 130—260 | 0,35 | 1 1-15 | I Sl'l 1'5-4 I 65—135
т— -1,5 -135 -135 ш сч 1П со со со 7 -130
0,5- -0S О ю О о о х— -03
О 0,3—0,6 | 25—60 I 28—70 | со о CD I 9'° 0,8—4 | 40—135
J с а f г с с С > [примерная толщина I свариваемого металла (сталь), мм [расход газа, дм3/ч: | ацетилена I кислорода | [Диаметр канала, мм: I инжектора | | смесительной камеры | | мундштука | [Давление кислорода, кгс/см21 Скорость истечения смеси из мундштука, м/с
230
Сварочные работы
где vk — расход кислорода, м3/ч; р — давление кислорода, кгс/см2.
Например, расход кислорода гк = 0,22 м3/ч, давление р = 3 кгс/см2,
I 0,22 10,22
то d*= V 0,45(3 + 1) = V 1,8 ~ 0,3 9; d" = 0,35 ММ‘
Газосварщик должен четко знать принцип действия горелки и в особенности работу инжекторного устройства, состоящего из инжектора и смесительной камеры.
Засорения и забоины в канале инжектора, чрезмерное увеличение диаметра канала, смещение его по отношению к отверстию в смесительной камере отражается на количестве поступающего горючего газа, приводит к обратным ударам пламени, так как скорость выхода (истечения) горючей смеси из мундштука становится! меньше скорости ее сгорания. Обратные удары могут быть из-за перегрева мундштука до 400ч-500°С, и смесь воспламеняется внутри — до выхода ее из горелки.
Инжекторное устройство горелки должно обеспечивать некоторый «запас ацетилена», т. е. увеличение его расхода при полном открытии ацетиленового вентиля горелки по сравнению с паспорт-
Таблица 8
Техническая характеристика горелки ГЗ-02
Показатели Номера наконечников
1 2 3 4
Толщина свариваемой низкоуглеродистой стали, мм 0,5—1 1—2 2—4 4—7
Расход газа, л/ч
ацетилена 65—90 130—180 250—350 420—600
кислорода 70—100 140—200 270—380 450—650
Давление кислорода, кгс/см2 1,5—3,0 1,5—3,0 2,0—3,0 2,0—3,0
Давление ацетилена, кгс/см2 От 0,01 до 0,7
Длина ядра пламени, мм 6—7 8—9 10—11 13—15
Диаметр отверстия в мундштуке (номинальный размер), мм 0,8 1,1 1,5 1,9
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 231
ным расходом газа для данного номера мундштука, который должен быть не менее 15%. Для каждого наконечника любой горелки подобраны определенные размеры смесительной камеры, инжектора, мундштука. Например, для наконечника № 4 горелки ГЗ инжектор имеет диаметр отверстия 0,6 мм, смесительная камера — 1,9 мм и мундштук — 1,9 мм. Если на ствол (наконечник) № 4 установить мундштук с отверстием диаметром 2,1 мм, то скорость газа на выходе из мундштука резко уменьшается и пламя будет гореть внутри наконечника, что приведет к хлопкам и обратным ударам при работе ацетиленом, а для пропана это явление используется специально — для предварительного подогрева смеси (в специальном мундштуке).
То же наблюдается, если для наконечника № 4 использовать инжектор, имеющий диаметр менее 0,6 мм.
Перечень выпускающихся в настоящее время горелок в России приведен ниже — в номенклатурном перечне оборудования.
4.11. Заменители ацетилена
Одним из газов — заменителей ацетилена является пропан-бутановая смесь, теплотворная способность (калорийность) которого n 1,5 раза выше, чем у аценителена, но температура сгорания в смеси с кислородом ниже, чем у ацетилена, и примерно равна 2400°С. Этого недостаточно для сварки стали, хотя для цветных металлов пропан-бутановое пламя имеет определенные преимущества по сравнению с ацетиленом. Для повышения температуры пропанового пламени применяют в горелках специальные устройства, обеспечивающие предварительный подогрев газовой смеси перед сжиганием до 300400°С. Этот прием позволяет поднять темепературу пропано-кислородного пламени до 2700—2750°С, которой уже достаточно для успешной сварки стали.
Заменителем ацетилена является природный газ. По конструктивной особенности горелки для газов-заменителей должны обеспечивать эффективную тепловую мощность пламени, близкую к ацетилену, а каналы для прохода газов имеют размеры с учетом рас
232
Сварочные работы
хода, т. е. коэффициента замены газа-заменителя по отношению к ацетилену. Смысл в том, что для получения такого же количества тепла, как от ацетилена, требуется сжечь больше или меньше горючего газа — с учетом его теплотворной способности, за тот же отрезок времени.
Если принять расход ацетилена за единицу, то коэффициент замены ацетилена другими газами различен и зависит от теплотворной способности заменителя.
Таблица 9
Коэффициенты замены ацетилена
Горючий газ Коэффициент замены ацетилена Практическое соотношение ^кислорода? М горючего газа> Средняя скорость истечения смеси из мундштука, м/с
Ацетилен 1 1.3 80—140
Водород 5,2 0,4 100—180
Природный газ (метан) 1,8 1,5 40—70
Пропан 0,6 2,7 30—50
Бутан 0,55 3,5 25—45
Из табл. 9 видно, что для получения, например, эквивалентно!' ацетилену тепловой мощности пламени с природным газом потребуется природного газа в 1,8 раза больше по объему, а кислорода — в 1,5 раза больше.
Теоретически количество кислорода, необходимого для полного сгорания горючего по фазам горения, определяется следующими реакциями:
ацетилен. 1) С2Н2 + О2 = 2СО + Н2
2) 2СО + Н2 + 1,5О2 = 2СО2 + Н2О;
на 1 объем ацетилена требуется 2,5 объема кислорода;
пропан. 1) С3Н8 + 1, 502 = ЗСО + 4Н2
2) ЗСО + 4Н2 + 3, 502 = ЗСО2+ 4Н2О;
на 1 объем пропана требуется 5 объемов кислорода;
природный газ: 1) СН4 + 0, 502 = СО + 2Н2
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 233
2) СО + 2Н2 + 1, 502 = СО2 + 2Н2О
на 1 объем метана требуется 2 объема кислорода.
При сгорании 1 кг бензина требуется 2,6 м3, а для 1 кг керосина — 2,55 м3 кислорода.
Догорание части средней зоны пламени и факела происходит за счет кислорода воздуха, а качественные характеристики фаз горения неодинаковы, поэтому для нормального сжигания газа кислорода потребляется в соотношении для ацетилена — 1: 1,2; пропана — кислород = 1 : 2,8 природный газ: кислород = 1 : 1,5. Но учитывая, что по тепловерности вместо 1 м3 ацетилена требуется 0,6 м3 пропана, и кислорода потребуется =1,8 м3.
Известен ряд способов повышения тепловой эффективности пламени газов — заменителей ацетилена. Наиболее просто повысить температуру пламени (на 100—200°С) путем увеличения в смеси газов количества кислорода, но пламя при этом станет окислительным. Для кислородной резки, закалки это неплохо, но для сварки стали требуются особые меры защиты сварочной ванны от окисления.
Другой способ повышения эффективности нагрева — разделение потока газов пламени на несколько отдельных струй меньшего диаметра, сфокусированных в одной зоне (точке) на определенном расстоянии от торца мундштука (обычно 12-е-15 мм) в сетчатых мундштуках. Это способствует более быстрому прогреву газовой смеси перед воспламенением. При этом пламя укорачивается, ускоряется нагрев, но увеличивается и зона нагрева, что нежелательно.
Большое внимание в последнее время уделяется предварительному подогреву газовой смеси до 250—400°С на выходе из мундштука. Струя воспламеняется быстрее и на более коротком участке, конус пламени укорачивается приобретая четкое очертание.
Простой способ получения тепловой мощности пламени газа->аменителя, эквивалентной тепловой мощности пламени ацетилена — это взять наконечник горелки, инжектор и мундштук из номеров, представленных в табл. 10.
Мундштуки № 7 (отверстие 3,5 мм) применять нежелательно, гак как пламя горит неустойчиво, ядро размытое.
234
Сварочные работы
Таблица 10
Горелки для газов-заменителей ацетилена
Ацетилен Природный газ (метан) Пропан
№ наконечника горелки № инжектора № мундштука № смесительной камеры № инжектора № мундштука № смесительной камеры
1 2 3 — 3 4 4
2 4 5 4 4 5 5
3 5 6 5 5 6 5—6
4 6 7 6 6 7 7
Концентрацию и температуру пламени можно повысить путем утопления основного ядра пламени в тело мундштука (внутрь) на определенную глубину ступенчатым рассверливанием выходного канала мундштука на глубину 0,5 его диаметра сверлом, на 2 мм большим диаметра отверстия в мундштуке. Это рекомендация для упрощенного варианта и эффект ее незначительный.
Лучше вариант, когда смещение ядра пламени в тело мундштука производится в конусное углубление (с определенным углом), расширяющееся на выходе. Глубина конуса 4—6 мм. Это позволяет использовать теплоту от ядра пламени (внутри конуса) для само-нагрева мундштука и работать на высоких скоростях истечения горючих газов.
Используя пропан, эквивалентной тепловой мощности пламени достигают при значительно меньшем его расходе, чем ацетилен, но в два раза большем расходе кислорода.
4.12. Горелки для газов — заменителей ацетилена
На базе серийных ацетилено-кислородных горелок выпускается горелка ГЗУ-2-62 (рис. 81), в которой имеется подогреватель 2 между трубкой наконечника /и мундштуком 3. Подогревающее устройство обеспечивает нагрев горючей смеси до 300—360°С, в результате чего температура пламени повышается на 300—330°С по
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла
235
сравнению с температурой пламени на горелке, не имеющей подогрева; при этом образуется резко очерченное ядро.
Лучшим и более простым вариантом подогрева пропано-кислородной смеси до высокой температуры является успешное многолетнее применение самонагревного мундштука кумулятивного действия, разработанного Ю. А. Калачевым совместно с автором книги. В этом мундштуке, изменяя геометрию внутренних каналов и размеры их, можно увеличить скорость истечения и горения смеси, а также повысить степень концентрации (кумуляцию) пламени (рис. 82, табл. 11).
Известно, что увеличение скорости истечения жидкости и газов из сопла достигается
Рис. 81. Наконечник горелки ГЗУ-2-62 с подогревающей камерой:
1 — трубка наконечника горелки;
2 — подогревающее устройство;
3 — мундштук горелки
за счет его расширения. В частности, этот принцип использован в конструкции сопла реактивного двигателя. При выходе газов из расширяющегося сопла потенциальная энергия их струй переходит в кинетическую, в результате чего увеличивается скорость потока и струя сжимается благодаря разрежению, вызванному турбулентным движением газов. В кумулятивном мундштуке выходное сопло
(отверстие на выходе мундштука) заканчивается конусным углуб
лением, наличие которого приводит к увеличению скорости истечения газовой смеси.
В этом углублении образуется часть ядра пламени, от которого мундштук и газовая смесь подогревается, а это в свою очередь повышает температуру и тепловую мощность пламени. Ядро пламени характеризуется четкими очертаниями, хорошо поддающимся регулировке по величине утопления в мундштук, и по длине ядра.
Пламя горит устойчиво, но шума больше, чем от ацетилено-кис-лородного пламени.
236
Сварочные работы
Таблица 11
Размеры кумулятивного мундштука, мм
Размеры Номер мундштука
2 3 4 5 6
м А М8 х 1 МЮх 1 М10х1 М11 х1 М11 х1
0Б 4,3 4,8 6 6 6,5
0В 2 2,8 3 3,2 3,5
Г 4 4,5 5 5 5
д 20 25 28 28 28
Е 34 39 42 42 42
а° 30 35 35 35 35
Диаметр отверстия в инжекторе горелки 0,8 1 1,2 1,3 1,4
Впервые идея предварительного подогрева смеси пропан-бутано-кислородного пламени была реализована в газовой стандартной горелке, переделанной под подогрев газовой смеси по принципу керосинореза, но со своеобразной сферической «грушей», впаянной и
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 237
разрыв трубки наконечника. Эта горелка (рис. 83) получила название «Уфа» и предложена была сварщиком Р. Сабировым. Но по причине неудобства работы с ней эта горелка была вытеснена более удобными, усовершенствованными горелками в начале 60-х годов. Принцип предварительного подогрева газов перед выходом и сжигания сохранился, а изменились лишь пути его достижения.
Во всех горелках уплотнение между смесительной камерой и стволом горелки выполняется при помощи литых резиновых колец, изготовленных из термостойкой резины. Сальники вентилей набиты шестью пропарафиненными кожаными кольцами. Для изготовления сальников применяется обезжиренная кожа хромового дубления.
Шланговые штуцеры имеют резьбу М16 х 1,5, правую — для кислородного штуцера и левую — для ацетиленового.
Левая гайка и штуцер для ацетилена имеют отличительные проточки: штуцер — на пояске, гайка — на гранях.
Для обеспечения безопасной работы сварщик при обращении с । орелкой должен соблюдать следующие правила ее эксплуатации:
1. Перед началом работы проверить плотность присоединения шлангов к горелке мыльным раствором. Перед присоединением ацетиленового (пропанового) шланга нужно проверить наличие разрежения в ацетиленовом канале горелки. Величина надсоса зависит от зазора между концом инжектора и входом в смесительную камеру. Если зазор мал, то разрежение в
«груша» — полость подогрева смеси газов
подогреватель смеси газов
мундштук пламя
Рис. 83. Горелка Р. Сабирова
наконечник
вентили
кислород
пропан
рукоятка горелки
238
Сварочные работы
ацетиленовом канале будет недостаточным, в этом случае нужно несколько вывернуть инжектор из смесительной камеры.
Разрежение в ацетиленовом канале горелки определяется после присоединения кислородного шланга к полностью собранной горелке, затем устанавливают рабочее давление кислорода на редукторе баллона и открывают кислородный и ацетиленовый вентили. При этом в ацетиленовом ниппеле исправный инжектор горелки должен создавать подсос, который легко обнаруживается прикосновением пальца к ниппелю.
Если подсос отсутствует, то работать горелкой нельзя, ее нужно снять, осмотреть и устранить причину. Причинами отсутствия подсоса могут быть: ненадежное уплотнение между инжектором и седлом корпуса (торец кислородного отверстия внутри горелки неплотно соединен с инжектором), засорение мундштука, инжектора или, реже, смесительной камеры. Устранить это можно осторожной очисткой инжектора, регулировкой зазора между концом инжектора и входом в смесительную камеру, а также очисткой каналов инжектора и смесительной камеры алюминиевой или медной иглой.
2. При зажигании пламени горелки необходимо сначала отрегулировать пламя на нужную мощность. Для этого устанавливают рабочее давление газов на редукторах баллонов, открывая на 1/4 оборота кислородный и на полный оборот ацетиленовой вентили горелки и сразу зажигают горючую смесь, затем полностью открывают кислородный вентиль горелки и устанавливают ацетиленовым вентилем нужное пламя.
3. В процессе работы горелки по мере нагрева мундштука необходимо периодически регулировать пламя. Если в пламени появляется избыток кислорода, то нужно горелку охладить во избежание хлопков и обратного удара. Пламя гасят, закрывая сначала ацетилен, затем кислород.
4. При появлении непрерывных хлопков или обратного удара пламени следует погасить горелку и охладить. После обратного удара необходимо подтянуть мундштук и накидную гайку наконечника горелки.
5. При обнаружении утечки газов в горелке необходимо прекратить работу и устранить утечки.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 239
6. В случае применения в горелке сальников асбестового шнура они должны быть промышленными, а не пропарафиненны-ми, так как пары пропана, керосин растворяют парафин и герметичность может нарушаться.
7. Нельзя смазывать газоаппаратуру жидкими или твердыми жирами из-за опасности воспламенителя или взрыва. Неопасной для кислорода является ланолиновая смазка (бараний жир).
4.13. Газовая сварка
В последние годы газовую сварку преимущественно применяют при ремонте, а также на тех работах, где ее использование или более рационально или незаменимо — при отсутствии электроэнергии, оборудования, электроводов.
Газовую сварку применяют в основном для стыковых соединений, как более простых, а также иногда — угловых или с отбортовкой. Большая ширина нагрева в зоне сварки приводит к деформациям и внутренним напряжениям, особенно при тавровых и нахлесточных соединениях.
Часто применяют газовую сварку газопроводов из труб малого диаметра (разводка газовых труб в квартирах) как более удобную и практичную с технологической точки зрения.
Правилами в газовом хозяйстве разрешается применять газовую сварку для газопроводов диаметром не более 150 мм, при толщине стенок не более 5 мм.
Качество сварного шва во многом зависит от навыков, квалификации сварщиков. Газовую сварку освоить легче, чем ручную дуговую, и, как правило, из хорошего электросварщика после недолгого обучения получается хороший газосварщик, а наоборот — бывает потрудней.
При сварке пропаном вместо ацетилена очень важно помнить и выполнять одно требование — постоянно и в достатке давать присадочную проволоку, которая раскисляет, и буквально на глазах очищает ванну от окислов, так как проволока содержит 2% мар
240
Сварочные работы
ганца и 1% кремния (СВ-08Г2С). Если этого не делать, то сварка практически не получится хорошего качества. Для сварки низкоуглеродистой стали флюсов не требуется, как при использовании ацетилена, так и пропана.
При сварке пропаном диаметр присадочной проволоки 2 и 3 мм является самым удобным. Ядро пламени нужно держать на 12— 15 мм от расплава ванны, так как близкое расположение ядра оказывает механическое давление на расплав и отжимает его к краям ванны, особенно когда большое давление кислорода и горючая смесь выходит из мундштука с большой скоростью. Этим раздуванием ванны затрудняется качественная сварка.
Основные параметры режима газовой сварки — это мощность пламени, вид пламени, марка и диаметр присадочной проволоки, флюс, способ и техника сварки.
Вид сварочного пламени и его тепловую мощность сварщик устанавливает практически на глаз.
Присадочный материал для газовой сварки применяют в виде прутков, проволоки, порошков. Стальная сварочная проволока поставляется по тому же ГОСТ, что и для электродов, алюминиевая проволока — по ГОСТ 7871-75, прутки чугунные для сварки и наплавки (различных марок) — по ГОСТ 2671-70.
При сварке цветных металлов и чугуна для удаления окислов применяются легкоплавкие флюсы, которые вводят в сварочную ванну различными способами. Порошковые флюсы насыпают на горячий металл (основной и присадку) и он надежно прилипает и не раздувается пламенем. А наведенную пасту наносят на зону сварки кистью.
Как уже указывалось, для газосварки часто используют буру, борную кислоту, их смесь (пополам) или окислы и соли калия, лития, натрия и др.
Бура при разложении в сварочной ванне активно взаимодействует с окислами, переводя их в шлак.
Техника сварки
Применяются два способа газовой сварки — правый и левый (рис. 84—87). При правом способе пламя постоянно направлено па шов, а при левом — наоборот, на стык, подлежащий сварке. Этим
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 241
Левый
Рис. 85. Шов вертикальный
Рис. 84. Шов в нижнем положении
Рис. 86. Шов горизонтальный
Правый
Рис. 87. Шов потолочный
обеспечивается постоянный предварительный подогрев кромок, подлежащих сварке.
Рекомендации по технике газосварки
Режим сварки ацетиленом и пропан-бутаном близки, за исключением расхода газов, поэтому здесь приводятся режимы сварки пропано-кислородным пламенем, как менее известные (табл. 12).
242
Сварочные работы
Таблица 12
Режимы сварки стали пропан-кислородным пламенем
Толщина свариваемого металла, мм Предварительный зазор в стыке, мм Угол скоса кромок Диаметр сварочной проволоки, мм Номер наконечника горелки Расход л/ч Скорость сварки, м/ч
Пропан-бутан Кислород
0,5—1 1.0—1,5 Без скоса кромок 1,0—1,5 2 30—90 105—315 10—7
1—2 1,5—2,0 То же 1,5—2,0 2—3 60—180 210—680 7—5
2—3 2,0—3,0 — 2,0—2,5 3—4 120—270 420—945 5—4
Таблица 13
Механические свойства сварочных швов стали ст. 3 в зависимости от сварочной проволоки (сварка пропаном)
Сварочная проволока Механические свойства металла шва
Временное сопротивление, кгс/мм2 Предел текучести, кгс/мм2 Относительное удлинение, %
СВ-08ГС 42,4—44,5 28,3—32,2 11,6—12,9
43,9 30,4 12,05
СВ-08Г2С 36,6—42,4 19,45—29,9 13,2—19,7
43,9 23,3 16
Механические свойства сварочных швов при сварке ацетиленом сварочной проволокой СВ-08 примерно на 6-8% ниже, чем при сварке проволокой СВ-08Г2С. Это объясняется отсутствием леги-1 рования шва присадкой. Сварщику следует помнить и использовать еще одну особенность пламени горелки: у ацетилено-кисло-родного пламени наивысшая температура на расстоянии примерно] 3 мм от конца ядра, а у пропано-кислородного — примерно 12 мм от конца ядра.
Диаметр присадочной проволоки принимается равным половин! толщины свариваемого металла плюс 1 мм.
Ацетилено-кислородное пламя по отношению к расплавленному металлу является в основном защитной средой, затрудняющая
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 243
Таблица 14
Примерные нормы расхода материалов при сварке стыковых швов низкоуглеродистой стали
Толщина стали, мм Масса на-плавленного металла на 1 м шва, кг Расход материалов на 1 м шва
Присадоч- Сварка пропан-бутаном Сварка природным газом
ная проволока, кг пропан- с 3 бутан, м кисло- 3 род, м пропан- _ з бутан, м кисло- 3 род, м
Односторонние швы с отбортовкой кромок
0,5 0,012 0,014 0,008 0,022 0,015 0,030
1,0 0,028 0,029 0,013 0,044 0,038 0,057
1,5 0,049 0,051 0,023 0,021 0,071 0,107
Односторонние швы без скоса кромок
1,0 0,028 0,029 0,013 0,044 0,038 0,057
1,5 0,049 0,051 0,023 0,081 0,071 0,107
2,0 0,070 0,074 0,034 0,119 0,105 1,158
2,5 0,084 0,088 0,044 0,148 0,128 0,194
3,0 0,098 0,103 0,051 0,178 0,152 0,230
Таблица 15
Расход ацетилена и кислорода для сварки
Номер наконечника Толщина стали, мм Расход газов, л/ч
Ацетилен Кислород
0 0,2—0,7 20—70 26—90
1 0,5—1,5 50—120 60—140
2 1,0—2,5 130—200 156—240
3 2,5—4 220—380 260—450
доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющей окисление металла.
Техника нагрева и сварки осваивается хорошо, но сварщик должен выработать привычку умело манипулировать горелкой (ядром пламени) и прутком в поперечном и продольном направлении относительно шва, причем если ядро идет поперек в одну сторону, то
244
Сварочные работы
пруток присадки — в другую (поперек). Это обеспечивает и равномерный прогрев ванны и лучшее формирование шва.
Горизонтальные и потолочные швы выполняют правым способом — так удобнее формировать ванну и удерживать стекание металла из нее. При левом способе сварки металл сильно вытекает из сварочной ванны.
Правый способ сварки применяется довольно редко, так как его преимущество есть только при сварке больших толщин (5 и более мм), а при малых толщинах правый способ, не имея преимущества,! увеличивает опасность прожога металла, и не применяется.
Схема поперечных колебаний самая различная и определяется самим сварщиком в зависимости от удобства и качества внешнего вида шва.
Газовая сварка наиболее приемлема для сваривания малых толч щин, когда отсутствуют другие современные технические возможности в конкретных условиях.
К особенностям газовой сварки следует отнести почти исключительное выполнение сварочных швов за один проход, так как за второй проход в шве выгорает много углерода, что снижает механические свойства. Прочность сварки и расходы см. в табл. 13—15.
Газовую сварку иногда используют при ремонте закрытых емкостей из-под горючих жидкостей. Если при этом нарушаются правила безопасности, то происходят аварии и несчастные случаи из-за взрыва паров горючего. Тара из-под горючих материалов должнв быть очищена от остатков продуктов и промыта горячей водой с каустической содой. Можно использовать способ заполнения емкости выхлопными газами двигателя внутреннего сгорания. ЕмкосЯ сосуда и рабочий объем цилиндров двигателя должны соизмеряться с учетом постоянного избыточного подпора газами изнутри емкости.] Выхлопной газ по рукаву подается в емкость до полного заполнения и в процессе сварки подача не прекращается. Все операции с огнем около ремонтируемой емкости выполняют не ближе 3 м, пока не обезопасят емкость.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 245
4.14. Кислородная резка
Сущность кислородной резки металла — это химический процесс сгорания металла в струе чистого кислорода с выделением большого количества тепла.
На сжигание 1 г железа расходуется 0,27 л кислорода, а на 1 см3 железа — 2,15 л.
Количество тепла от сгорания железа при резке в 6—7 раз превышает количество тепла, даваемое подогревательным пламенем резака.
Для начала горения металла в кислороде нужно подогреть металл до 1100—1300°С. Температура начала горения зависит от содержания углерода, и чем больше углерода в стали, тем выше должна быть температура подогрева.
При содержании в стали углерода более 0,7% температура горения повышается настолько, что горение металла начинается при частичном расплавлении стали, а при более высоком содержании углерода — лишь при полном расплавлении, и, конечно, никакой
Рис. 88. Схема газовой резки
246
Сварочные работы
резки в нормальном понимании не происходит. Качественная резка стали возможна лишь тогда, когда металл горит в струе кислород! (после его подогрева) в твердом состоянии.
Процесс кислородной резки заключается в следующем (рис. 88): смесь горючего газа с кислородом выходит из мундштука резака, горит и образует подогревательное пламя. По осевому каналу режущего мундштука (в центре подогревательного пламени) подается и нужный момент технически чистый кислород по отдельному, автономному каналу. И подогретый металл начинает в этой кислород! ной (режущей) струе гореть, прогревая и нижние слои стали. Горение быстро распространяется на всю толщину, прожигая сталь с выходом струя режущего кислорода наружу. После прожога идет процесс
медленного перемещения резака вручную или механизмом с нуж! ной скоростью — происходит процесс резки с выдуванием струдй кислорода окислов, шлаков. Для нормального сдувания расплава
из зоны реза скорость кислородной струи должны быть очень вы-
Рис. 89. Фрагменты внутренних мундштуков
сокой (500—700 м/с — т. е. сверхзвуковая). Скорость кислородной струи влияет и на скорость сжигания металла. Для луч-J шего обеспечения этого требования большое значение имеют конструктивная форма и размеры канала прохода и выхода режущего кислорода во внутреннем (режущем) мундштуке. К сожалению, до сих пор решение этого вопроса далеко от совершенства, поэтому и сейчас применяются два довольно простых способа изго-'
товления отверстий для режущего кислорода, ступенчатое и цилиндрическое (рис. 89).
Струя режущего кислорода должна быть соосна (по центру) по
догревательному пламени.
Для осуществления кислородной резки металла необходимо, чтобы выполнялись основные условия резки:
1. Температура воспламенения металла в струе чистого кислорода должна быть ниже температуры его плавления, т. е. металл должен гореть в твердом состоянии.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 247
2 Температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления самого металла, т. е. окислы не должны быть тугоплавкими, иначе они не будут выдуватьсяиз зоны реза. Окислы, шлаки должны быть жидкотекущими. Окислы алюминия (А12О3) имеют температуру плавления более 2000°С, а сам же алюминий плавится при 657°С, поэтому он расплавляется, а окислы препятствуют горению его в твердом состоянии. Окислы хрома имеют температуру более 2200°С, никеля — около 2000°С, меди - 1200°С.
Окислы эти тугоплавки и не жидкотекучи, поэтому удалять их из зоны реза затруднительно
3. Металл не должен иметь высокую теплопроводность, ибо она усиливает охлаждение зоны реза и затрудняет быстрый местный подогрев металла. Невозможность кислородной резки меди происходит из-за высокой теплопроводности тугоплавких окислов и малой теплоты от сгорания ее в кислороде.
Всем перечисленным выше условиям удовлетворяет лишь сталь с содержанием углерода до 0,6% и с ограничением содержания легирующих примесей. Все другие металлы не удовлетворяют указанным выше условиям и не поддаются кислородной резке. Чугун не режется по причине низкой температуры плавления и высокой температуры начала горения в струе чистого кислорода. Еше одна причина — засорение струи кислорода графитом чугуна. Прежде чем вспыхнуть и гореть в кислороде, чугун сначала оплавится, а это уже не резка.
Практически не режутся высокоуглеродистые стали, высоколегированные хромоникелевые и хромистые. Такие металлы разрезают другими способами термической резки.
Кислородную резку применяют для сталей толщиной от 3 до 300 мм, но имеются специальные кислородные резаки, которыми можно резйть сталь толщиной до 2 м.
Обычными универсальными резаками режутся стали толщиной до 70—100 мм.
Для тонколистовых заготовок применяют пакетную резку, когда стопка заготовок укладывается на стол, сжимается, затем вы
24В
Сварочные работы
полняется резка. Это позволяет уменьшить деформацию тонких листовых заготовок, а грат (шлак) после резки образуется только на одной нижней заготовке.
Резка заготовок менее 3 мм возможна, но при этом от перегрева появляется большое оплавление кромок и большая деформация.
В процессе резки, чтобы не образовался подпор газов, способный нарушить резку и чтобы шлак свободно вытекал из зоны реза, под заготовкой должно быть свободное пространство не менее 250 мм.
Скорость резки (скорость реакции горения) металла зависит от давления кислорода в зоне реакции.
При повышении давления кислорода (в разумных пределах) режущей струи ускоряется окисление и лучше удаляются шлаки из зоны реза.
Для кислородной резки необходим чистый кислород, чистотой не менее 99%, иначе снижается скорость резки и сильно повышается расход кислорода.
Уменьшение чистоты кислорода на 1% снижает скорость резки на 20%. При чистоте кислорода менее 92% процесс резки нарушается. Технический кислород выпускается двух сортов: первый — 99,7%, второй — 99,5.
Основные режимы резки — это давление режущего кислорода и скорость резки.
В качестве горючего газа при резке применяют чаще пропан-бутан, природный газ, иногда пары керосина.
Для ускорения врезания на плоскости листа в зону подогрева вводят стальной пруток (лучше обрезь металла после ножниц), который начинает гореть и переносит теплоту от своего горения на поверхность врезания, чем очень ускоряет начало резки. Зазор в этом случае между плоскостью детали и мундштуком резака равен 10—15 мм, а обычно — 6—10 мм. Для ускорения врезания в толстом металле (не с края) делают либо засверловку, либо насечку зубилом — для образования острой кромки, которую быстрее можно подогреть и поджечь кислородом.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 249
4.15. Устройство газовых резаков
Устройство, образующее подогревательное пламя и автономную (независимо от подогревающего пламени) подачу режущего кислорода в зону резки, называется кислородным резаком (рис. 90).
Применяются резаки только инжекторного типа. Подогревательная часть резака устроена по принципу газосварочной горелки с аналогичным инжекторным устройством, а струя кислорода подводится по отдельному каналу и со своим вентилем.
Для процесса резки подогревательное пламя обеспечивает лишь 15% необходимого количества теплоты, остальное необходимое тепло получается в результате химической реакции сгорания стали в чистом кислороде. Чем быстрее горит газ, тем короче пламя, поэтому самое короткое пламя у ацетилена. При кислородной резке чем пламя длиннее, тем лучше для подогрева кромок. Природный газ и пропан-бутан имеют хорошую длину пламени.
Важными деталями резака являются наружный и внутренний мундштуки. Смесь газов выходит через кольцевую щель между на-
Рис. 90. Схема устройства кислородного резака:
7 — рукоятка; 2,3 — ниппели ацетилена, кислорода;
4, 5 — трубки ацетилена и кислорода; 6 — корпус с регулировочными вентилями: ацетиленовым 7 и кислородным 8. Наконечник включает в себя инжектор 9; смесительную камеру 10; трубку горючей смеси 11; трубку режущего кислорода 15 с вентилем 16; головку резака 12 со сменными мундштуками наружным 14, внутренним 13
250
Сварочные работы
С кольцевой щелью для смеси газов
Рис. 91. Вид на торец мундштука
ружным и внутренним диаметром наружного мундштука. В последнее время применяются многосопловые (несколько каналов) мундштуки, в том числе и выполненные цельными из одного куска металла (рис. 91).
По центральному отверстию выход кислорода, по щелевому зазору или периферийным малым отверстиям — выход смеси газон подогревательного пламени.
В многосопловом мундштуке выход отверстий подогревательного пламени не параллельный, а фокусируется в точке, примерно на 12 мм отстоящей от горца, и пламя от всех выходов направлено (сфокусировано) в одну зону. Это ускоряет процесс начала резки и саму резку.
Диаметр отверстия для режущего кислорода обычно 1,2—2 мм, диаметр отверстий в многосопловом мундштуке 1 —1,3 мм, в зависимости от мощности пламени и количества отверстий. Ширина кольцевой щели ~ 0,3 мм — для природного газа и 0,8—0,9 мм дли пропан-бутана.
В настоящее время существует более десятка различный кона рукций кислородных резаков, но принципиальная основа их ней i менна.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла
251
Существуют вставные универсальные резаки, которые ставятся вместо наконечника горелки и к рукоятке крепятся. На них выполнена кислородная трубка режущего кислорода с вентилем, кроме всех остальных необходимых каналов для смеси газов. Марка такого резака РГС-70, которым можно (и удобно) пользовать при монтаже, где требуется периодически и газосварка и газовая резка.
С внутренним мундштуком № 2А можно выполнять резку стали от 3 до 30 мм, с № За - 30—70 мм, при этом наружный мундштук один и тот же — № 1А.
Все резаки делятся на резаки малой, средней, большой мощности. Резаки малой мощности — для резки металла толщиной 3—100 мм, средней мощности — до 200 мм, и большой — до 300 мм. Резаки большой мощности используют только газы-заменители, и они отличаются относительно большими проходными каналами для газов.
Каждый резак имеет определенный комплект сменных мундштуков номеров 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6.
При необходимости мундштуки могут комплектоваться опорной тележкой (чтобы не держать резчику его консольно), циркульным устройством. Это дает большое удобство в работе и повышает качество.
На ручную кислородную резку нет требований стандартов по точности и т. п. Технические данные резаков указываются в паспортах к ним.
Керосинорезы применяются для кислородной резки, когда отсутствует возможность использовать горючий газ Они выпускаются в комплекте с бачком под керосин, который работает по принципу садового опрыскивателя. Марка бачка — БГ-68. Для резки применяют керосин осветительный или смесь пополам с бензином. Перед заливкой в бачок керосин фильтруют через мелкую сетку или через сукно. Керосинорезом пользуются при температуре не ниже минус 15°С, иначе керосин загустевает и затрудняет работу. Керосинорезом можно разрезать толщину до 200 мм.
Бачок заполняют горючим на 3/4 емкости.
В бачок заливается не более 5,5 л, затем воздушным ручным насосом поднимается давление до 3 кгс/см2. В процессе работы бачок периодически подкачивают насосом.
Рис. 92. Керосино-кислородный резак РК-71:
1 — гайка крепления головки; 2 — асбестовая набивка;
3 — гайка; 4 — кожух-экран зоны подогрева; 5 — жаропрочная трубка-испаритель; 6 — инжекторная трубка; 7 — вентиль регулировки пламени
Керосин из бачка по шлангу через вентиль и трубку 8 поступает в асбестовую набивку (оплетку) испарителя 5. Кислород через вентиль, проходя инжектор 6, поступает в головку резака. В головке кислород смешивается с парами керосина, образуя горючую смесь. Испаритель нагревается пламенем вспомогательного । мундштука 9. Смесь выходит через кольцевой зазор наружу внут-
ренним и наружным мундштуком, поджигается и образует подогревательное пламя, мощность которого регулируется вентилем и маховиком 7, который изменяет положение инжектора в смеситель-ной камере, регулируя объем этой полости (вокруг инжектора) Режущий кислород проходит через вентиль 11 и по трубке 10 на правляется в центральный канал внутреннего мундштука, соосно подогревательному пламени.
На резаке имеются (рис. 92) вентили для подачи кислорода и керосина.
В настоящее время освоен выпуск новой конструкции кероси нореза марки КЖГ-15.
Правила работы керосинорезом:
1. Давление в бачке должно быть ниже давления кислорода ~ на 1 кгс/см2, чтобы керосин через инжектор не попал в кисло родный шланг. В противном случае это может моментально привести к обратному удару пламени в кислородный шлаш и его загоранию, разрыву.
I
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 253
Подобные неприятности часто бывают именно с керосинорезами при небрежносной работе.
Обратный удар идет всегда в кислородный ишанг потому, что асбестовая шнуровая намотка на регулировочной трубке является естественным препятствием при отсутствии окислителя (кислорода).
Для защиты шлангов от обратных ударов на кислородный штуцер керосинореза крепят накидной гайкой предохранительный клапан ЛКО-2-74 (рис. 93), который является надежной защитой. Клапан этот компактный и мало-
Рис. 93. Предохранительный клапан ЛКО-2-74
габаритный. К нему крепится кислородный шланг (рис. 94).
При перерывах в работе закрывают вентиль подачи керосина в
испаритель, вентиль подогревающего кислорода, а керосинорез кладут головкой вниз; как и при розжиге, головка должна быть ниже. Это предотвращает затекание остатков керосина в кислородный шланг через инжектор и исключает возможность обратного удара пламени при возобновлении розжига резака.
2. Закрыть вентили кислорода и керосина, открыть инжектор керосинореза, затем насосом на бачке поднять давление до 3 кгс/см2.
3. Установить давление кислорода ~4 к (больше, чем в бачке).
4. Разжечь резак, открыв сначала горючее, затем подогревающий кислород и зажечь пламя. После достаточного прогрева испарителя отрегулировать пламя. Стабильность подогрева-
в керосинорез
из кислородного шланга
Рис. 94. Клапан против обратных ударов для керосинореза:
1 — пламярассекающая шайба; 2 — латунная сетка-теплопоглотитель;
3 — обратный клапан
254
Сварочные работы
ющего пламени проверяется кратковременным открытием режущего кислорода.
5. При прекращении работы керосинореза закрывают сначала вентиль режущего кислорода, затем — вентиль горючего, далее — вентиль подогревающего кислорода, после чего снимают давление в бачке спусным вентилем.
При хлопках и обратных ударах закрывают кислородный вентиль, вентиль баллона, затем — вентиль горючего. А потом — вентиль режущего кислорода.
Периодически необходимо делать ревизию резака, прочищать инжектор, а асбестовую оплетку либо менять, либо промывать н горячей воде, а также проверять на плотность все соединения.
Новую асбестовую оплетку нельзя делать слишком тугой: будет хуже испарение керосина, нельзя делать слишком слабой — керосин из головки будет поступать неиспарившимся.
Расход керосина — 0,6—0,8 кг/ч, кислорода — до 6 м3/ч, скорость резки — до 500 мм/мин.
4.16. Машинная кислородная резка
Для повышения точности резки и качества поверхностей деталей в зоне реза применяют различные специальные машины переносного типа и стационарные. Резак (или резаки) перемещается и двух взаимно перпендикулярных направлениях плоскости с нужной равномерной скоростью при помощи специальных механиз мов. Это повышает точность, чистоту и скорость резки.
По ГОСТу 5614-74 машины делятся на стационарные и переносные.
Стационарные машины бывают портальные (балка на двух ка-тучих опорах), консольные, когда имеется одна катучая опора, Я над листом резки — только консоль с резаковыми суппортами, и шарнирные.
По способу резки — кислородные (К), плазменно-дуговые (Пл) и другие.
Глава 4. Оборудование и технология газопламенной обработки металла 255
По способу управления (перемещения резака по линии реза) — на линейные (Л) (направляющая линейка), магнитные (М) — по стальному копиру для фигурной резки, фотокопировальные (Ф) по копир-чертежу для фигурной резки, числовые (цифровые) программное управление или микропроцессорное управление.
На несущей части машины имеется один или несколько суппортов, в которые крепятся резаки, приводы перемещения узлов машины в системе двух координат (в плоскости), иногда — устройство автоматического поддержания расстояния между поверхностью разрезаемого листа и торцом резака, пульт управления и газовые коммуникации.
Переносные машины — это самоходные тележки с двумя (чаще всего) резаками на суппорте, перемещающиеся от электропривода. Машину устанавливают на любой приемлемый копир-линейку или на циркульное устройство и вырезают детали с прямолинейным резом или по окружности со сравнительно большим радиусом.
Основной инструмент машины — газовый резак. Он отличается от ручного тем, что не имеет рукоятки, его крепят в специальный суппорт на машину. Машинные резаки, как правило, инжекторные, с запорными вентилями. Управление резаками на стационарных машинах — дистанционное, с пульта оператора.
Мундштуки применяются цельные или разъемные. Машины имеют свою техническую сложность и для работы на них резчики-операторы проходят специальную подготовку не менее 1 месяца.
Изготовление копир-чертежей (в масштабе 1 : 5 и 1 : 10) имеет также свою специфику, требующую специального обучения.
На механизированную кислородную резку листовой углеродистой стали толщиной 5—100 мм и механизированную плазменно-дуговую резку различных сталей и алюминия с толщиной листов 5—60 мм действует ГОСТ 14792-80, который устанавливает требования к качеству вырезаемых деталей по точности, перпендикулярности кромки реза к поверхности листа, шероховатости (чистоте обработки), а для плазменно-дуговой резки — еще и требования к ширине зоны термического влияния.
ГОСТ установлен и порядок условного обозначения всех перечисленных требований в технической документации.
256 Сварочные работы
Контрольные вопросы к главе 4
• ------------------------—1
7. Объясните различия между плазменной дугой и плазменной струей.
2. Чем и для чего заполняются ацетиленовые баллоны ?
3. Назовите наивысшую температуру пламени газовой горелки и в какой зоне она находится.
4. Как определить количество кислорода, ацетилена, углекислого газа в баллоне?
5. Для чего нужен редуктор на баллоне ?
6. Почему газовая сварка имеет ограниченное применение?
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ дуговой сварки
5.1. Сварка в защитных газах
5.1.1. Газовая защита сварочной ванны
Сущность способа сварки — использование какого-либо газа для защиты сварочной ванны от вредного воздействия окружающего воздуха.
В качестве защитных газов применяют аргон, углекислый газ и смеси этих газов, также азот. Широко применяется аргоно-дуговая сварка и сварка в СО2 (рис.’ 95). Она позволяет получить сварные соединения высокого качества из высоколегированных сталей, сплавов алюминия, магния, меди, титана.
Азотно-дуговую сварку неплавящимся (вольфрамовым) электродом применяют для сварки меди и ее сплавов, так как азот не реагирует с медью при высокой температуре и хорошо защищает от кислорода и паров воды, находящихся в воздухе.
Сварка в углекислом газе применяется для углеродистых и легированных сталей. Достоинства сварки в углекислом газе: высокая производительность, большой диапазон свариваемых толщин, ниже стоимость сварки, маневренность.
В настоящее время этот вид сварки применяется практически во всех отраслях промышленности. Но сварка в СО2 почти не используется на открытом воздухе, даже при сквозняках, так как нарушается газовая защита ванны.
Сварка в СО2 выполняется полуавтоматическим и автоматическим способом, плавящимся электродом.
258
Сварочные работы
Рис. 95. Схема сварки в СО2:
1 — электродная проволока; 2 — поток защитного газа (С02); 3 — токоподводящий мундштук; 4 — сопло для потока газа;
5 — подающий механизм; А — вылет проволоки электродной
Для сварки ответственных конструкций широко применяется сварка в смеси газов аргона и углекислого газа в соотношении 85% аргона и 15% СО2. Качество этой сварки сталей очень высокое, а особенности протекания процесса рассмотрены выше. Питание дуги осуществляют источники постоянного тока с жесткой характеристикой. В последние годы применяются в основном сварные выпрямители серии ВДУ с универсальной внешней характеристикой, т. е. жесткой, либо крутопадающей простым переключением пакетника.
Сварка производится на обратной полярности, так как при прямой полярности металл шва более пористый.
Переменный ток не применяется из-за низкой устойчивости процесса горения дуги, плохого формирования и плохого качества шва. Напряжение на дуге при сварке в СО2 должно быть не более 30 В, так как с увеличением напряжения и длины дуги увеличивается разбрызгивание и окисление. Обычно напряжение дуги — 22— 28 В, скорость сварки — 20^-80 м/ч, расход газа 7—20 л/мин.
Глава 5. Технология дуговой сварки
259
Для сварки применяется сварочная проволока СВ-08 Г2С, которая содержит элементы-раскислителя: марганец и кремний, которые восполняют выгорание их в сварочной ванне, предотвращают дополнительное окисление от СО2 и образование пор. Диаметры сварочной проволоки для полуавтоматической сварки: 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0 мм. Для автоматической сварки применяют иногда проволоку диаметром 3 мм.
Сварка в СО2 с проволокой дает провар более глубокий, чем электроды, поэтому при переходе с ручной сварки оправданным считается уменьшение катетов примерно на 10%. Это объясняется повышенной плотностью тока на 1 мм2 электродной проволоки.
Основные элементы режима сварки в СО2 следующие: диаметр сварочной проволоки, величина тока, скорость подачи проволоки, напряжение на дуге, расход газа защитного, вылет электрода (табл. 16).
Таблица 16
Типовые параметры режима сварки в СО2
Диаметр проволоки, м Сварочный ток, А Скорость подачи проволоки м/ч Напряжение на Дуге, В Расход газа, л/мин Вылет проволоки, мм
0,8 50—110 устанав- 18—20 5—7 6—12
1,0 70—150 ливается 19—21 7—9 7—13
1,2 90—230 подбором 21—25 12—15 8—15
1,6 150—300 под режим 23—28 12—17 13—20
5.1.2. Механизмы подачи сварочной проволоки
Для подачи сварочной проволоки в зону сварки применяют механизмы (редукторы) в комплекте со специальными шланговыми держателями, по спиральным направляющим каналам которых подается проволока в зону сварки.
Такой комплект оборудования называется подающим механизмом, а в комплекте с источником питания сварочной дуги — сварочным полуавтоматом (рис. 98), сварка же называется полуавто
260
Сварочные работы
матической, так как механизирует одно из двух главных движений ручной дуговой сварки — подачу электрода (проволоки) в зону шва, но перемещение шлангового держателя вдоль (для образования шва) выполняется сварщиком вручную. Подача проволоки с катушки выполняется механизмом подачи типа МПО-42-2(-3); МПК-2А; МПЗ-4А, где МПО — с открытой кассетой, МПК — с встроенной кассетой для проволоки, МПЗ — с закрытой кассетой.
Механизм имеет электродвигатель, силовой редуктор, одну или две пары роликов — прижимных и подающих.
Проволока подается равномерно с заданной скоростью по спиральному каналу гибкого шлангового держателя. Шланговый держатель является одной из важных частей полуавтомата. Внутри него помещена плотно навитая спираль из углеродистой проволоки, по которой проходит сварочная проволока. Эта спираль снаружи имеет тканево-резиновую защиту (заливку) и сохраняет свою гибкость в определенных пределах. Отдельно, но рядом со спиралью проходит токопроводящий провод сварочного тока. Иногда спираль и провод токопровода совмещены в одной оболочке и очень успешно используются в работе, как это выполнено в проводе КШПЭ или и проводе КПЭС-3 х 2, 5 х 75.
Провода для управления сварочным полуавтоматом от кнопки (на горелке держателя) проходят вместе с проводом сварочного тока.. Полуавтоматы бывают передвижные и переносные, т. е. либо на тележке, подающей механизм, либо в виде чемоданчика или ранце/ вый (заплечный).
При прохождении (проталкивании) проволоки по направляющей стальной спирали появляется сопротивление иногда очень боль-1 шое, и происходит пробуксовка подающих роликов. Для снижения сопротивления спирали рекомендуется смазка внутри нее дисульфидом молибдена. Сварочную проволоку с низкой упругостью, мяг-J кую, например алюминиевую, не удается подавать по спирали тол-ц кающим способом, так как она сминается, поэтому выпускается две разновидности подающих механизмов по принципу действия — толкающего и тянущего типа (рис. 96, 97).
Скорость подачи проволоки можно определить по формуле:
Глава 5. Технология дуговой сварки
261
v • F
________ v св. 1 шва под.пр._р ’
1 ЭЛ.
где гподлр — скорость подачи проволоки; гсв — скорость сварки; F — площадь сечения шва; Fm — площадь электродной проволоки.
В этом типе полуавтоматов длина шланга не превышает 1 м. При большей длине шланга требуется увеличение мощности привода, что утяжелит горелку.
Европейское условное обозначение горелок шланговых держателей — МИГ/МАГ, или ТИГ означает: сварка металлическим электродом или тугоплавким электродом в инертном или активном газе.
В настоящее время выпускается более 12 разновидностей сварочных полуавтоматов с различными техническими данными, под разные диаметры и марки проволоки, в комплекте со сварочными выпрямителями с жесткими или универсальными характеристиками. Перечень их марок приведен в приложении.
Для сварки в смесях газа аргон + углекислый газ применяется универсальный газовый смеситель УГС-1 производства Барнаульского аппаратурно-механического завода, который обеспечивает, любой вариант соотношения газов.
Для сварки смесь газов аргон + 18% СО2 является наиболее универсальной, но часто используется смесь аргон +12—16% СО2. Необходимо помнить, что при добавлении к аргону более 26% углекислого газа процесс сварки протекает практически как в одном углекислом газе, утрачивая описанные выше достоинства. При нормальной смеси очень хорошо формируется шов, присутствие СО2 повышает глубину провара, разбрызгивание металла заметно уменьшается, а брызги очень мелкие, процесс горения дуги мягкий. Смеси газов СО2 + О2 себя не оправдали и в производстве не применяются. Смеси успешно применяют для сварки ответственных конструкций (например, грузоподъемных устройств) из легированных сталей типа ЗОХГСА, 12ГН2МФАЮ, 14ХГН2МДАФБ, 10ХСНД, 15ХСНД, ЗОХГТ, 18ХГТ и подобные. При этом применяется сварочная проволока марок СВ-07ХНЗМД, СВ-08ХН2ГМТА и подобные.
Не следует увлекаться большими диаметрами сварочной проволоки. Лучшие результаты по качеству дает многослойная сварка
2Б2
Сварочные работы
Рис. 96. Шланговый полуавтомат толкающего типа:
1 — катушка с проволокой:
2 — механизм подающий;
3 — гибкий шланг; 4 — держатель горелки; 5 — наконечник с соплом газовым;
6,7 — прижимной и ведующий ролик;
8 — проволока. Длина шланга до 3,5 м
Рис. 97. Шланговый полуавтомат тянущего типа:
1 — катушка с проволокой, 2 — шланг, 3 — держатель горелки, 4 — подающие ролики, М — электродвигатель механизма протягивания
тонкой проволокой, шов при этом нормализуется, меньше столбчатых кристаллов. Например, сварка грузовых стрел подъемного кра на грузоподъемностью до 100 т выполняется проволокой диаметром 1,2 мм на токах 220—240 А в смеси аргон + 15% СО2 при толщинах металла 6—12 мм в 3—4 слоя. Плотность тока должна быть не ниже 85 А/мм2.
Следует обращать внимание на истечение защитного газа, которое должно быть без завихрений, турбулентности, так как при таком истечении может подсасываться воздух.
Иногда для сварки применяют омедненную проволоку, но еле дует помнить два заметных ее недостатка: наблюдается омеднение подающих роликов, у которых имеется насечка (треугольные шли цы) и спирали внутри направляющего канала, спираль забивается и шланг выходит из строя, поскольку спираль прочистить правей чески трудно; стоимость омедненной проволоки в 2,5 раза дорож обычной сварочной проволоки такого же диаметра. И если учесть, что за последние годы заметно повысилось качество сварочной пр< i
Глава 5. Технология дуговой сварки 263
волоки обычной (не омедненной), то смысл в применении омедненной теряется.
Вопросы очистки проволоки из бухт несложны и решаемы на любом производстве. Когда обычная проволока поставляется намотанной в специальных кассетах (их можно сразу устанавливать на полуавтомат), так как она чистая, защищена от коррозии, очистки и перемотки не требует.
Представительной комиссией ученых протоколом было разрешено применять проволоку сварочную диаметра 1,2 мм для любых конструкций вместо электродов типа Э50А, а проволоку диаметром 2 мм — для ответственных конструкций с толщиной листа до 24 мм также вместо электродов Э50А. Средний расход углекислого газа в России — около 1,6 кг на 1 кг проволоки, в Германии, Швеции этот показатель ниже — до 0, 9 кг на 1 кг проволоки. Это характеризует отношение к аппаратуре, культуру производства и аккуратность в работе.
Еще одна важная технологическая особенность; на подогретых деталях сварка в углекислом газе (и в смесях) хуже, так как конвективные тепловые потоки нарушают истечение защитной среды (газовой защиты), появляется подсос воздуха в дугу, следовательно, поры и ухудшение механических свойств. На основные типы и конструктивные элементы сварочных соединений при сварке в углекислом газе действует ГОСТ 14771-76. В качестве источников
Рис. 98. Сварочные полуавтоматы
264
Сварочные работы
питания сварочной дуги в основном применяются выпрямители типа ВДУ с универсальной (жесткой и подающей) характеристикой, а также другие типы сварочных источников питания с жесткой характеристикой.
Сваркой в углекислом газе, а также и в смеси аргона с СО2 можно выполнять сварку многих марок высокопрочной и теплоустойчивых сталей, например, 20ХГСА, 18ХМА, 12ХМ, 15ХМА, 20ХМ.
Высоколегированные аустенитные хромоникелиевые нержавеющие стали (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие) успешно сваривают в углекислом газе и смесях, но при этом сварочную проволоку нужно брать близкую по химсоставу или такую же, например, стали класса 18-8 типа 12Х18Н9Т сваривают проволокой СВ-06Х19Н9Т или СВ07Х18Н9ТЮ и т. д.
5.1.3. Порошковая сварочная проволока
Один из прогрессивных сварочных процессов дуговой сварки является сварка порошковой проволокой, имеющей в своем трубчатом стержне все необходимые компоненты наполнителя, аналогичные электродной обмазке, и сварка порошковой проволокой с дополнительной защитой струей углекислого газа.
Сварка порошковой проволокой в среде СО2 характеризуется большой глубиной проплавления и меньшим разбрызгиванием, мягкостью горения дуги. Металл шва имеет более высокие показатели пластичности и вязкости, чем металл, наплавленный проволокой Св-08Г2С. Конструкции меньше деформируются. Этим способом можно сваривать стали широкой номенклатуры.
Для подачи порошковой проволоки в гибкий шланг применяют, как правило, подающие механизмы с двумя парами роликов, чтобы не допускать ее смятие (сплющивание) перед направляющей спиралью. Но имеется многолетний опыт по подаче порошковой проволоки, например, ПП-АН8 диаметром 2,2 мм через стандартный шланговый держатель с внутренним диаметром спирали 2,5 мм одной парой роликов.
Самозащитная проволока обычно выпускается диаметром 3,2 мм и меньше, порошковая проволока с дополнительной защитой при
Глава 5. Технология дуговой сварки
265
сварке углекислым газом имеет диаметр 2,2 мм и менее. Сложное сечение проволоки (см. рис. 99) придает ей жесткость при прижиме роликами и обеспечивает расплавление шихты одновременно с обо
Рис.99. Формы поперечных сечений порошковой проволоки
Рис. 100. Схема сварки самозащитными порошковыми проволоками: 1 — оболочка;
2 — наполнитель (шихта), 3 — шлак;
4 — сварочная ванна;
5 — область газовой защиты
со2
Рис. 101. Схема сварки порошковой проволокой в среде углекислого газа:
1 — порошковая проволока;
2 — сварочная ванна;
3 — наплавленный металл;
4 — шлаковая корка, 5 — жидкий шлак
266
Сварочные работы
лочкой (рис. 100). В настоящее время выпускается несколько марок порошковой проволоки различного назначения, но особо следует отметить удачные марки проволоки ПП-АН8, ПП-АН10, которые более 20 лет до сих пор успешно применяются в производстве для сварки сталей повышенной прочности в среде углекислого газа (рис. 101).
Ведущим производителем порошковых проволок в России является Череповецкий сталепрокатный завод.
Основные режимы сварки проволокой ПП-АН8 диаметром 2,2 мм следующие:
• сварочный ток 160—450 А;
• напряжение на дуге 22—35 В;
• скорость подачи электродной проволоки 142—500 м/ч;
• расход СО2 — 6—16 л/мин.
Как показывает производственный опыт, сваркой в углекислом газе сварщики овладевают быстро, так как сварка при нижнем положении швов особенно удобна. В тех же условиях сваркой электродами варить значительно сложнее.
Сварка порошковой проволокой осваивается также свободно. I Оборудование для сварки порошковой проволокой почти всегда такое же, какое применяется для сварки сплошной проволокой в углекислом газе.
5.2. Сварка под флюсом
Впервые этот способ предложил и осуществил в конце XIX в. Н.Г. Славянов. В качестве флюса он применял дробленое оконное стекло.
Способ автоматической сварки под флюсом предложил Д.А. Дуль-чевский в 1929 г. Создание промышленного способа автосварки под флюсом и его внедрение связано с именем академика Е.О. Патона, который внес большой вклад в разработку его технологии, оборудования и материалов.
Сварка под флюсом — это дуговая сварка с использованием плавящегося электрода и введением в зону дуги гранулированной»
Глава 5. Технология дуговой сварки
267
(зернистого) флюса, слой которого полностью закрывает дугу и, частично расплавляясь, создает вокруг нее подвижную защитную оболочку, перемещающуюся вместе с дугой. Сварочная ванна полностью защищена от действия кислорода и азота воздуха. Сварочный ток в 3—5 раз больше, чем при ручной сварке электродами. Производительность сварочных работ возрастает в 6—10 раз.
Автоматическая сварка выполняется при помощи специальных аппаратов, которые осуществляют подачу сварочной проволоки в сварочную ванну и перемещение проволоки вдоль сварочного стыка (рис. 102).
Эти аппараты имеют устройство для подачи и уборки флюса, называемое флюсоаппарат. Бункер для подачи флюса находится на механизме (тележке) перемещения вдоль шва и расположен впереди электродной проволоки. Эти механизмы (тележки) называются сварочными автоматами, сварочными тракторами или сварочными головками, когда они подвесные, на направляющем рельсе.
Рис. 102. Схема электродуговой сварки под флюсом:
1 — электродная проволока; 2 — флюсовый пузырь; 3 — слой шлака; 4 — жидкий металл; 5 — флюс; 6 — сварной шов; 7 — основной металл;
8 — электродный металл
268
Сварочные работы
В процессе сварки расплавленная и затвердевшая часть флюса (шлак) образуют на шве толстую шлаковую корку. Флюс насыпается слоем толщиной 50—60 мм, дуга утоплена в массе флюса и горит в жидкой среде расплавленного флюса, в газовом пузыре, 1 образуемом газами и парами от дуги. Флюс позволяет устранить нежелательные механические воздействия дуги на ванну жидкого металла, разбрызгивание его и нарушение формирования шва даже при очень больших токах, так как флюсом создается статическое давление на жидкий металл до 8 г/см2, что дает возможность увеличить сварочный ток в три раза по сравнению со сваркой открытой дугой, а это повышает производительность сварки и качество.
Зона термического влияния и величина погонной энергии при автоматической сварке под флюсом примерно в два раза меньше, чем при ручной сварке, в результате значительно возрастает качество сварочных соединений.
Заключение дуги в сварочный пузырь со стенками из жидкого флюса практически сводит кминимуму потери металла на угар и разбрызгивание, которые составляют 1—2% от веса расплавленного электродного металла. Сварочные швы получаются равномерными и очень высокого качества.
Недостатки сварки под флюсом следующие:
• невидимость места сварки изделия, требующего точной сборки; 1
• возможность сварки только в нижнем положении;
• отсутствие мобильности для сварки швов малой протяженности, неприменимость вне цеховых условий;
• большой расход и относительно высокая стоимость флюса;
• неэффективность при сварке коротких швов (менее 400 мм).
Автоматическая сварка под флюсом применяется для изготои ления металлоконструкций ответственного назначения, с большой протяженностью, сварных швов, прямолинейных и криволинейных и с большой точностью сборки под сварку. Она успешно применяется при сварке железнодорожных цистерн, при производстве труб диаметром более 300 мм, при изготовлении пропановых баллонов, где стенка толщиной 3 мм, а также в конструкциях с большой тол щиной металла. Ее выгодно применять при крупносерийном произ водстве однотипных деталей.
Глава 5. Технология дуговой сварки
269
Рис. 103. Двухдуговой автомат А-1412 для одновременной сварки двух швов:
1 — сварочные головки; 2 — сварные швы без шлака; 3 — шлак на шве; 4 — корыто с флюсом
Сварка под флюсом широко применяется (и просто незаменима) в судостроении.
Промышленностью выпускается различное сварочное оборудование для сварки под флюсом, например, трактор сварочный ТС-17Р, сварочный автомат тракторного типа АД С-1 000, подвесные сварочные головки одноэлектродные типа АБС, а также двухэлектродные типа А-1412 (рис. 103) — для одновременной сварки двух одинаковых параллельных швов.
Применяется электродная проволока диаметром 2, 3, 4, 5 мм. При сварке проволокой диаметром 4 мм под флюсом сварочный гок — 500—800 А (при плотности тока 38—60 А/мм2), а при ручной
270
Сварочные работы
сварке электродами диаметром 4 мм сварочный ток 150—220 А (при плотности тока 12—17 А/мм2).
Указанное соотношение объясняет повышенную производительность сварки под флюсом.
С начала 60-х годов не применяется, поэтому здесь не рассматривается.
С внедрением более маневренного, мобильного, надежного способа сварки сталей в защитных газах полуавтоматическая сварка под флюсом стала невыгодной.
5.3. Электрошлаковая сварка (ЭШС)
Этот способ был разработан для сварки под флюсом вертикальных стыков из металлов большой толщины, т. е. для тех случаен, когда другие способы сварки экономически невыгодны и технически (с учетом качества) неприемлемы.
Диапазоны свариваемых толщин ЭШС — от 14 до 500 мм и более. Способ ЭШС разработан в начале 50-х годов прошлого века Сущность способа — сварка вертикальных стыков швов с прину дительным формированием расплавляемого металла в зоне ванны при помощи медных водоохлаждасмых ползунов. При сварке используются флюсы, которые расплавляясь, образуют шлаковую ванну толщиной 40+60 мм.
Ванна позволяет полностью защитить расплавленный металл li вредного влияния воздуха, а через флюс обеспечить легирование мс талла.
Электрошлаковая сварка производится нагревом металла теп лом расплавленного шлака, разогреваемого проходящим через шлак электрическим током. Сварка осуществляется с помощью слепи альных устройств — аппаратов. Эти устройства подают в зону ван • ны электрод (проволоку или ленту) и поддерживают устойчивы и электрошлаковый процесс, в котором электрическая дуга отсутствует, а имеется только жидкая ванна расплавленного флюса (шлака) и под ней — расплавленный металл ванны.
Глава 5. Технология дуговой сварки
271
Наличие ползунов — подвижных водоохлаждаемых устройств для принудительного формирования шва, позволяет удерживать рас
плав ванны в зоне сварки.
Аппараты имеют механизм перемещения, позволяющий перемещать их (равномерным движением) вдоль вертикального шва вверх.
Различают рельсовые и безрельсовые аппараты для электрошлаковой сварки. Рельсовые требуют для своего перемещения специальных направляющих, параллельных шву. Безрельсовые аппараты имеют специальные устройства для непосредственного сцепления с изделием.
В пространстве (рис. 104), образованном кромками свариваемого изделия 7 и формирующими приспособлениями (ползунами) 2, создается ванна расплавленного шлака 3, в которую
Рис. 104. Схема электрошлаковой сварки
погружается электрод 4. Проходящий между электродом и основным металлом сварочный ток 700—3000 А (напряжение ванны 3—50 В) разогревает шлак. Для начала наведения процесса (затравки) применяют электропроводной флюс. Процесс начинают на технологи-
ческой пластине, закрепленной (сваркой)к свариваемым кромкам (рис. 105). Вместе с электродным флюсом засыпают металлическую стружку. Электродный материал оп
лавляется в жидком шлаке (как сосулька в теплой воде), температура которого до 2000°С. При этом расплавлются и кромки изделия, образуя сварочную панну 5, а затем шов 6.
Качество сварки исключительно высокое, так как металл шва полностью 1ащищен от вредных воздействий воздуха, а также имеются неограниченные иозможности легирования ванны и вообще получать металл заданного состава. Высота ванны шлакового расплава (глупи на до зеркала ванны) — 40—60 мм.
Рис. 105. Цилиндр
1 — обечайка; 2 — пластина технологическая;
3 — выводные приставки
272
Сварочные работы
Скорость сварки — 0,35 — 8,0 м/ч. Аппараты бывают одно- и многоэлектродные.
В качестве источника питания применяется трехфазный трансформатор типа ТШС с жесткой внешней характеристикой.
В последние годы разработано около 20 различных типов аппаратов для электрошлаковой сварки, например, аппарат А-820М (рис. 106) состоит из сварочной головки подающего механизма 5, шкафа управления и катушек для сварочной проволоки. Головка перемещается по стандартному уголку 7(45 х 45 х 5), установленному на свариваемое изделие. Аппарат снабжен гибким шлангом для сварочной проволоки 4, бункером для флюса 3, шлангом для флюсо-
Рис. 106. Аппарат А-820М
Глава 5. Технология дуговой сварки
273
подачи 6, водоохлаждаемыми медными ползунами 2, шлангами для охлаждающей воды 7.
Техническая характеристика:
• сварочный ток, при ПВ = 100%, 700 А;
• диаметр сварочной проволоки 2,5—3 мм;
• скорость перемещения сварочной головки, 4— 12 м/ч.
Аппарат А-820М предназначен для электрошлаковой сварки вертикальных швов металла толщиной от 18 до 50 мм и электродуговой сварки под флюсом с принудительным формированием металла толщиной от 14 до 20 мм. Возможна также электрошлаковая сварка швов, расположенных наклонно (не более 45° к вертикали) при толщине металла до 35 мм.
5.4. Аргоно-дуговая сварка стали
Дуговая сварка в защитной аргоновой среде позволяет получить высокое качество швов, особо при сварке высоколегированных сталей малых толщин 1—3 мм. Аргон не вступает в химическое взаимодействие с расплавленным металлом и надежно защищает ванну от действия атмосферного воздуха.
Толщины свариваемых сталей — 1—3 мм. При сварке поперечные движения не делают, чтобы металл не окислялся. Сталь толщиной до 1 мм сваривают на прямой полярности, а при толщине до 3 мм — на обратной полярности (+ на электроде). Сварные соединения, как и при газовой сварке, в основном стыковые, с отбортовкой, угловые (табл. 17).
Толщины стали более 3 мм в аргоне, как правило, не сваривают из-за экономической нецелесообразности.
При сварке используется неплавящийся вольфрамовый электрод.
При необходимости обратную сторону шва защищают поддувом аргона.
274
Сварочные работы
Таблица 17
Режимы сварки нержавеющих сталей в аргоне
Вид соединения Толщина металла, мм Диаметр присадочной проволоки, мм Сварочный ток, А Скорость сварки, м/ч Расход аргона, л/мин
1,0 без присадки 50—120 20—80 3—5
1 ЧР 1 1,0 1.6 50—140 20—80 3—5
t= J 1,2 без присадки 55—140 25—30 3-^
2,0 тоже 100—160 23—28 5—6
( * 1 1,0 без присадки 60—70 28—32 3—4
4=^=1 1.0 то же 80—150 20—40 3 5
9 Контрольные вопросы к главе 5
• -----------------------------—— ---- —
1. Перечислите достоинства и недостатки сварки под флюсом.
2. Для чего к аргону добавляют 15—17% С02, при использовании газовых смесей при сварке?
3. В чем отличия ручной, полуавтоматической и автоматической сварки?
4. Назовите условия, необходимые для осуществленияы кислородной резки металла.
5. Назовите основные и дополнительные режимы сварки.
Глава В. НАЗНАЧЕНИЕ И СПОСОБЫ НАПЛАВКИ
6.1. Сведения о наплавке
По своей технической важности наплавка занимает особое место в промышленности, так как наплавка позволяет значительно повысить надежность узлов и деталей со специальными свойствами. Наплавка — это процесс нанесения на поверхность детали слоя нужной толщины и нужный свойств, отличающихся от свойств детали. Наплавленный слой может обладать, например, повышенной износостойкостью, антикоррозийностью, антифрикционностью.
Область применения наплавки: различные прокатные валки сталепрокатных станов, перед запуском в эксплуатацию наплавляются новым слоем (проволокой ЗХ2В8); уплотнительные поверхности задвижек пара и воды наплавляются новыми хромоникелевым сплавом; поршни и штоки гидравлики горных машин наплавляются в процессе изготовления бронзовой (антифрикционной) проволокой Бр. КМЦ-3-1; крестовины железнодорожный путей; опорные ролики рольгангов, тележек, тракторов и экскаваторов (гусеничных); колеса мостовых кранов (рис. 109), штампы вырубные; выхлопные клапаны автомобильных двигателей (слоем Х20Н80Т — нихром); ножи плужных лемехов; детали экскаваторов и землесосов; засыпные аппараты доменных печей; режущий инструмент и т. д.
276
Сварочные работы
Перечисленная номенклатура показывает важность наплавочных процессов.
Твердосплавная наплавка имеет свойство поддаваться термообработке (в том числе отжигу) после наплавки для выполнения необходимой последующей механической обработки резанием и закалки, а также неподдающаяся термообработке после наплавки. Обработку такой наплавки при надобности выполняют только абразивным инструментом.
Наплавка отличается от сварки малой глубиной проплавления основного металла. Это уменьшает внутренние напряжения, трещины и обеспечивает более чистым слой по сравнению с первоначальным химсоставом.
6.2. Материалы для электродуговой наплавки
Для целей наплавки выпускаются различные наплавочные материалы, например, порошки, проволока сплошного сечения и порошковая, электродная лента из спеченного порошка, электроды.
В настоящее время выпускается более 20 марок наплавочных электродов различного назначения. На этикетках к пачкам электродов дается четкая характеристика о назначеними и применении электродов. Например, электроды марки ЭН-60М применяются для наплавки режущих кромок различных штампов холодной штампов ки. После наплавки детали проходят отжиг, затем все виды необходимой механической обработки и после готовности производят их закалку.
Для наплавки молотовых и высадочных штампов применяются электроды ОЗШ-1, которые предназначены также и для сварки и относятся к типу Э100. Состав наплавляемого металла — 16Г2ХМ Электроды ОЗШ-6 применяют для наплавки бойков радиально-ко вочных машин. Для подобных же целей применяются электроды наплавочные марки ОЗ Ш-8, ОЗШ-З.
Для наплавки деталей железнодорожный рельсов применяю! электроды марки ОЗН-7М (для сталей 110Г13).
Глава 6. Назначение и способы наплавки
277
Для наплавки металлорежущего инструмента (взамен сталей марок Р18 и Р6М5), а также штампов горячей штамповки до 800°С применяются электроды ОЗИ-5.
Для упрочнения рабочего слоя детали при абразивном износе (например, детали лопаты бульдозера и др.) применяют электроды марки Т-590, порошковую проволоку ПП-АН170, как лучшие при таком характере износа деталей.
Одним из главных поставщиков электродов специального назначения (нержавеющих, наплавочных), а сейчас и электродов общего назначения в России является Московское АО «СпецЭлект-род».
Нередко для полуавтоматической наплавки применяют порошковую проволоку со специальной шихтой, например проволока марки ПП-АН170, тип ее ПП-Нп-80Х20РЗТ-Н-С-3,2. Твердость наплавляемого слоя HRC 59-68 (почти как у напильника). Подчеркнутые буквы расшифровываются как:
• Н — нахлесточная трубка в сечении проволоки с порошковым наполнителем. Оболочка проволоки это тонкая (до 0,03 мм) стальная лента;
• С — самозащитная проволока; не нужно газа, флюса;
• 3,2 — диаметр проволоки в мм.
Для наплавки применяют различные твердосплавные порошки — это в основном для деталей, испытывающих трение по металлу, абразиву. Марок порошков больше двух десятков, но чаще применяют боридную порошковую смесь марки БХ (50% боридов хрома, 50% железного порошка), дающая твердость до 70 HRC, а также карбидо-боридную порошковую смесь — КБХ, ФБХ (бориды и карбиды хрома — по 5%, феррохрома — 60%, железный порошок — 30%), и порошок ПГ-СРЗ. Порошковые материалы наплавляют либо угольным электродом, либо плазменной дугой, либо с использованием ТВЧ.
Наплавку газокислородным пламенем применяют редко; для это-1 о способа используют специальные газовые горелки БАП-2-69.
27В
Сварочные работы
6.3. Материалы для механизированной наплавки
При значительных объемах наплавки, а также при высоких требованиях к качеству применяют автоматическую и полуавтоматическую наплавку с применением порошковой твердосплавной наплавочной проволоки или порошковой ленты для твердосплавной наплавки. Порошковая лента, позволяет получать широкий, тонкий и равномерный слой. Спеченная лента на железной основе изготовляется методом порошковой металлургии шириной 30—60 мм, толщиной 0,8—1,2 мм с необходимым составом компонентов, например, лента ЛС-5Х4ВЗФС по ГОСТ 22366-77 имеет следующий химический состав: углерод — 0,6%, хром — 4,0%, ванадий — 3,0%, вольфрам — 0,5%, кремний — 0,8 %, марганец — 0,6 %. Наплавка лентой производится на постоянном токе обратной полярности, при плотности тока на электроде (ленте) 10—20 А/мм2 — это меньше, чем при сварке. Напряжение на дуге 28—32 В. Для ленты шириной 30 мм оптимальный ток наплавки — 300—600 А, вылет электрода — 20—40 мм.
Для наплавки применяют фторидные флюсы АНФ-5,48-ОФ-6, 48-ОФ-Ю.
Для наплавки углеродистых сталей применяют флюсы АН-348А; ОСЦ-45 и другие.
6.4. Вибродуговая наплавка
Вибродуговая наплавка — это наплавка, при которой прерывисто горящая дуга позволяет применять минимальный сварочный ток, а значит, и минимальный нагрев почти на всю глубину, сохранить химический состав и свойства наплавляемого материала. Например, при вибродуговой наплавке бронзовой проволокой Бр. КМЦ-3-1 диаметром 1,8 мм на стальной поршень гидроцилиндров горных машин проникновение железа в бронзу происходит на глубину до 0,3 мм при толщине наплавленного слоя 3,5—4 мм, и полностью сохраняются свойства наплавки, соответствующие бронзе. Бронза обеспечивав! антифрикционные свойства рабочего слоя наплавки.
Глава 6. Назначение и способы наплавки
279
Вибродуговая наплавка применяется для наплавки изношенных шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, а также для других работ. Вибрация позволяет стабилизировать горение дуги.
На Копейском машзаводе совместно с Челябинским политехническим институтом внедрена и успешно работает установка виб-родуговой наплавки бронзовой проволокой на стальную основу (поршни, штоки гидроцилиндров) вместо ручной газопламенной наплавки латунью, ЛЖМц-59-1-1 (рис. 107). Производительность труда возросла в 4 раза как за счет процесса наплавки, так и за счет уменьшения и упрощения технологических операций по механической обработке.
Наплавка выполняется в среде азота вибродуговой головкой собственного изготовления, установленной на токарный станок (рис. 108). В вибродуговой головке применена механическая (а не традиционно электромагнитная) вибрация, позволяющая регулировать частоту вибрации и размах электродной проволоки при этом.
Рис. 107. Общий вид установки для вибродуговой наплавки бронзовой проволокой на сталь
280
Сварочные работы
Рис. 108. Вибродуговая головка:
1 — горелка наплавочная; 2 — проволока наплавочная; 3 — механизм механи ческой вибрации электрода; 4 — электродвигатель механизма вибрации;
5 — узел наклона и вертикального перемещения головки наплавочной;
6 — суппорт токарного станка; 7 — токарный станок; 8 — электродвигатель привода подачи наплавочной проволоки; 9 — подвод защитного газа (азота); 10— корпус пневмоцилиндра зажима наплавляемой заготовки
Глава 6. Назначение и способы наплавки
281
Рис. 109. Установка А-384МК для автоматической наплавки крановых колес при ремонте проволокой марки ЗОХГСА под слоем флюса АН-348А
282
Сварочные работы
Размах вибрации регулируется от 0 до 4 мм за счет эксцентриковой втулки.
Установка позволяет наплавлять как наружные, так и внутренние поверхности втулок с внутренним диаметром от 42 до 260 мм. Наплавка выполняется в один слой с предварительным подогревом заготовок до 200—300°С. Прочность сцепления наплавленного слоя на срез (сдвиг) выше прочности бронзы Бр. КМЦ-3-1. Частота вибрации — 40—46 Гц. Размах вибрации при наплавке — 1,8—2,2 мм. Скорость подачи проволоки 30—42 мм/с. Азот в зону наплавки подается через ротаметр РС-5, который позволяет установить и контролировать нужный расход газа. Скорость наплавки — 12 мм/с. Длина поверхности наружной наплавки до 360 мм, внутренней — до 180 мм. Шаг наплавки — 3 мм/об. Расстояние от конца проволоки до поверхности наплавки — 15 мм. Напряжение на дуге — 16— 18 В. Копейский машзавод был первым, который внедрил описанную технологию с участием автора книги.
6.5. Плазменно-порошковая наплавка
Полуавтоматическая установка, внедренная на Копейском маш-заводе, выполняет плазменную наплавку порошком ПГ-ФБХ-6-2 ни абразивно изнашиваемую поверхность горнорежущего резца (рис. 110)
Рис. 110. Резец с наплавкой
Глава 6. Назначение и способы наплавки
283
Рис. 111. Схема плазменно-порошковой наплавки: 1 — источники питания;
2 — вольфрамовый электрод; 3 — плазмообразующий газ;
4 — транспортирующий газ и порошок; 5 — защитный газ
Установка состоит из выпрямителя сварочного ВДУ-504, плазмотрона (специального), загрузочного устройства, механизма подачи резца в зону наплавки. Особенность и сложность этой технологии в том, что размеры детали малы, толщина и ширина слоя наплавки, по понятиям сварщиков, тоже очень незначительны.
Отверстие Ф9 рассчитано под твердоспл авны й, вол ьфрамо- кобал ь-говый керн ВК8, который затем паяется в этом отверстии таблеточным припоем ПМНМц-68-4-2 с трехкомпонентным флюсом.
В плазмотроне применено последовательное охлаждение анодного и катодного узла (рис. 111).
Рабочий газ (аргон) подается от баллона на пульт управления и через систему газоснабжения — в плазмотрон.
Плазмотрон закреплен на установке в зоне наплавки. В качестве катода (электрода) применяется пру-
гок из лантонированного вольфрама диаметром 3 мм. Для крепления электрода применен цанговый зажим, что упрощает работу при обслуживании плазмотрона и исключает удары по нему при запрессовке электрода. С помощью цангового зажима устанавливается размер вылета электрода от торца цанги на длину 16 мм. Угол 1аточки электрода 60°.
9 Контрольные вопросы к главе 6
• -------------------------------------------------------
7. Назовите области применения наплавки.
2. Для чего нужна вибрация электрода при вибродуговой наплавке?
3. В чем достоинства плазменной наплавки ?
4. Сущность наплавки плазменной струей.
5. Особенности вибродуговой наплавки и область ее применения.
6. Перечислите наплавочные материалы и способы наплавки.
Глава?. СВАРКА ЧУГУНА
7.1. Чугун и его свариваемость
Чугун — это сплав железа с углеродом, в отличие от стали содержит много углерода, около 2—5%.
В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белые, серые, ковкие чугуны.
Белые чугуны — в изломе почти белый цвет, так как углерод н них находится в химическом соединении в виде карбида железа — цементита Fe3C. Цементит хрупкий и с высокой твердостью (выше твердости напильника), не поддается механической обработке режущими инструментами и как конструкционный материал практически не применяется (только для бил молотковых камнедроби л ок и им подобных).
Белый чугун используется для получения ковких чугунов после термообработки (томления в печах).
Серый чугун — в изломе серебристого цвета из-за наличия пластинчатых включений графита.
Большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Практически в чугунах около половины углерода содержится в свободном состоянии, в виде графита, остальной углерод находится в связанном состоянии (химсоединении).
Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, Температура плавления серого чугуна в зависимости от количеств;! углерода! 100— 1250°С, так как углерод снижает температуру план ления сплава и увеличивает его жидкотекучесть.
Глава 7. Сварка чугуна
285
При остывании чугун не имеет тестообразного состояния (из-за жидкотекучести), а сразу переходит в твердое состояние, и наоборот — сразу из твердого в жидкое. Поэтому он поддается сварке только в нижнем положении шва.
Ковкий чугун — название условное он не поддается ковке, так как у него повышенная пластичность, т. е. относительное удлинение до 10%. В ковких чугунах графит более благоприятные форм и с большой разобщенностью, такой чугун менее склонен к трещи-нообразованию.
Свариваемость чугуна. При оценке физической свариваемости его следует отнести к группе хорошо свариваемых материалов, а при оценке по технологической свариваемости, когда требуется сварное соединение без снижения качества основного металла и металла шва, чугун является трудносвариваемым сплавом.
Основные причины, ухудшающие свариваемость чугуна, следующие.
1. Возможность образования в шве и околошовной зоне хрупких и труднообрабатываемых структур отбела и закалки с очень высокой твердостью.
2. Высокая жидкотекучесть, низкая пластичность, так как отсутствует площадка текучести, которую имеет сталь. Это создает напряженное состояние структуры и приводит к трещинам.
3. Чугун не имеет пластического (тестообразного) состояния и при достижении температуры плавления мгновенно переходит из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении — из жидкого в твердое.
4. Образование пористости за счет большого количества окиси углерода и быстрое затвердевание расплавленного металла — причина того, что газы не успевают выйти. При содержании в чугуне углерода 4,3% температура его плавления сравнительно невысокая — 1150°С.
5. «Рост» чугуна, т. е. склонность серого чугуна к необратимому увеличению объема на 3—5% при нагреве его до 300—500°С приводит к деформациям, иногда — к трещинам.
286
Сварочные работы
При охлаждении чугун (как вода) расширяется. Повышенная склонность чугуна к образованию хрупких структур связана в основном с высоким содержанием в нем углерода. Это явление особенно проявляется при дуговых способах сварки. При локальном нагреве чугуна создается перепад температур в теле, который вызывает термические напряжения.
При газовой сварке обеспечивается большая зона плавного нагрева и меньшая скорость охлаждения, поэтому образование структур закалки и отбела сварного стыка менее вероятно.
В принципе, серый чугун — это не сплошной металл, а пористая металлическая губка, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом — графитом.
Такая структура неблагоприятна для сварки, она не встречается ни в одном другом металле. Относительное удлинение при разрыве серого чугуна практически равно нулю. Это характеризует его как непластичный материал.
Чугуны очень неоднородны по своему химсоставу и сильно засорены различными примесями, поэтому результаты сварки чугунных деталей одинаковой марки могут быть различны.
Нужно помнить, что есть виды чугунных изделий, чугуны которых практически совершенно не поддаются сварке, например, нс поддается сварке так называемый горелый серый чугун. Горелым он называется потому, что подвергался длительному воздействию высокой температуры (например, плита на печке), кислот, пара и т. д. Из-за пористости чугуна в подобных случаях окисление проникает на всю толщину металла, обволакивая металлические зерна пленкой окислов и делая металл рыхлым, механически непрочным и главное — несмачивающимся никаким жидким металлом. При попытке сварки дугой, в стыке от температуры образуются (скаты ваются) шарики полуметалла, а стык на их объем углубляется и получается канавка.
Плохо свариваются чугуны с черным изломом.
Нужно помнить, что никому в производстве еще не удавалось получить равнопрочное чугунное сварное соединение.
Технологические трудности сварки чугуна породили множество способов его сварки и их разновидностей, но ни один способ In*
Глава 7. Сварка чугуна
287
является вполне приемлемым для всех случаев, встречающихся в практике.
Поэтому сварку чугуна применяют только при ремонтных работах и при устранении мелких дефектов в отливках. Накопленный опыт позволяет сделать вывод, что газовая сварка является одним из надежных и несложных способов, позволяющих получить наплавленный металл, по свойствам близкий к основному металлу. Это объясняется термическими процессами при сварке, меньшей вероятностью появления в зоне сплавления отбеленного чугуна.
Способы сварки чугуна:
1. Горячая сварка чугуна.
2. Холодная сварка чугуна.
3. Газовая пайкосварка чугуна.
7.2. Горячая сварка
Горячая сварка — это сварка с дополнительным подогревом до 600—800°С. Этот способ является более совершенным по качеству до настоящего времени. Разработчиком его был И. Г. Славянов. При этом способе сварочная ванна имеет большой объем и место сварки предварительно заформовывается, чтобы удерживался жидкий металл с учетом образования небольшого усиления места сварки, с учетом припуска на механическую обработку. На свариваемых кромках предварительно снимают фаски для хорошего доступа сварочной дуги в зону сварки.
Формовочная смесь — кварцевый песок, смоченный жидким стеклом, или графитные пластины. Утечка жидкого металла из формы недопустима. После просушки формы производится нагрев свариваемого изделия — лучше в печи, но можно и другими эффективными источниками тепла до 600—700°С, со скоростью 50—60°С в час (темно-вишневый цвет).
Затем выполняют сварку газовую или дуговую. Подогрев делают для того, чтобы снизить скорость охлаждения металла шва и повысить пластические свойства соединения.
288
Сварочные работы
Газовая сварка выполняется мощным нормальным ацетиленокислородным пламенем. При газосварке применение флюса обязательно. Чаще всего используется прокаленная бура Na2B4O7.
В качестве присадочного материала применяют литые чугунные прутки марки А и Б по ГОСТу 2671-70, диаметром 8—12 мм с повышенным (3—3,5%) содержанием кремния.
По окончании сварки изделие подвергают медленному охлаж дению в течение 3—40 ч любыми средствами, в том числе: закрывание асбестовой тканью или картоном, засыпка сухим, даже горя чим песком, охлаждение в камерах с термоизоляцией, и т. д. Очень хорошо показало себя охлаждение изделия в печи.
Электродуговая сварка чугуна с подогревом (горячая).
Для ручной сварки применяют электроды марки ОМЧ-1, которые изготовливаются из чугунных прутков марки Б по ГОСТу 2671-70 диаметром 6—12 мм, на которые наносится покрытие следующего состава, в %:
мрамор — 25,0;
полевой шпат — 25,0;
графит серебристый — 41,0;
ферромарганец — 9,0.
Для питания дуги применяется переменный или постоянный ток обратной полярности. Сила сварочного тока подбирается из расчс та 7—9 А на 1 мм2 площади сечения электродного стержня.
В процессе сварки отливка не должна охлаждаться до темпера туры менее 450°С. При необходимости производится термическим обработка после сварки. Применять при горячей сварке чугуна элек троды со стальным стержнем (например, электроды марки ЦЧ-5) можно, но качество будет хуже.
7.3. Холодная сварка
Холодной сварка называется потому, что изделие перед сварки» не проходит общий подогрев до высоких температур, а подогреву подвергаются лишь зона сварки и свариваемые кромки до темпе
Глава 7. Сварка чугуна
289
ратур 350—500°С в зависимости от габаритов изделия и толщины стенок.
Газовая пайкосварка.
Этот процесс считается низкотемпературный пайкосваркой, так как редко поверхности свариваемых кромок доводят до температуры плавления, а присадочный материал, как правило, имеет температуру плавления меньшую, чем основной металл. Предварительный подогрев при низкотемпературной пайкосварке не исключается, так как в значительной степени облегчает выполнение работ качественно. Процесс пайкосварки является промежуточным между сваркой и пайкой. По отношению к нерасплавленным свариваемым кромкам чугуна — это пайка, припоем заполняется вся разделка свариваемых кромок.
Низкотемпературная пайкосварка выполняется ацетиленокислородным пламенем. В качестве припоев применяются чугунные или латунные прутки.
Достоинство газовой сварки в том, что пламя позволяет выполнять независимый, раздельный нагрев основного и присадочного металлов, флюсов.
Перед пайкосваркой изделие прогревают в печи до 300—400°С, а при небольших размерах изделия — пламенем газовой горелки. Подготовленные к сварке кромки обжигают пламенем горелки с избытком кислорода для выжигания графита на поверхности кромок, чтобы улучшить смачиваемость чугуна припоем и сцепление металлов. Разогретые кромки посыпают бурой или другим флюсом. Признаком готовности кромок к пайкосварке является равномерное растекание расплавленного флюса по кромкам (это 800—850°С). Разогревается конец присадочного прутка и опускается во флюс, при этом пламя горелки не должно отводиться от места нагрева. На горячий пруток налипает нужное количество флюса. На кромки нужно периодически подавать флюс. Затем расплавляется конец прутка с флюсом. Капли расплавленной присадки растираются тонким слоем по поверхности разогретых кромок этим же прутком. При соприкасании капли с кромкой соединения на поверхности кромки повышается температура, так как капля отдает свою часть теплоты. Под действием флюса и пламени капли жидкого припоя хорошо
290
Сварочные работы
растекаются по кромкам тонким слоем, заполняя поры и пустоты в чугуне, обеспечивая улучшение прочности сцепления.
Отрицательное влияние свободного графита на кромках при смачивании уменьшается активными добавками во флюсе.
7.4. Пайкосварка чугуна чугунным припоем
Способ применяется для исправления мелких дефектов и когда требуется получить структуру чугуна в наплавленном металле. Применяют чугунные прутки марки НЧ-2 и УНЧ-2 (табл. 18).
Таблица 18
Состав присадочных чугунных прутков для низкотемпературной пайкосварки, %
Марка прутка Углерод Кремний Марганец Фосфор Никель Титан Медь Сера
не более
НЧ-2 3,0—3.5 3,5—4,0 0,6—0,7 0,2—0,4 0,4—0,6 0,15—0,2 0,1 0,05
УНЧ-2 3,4—3,7 3.5—3,8 0,6—0,7 0,2—0,4 0,4—0,6 0,15—0,2 0,1 0,03
Прутки УНЧ-2 обеспечивают более плотный металл шва за счет низкого содержания серы и благоприятного соотношения углерода с кремнием. В качестве флюса чаще применяется плавленая бура.
Флюс помогает каплям присадочного металла легко растекаться по кромкам тонким слоем.
7.5. Пайкосварка чугуна латунными припоями
Преимущество пайкосварки чугуна латунью в том, что нагрел чугуна до температуры плавления латуни (850—900°С) существе! id но не изменяет структуру чугуна, а значит, не вызывает термических внутренних напряжений. Соединяемые кромки должны быть шероховатыми, так как гладкие поверхности латуни плохо смачиваются и сцепление латуни с чугуном недостаточно прочное. Углерод тоже препятствует смачиванию латунью, поэтому его выжига-
Глава 7. Сварка чугуна
291
ют с кромок окислительным пламенем или кромки покрывают пастой из железных опилок, борной кислоты и нагревают кромки пламенем горелки до 750—900°С. Проще способ выжигания углерода окислительным пламенем, его часто и используют.
Пайкосварка состоит в следующем: нагрев кромок до красного цвета, обработка флюсом, облуживание нормальным пламенем или немного окислителем. Пайкосварка выполняется в слегка наклонном положении снизу вверх, чтобы расплавленная латунь не закрывала луженые участки. Лучшие результата при левом способе сварки.
В качестве припоев применяют латунь Л63 или ЛОК59-1-03 по ГОСТ 16130-70. Испарению цинка препятствует пленка окис-лов кремния, а также избыток кислорода в пламени. Без применения мер защиты угар цинка составит 5%, а этот цинковый дым ядовит для организма человека. Соединения при такой пайкосвар-ке получаются почти равнопрочные с низкоуглеродистой сталью.
Низкотемпературная пайкосварка чугуна латунными припоями отличается тем, что рабочая температура процесса, температура предварительного нагрева зоны сварки составляет 650—780°С (т. е. практически температура смачивания поверхности металла). Снижение рабочей температуры достигается применением специальных флюсов, например, марки ФПСН-2. Флюсом нейтрализуется вредное действие свободного графита. При температуре плавления флюсов 600—650°С они являются индикаторами начала процесса при пайкосварке, т. е. сигналом для расплавления припоя. Флюс ФПСН-2 выпускается промышленностью, следующего состава, в %:
углекислый литий — 22,5;
кальцинированная сода — 22,5;
борная кислота — 45,0;
солевая плавленая лигатура — 10,0.
Состав солевой плавленой лигатуры: NaCl — 72,5% (поваренная соль), NaF — 27,5%. Флюс применяют в виде пасты, разведенной водой, или в виде порошка.
Наплавленный металл сразу же после сварки проковывают при температуре 600°С ручным медным молотком.
292
Сварочные работы
7.6. Электродуговая холодная сварка чугуна
Этот способ сварки часто применяют в ремонтных работах, осо бо, на сельхозтехнике. Сельхозмашиностроению принадлежит приоритет в разработке сварочных электродов марки МНЧ-2.
Стержни для электродов делаются только из цветных металло1п и сплавов, например, меди, медно-никелевых и железоникелевых сплавов.
Холодную сварку чугуна стальными или чугунными электрода! ми не применяют. Неоднократные попытки разработать такой техпроцесс не дали стабильных, пригодных результатов, даже с небольшим подогревом зоны сварки. Большим недостатком холодной сварки чугуна стальными и чугунными электродами являются высокая хрупкость и твердость переходных зон, что часто приводит к разрушению.
Такая сварка не гарантирует необходимого качества. Применение стальных ввертышей (шпилек) с последующей обваркой, также неприемлемо в большинстве ремонтных случаев. Для уменьшения твердости шва и переходных зон при холодной сварке чугуна с успехом применяются электроды смедно-никелевым стержнем, который называют монель-металлом. Основная марка таких электродов МНЧ-2 (~70% никеля, 28% меди).
Состав покрытия этих электродов следующий, в %:
мрамор — 54,0;
плавиковый шпат — 32,0;
ферромарганец — 3,0;
ферротитан — 3,0;
графит — 8,0.
Сварочный ток берется из расчета 30—40 А на 1 мм диаметра электродного стержня.
После сварки твердость наплавленного металла НВ 200—280 единиц, предел прочности при разрыве — до 12 кге/мм2. Никель не об| зует соединений с углеродом, поэтому отбеленная зона чугуна почти отсутствует. Сварка ведется короткими валиками (40—50 мм) с перерывами для охлаждения до температуры 60—70°С. Высота валика не менее 4 мм, причем каждый валик прочеканивается удараИ
Глава 7. Сварка чугуна
293
ми ручного молотка. Наплавку валика выполняют только в нижнем положении.
Дуговая сварка медными и медно-стальными электродами применяется при заварке дефектов чугуна на сложном фасонном литье, когда неприемлем подогрев, а также на отливках с браком по механической обработке, особенно в случае необходимости создания герметичности. При сварке применяются электроды с медным стержнем и с покрытием марки «Комсомолец-100» — разработки тамбовского завода «Комсомолец».
Электроды марки «Комсомолец-100» изготовляют путем нанесения на стержень из медной проволоки марки Ml,М2,М3 покрытия следующего состава, в %:
плавиковый шпат — 12,5;
полевой шпат — 15,0;
ферромарганец — 47,5;
кремнистая медь — 25,0.
Сварка электродами «Комсомолец-100» производится на постоянном токе обратной полярности, на сварочном токе в амперах:
Диаметр электрода, мм 3 4 5
Сварочный ток, А 140—200 200—300 300—380
Ток сравнительно большой, так как стержень и ванна медные, с большой теплоотдачей. Прочность при растяжении сварного соединения 25—30 кгс/мм.
Электроды ОЗЧ-1 изготавливают путем нанесения на медный стержень покрытия следующего состава, в %:
мрамор — 27,0;
плавиковый шпат — 7,5;
песок кварцевый — 4,5;
ферромарганец — 2,5;
ферросилиций — 2,5;
железный порошок — 50,0;
ферротитан — 6,0.
Временное сопротивление при растяжении 7—9 кгс/мм2. Сварка производится на постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток — 35 А на 1 мм диаметра электродного стержня. Сварку
294
Сварочные работы
выполнять короткими, до 50 мм, швами «вразброс» для предупреждения чрезмерного местного перегрева детали.
Основной металл проплавлять минимально.
Каждый наложенный валик сразу, пока горячий, проковывается. Если проковка недоступна или невозможна, то применение медных электродов нецелесообразно. Каждый валик должен остывать до 70—80°С. При выполнении всех рекомендаций сварка обеспечивает до 70% прочности основного металла и плотность сварного соединения.
9 Контрольные вопросы к главе 7
• -- J
1. В чем заключаются трудности сварки чугуна?
2. Какие чугуны не поддаются сварке и почему?
3. Перечислите способы сварки чугуна.
4. В каких случпях применяют сварку чугуна?
Глава 8. СВАРКА АЛЮМИНИЯ, МЕДИ, ЛАТУНИ, БРОНЗЫ
8.1. Свойства алюминия и его свариваемость
Существует много различных марок алюминия, но не все имеют хорошую свариваемость. Например, сплав алюминия с медью (4—5% Си) Д16, Д1, называемый дюралюминием, имеет плохую свариваемость и для сварных конструкций не применяется, а соединяется клепкой. Прочность дюралюминия выше прочности низкоуглеродистой стали. Свойства алюминия:
• удельный вес 2,7 г/см3;
• температура плавления 660°С;
• высокая теплопроводность — в 3 раза выше, чем у железа;
• высокий коэффициент теплового расширения — в 2 раза больше, чем у железа, который способствует увеличению деформаций.
Алюминиевые сплавы делятся на деформируемые — это прокат, штамповка, и литейные недеформируемые — силумины — сплавы алюминия с кремнием (5—12% Si).
Деформируемые материалы — АМц, AM г и чистый алюминий термически не упрочняются, а сплавы алюминия с медью, алюминия с цинком упрочняются термической обработкой.
Абсолютное большинство сварных конструкций изготовляется из деформируемых, термически не упрочняемых алюминие-магни-евых и алюминие-марганцевых сплавов. Для термически упрочня
296
Сварочные работы
емых сплавов сварка плавлением почти не применяется, так как околошовная зона сильно разупрочняется и невозможно получить прочное соединение. Сплавы — силумины имеют хорошую свариваемость.
Особенности сварки
Основным затруднением при сварке алюминия является тугоплавкая окисная пленка А2О3 с температурой плавления 2050°С, препятствующая сплавлению основного и наплавленного металла*! Окисная пленка очень тугоплавкая, механически прочная и представляет собой чрезвычайно прочное химическое соединение, которое плохо поддается действию флюсующих материалов из-за своего химически нейтрального характера. Попадая в шов, окисная пленка образует неметаллические включения, резко снижая показатели прочности и пластичности.
Алюминий при расплавлении не меняет свой цвет, поэтому визуальное наблюдение при сварке за состоянием ванны затруднено, особенно при подогреве, так как в один момент металл стыка может просто провалиться, распасться. Алюминий очень хрупок в нагретом состоянии. При сварке окисную пленку удаляют флюсами,j покрытиями электродов и специальными циклическими импульсами на дуге от источников питания.
Следующая трудность — образование пор по причине (как полагают) наличия в шве водорода. Он, вяло выделяясь из ванны] оставляет дефекты в виде пор. Алюминий при сварке склонен к кристаллизационным трещинам. Присутствие в нем железа и кремния сильно влияет на появление трещин в металле шва. Увеличение кремния до 0,6% снижает стойкость против образования трещин. Железо в шве до 0,7% положительно влияет на стойкость образования трещин. При содержании железа более 0,8% стойкость к образованию трещин снижается.
Виды сварки алюминия: плавлением и давлением; способы: ручная и механизированная в аргоне плавящимся и неплавящимся электродом, покрытыми электродами; газовая, давлением.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
297
8.2. Сварка алюминия угольным электродом
Этот способ сварки ранее успешно был внедрен электротехниками для сварки контактов электропроводов. Недостаток: чистый алюминий загрязняется углеродом. Источник питания — постоянный ток, полярность — прямая; флюс: криолит — 100% или криолит — 30%, хлористый калий — 50%, хлористый натрий — 20%; или литий — фтор, или литий — хлор. Сварку ведут на графитовых или угольных подкладках. Электроды графитовые или угольные, диаметром 8—15 мм; сварочный ток — 150—450 А. Флюс наносят на основной и присадочный материал.
8.3. Сварка алюминия покрытыми электродами
Покрытыми электродами сваривают толщины более 5 мм. Для листов толщиной до 12 мм разделка кромок (фаски) не требуется, так как проплавление происходит на всю глубину. Сварку выполняют с предварительным подогревом до 200—400°С. Ток постоянный, обратная полярность. Сварочный ток 25—32 А на 1 мм диаметра электродного стержня. Основу электродных покрытий составляют галоидные соли щелочных и щелочноземельных материалов, а покрытие галогенидного типа. Марки электродов ОЗА-1 и ОЗА-2.
Электроды ОЗА-1 предназначены для сварки алюминия АДО, А6, АД1, АД и подобного. Электродный стержень СВ-А97 (ГОСТ 7871-75). Предел прочности металла шва 6,5—8,5 кгс/мм2. После сварки шов следует немедленно промыть горячей водой и очистить стальной щеткой от остатков шлака. Электродная обмазка гигроскопична (поглощает влагу из окружающей среды), поэтому электроды перед сваркой просушивают при температуре 200°С в течение 2 ч. Тонкий листовой алюминий (до 3 мм) желательно варить с отбортовкой.
Для заварки литейных дефектов применяются электроды марки ОЗА-2 с электродным стержнем из кремнистого алюминия АК5 (ГОСТ 7871-75). Электроды ОЗА-2 применяются для наплавки де
298
Сварочные работы
талей из литейных сплавов марки АЛ-2, АЛ-4, АЛ-5; АЛ-9; АЛ-11, а также для их сварки. При сварке нужно учитывать необходимость любых подкладок (даже формовка размягченным водой асбестом) для удержания расплава алюминия от провала.
Электродные покрытия примерно того же состава, что и составы флюсов при газовой сварке или сварке угольным электродом. Хорошие результаты дает флюс АФ-4А следующего состава, в %:
хлористый натрий (пищевая соль) — 28,0;
хлористый калий — 50,0;
фтористый натрий — 8,0;
хлористый литий — 14,0.
Флюс наносится либо в виде порошка, либо в виде пасты, приготовленной на воде или спирте. Разводят флюс в необходимом количестве с учетом его хранения до 6 ч в закрытой таре, чтобы нс уменьшить его химическую активность.
При применении указанных флюсов для электродных покрытий к ним добавляют до 30% криолита Na3AlF6. По ГОСТ 7871-75 предусмотрено более 10 марок сварочной проволоки из техническо го алюминия и его сплавов, например, Св-А85Т, Св-А5, Св-АМн, Св-АМгб, Св-АК.5 и других диаметром от 0,8 до 12 мм. По химическому составу проволока должна быть близка к свариваемому мате» риалу. Основной вид соединения — стыковой, но при механизированной сварке в защитных газах применяют и тавровые, угловые соединения.
8.4. Автоматическая сварка алюминия по флюсу
Особенность сварки алюминия — по флюсу, а не под флюсом, заключается в том, что флюс имеет высокую электропроводность, шунтируется электродугой и дуга горит с видимым ярким свече нием.
Применяемый флюс марки АН-А1 имеет следующий состав, в Я
хлористый калий — 50;
хлористый натрий — 20;
криолит (Na3AlF6) — 30.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
299
Есть и другие марки флюсов, например АН-А4, АН-А6, но их составы отличаются практически незначительно. Высота слоя флюса— 15—30 мм сварочная проволока — Св-А97 и Св-АМц диаметром 2—3 мм; сварку ведут постоянным током при обратной полярности, сварочный ток — 300—400 А, напряжение на дуге — 38—44 В (т. е. повышенное), скорость сварки — 12—20 м/ч. Алюминий толщиной 4— 10 мм варят без разделки на стальной подкладке.
8.5. Аргоно-дуговая сварка алюминия
При ручной дуговой сварке применяется неплавящийся вольфрамовый электрод, а при полуавтоматической и автоматической — плавящийся, хотя при автоматической сварке нередко применяют и неплавящийся электрод.
В принципе, аргоно-дуговая сварка обеспечивает наилучшее качество по прочности, внешнему виду, имеет наименьшие технологические сложности.
Процесс ведения ручной сварки в аргоне осваивается квалифицированным сварщиком (при правильном объяснении) в течение одной смены.
При сварке в аргоне не требуется тщательной подготовки (очистки от окислов) кромок алюминия, сварка выполняется на специальном оборудовании, импульсом тока дуги, от которого разрушается и удаляется окисная пленка. В процессе сварки хорошо видно, как пленка окислов оттесняется в стороны от ванны и вскрывается чистый (как ртуть) серебристый металл, который медленно расплавляется при правильном режиме. На сварочных полуавтоматах применяется сварочная алюминиевая проволока диаметром 1—2 мм, сварочный ток до 300 А, скорость подачи проволоки — 150—650 м/ч, расход защитного газа (аргона) 300—600 л в час (в баллоне полном аргона 6000 л), и чем больше скорость сварки, тем больше расход аргона. Сварка вольфрамовым (неплавящимся) электродом выполняется на переменном токе с использованием в сварочной цепи специального осциллятора, сварка плавящимся электродом — на по
300
Сварочные работы
стоянном токе при обратной полярности, сварочный ток — 300— 400 А, напряжение на дуге 38—44 В, скорость сварки — 12—20 м/ч.
При сварке вольфрамовым электродом на прямой полярности («минус» на электроде) стойкость электрода и допустимый предель ный ток выше примерно в 7 раз.
Режимы автоматической сварки алюминиевых сплавов вольфра* мовым (неплавящимся) электродом (табл. 19). Присадочную проволоку диаметром 2,0 мм подают в зону сварки механически, по мерс надобности. Подающий механизм по принципу действия — не тол кающего, как для стальной проволоки, а тянущего типа.
Таблица 10
Режимы автоматическойсварки алюминия вольфрамовым электродом
Толщина металла, мм Диаметр электрода, мм Сварочный ток, А Скорость сварки, м/ч Расход аргона, л/мин
2 3—4 170—180 19 16—18
3 4—5 200—220 15 16—18
4 4—5 210—235 11 18—20
6 4—5 230—260 8 18—20
Режимы полуавтоматической сварки плавящимся электродом алюминия в аргоне для металла толщиной 3 мм: диаметр электроди — 0,8 мм, сварочный ток — 120—145 А, скорость подачи проволоки 900 м/ч, скорость сварки — 30 м/ч, расход аргона — 15—17 л/мин
Проволоку и свариваемые кромки обезжиривают ацетоном пли бензином, затем счищают окисную пленку стальной щеткой. Зачи стка позволяет сохранить алюминий чистым в течение 2 ч.
Сварка выполняется без поперечных колебаний электродом пни прутком. Сварку желательно вести на больших скоростях в одни слой, чтобы не перегревать металл.
Если толщина свариваемого металла более 8мм, то алюминии нужно предварительно подогревать до температуры 150—300°С i и редкой — по 80— 100 мм с каждой стороны стыка.
Оборудование для дуговой сварки алюминия и его особенней in рассматриваются в отдельной главе.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
301
Практически аргоно-дуговая сварка алюминия и его сплавов с середины 60-х годов является несложной задачей и хорошо разработанной в части технологии сварки.
8.6. Газовая сварка алюминия
Одним из наиболее доступных и недорогих является газовая сварка с использованием как ацетилена, так и пропан-бутана. Способ является надежным и незаменимым при отсутствии технических возможностей применить более совершенный способ, например, аргоно-дуговую сварку. По качеству соединения деталей газовая сварка дает удовлетворительные результаты. Во многом качество сварки зависит от качества флюса. До создания флюсов сварка алюминия являлась невыполнимой задачей. При создании флюсов было установлено, что растворителями для окиси алюминия являются галоидные соединения щелочного металла лития. Во флюсы для сварки алюминия чаще всего вводится хлористый или фтористый литий (LiCl или LiF).
Разработка флюсов для сварки алюминия сейчас не может считаться законченной.
Проверка пригодности флюса проводится так: нагревается небольшая зона (точка) горелкой до появления серой шероховатой поверхности (окисления), затем разогрев посыпается флюсом. Если флюс очищает поверхность металла до ртутного блеска, то флюс хороший. Настоящий флюс содержит обычно от 15 до 30% солей лития. Соли лития очень дорогие и дефицитны, поэтому делается много попыток создать флюсы, не содержащие лития. Но все без-литиевыс флюсы на сегодняшний день нельзя считать полноценными, а лишь заменителями, дающими более или менее удовлетворительные результаты.
Для ответственных сварочных работ, в особенности для тонких металлов при сварке алюминия и сплавов нужно применять флюсы, содержащие соли лития. В качестве горючего газа кроме ацетилена можно использовать природный газ, пропан-бутановые смеси
302
Сварочные работы
и водород. Качество соединения получается вполне удовлетворительное.
Флюс наносят в зоне сварки различными удобными способами в виде пасты или порошка, прилипающего к разогретому металлу
Находящиеся во флюсе фтористые соединения растворяют окис ную пленку А12О3 в расплавленной ванне, а хлористые соли лития отнимают кислород у окиси алюминия и металл становится чистым. Флюсы очень гигроскопичны, поэтому их хранят в герметич ной таре. Рекомендуется флюс АФ-4А как лучший.
Пламя газовой горелки нормальное, сварку ведут в нижнем по ложении левым способом, быстро, с расположением мундштука i о редки под углом 20—40°, а прутка — под углом 40—60° к плоскости детали. При сварке нужно постоянно помешивать (или щупать — при подогреве) концом прутка ванну. Сварку выполняют за один проход. Перед сваркой нужно предварительно подогреть детали до 250—300°С.
Прочность сварочного шва составляет 70—90% от прочное! и основного металла. Флюс, разведенный в виде пасты на воде, мо жет храниться в разведенном состоянии не более 10 ч.
Сварщику необходимо помнить, что алюминий и его сплавы при нагреве сразу переходят из твердой фазы в жидкую, минуя пласти • ческую. При нагреве до 400—500°С алюминий почти полностью теряет прочность и деталь может разрушиться (развалиться) иод действием собственной силы тяжести.
К свариваемым алюминиевым сплавам относятся следующие АД, АД-1, АМц, АМц, АМгЗ, АМг5В, АМгб, АВ, АДЗЗ, АД35, Д2й ВАД-1, В92У.
Присадочные прутки и свариваемые кромки обезжиривают ри створителями: уайт-спиритом, техническим ацетоном, раствори иг лем РС-1 или РС-2. Чтобы флюс не разъедал алюминий, после снар ки его удаляют следующими путями:
• промывкой горячей водой;
• травлением в 2,0%-ном растворе хромовой кислоты при гем пературе 80°С, выдержка 5 мин;
• промывкой в горячей воде и сушкой в шкафу при 100°С it нм на воздухе при 60—80°С.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
303
Качество промывки контролируют 2%-ным раствором азотокислого серебра. При обнаружении на поверхности б «елого налета промывку повторяют.
8.7. Сварка меди
Медь пластична в холодном состоянии и очень, хрупка при больших температурах, теряя и прочность. Отливки из меди имеют большую пористость и литейную усадку, поэтому лит^е детали из чистой меди не делают. Расплавленная медь хорошем растворяет газы, выделяя их при затвердевании, и это вызывает пористость.
Медь широко применяется в теплообменной а ппаратуре, электротехнике, в химических аппаратах и т. д. Например, в быту медь используется для изготовления водонагреваемых радиаторов в кухонных водоподогревных газовых колонках.
Свойства меди: высокая электро- и теплопроводность, прочность — 25 кгс/мм2, температура плавления — 1083°С, теплопроводность меди в 6 раз выше, чем у стали, поэтому при сварже требуется дополнительный нагрев мощным источником теплоты.
Нагретая медь легко поглощает водород, порождающий так называемую водородную болезнь меди. Водород проникает на большую глубину, и, взаимодействуя с закисью медиа водород восстанавливает ее по реакции
Cu2O + Н2 = 2Си + Н2О, образуя при этом пары воды. Молекулы воды, Нерастворимые в меди, накапливаются внутри металла в больших количествах, и при кристаллизации или возникают трещины там, где уже остыло, или поры там, где еще жидкий металл. Большое внутреннее давление в порах после охлаждения разрывает металл, образуя много микро-1рещин и делая металл непрочным. По существу, парами воды остывший металл просто распирается.
Медь легко окисляется в расплавленном состоянии и образует с кислородом два окисла: закись меди Си2О и окись меди СиО. Закись меди имеет разную растворимость в жидком и твердом метал
304
Сварочные работы
ле и температуру плавления 1О64°С, т. е. ниже температуры плавлс ния меди. Это приводит к неметаллическим включениям и снижаем теплопроводность.
Более легкоплавкая эвтектика Сп2О — Си при затвердевании выпадает в последнюю очередь, располагается по границам крис таллов и в итоге приводит к образованию горячих, кристаллизаци онных трещин. Качество соединения (сварки) невысокое. Поэтому предельное содержание кислорода в меди должно быть строго огра ничено до 0,03%, а в некоторых ответственных изделиях до 0,01%.
Висмут, свинец увеличивают вероятность образования горячил трещин, т. е. это вредные примеси.
Незначительное количество кислорода есть даже и в очень чис той меди, но это практически неопасно, так как при пластической деформации (прокатка, протяжка, проковка) включения эвтектики раздробляются и распределяются вдоль волокон металла. В таком состоянии кислородные включения незначительно влияют на мс ханические свойства меди. Но достаточно прокат нагреть для свар ки, как вновь образуются крупные кристаллические зерна металла по границам которых появляется кислородная эвтектика, снижая механические свойства меди.
Восстановить механические свойства можно механической об работкой, т. е. пластическим деформированием в холодном состоянии (проковка, гибка, прокатка и подобное).
Высокая теплопроводность меди заставляет применять при свар ке высококонцентрированные источники нагрева, а иногда — прел варительный и сопутствующий подогрев, так как при этом даже тепла дуги не хватает.
Высокий коэффициент линейного расширения требует приме нять особые меры против деформации, в том числе необходимо мп нимизировать количество прихваток в узле.
Способы сварки меди. Медь сваривается почти всеми известны ми основными видами и способами сварки, но при этом надо четки представлять все перечисленные ее свойства и особенности поводе ния.
Например, сварка меди газами — заменителями ацетилена не рекомендуется к применению, так как не дает удовлетворительны л
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
305
результатов по металлургическим и механическим характеристикам наплавленного металла по причине большого количества кислорода в пламени, который насыщает расплавленный металл кислородом, водородом и шлаковыми включениями.
Сварку меди выполняют следующими видами и способами и только в нижнем положении шва:
• дуговая сварка — угольным и металлическим плавящимся и неплавящимся электродом;
• газовая сварка ацетилено-кислородном пламенем. В качестве защитной среды используется флюс, инертный по отношению к меди газ (азот, аргон), а также электродные покрытия.
8.8. Сварка меди угольным электродом
Сварка меди угольным электродом при толщине до 3 мм выполняется по отбортовке без присадочного металла. В качестве присадки применяют медь Ml, фосфористую медь (например, МФ8 и др.) или кремнистую бронзу (например, БрКМц-3-1) диаметров от 2—8 мм.
Перед сваркой нужен предварительный подогрев до 250—350°С. Сварку производят на постоянном токе при прямой полярности и только в нижнем положении. Фосфор в меди является активным раскислителем и улучшает качество сварного шва. В качестве флюса применяют буру (95%) с борным шлаком (5%) или буру (100%).
Флюс наносят на смоченный в жидком стекле пруток, или «макают» нагретый пруток в порошок, или «припудривают» флюсом кромки.
Для сварки необходимо напряжение на угольной дуге 40—50 В и большая длина дуги. Возникает явление магнитного дутья, поэтому его нужно нейтрализовать, чтобы не отклоняло дугу. Способы борьбы с магнитным дутьем указаны при описании сварочной дуги.
306
Сварочные работы
8.9. Ручная дуговая сварка меди покрытыми электродами
Ток постоянный, обратная полярность, подогрев до 400“С, электроды марки «Комсомолец-100», ОЗЧ-1 и ОЗЧ-2. У всех этих электродов стержень медный, сварочный ток — 50 А на 1 мм диаметра электрода, напряжение на дуге 25—30 В. Лист толщиной до 4 мм варят без разделки кромок.
При дуговой и газовой сварке по причине жидкотекучести и большой теплоотдачи применяют графитовые или стальные прокладки.
Сварку можно выполнять и на переменном токе, но сила тока должна быть больше в 1,5 раза, чем при сварке стали.
8.10. Автоматическая сварка меди
Автоматическая сварка меди выполняется угольным электродом под флюсом толщиной 4—6 мм. В свариваемый стык кладу| полоску латуни ЛТ-80, флюс ОСЦ-45, режим: ток постоянный, прямая полярность, сварочный ток — 750—1000 А, напряжение дуги 18—24 В, скорость сварки — 16—22 м/ч.
Автоматическая сварка меди металлическим электродом под флюсом — ток постоянный, обратная полярность.
Электродная проволока — медь Ml, М2, флюсы: АН-20, АН-348А, ОСЦ-45, сварочный ток — 100 А на 1 мм диаметра электрода, напряжение на дуге — 38—40 В, скорость сварки — 15—25 м/ч. Боль шие толщины меди целесообразно варить двухэлектродной свар кой в одну ванну.
Сварка в среде аргона или азота
Сварку выполняют как плавящимся электродом (медной проволокой), так и вольфрамовым (неплавяшимся). Ток постоянный прямая полярность, сварочный ток — 400—900 А в зависимости ш толщины металла, диаметр вольфрамового электрода — 2,4-4,8 мм, присадочная проволока — 2—6 мм, расход аргона или а юи — 3—8 л/мин.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
307
8.11. Газовая сварка меди
Газовая сварка меди выполняется только ацетилено-кислород-ным пламенем строго нормального соотношения газов. Пламя применяют большой мощности и если пламени одной горелки недостаточно для прогрева, то применяют две горелки, чтобы обеспечить дополнительный подогрев. Шов заполняется в один слой. Сварку нужно вести с большими скоростями нагрева и охлаждения стыков без перерыва. Диаметр присадочной проволоки примерно равен половине толщины свариваемого металла. В качестве присадки применяют медные прутки и проволоку по ГОСТу 16130-72 марок: Ml, МСР1, МНЖ5-1, МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и другие. Сварочная проволока МСР1 содержит 0,8—1,2% серебра. Температура плавления присадочной проволоки должна быть ниже температуры плавления основного металла. Сварку выполняют на угольной, графитовой, асбестовой, стальной подкладке, прикрывая металл, чтобы уменьшить скорость теплоотвода. Флюсы применяют в основном следующие:
1) бура — 100%;
2) бура с борной кислотой пополам.
Есть до десятка рецептов флюсов для сварки меди, но все они изготовляются из окислов и солей бора и натрия. Флюс применяют в виде порошка, пасты, замешанной на спирте.
Сварка меди газами-заменителями не рекомендуется из-за значительного насыщения ее водородом. Хорошие результаты дает сварка меди с флюсом следующего состава, в %:
бура — 70,0;
борная кислота — 10,0;
поваренная соль — 20,0.
В качестве присадки рекомендуется брать не чистую электротехническую медь, а проволоку с небольшим содержанием фосфора, цинка, кремния, или же с добавкой серебра — до 1%. Если используется чистая медь для присадки, то во флюс вводят фосфористую медь.
308
Сварочные работы
8.12. Сварка латуни
Латунь — это сплав меди с цинком. Сварка латуни затруднена легкой испаряемостью цинка. Все способы сварки и наплавки ла тун и имеют определенные трудности в связи с бурным испарением цинка и образованием множества пор разных размеров.
Температура плавления цинка 420°С, а кипения 907°С, что бли i ко к температуре плавления латуни. Испаряясь, цинк быстро окисляется в тугоплавкую пылевидную окись цинка, которая очень ядо вита*. Предельно допустимая концентрация цинка в воздухе 0,005 мг/л, поэтому сваривать латунь необходимо под вытяжными ус i ройствами, а иногда в респираторе.
Средством уменьшения испарения цинка является примененш пламени с избытком кислорода и использование специальных, лс тированных кремнием, бором, алюминием присадочных материа лов, которые обеспечивают образование шлакового покрова, пре пятствующего испарению цинка из жидкого металла ванны. Свар ка латуни заменителями ацетилена осуществляется легко, сварочпан ванна спокойная. Формирование шва хорошее, шлак легко отдели ется от поверхности шва. Присадочный материал обычно той ж» марки, что и свариваемый, но хорошие результаты обеспечивав i проволока марки ЛК62-05, содержащая 0,5% кремния. В качеспи’ флюса применяют буру — 100% или буру — 20% — борную киелшу — 80%. Сварку выполняют преимущественно левым способом и нижнем положении или слегка наклонном (до 15°) положении шин Сварочная ванна, как и у меди, жидкотекучая. Латунь успешно сип ривают угольной дугой, а присадка и флюсы те же, что и при га к» вой сварке, режимы сварки такие же, как и для сварки меди.
Существуют способы сварки латуни металлическим плавящим ся электродом, но из-за токсичности расплава латуни и сложно» тей с покрытием электроды с покрытием нс выпускаются.
Сварку можно выполнять неплавящимся электродом (вольфрамо вым) в аргоне, электроконтактной сваркой и сваркой под флюсом
* Автору известен случай, когда за 3 ч работы в цехе на открытой плопшинА сварщик, выполняя газовую наплавку латуни на сталь, получил сильное отр.111 ние и инвалидность первой группы.
Глава 8. Сварка алюминия, меди, латуни, бронзы
309
8.13. Сварка бронзы
Сварка бронзы в основном применяется для исправления дефектных отливок из бронзы, ремонта деталей и наплавки. Бронзы с большим содержанием алюминия почти не поддаются сварке обычными приемами. Например, по этой причине бронзу марки Бр. АЖ9-4 не удавалось заварить из-за тугоплавкой двуокиси алюминия.
Бронзу сваривают угольным, металлическим электродами, в среде аргона — вольфрамовым электродом по технологии, аналогичной сварке меди. Сварку бронзы нужно вести быстро, ограничивая нагрев основного металла и размеры ванны, ускоряя охлаждение и затвердевание ванны. В качестве присадки используют прутки из фосфористой бронзы, флюсы и подогрев при сварке угольной дугой не обязательны.
Хорошие результаты дает сварка металлическим электродом — литым бронзовым стержнем.
Газовая сварка бронзы выполняется с предварительным подогревом до 450°С, присадочные прутки диаметром 5—8 мм, близкие по химическому составу к свариваемой бронзе. Бронзы очень жидкотекучие, поэтому их сваривают только в нижнем положении шва. При температуре 550—650°С бронзовые детали становятся чрезвычайно хрупкими и малопрочными. Газовое пламя сварочной горелки нормальное, флюс, например, такого состава: бура — 50%, борная кислота — 35%, кислый фосфористо-кислый натрий — 15%. После сварки литых деталей из оловянной или малокремниевой бронзы их отжигают при температуре 450—500°С и охлаждают в воде.
Сварной шов проковывают только при сварке прокатной брон-»ы, но не литой. Газовая сварка бронз дает прочность 75—90% от прочности основного металла.
9 Контрольные вопросы к главе 8 • -----------—------—--------------------------------
/. В чем трудности сварки алюминия?
2. Перечислите способы сварки алюминия.
310
Сварочные работы
3. Почему неприемлема сварка меди пропан-бутановым пламенем?
4. Перечислите области применения наплавки.
5. Для чего нужна вибрация электрода при вибродуговой наплавке?
6. В чем достоинства плазменной наплавки ?
7. Сущность наплавки плазменной струей.
8. Особенности вибродуговой наплавки и область ее применения.
Глава 8. КОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРОСВАРКА
9.1. Основные понятия
Способы контактной электрической сварки предложены Н.Н. Бе-
нардосом в конце XIX в., но развитие и применение ее задерживалось из-за отсутствия в те времена нужной технической базы.
Электрическая контактная сварка — это разновидность сварки давлением, при которой высококонцентрированный местный нагрев металла осуществляется теплом, выделяемым при прохождении электрического тока большой величины от одной соединяемой детали к другой перпендикулярно поверхности их соприкосновения. Местом максимальной концентрации нагрева в этом случае является электрический контакт деталей. После нагрева или в процессе его прикладывается усилие сжатия деталей в зоне сварки (рис. 112).
Контактная сварка — основной вид сварки давлением термомеханического класса. Различают более 10 разно-
Рис. 112. Процесс постепенного оплавления поверхности сварки:
5 — припуск на оплавление;
1 — детали до начала оплавления; 2 и 3 — оплавление;
4 — оплавление закончено, детали готовы к осадке
312
Сварочные работы
Рис. 121. Виды контактной сварки: а — стыковая; б — точечная; в — шовная, или роликовая;
1 — свариваемый металл; 2 — токоподводящие электроды;
3 — трансформатор
Рис. 114. Вид стыка, сваренного:
1 — без оплавления;
2 — с оплавлением;
3 — грат
видностей контактной сварки, но основных видов три: стыковая, точечная и шовная или роликовая (рис. 113).
Все виды контактной сварки имеют большое распространение в производстве, а в автомобилестроении она является одним из главных технологических процессов при изготовлении кузовов легковых автомобилей. Широко применяются не только стационарные машины, специальные сварочные стенды, но и подвесные клещи для точечной сварки.
Количество теплоты, выделяемой и зоне сварки определяется по закону Джоуля—Ленца Q = PRt, где I — сва рочный ток, A; R — полное сопротивление между электродами сварочной ма шины, Ом; t— время протекания тока, с Из-за высокой плотности тока в точках контакта металл разогревается до термо пластического состояния, безотавления или до оплавления (рис. 114). При не прерывном сдавливании нагретых дета лей образуются новые точки соприкосновения, и так до тех пор, пока не про
изойдет полное сближение до межатомных связей, т. е. до сварки.
Параметрами режима контактной сварки являются ток в амперах и его плотность на 1 мм2 (А/мм2), усилие сжатия свариваемых
Глава 9. Контактная электросварка
313
деталей Р, время протекания тока, установочная длина вылета заготовки — это расстояние от торца заготовки до края электрода.
Стыковой контактной сваркой можно соединять сечение площадью до 100000 мм2. Контактной сваркой соединяют рельсы, кольца, валы, трубчатые конструкции, арматуру для железобетона якорные цепи (рис. 115), и т. д.
Рис. 115. Пример применения контактной стыковой сварки звена якорной цепи
Для стыковой сварки плотность тока должна быть 12—20 А/мм2 — при оплавлении стыка и до 40—60 А/мм2 при осадке стыка. Скорость осадки 1—8 мм/с; величину давления подбирают опытным путем, но оно может составлять до 100—350 кг на зону сварки. Сварочные трансформаторы контактных машин — особой конструкции с водяным охлаждением, как и электроды, с той отличительной особенностью, что они выдают ток 1000—100000 А при напряжении всего 1—12 В.
Точечная и шовная (роликовая) сварки сходны по принципу, но шовная — это как особый вид точечной сварки, при котором отдельные сварные точки частично перекрывают друг друга, образуя сварной шов (рис. 116). Практически это достигается выполнением электрода в виде плоского ролика.
Импульсы тока по времени очень малы — менее 1 с, поэтому применяются специальные прерыватели тока.
314
Сварочные работы
Рис. 116. Схема шовной сварки:
а — двусторонняя сварка; б — односторонняя сварка;
1 — заготовки: 2 — электроды; 3 — медная подкладка для токоподвода с нижнего листа
свариваемые листы (внахлест)
Контактные машины включают и выключают со стороны первичной обмотки. В процессе сварки необходимо периодически включать и выключать ток. Для этого применяют различные прерыватели — от электромагнитных контакторов до электронных, а также, ионных приборов (игнитронов).
Электронные прерыватели обеспечивают включение и выклю чение сварочного тока с определенной продолжительностью импульса тока и паузы.
В настоящее время в России выпускается большое количество типов различных по назначению машин для контактной сварки.
Глава 9. Контактная электросварка 315
9 Контрольные вопросы к главе 9
• ----------------------------------------------------
7. В чем заключается сущность контактной сварки?
2. Перечислите основные виды контактной сварки и сущность процессов.
3. В чем заключаются достоинства и недостатки контактной сварки?
4. Перечислите области техники, где широко применяется кон-
тактная сварка.
5. Назовите виды оборудования, на котором выполняется кон-
тактная сварка.
Глава 10. СВАРКА ТРЕНИЕМ
10.1. Основные сведения
С появлением в 1966 г. сварки трением в инструментальном производстве на заводе, где работал автор, исчезли все проблемы с качеством, а также и излишние затраты.
Быстрорежущая с углеродистой сталью концевого режущего инструмента (сверла, фрезы, развертки, зенкеры и т. п.) до сварки трением соединялись контактной стыковой сваркой, от которой был частый и незакономерный брак. Он обнаруживался поломкой по стыку в процессе работы инструмента. Иногда брак обнаруживался у партии готового инструмента, а не на одиночных экземплярах. Качество стыковой электроконтактной сварки было нестабильным от многих меняющихся параметров, в том числе и от квалификации рабочего (навыков). К тому же этот способ сварки не имеет достоверного способа контроля качества сварки стыка. Приходилось иметь дело со многими меняющимися неизвестными.
После внедрения сварки трением на машинах МСТ-23, МСТ-35, МСТ-51 в первые же месяцы исчезли все проблемы с обеспечением качества, а производительность сварки увеличилась в 2—3 раза.
Сварка трением — высокоэффективный технологический процесс соединения заготовок преимущественно круглой формы из разнообразных материалов, в том числе разнородных. Эта технология 60-х годов получила быстрое распространение в отечественной и зарубежной практике. Поводом к этому послужили относительная простота оборудования, несложность процесса, и очень высо
Глава 10. Сварка трением
317
кое качество соединения. Особое преимущество процесса — его экономичность, простота работы.
Соединения заготовок при сварке трением обходится намного дешевле, чем, например, при использовании дуговой сварки. Правда, сварка трением по сравнению с дуговой сваркой обладает меньшей универсальностью, так как ее можно использовать нс для всяких деталей. Однако там, где это возможно, прежде всего в условиях массового производства, по качеству и экономичности этот способ не имеет конкурентов в технологии соединения заготовок.
Впервые сварка трением металлов была практически реализована в СССР в 1956 г. в опытах токаря А. И. Чудикова (он приварил сверло к детали на токарном станке). Затем институт ВНИИЭСО разработал основные теоретические положения нового процесса, рекомендации по оборудованию и по практическому применению в производстве. После опубликования в 1957 г. работ ВНИИЭСО по сварке трением многие организации и предприятия стали заниматься развитием и широким внедрением сварки трением.
Сварка трением — это вращение зажатых заготовок при нагреве их трением с практически мгновенным торможением в конце процесса нагрева, с постоянным усилием сжатия заготовок при нагреве, увеличенным, но постоянным по величине усилием проковки после нагрева и торможения заготовок (рис. 117).
Основными параметрами режима сварки трением являются скорость вращения свариваемых деталей, величина осевого усилия при нагреве и проковка, величина осадки при нагреве, длительность приложения усилия проковки.
В практике для определения скорости вращения используют линейную скорость наружного диаметра сварива-
Рис. 117. Схема сварки трением: а — вращение одной заготовки; б — встречное вращение двух заготовок; в — вращение средней заготовки; г —вращение двух крайних заготовок
318
Сварочные работы
емых заготовок. При возрастании линейной скорости от 0,38 до 5,2 м/с (конструкционная сталь) температура увеличивается с 550°С до 1240°С.
10.2. Применение сварки трением и режимы
Диапазоны применения сварки трением для деталей круглого сечения следующие: сваркой трением можно соединять детали сечением 50—9000 мм2 (до диаметра 100 мм рис. 118, 119).
Исключительно высокое и стабильное качество, несложность н автоматизации процесса позволяет исключить зависимость качества от квалификации и навыков рабочего. Стабильность режима (табл. 20, 21) сварки позволила сварке трением устранить многие трудности соединения деталей, особенно при изготовлении концевого режущего инструмента (сверла, развертки, метчики, фрезы), когда соединяется заготовка режущей части типа Р6М5 (дорогостоящая) с хвостовиком из углеродистой стали 45 какого-либо конкретного инструмента. Соединения этих заготовок контактной стыковой сваркой не обеспечивало стабильности качества, а отсутствие способов контроля такого соединения приводило к тому, что почти партиями готовый инструмент оказывался негодным, но обнару-
Таблица 21)
Режимы сварки трением для конструкционных сталей
Диа-метр свариваемых заготовок, мм Линейная скорость м/с, когда стабилизированное минимальное гратообра° зование Частота вращения, С"1 Давление, кгс/см2, при максимальной температуре Усилие сжатия, кг Время достижения установившейся пластической деформации, с Осадка, мм
16 2,5 312 4 810 2 0,9
20 2 200 6 1890 2 2,2
30 1,7 180 9,5 6715 3,2 2,6
Глава 10. Сварка трением
319
Практические режимы сварки
О пГ S проковка см СМ со СМ СМ
а со нагрев со со со 20
L. of S н го X проковка со CD 1350 4560 Q О со О о о о см
Усилие с нагрев со CD СО CD 2280 320 10000
Частота С Е Е _ D 7 I О а X Q о о 400 100 О о о о
виг иинаьээi площадь, 2 ММ 113 113 О со со 314 1960
Размеры CTt диаметр, мм см х— СМ 50 х 2,5 О см 50
Материал заготовки Сталь 35 Стапь 45 Стапь 35 п Сталь 40Х Сталь 20 Сталь 45Х Сталь Р6М5 (Р18) Сталь 35 Сталь 45
Деталь |Тяга автомо- бильной педа- ГО со го X С IШток с проуши- I ной гидроамортизатора Карданный вал автомобиля Заготовки сверл, метчи- I |ков, разверток Зв ГОТОВКИ штоков
320
Сварочные работы
Рис. 118. Схема изготовления карданного вала дуговой сваркой (а) и сваркой трением (б)
Рис. 119. Пример использования сварки трением для окончательно обработанных деталей:
а, б — конструктивное соединение заготовок под сварку; в — сваренные детали в сборке цилиндра
живал ось это лишь тогда, когда был выполнен весь дорогостоящий цикл обработки.
Стыковая контактная сварка даже с автоматизацией процесса ненадежна по качеству, так как нестабильны многие элементы режима и качества заготовок.
10.3. Оборудование
В начальный период развития сварки трением многие проскг ные организации и заводы с энтузиазмом принялись создавать oQf рудование, средства механизации и автоматизации для сварки три
Глава 10. Сварка трением
321
Рис. 120. Схема компоновки машины для сварки трением:
1 — станина; 2 — рабочий шпиндель с приводом вращения и тормозным устройством, 3 — зажимное устройство вращающееся; 4 — зажимное устройство невращающееся: 5 — привод усилия осевого сжатия
Рис. 121. Машины для сварки трением модели МСТ-2001-ГД88
322
Сварочные работы
нием. Особого успеха в этом добились автомобилестроители и станкостроители.
В настоящее время для сварки трением выпускается более 15 моделей различных отечественных машин, как универсальных, так и специализированных. Особенно широко применяется сварка трением в автомобильной промышленности: начиная от рычага переключения скоростей и до очень ответственных деталей, и в инструментальном производстве.
В прошлые времена серийно машины для сварки трением (рис. 120), выпускали в Белоруссии, а сейчас в России — самые различные организации, в том числе и в отдельных отраслях — для собственных нужд. Хорошо зарекомендовали себя выпускавшиеся ранее машины четкостью в работе и в первую очередь надежностью и долговечностью (более 20 лет) моделей МСТ-23, МСТ-35, МСТ-41, МСТ-51, но сейчас они модернизированы с усовершенствованием некоторых узлов в части подшипников и узлов останова, например, машина модели МСТ-2001-ГД88 (рис. 121).
9 Контрольные вопросы к главе 10
• —---- — ' —
1. Объясните сущность сварки трением и историю ее появления
2. Достоинства и недостатки сварки трением.
3. Назовите область применения в промышленности сварки трением.
4. Какие параметры режима сварки трением являются основны-
Глава 11. пайка
11.1. Сведения о пайке
Процессы пайки применяются не только в производстве, но и в бытовых условиях. Пайка применяется с давних времен, еще со времен древних римлян. Их припои — церарий почти соответствуют нашему ПОС-ЗО, а аргентарий — нашему ПОС-50. Пайка отличается от сварки тем, что припой вводится в промежуток между деталями, и расплаву подвергается только припой, а соединяемые поверхности воспринимают лишь нагрев, так как температура плавления припоя более низкая, чем у соединяемого материала. Припой в жидком виде заполняет зазор между соединяемыми поверхностями под действием капиллярных сил, а затем кристаллизируется и прочно соединяется с основным металлом.
Источниками теплоты при пайке бывают электронагрев, индукционный нагрев, газовое пламя, паяльник. При пайке припой нагревается на 30—60°С выше температуры его плавления, а основной металл изделия нагревается почти до температуры плавления припоя, чтобы обеспечить хорошую смачиваемость поверхностей припоем и капиллярность.
Капиллярность — это совокупность явлений, обусловленных силами взаимодействия между жидкими и твердыми телами на их обшей границе, при которых припой засасывается в очень малые объемы, зазоры под действием капиллярных сил.
Паяные конструкции широко применяются в технике при производстве всех систем летательных аппаратов, в электротехнике и
324
Сварочные работы
других отраслях промышленности. Для пайки чаще всего применяются нахлесточные соединения. Ее достоинство — это практически отсутствие коробления и равнопрочность соединений.
Пайка — это основной способ получения прочного соединения пластин из твердого сплава с корпусом инструмента, разного по назначению.
11.2. Припои
Для пайки металлов применяется очень большое количество марок припоев и флюсов, но в данной книге рассматриваются лишь основные, знание которых позволит решить многие производствен ные и бытовые вопросы.
По ГОСТ 17325-79 различают два основных вида пайки:
1. Пайка высокотемпературная.
2. Пайка низкотемпературная.
При высокотемпературной пайке температура плавления при поев выше 550°С, а при низкотемпературной — ниже 550°С.
В основе высокотемпературных припоев имеется медь, цинк, серебро, никель.
В низкотемпературных припоях основой являются свинец, олово, сурьма. Например, ПОС-18, ПОС-ЗО, ПОС-40, где цифра указывав i процентное содержание олова, а остальное — почти все свинец.
Для легких сплавов припой группы ПОС неприемлем, так как большое содержание свинца вызывает сильную коррозию.
Требования к припоям.
1. Температура плавления припоя должна быть ниже температу ры плавления основного металла.
2. Хорошая жидкотекучесть, смачиваемость паяемого металла способность проникать в щели и зазоры.
3. Хорошая коррозионная стойкость — не ниже, чем у основпи го металла.
Все припои для высокотемпературной пайки можно раздели и на медные, медно-цинковые, серебряные, медно-фосфористые. 1см пература плавления этих припоев от 720 до 980°С. Серебряные при
Глава 11. Пайка
325
пои имеют температуру плавления 720—870°С в зависимости от марки.
У медно-фосфористых припоев рабочая температура — до 980°С. При пайке мягкими припоями применяют флюсы: хлористый цинк, нашатырь, а когда от соединения нужна электропроводность — используют в качестве флюса канифоль (сосновая смола), иногда даже в растворе анилинового спирта. Канифоль — это неактивный флюс.
Для пайки твердыми припоями применяют флюс в виде порошков, паст, таблеток.
Основой большинства флюсов является бура, иногда пополам с борной кислотой, но наилучшие результаты по качеству пайки дает флюс следующего состава: бура — 71% — борная кислота — 20% — фтористый кальций — 9%. Этот флюс наилучший для пайки твердосплавного режущего инструмента. Бура и борная кислота должны быть обезвоженными. Для этого их расплавляют (отдельно) при температуре 760°С, затем сливают на противень, после остывания массы ее измельчают в небольшой шаровой мельнице, затем упаковывают в герметичную тару.
Учитывая, что бура или борная кислота содержат 48 и 45% (соответственно) кристаллизационной воды, для изготовления 1 кг флюса необходимо взять: 1,36 кг буры, 0,36 кг борной кислоты и 0,09 кг фтористого кальция.
При пайке медных сплавов медно-фосфористым припоем применение флюса не требуется, пайка выполняется хорошо. Этот припой имеет очень высокие прочностные показатели и самое низкое электросопротивление в контакте пайки.
При пайке легкоплавкими припоями хлористый цинк выполняет роль активного флюса и еще снижает рабочую температуру флюса. Такую же роль может выполнять фтористый калий и другие щелочные металлы
Перед пайкой соединяемые детали тщательно очищают. Порошкообразные флюсы насыпают тонким слоем на очищенные кромки, предварительно подогретые. Флюс хорошо прилипает к ним (частично оплавляясь) и не сдувается пламенем горелки. Таким же способом флюс наносят на присадочный материал.
326
Сварочные работы
Пасты и жидкие растворы флюса наносят кистью или обмакивают в них припой.
После того как флюс расплавится и заполнит зазоры, а изделие достаточно подогрето, начинают вводить припой. Остатки флюса должны удаляться механическим или химическим путем, например, в 10%-ном растворе серной кислоты с последующей промывкой горячей (6О°С) водой.
11.3. Пайка с нагревом ТВЧ
Пайка в больших объемах применяется при производстве металлорежущего, горнорежущего инструмента.
На Копейском машзаводе разработана автором и внедрена технология изготовления таблеточного припоя и пайка твердосплав-
Рис. 122. Установка пайки резцов током высокой частоты.
1 — установка ТВЧ; 2 — индуктор; 3 — стол вращающийся
Глава 11. Пайка
327
ных горнорежущих резцов на автоматической установке с применением таблеток. В таблетке с припоем спрессовано нужное количество флюса (трехкомпонентного).
Нагрев резца до температуры 980°С выполняется токами высокой частоты (ТВЧ) в специальном индукторе (рис. 122), где от теплоты резца расплавляется таблеточный припой и производится напайка рабочей вставки (керна) резца, состоящей из вольфрамоко-бальтового твердого сплава ВК8 (рис. 123).
В качестве припоя использовали припой ПМНМц-68-4-2.
Рис. 123. Горнорежущие резцы
11.4. Марки припоев
Рассмотрим наиболее важные марки припоев, которые выпускаются промышленностью и которые чаще других необходимы в производстве.
Припой П47:
медь —-62—64%; марганец — 8—10%; олово — 3—5%; цинк — остальное. Температура плавления — 760—810°С. Прочность на разрыв — 42 кгс/мм2, на срез — 29—31 кгс/мм2.
Предназначен для пайки твердосплавного инструмента, высокопрочных сталей, компрессоров холодильных установок и т. д.
328
Сварочные работы
Припой МФ 7:
медь — основа, фосфор — 7,0—7,5%, примеси — до 0,2%. Температура плавления — 707—820°С.
Предназначен для пайки конструкций из меди при производстве трнсформаторов, электродвигателей большой мощности, генераторов, шинопроводов и т. д.
Припой П14 (ПМФОЦр-6-4-0,03):
медь — основа, фосфор — 5,3 — 6,3%; олово — 3,5—4,5%.
Предназначен для пайки серебра, меди, медных сплавов.
Применяется для пайки теплообменников холодильников, кондиционеров, бытовых смесителей, электрических машин большой мощности и т. д.
Флюс ФК-235 — предназначен для пайки меди и ее сплавов, стали, никелевых сплавов, твердых сплавов. Температура плавления до 320°С, температурный интервал активности — 450—850°С.
9 Контрольные вопросы к главе 11
• ------- 1
1. Сущность и условия пайки металлов.
2. Какие виды и способы пайки применяются в машиностроении '.'
3. Способы пайки твердосплавного инструмента.
4. Какие припои применяются при пайке?
5. Какие флюсы применяются при пайке?
6. Область применения пайки в промышлености.
Глава 12. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
12.1. Развитие металлических конструкций
Применение железа насчитывает уже много столетий, но настоящее вторжение железа в технику произошло на рубеже XVI11 и XIX вв.
В 1818 г. было спущено на воду первое железное судно «Вулкан». Спустя четыре года, в 1822 г. между Лондоном и Парижем начал курсировать созданный также в Англии первый железный пароход.
Первая железная дорога была введена в действие в Англии в 1825 г., а в России первая железная дорога Петербург — Царское Село начала работать в 1837 г.
Железо для изготовления металлических конструкций до XVII в. производилось в России в небольших количествах кустарным способом. В 1698 г. указом Петра I был основан первый государственный металлургический завод в Невьянске, положивший начало промышленной металлургии.
Железные элементы строительных конструкций в виде скреп затяжек для восприятия распора каменных сводов начали применяться в XII—XIV вв. (Успенский собор во Владимире, XII в.).
В XVII в. появляются первые несущие железные конструкции в виде каркасов куполов (колокольня Иван Великий в Москве, 1600 г.) и железных стропил (перекрытие Архангельского собора в
330
Сварочные работы
Москве, перекрытие над трапезной Троице-Сергиевой лавры в г. Сер-гиев-Посад).
В XVIII в. был освоен процесс литья чугуна для строительных целей и стали внедряется чугунные несущие конструкции. Первый чугунный мост в России был построен в 1784 г. в парке Царского Села под Петербургом, через 5 лет после сооружения первого в мире чугунного моста через р. Северн в Англии.
В XIX в. мостовые конструкции становятся ведущими среди других металлических конструкций.
Инженер С.В. Кербедз (1810—1899) построил первый в России железнодорожный мост через р. Лугу с пролетными строениями из сквозных ферм.
Инженеру Д.И. Журавскому (1821—1891) принадлежат теория расчета раскосных ферм и теория скалывающих напряжений при изгибе.
Профессор Ф.С. Ясинский (1856—1899) разработал методы расчета на устойчивость металлических стержней, что позволило расширить применение стальных конструкций.
Профессор Н.А. Белелюбский (1845—1922) создал метрический сортамент стали, улучшил конструкцию мостовых ферм, применив в них раскосную решетку. По его проектам построено много мостов, наиболее крупными из которых являются Сызранский моет через Волгу, состоящий из 13 пролетов длиной по 107 м, и мосты Сибирской магистрали.
В начале XIX в. в металлических конструкциях начинает при • меняться сварочное железо, а в 40-х годах появился прокат в виде фасонного железа, двутавровых балок и листа. Постепенно метал лические конструкции начинают приобретать современные формы Для соединения элементов применяются заклепки.
В промышленном строительстве XIX в. металлические kohci рукции широко применяются для перекрытий. В конце века появи лись мостовые грузоподъемные краны в цехах заводов.
В начале 30-х годов XX в. для соединений металлических коп струкций начала применяться сварка, которая к 40-м годам полу чила широкое распространение. Сварка резко продвинула развитие металлических конструкций: конструкции стали легче, снизилась
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
331
трудоемкость изготовления, упростились соединения и конструктивная форма.
Большой вклад в теорию металлических конструкций внес академик В.Г. Шухов (1853—1939), руководивший первой организацией, специализированной на проектировании металлических конструкций, а также академик Е.О. Патон.
Особая роль принадлежит профессору Н.С. Стрелецкому (1885— 1967), автору ряда фундаментальных идей и разработок по предельному состоянию конструкций, основам их расчета и проектирования. Он являлся создателем и руководителем школы проектирования металлических конструкций.
В XX в. изготовление различных металлических конструкций с помощью сварки стало практически массовым.
Сварные конструкции бывают машиностроительные, строительные и технологические.
Достоинства сварных конструкций перед клепанными:
• экономия металла, электроэнергии и труда;
• сокращение сроков изготовления и меньший вес консутркций;
• возможность наносить слои определенных составов для получения нужных свойств конструкций (по износостойкости, жаро- и коррозионной стойкости, антифрикционности и т. д.).
Кнедостаткам относятся пониженная долговечность сварных конструкций при вибрационных и знакопеременных рабочих нагрузках, а также невозможность получения надежных сварных соединений из некоторых разнородных металлов.
В этих случаях до сих пор оправдано применение клепаных конструкций.
12.2. Основы проектирования конструкций
При разработке проектов сварных конструкций необходимо обеспечить комплекс общих и специальных требований по точности, экономичности и рациональности.
Главное требование — это соответствие эксплуатационному назначению.
332
Сварочные работы
Конструкции должны быть прочными, жесткими и надежными, а также экономичными и минимально трудоемкими при изготовлении и монтаже.
Каждая конструкция проходит три этапа: проектирование, изготовление и сборку (или монтаж).
Проектирование начинается с вариантов компоновки возможных схем конструкции и заканчивается методами изготовления, сборки или монтажа.
Конструкция должна обладать устойчивостью долговечностью, надежностью — по показателям наработки; ремонтопригодностью и технологичностью изготовления.
На этапе проектирования решают следующие вопросы: выбор вариантов изготовления способов сварки, расчет качества и точности заготовок и конструкции в целом, возможность механизации сварочных процессов, технологическая простота деталей, заготовок с возможностью применения более производительных процессов изготовления (например, резка на ножницах, пробивка, вырубка па прессах производительней газовой и плазменной резки).
На этом этапе выполняется проработка чертежей всех деталей и заготовок, определяются требования к ним и к конструкции в целом.
При проектировании также решается вопрос выбора материа лов по марке и экономичности профилей, с учетом имеющихся типовых схем и конструктивных элементов. Конструктивно предусматривается минимальное воздействие от деформаций при сварке путем применения наименьшего количества сварных швов (в том числе в одном месте), максимальное использование сварки в нижнем положении при минимуме кантовок.
Следует учитывать, что на одной несущей конструкции не допускается применять по противоположным концам и сварку и клеи ку, так как эти два способа по-разному распределяют восприни маемую нагрузку, в особенности знакопеременную.
При проектировании также решаются вопросы сборки, мош а жа готовых конструкций.
Понятие технологичности сварной конструкции — это возмож ность изготовления всех деталей конструкции и ее с наименьшими
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
333
грудовыми затратами удобными способами и с применением самого производительного оборудования, например штамповка деталей вместо кислородной вырезки, и т. п.
Мелкие или самостоятельные сварные конструкции называются сварными узлами. Сварной узел — это часть конструкции (необязательно сварной), представляющей собой соединение двух или нескольких деталей при помощи сварки.
При проектировании, а также при изготовлении сварных конструкций необходимо помнить, что очень большие внутренние напряжения (иногда — до частичного саморазрушения) возможны при сварке электрозаклепками, поэтому следует избегать таких соединений, применяя нахлесточную сварку либо в широких прорезях, либо в отверстиях не менее, например, диаметра 30 мм при толщине верхнего листа 8 мм.
12.3. Структура и прочность стали
Прочностные показатели стали очень зависят от состояния структуры, количества и сочетания легирующих элементов.
Недостаточные знания в этой области металлургии в свое время не позволяли длительное время изготовлять орудийные стволы из стали, так как стальные стволы пушек при пробной стрельбе нередко разрывались. Поэтому орудийные стволы делались из пушечной бронзы (сплава меди с 9-10% олова).
И лишь когда русский, один из основоположников науки о строении и термической обработки стали, Д.К. Чернов в 1868 г. открыл существование у стали критических температурных точек и зависимость их от содержания углерода, были решены принципиальные вопросы качества в технике, и не только для орудийных стволов из стали.
Работа стали характеризуется поведением ее при нагрузках вплоть до разрушения.
334
Сварочные работы
12.4. Свойства стали при растяжении
В зависимости от нагрузок сжатия или растяжения стали ведут себя по-разному. Это очень важно учитывать при разработке сварных конструкций.
Поведение стали под нагрузкой наглядно отображается диаграммами работы стали на растяжение и сжатие, где выражена вели чина удлинения в зависимости от прилагаемой нагрузки (рис. 124)
При растяжении образца силой Р (кгс) образуется удлинение его Д/. Увеличивая силу и замеряя удлинение, можно построить ди аграмму работы стали на растяжение и сжатие в осях координат.
Р Ы
с=- ие = -у-100%
F I
Рис. 124. Диаграммы работы стали при растяжении и сжатии:
1 — диаграмма сжатия металла; 2 — диаграмма растяжения металла. ов — временное сопротивление стали при разрыве (низкоуглеродистая сталь)
Глава 72. Изготовления сварных конструкций
335
где о — напряжение в образце, кгс/мм2; F— первоначальная площадь сечения образца, мм2; е — относительное удлинение, %; / — первоначальная длина образца.
Между напряжением и удлинением на первоначальном этапе испытания, т. е. в зоне пропорциональности (<тпц), когда остаточное удлинение отсутствует, а после снятия нагрузки образец занимает прежнюю длину, имеется зависимость, называемая законом Гука, когда о = Е е, где Е — коэффициент пропорциональности между напряжением и удлинением, носящий название модуля упругости. Для большинства сталей Е = 21 кгс/мм2. Линейная связь между напряжением и удлинением сохраняется до величины =20 кгс/мм2 и соответствует пределу пропорциональности о . Несколько выше опцна графике лежит предел упругости о п, соответствующий той деформации (примерно е = 0,2%), которая практически полностью исчезает после снятия с образца испытательной нагрузки.
Предел упругости оуп ограничивает (указывает) область упругой работы материала. Когда при дальнейшей нагрузке образца наступает момент удлинения его без увеличения нагрузки, т. е. металл течет, это называется точкой предела текучести от. Область работы материала между оуп и от является областью упруго-пластической работы.
12.5. Свойства стали при сжатии
Знание характера работы стали при сжатии позволяет грамотно решить вопросы надежности сварных конструкций с учетом коэффициента запаса прочности, который в принципе правильнее назвать коэффициентом незнания. Многие факторы влияют на работоспособность, прочность сварных конструкций, которые либо мало изучены, либо вообще невозможно определить, например, величину внутренних напряжений после сварки, или влияние отрицательных температур на сварку и качество.
Под работой стали на сжатие понимают работу на сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость, т. е. получить изгиб на длине.
336
Сварочные работы
Напряжение в сжатом элементе определяют так же, как и в рас-
Р
тянутом о = — кгс/мм2. Диаграмма работы стали на сжатие отличае i г
ся от диаграммы растяжения лишь во второй половине (см. рис. 124). Вначале сталь при сжатии ведет себя так же, как при растяжении тот же модуль упругости, совпадение пределов пропорциональности, упругости и текучести. В дальнейшем происходит раздвоение диаграмм: временное сопротивление сжатию получить у мягких малоуглеродистых сталей не удается, материал сплющивается, вое* принимая все большую нагрузку. В последующем у мягких сталей появляются трещины по периметру образца, высокоуглеродистыс хрупкие стали разрушаются по наклонным плоскостям.
Ввиду того, что в упругой и упруго-пластической стадиях сталь ведет себя одинаково, соответствующие расчетные характеристики ее принимаются также одинаковыми.
Повышенная несущая способность при сжатии в области са моупрочнения используется при работе стали на смятие (сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость). II этом случае расчетное сопротивление принимается более высоким, чем при растяжении и сжатии.
12.6. Понятия о расчетах прочности
Достоверность прочностных расчетов зависит от учета всех фж торов нагрузок, и особо от правильности выбора расчетных схем
Расчеты прочности сварных конструкций и отдельных эле мен тов их сводятся к определению напряжений в опасных (самых ла груженных) сечениях деталей и узлов. Существует два основных мс тода расчета конструкций: по допускаемым напряжениям и по пре дельным состояниям.
При расчете по допускаемым напряжениям условие прочное!и должно соответствовать о = [а], где о — напряжение в опасном сечении изделия, [о] — допускаемые напряжения, которые сое гаи ляют некоторую часть от предела текучести с учетом запаса ко >ф
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
337
От фициента прочности п, т. е. [о] = — , где от — предел текучести.
Скобки [ ] обозначают слово «допускаемое». Для конструкций с разным назначением коэффициент запаса прочности различен и принимается равным от 1,5 до 6.
Более точным методом расчета прочности, учитывающим условия работы, однородность материала конструкции, внешние посторонние воздействия (ветер, вода), является метод расчета по предельным состояниям.
На достоверность результатов расчета существенно влияет правильность определения нагрузок и выбора расчетной схемы. На эти факторы влияют инженерный опыт и техническая логика.
В металлоконструкциях металл должен быть пластичным и разрушения должны происходить со значительными пластическими деформациями.
Понятие выносливости — это разрушение металлоконструкции при вибрационной, знакопеременной нагрузке, причем иногда при напряжениях ниже предела текучести, хрупко, без заметных деформации (как, например, пружины и т. д.).
Чем меньше концентраторов внутренних напряжений, тем выше вибрационная прочность (это, например, сварные стыковые соединения с плавным переходом шва к основному металлу).
При расчете конструкции по предельному состоянию условие
N
прочности должно соответствовать — mR, где N — расчетное
усилие; F— площадь сечения, R — расчетное сопротивление материала, кгс/мм2; т — коэффициент условий работы, который учитывает степень ответственности конструкции, жесткость узла.
Сварные швы на прочность рассчитывают по формуле N= где N— расчетная продольная сила, действующая на соединение, кг;
расчетное сопротивление сварного стыкового соединения растяжению или сжатия,
Рис. 125. Сечение углового шва
338 Сварочные работы
кгс/мм2; S — толщина металла стыкового соединения, /ш — длина шва.
Угловые швы рассчитывают по формуле N = 0,7КЛ“/ш, где К — катет шва; коэффициент 0,7 учитывает длину опасного сечения н угловом шве, так как шов разрушается не по катету, а по опасному сечению (рис. 125).
Зона 7—7 предполагаемого разрушения короче, чем катет К, л длина этой зоны составляет примерно 0,7 от К.
В расчетах прочности усиление швов во внимание не принимается.
Пример 1
Стыковой шов пластин толщиной 20 мм, с длиной шва = 300 мм. сталь ст. 3.
Определить расчетное растяги-
вающее усилие N (предельное состояние).
Решение:
7V= 5 /ш где /?рВ — расчетное сопротивление равнопрочной! шва при растяжении, берется из таблиц. Для стали ст. 3 7?“ = 2100 кгс/см2 = 21 кгс/мм2.
Расчетное растягивающее усилие составит
7V= 2 см 30 см 2100 кг/см2 = 126000 кг = 126 т.
= 15 кгс/мм2.
Пример 2
Проверить условие равнопроч поста угловых швов таврового соедини ния и определить величину растягива ющего расчетного усилия Л"для 5=2 см, I = 30 см. 7V= ? 7С= ? ш
Решение:
N= 0,7 • 2К 7ш 7Г;
N = 1,4 - К
по таблице 7fBy = 1500 кгс/см2 •
Расчетное усилие N= 2 см • 30 см • 2100 кгс/см2 = 126 000 кг
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
339
Это при Лсв = 2100 кгс/см2. растя*. '
Для обеспечения условий равнопрочности
N
126000 -------лтг = 2 см = 20 мм.
1,4-/ш-Д“ 1,4-30-1500-^
Ш2
К= 20 мм, значит, равнопрочность обеспечивается при данном катете шва.
12.7. Устойчивость сжатых стержней (стоек)
Устойчивость сжатых стержней и стоек является очень важным и непростым элементом науки сопротивления материалов. Недостаточные познания в теории устойчивости сжатых стержней в недалеком прошлом приводили к большим утратам при разрушении строений, особенно мостовых конструкций.
Устойчивость — это работоспособность длинных и тонких стержней, работающих на сжатие, а также тонких пластин, подверженных сжатию силами, лежащими в их плоскости, и оболочек, испытывающих внешнее давление и осевое сжатие.
Потеря устойчивости при критических значениях (запредельных) нагрузок — это резкое изменение формы, характера деформации (прогиб).
Условности и допущения
Несущую способность сварной конструкции определяют по напряжениям, вызывающим текучесть, т. е. когда о > [о].
Коэффициент запаса прочности по пределу текучести при статических (постоянных и равномерных) силах —1,5—6.
При упрощенных расчетах этот коэффициент повышается. Расчетное сопротивление R определяется либо делением о на коэффи-
/?= циент запаса прочности лт по наступлению текучести, А , либо по разрушающему напряжению ов — временное сопротивле
340
Сварочные работы
ние при разрушении и по Кв — коэффициенту временного сопро-
тивления, тогда R = , причем Кв всегда больше Кт примерно на
30%, так как о. = 0,7ав. N — расчетное усилие.
Физический смысл коэффициента запаса прочности — это коэффициент объективного незнания наукой всех действующих факторов на конструкцию, в том числе изменения свойств материала при колебаниях химического состава, влияние различных по характеру и природе нагрузок в комплексе и многое другое.
Обычно расчет выполняется по предельному состоянию. R при-
TV
нимается —0,9 а металла. Условие прочности — <mR. Допускас-1 г
мое продольное усилие [TV] = R— F. Допускаемый момент на эле-п
мент [М] = R— N, где и — коэффициент возможной перегрузки; п
m — коэффициент условий работы, учитывающий условия работы
целых конструкций и отдельных элементов. Произведение R— —• п
это величины допустимого напряжения; [а]р — устанавливается обобщением опытных материалов. Коэффициент m берется по СНиПу (строительные нормы и правила): m = 0,9 в колоннах жилых и общественных зданий, в подкрановых балках грузоподъемностью более 5 т; m = 0,8 — в сжатых основных элементах ферм при их гибкости А, > 80; m = 0,75 — в сжатых элементах ферм из одинаковых уголков; m = 0,6 — для самого худшего случая.
Расчетное сопротивление R для сталей:
Сталь сталь 30 09Г2 09Г2С 15хСНД ЮхСНД
R, кгс/см2 2100 2500 2600 3400 4000
Через R и п учитываются еще и ветровые нагрузки и многие другие факторы.
Сварные стойки при центральном сжатии рассчитывают на ус тойчивость по допускаемым напряжениям по формуле а
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
341
= — Мр ф, где Р — продольная сила в стойке; F — площадь по-Г
перечного сечения; ср — коэффициент продольного изгиба.
7
Величина ср зависит от гибкости сжатого элемента А= — и рода
[7
материала. Радиус инерции r= , где I— момент инерции поперечного сечения в стойке в направлении наименьшей жесткости (часто берут из таблиц); F— площадь сечения.
Для стоек 1, 2, 3 (рис. 126) гибкость X равна: h 2h 0,5й
для 1 А, = —; для 2 А, = —; для 3 А. =-
г г г
Коэффициент продольного изгиба берется из таблиц в зависи-
мости (т. е. под соответствующее показание А, = ~) от результата А.
Рис. 126. Расчетные схемы
/ — длина стойки; h — высота стенки сжатого элемента; Р — продольная сила нагрузки
342
Сварочные работы
и марки материала по прочностным показателям, т. е. коэффициент ср берется из специальной таблицы с учетом определенной гибкости А. Например:
/
при А =— = 0, ср = 1;
при А = 30, ср = 0,94;
при А = 60, <р = 0,86;
при X = 100, ср = 0,6.
Следует иметь в виду, что допускаемое напряжение на устойчи вость зависит не только от рода материала, но и от ряда других факторов: длины стойки, формы и размеров поперечного сечения, oi вида закрепления концов стержня. Поэтому любые два стержня будут иметь различные допускаемые на устойчивость напряжения, если они хоть чем-то отличаются друг от друга, например, два совершенно одинаковых стержня, по-разному закрепленных.
Коэффициент ср носит название коэффициента снижения допускаемого напряжения (<р < 1). Его берут из таблиц в зависимое iif от показателя гибкости А, который в этой же таблице. Таблицы сделаны для разных материалов с целью упрощения расчетов.
Величину упругости [о]у можно определять упрощенно, через коэффициент ф.
[о]у = (р[о]сж.
При расчетах по заданному <р в первом приближении определя
Р ют требуемую площадь поперечного сечения стойки = ——— J
Подбор делают несколько раз методом последовательных прибли жений, проверяя напряжения по формуле. Допустимая погрешнее 11. ± 5%. Эта удлиненность расчета имеет обоснованное объяснение.
В практических расчетах на устойчивость чаще всего приходится решать задачи определения допускаемой на устойчивое ч1> нагрузки и подбора сечения стержня.
Для решения первой задачи из этих двух необходимо по формуле [о]у = [о]сж найти величину [о]у, для чего предварительно следует он
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
343
ределить гибкость стержня Л. Допускаемую нагрузку после этого находят умножением [о]у на площадь сечения стойки: Рдап = [о]у F.
Несколько сложнее решается задача о подборе сечения сжатого стержня Дело в том, что, в отличие от задачи определения сечения
по прочности, из условия устойчивости — Му нельзя рассчитать Г
необходимую площадь F. В самом деле для этого F из условия устойчивости нужно знать [о]у, но допускаемое на устойчивость напряжение находится по формуле [ст] = [о]сж через коэффициент гр. Для отыскания же гр надо знать гибкость стержня А,. Из формулы
/
А, = — видно, что гибкость можно найти, если будет известен г, т. е.
если будут известны форма и размеры сечения.
Таким образом, получается, что в условии устойчивости два неизвестных: площадь сечения и допускаемые напряжения, и непосредственно сразу определить Fнельзя.
В связи с этим задачу о подборе сечения сжатой стойки решают методом последовательных приближений. Суть его состоит в том, что задают произвольно площади сечения (или коэффициент <р или |о]у), а потом проверяют, подходит ли это сечение. Если с первой попытки в стойке получается перенапряжение, то площадь сечения увеличивают, если недонапряжение (а это неэкономично) — уменьшают. Точность приближений-сравнений ± 5%.
Пример
Стойка должна нести сжимающую нагрузку 18 т. Допускаемое напряжение [<т] = 1500 кгс/см2. Подобрать двутавровое сечение.
Решение:
Берется, например, двутавр № 20, у которого F = 26,8 см2, г = 2,07 см.
Напряжение в стойке будет о =
18000
26,8
= 670 кгс/см2.
Находим гибкость А, и коэффициент гр.
344
Сварочные работы
0,7-360
А, = 2 оу = 122; ср (из таблиц) = 0,44; [о]у = 0,44 • 1500 я
= 660 кгс/см2.
Действительные напряжения в стойке почти равны допускаемым напряжениям на устойчивость. Перенапряжение составляет Ао= 670-660 100% = 1,5%.
12.8. Технология сварочного производства
Сварочное производство имеет свои специфические особенности и приемы по сравнению с другими процессами формообразования металла в связи с наличием комплекса различных технологических операций по изготовлению сварной конструкции в закон ченном виде.
Комплекс состоит из следующих операций:
1 — заготовительные (в том числе с дробе- или пескоочисткой);
2 — сборочные;
3 — сварочные;
4 — отделочные;
5 — вспомогательные;
6 — контрольные.
Каждая из перечисленных операций содержит определенный вил работ.
Заготовительные операции предусматривают изготовление заготовок и готовых деталей для сварных узлов различными способами
Резка механическая и рубка — выполняются на листовых и комбинированных ножницах.
Резка заготовок термическим способом осуществляется ручной и машинной кислородной и плазменно-дуговой резкой.
Пробивку отверстий, гибку деталей и вырубку уступов произ водят на механических прессах, в специальных штампах; гибку -в штампах или нагибочных станках.
Правка заготовок, полос, листов выполняется на вальцах, мс ханических и гидравлических прессах.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
345
Зачистку заусенцев, окалины, ржавчины делают в галтовочных барабанах, либо дробеочисткой, а иногда — вручную.
Часто заготовки проходят различные виды механической обработки — точение, строгание, сверление, фрезерование, когда это требуется по чертежу. Заготовки часто подвергаются правке (рихтовке) на гидравлических прессах и механических — фрикционных.
При холодной гибке необходимо соблюдать условие, когда внут-
R
ренний радиус гиба R 255иста(или— > 25), чтобы не было тре-щин.
Сборочная операция — предусматривает сборку и прихватку деталей перед сваркой. В процессе сборки детали закрепляют прижимами (рис. 127) в приспособлениях, на стендах, а иногда устанавливают вручную по разметке перед прихваткой.
Назначение приспособлений — обеспечивать быструю и точную сборку, стыковку элементов с удобством прихватки и последующей сварки с максимальным количеством сварки в нижнем положении.
Приспособления являются изделиями индивидуального производства, так как имеют конкретное назначение. Несмотря на их большое конструктивное разнообразие, правила конструирования приспособлений имеют общие закономерности и основы базирования деталей и узлов.
Требования к сварочным приспособлениям
1. Удобство работы и доступность прихваток.
2. Обеспечение надежности сборки и большой срок службы.
3. Обеспечение качества сборки и прочности оснасти.
4. Минимум поворотов при сборке, прихватке, сварке и свободный съем узла.
5. Обеспечение быстрого отвода тепла от места сварки для уменьшения коробления.
6. Быть ремонтопригодным, безопасным.
7. Исключение каких-либо подгоночных работ при сборке.
8. Фиксироваться детали при сборке должны независимо друг от друга.
346
Сварочные работы
Сведения о базировании деталей в приспособлении
Базирование — это определенное положение деталей в узле относительно друг друга, рабочего инструмента, сварочного оборудования (сварочной дуги, пламени горелки, электродов контактных машин). В приспособлениях чаще имеют дело с установочными базами.
Установочная база — это каждая поверхность детали, которой она соприкасается с установочными поверхностями приспособления.
Любое твердое тело имеет шесть степеней свободы: перемещение в направлении трех координатных осей X, Y, Zw вращение (поворот) относительно этих же осей.
Для базирования любой детали требуется выполнить правило шести точек: чтобы придать детали вполне определенное положение в приспособлении, необходимо и достаточно иметь шесть опорных точек, лишающих детель всех шести степеней свободы.
Опорные точки материализуются различными конструкциями установочных элементов.
В связи с тем, что при сварке электрическая дуга, пламя горелки и т. п. не оказывают на собранные детали силового воздействия на сдвиг и подобы, крепить некоторые детали во многих приспособлениях не обязательно. При установке деталей недопустимо использовать более шести опорных точек. Лишние опорные точки препятствуют правильной установке детали и при закреплении ее положение может нарушиться.
Поверхность детали с тремя опорными точками называется глав ной базирующей; боковая поверхность с двумя точками — напран ляющей', торцевая поверхность с одной точкой — упорной. Чем меньше степеней свободы требуется связать при базировании детали, тем проще конструкция приспособления и ниже его стоимость. Однако при упрощении базирования точность сборки снижается.
В производстве чем больше серия изготовляемых деталей, гем выше степень механизации сварочных операций.
Универсальные приспособления бывают переносные и стационар ные. Элементы прижима заготовок в приспособлениях перед прихва! кой применяют различные: рычажные, эксцентриковые, клиновые,
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
347
стяжки, струбцины, пневмо- и гидравлические прижимы (см. рис. 127).
Стационарные приспособления — по функциональному назначению бывают самые различные, но они также имеют определенные виды прижимов.
Операции сборки под сварку зачастую не представляют особых технических трудностей, но порядок и количество прихваток, а также их размеры влияют на качество сварной конструкции в целом. Прихватки должны быть длиной не более 20 мм, сечением 0,5 от сечения будущего шва и только в перекрываемых участках шва. Сварочный ток при прихватках должен быть выше сварочного на 20%, чтобы обеспечивался четкий провар при прихватке. Прихватки нужно выполнять «вразброс» — по логике ожидаемых деформаций и внутренних напряжений.
Сварочные операции — выполняются вручную электродами, полуавтоматической и автоматической сваркой — в зависимости от условий работы, конструктивных особенностей изделия. Для удоб-
Рис. 127. Схемы механических зажимных устройств: а, б, г, е — винтовые; в, д — эксцентриковые; ж, з, и — рычажные
348
Сварочные работы
ства и облегчения сварочных работ промышленностью выпускается много наименований вспомогательного сварочного оборудования, различного по назначению, и возможностям и грузоподъемности.
Позиционеры, кантователи различные (в том числе цепные) — только поворачивают изделия в нужное положение.
Манипуляторы (рис. 128) обеспечивают различный угол наклона изделия и поворота его в нужную позицию, регулируемую (сварочную) скорость вращения планшайбы (стола), а также маршевую скорость — для ускоренного поворота — вращения закрепленного на планшайбе сварного узла. Все вращатели, манипуляторы и позиционеры имеют электропривод с редукторной группой.
Грузоподъемность манипуляторов от 60 кг до 8 т (десять различных типов). Манипуляторы специального изготовления — до 100 i Позиционеры имеют грузоподъемность от 0,5 до 4 т и обеспечиваю!
Рис. 128. Манипулятор (с электроприводом) типа УСМ-1200
только маршевую скорость при установке узла в удобном положе нии для сварки.
Кантователи (рис. 129) обычно применяются для поворота не цилиндрических изделий вокруг оси. В зависимости от веса свар ного узла они бывают с ручным и электроприводом.
В серийном производстве часто применяются кондукторы спа рочные для некрупных узлов, в которых производится сборка, ia жим деталей, затем — сварка в зажатом состоянии.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
349
Наименование и вид
Эскиз
Роликовые опоры: а — стационарные, б — передвижные (ручные и механические)
Область применения
Для сварки тяжелых узлов и изделий, цилиндров, балок, сосудов
Кантователь
Для сварки массивных изделий и узлов
Поворотный стенд ручной механический
Цепной кантователь
Для сварки средних узлов и деталей
Для сварки громоздких и длинных изделий
Манипулятор: а — ручной, б — механический
Для сварки мелких и средних деталей в крупносерийном и массовом производстве
Рис. 129. Поворотные приспособления для сборки и сварки изделий
350
Сварочные работы
Основой приспособлений является жесткое основание со стойками, на которые устанавливаются прижимы, прихваты и т. д.
Сварочное производство подразделяется на следующие виды: единичное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное.
При серийном производстве — специальные поточные линии с отдельно расположенными рабочими местами и иногда связанными между собой транспортными средствами. Ритмичность линии обеспечивается за счет накопителей и промежуточных складов. LU ироко применяются высокопроизводительные приспособления полуавтоматы и автоматы для сварки. Примером такой линии может быть линия по производству пропановых баллонов с автоматической сваркой под флюсом стали толщиной 3 мм на остающейся подкладке.
V- . ПО0кла0ка
Крупносерийное производство, например, сборка, сварка кузовов автомобилей, дисков автомобильных колес грузовиков, производство сварных труб большого диаметра, бытовых титанов, огнетушителей, различных сварных узлов автотракторного производства Этот вид производства оснащен и механизирован более совершенными средствами сборки и сварки.
Общее правило для процесса сварки — это равномерное тепло-распределение (тепловложение) от дуги по всему сварному узлу i к-большими дозами, а значит, грамотная очередность и протяженное и. наложения всех швов, и по возможности большая скорость сварки хотя и сечение шва будет невелико. Наложением последующих слоен катет шва доводят до размера. При большой скорости сварки мет. ше погонная энергия, величина которой влияет на деформации и внутренние напряжения, а также лучше структура шва (мелкое зср но).
Многослойная сварка неширокими швами значительно ул уч шает сварное соединение по многим причинам. Эта рекомендация проверена автором на производстве при сварке различных нагру женных узлов из ограниченно свариваемых сталей без применения подогрева и отжига.
Гла а 12. Изготовления сварных конструкций
351
Отделочные операции предусматривают различные виды зачистки, а также иногда термическую обработку — отжиг после сварки, механическую обработку узла и т. д.
Вспомогательные операции — это работы по наладке оборудования, аппаратуры, доставке различных сварочных материалов, транспортно-складские работы, очистка с перемоткой сварочной проволоки и другие подобные работы, связанные со сварочным производством.
Контрольные операции включают в себя входной контроль материалов, контроль качества заготовок, деталей, идущих на сборку-сварку, контроль состояния аппаратуры и оборудования, контроль сборки под сварку и сварки и контроль окончательно готового сварного узла, изделия.
12.9. Технологическая документация
В сварочном производстве используется различная технологическая документация, например, технологические инструкции, руководящие документы — РД и т. д., но основным и главным для рабочего и контролирующего персонала являются технологические процессы. Они содержат описание всех выполняемых работ при изготовлении сварного изделия с указанием всех приемов, режима, последовательности выполнения операций и переходов. Основные требования к техпроцессу — это обеспечение качества изделия и производительности, наличие всех данных для нормирования трудовых затрат и обеспечение безопасности выполняемых работ.
Технологические операции описываются на специальных бланках в определенной последовательности и сшиваются, образуя технологический процесс. Все эти разновидности бланков соответствуют различным стандартам по форме.
Технологический процесс состоит из следующих бланков.
1. Титульный лист, ГОСТ 3,1105-84.
2. Ведомость оснастки, ГОСТ 3.1122-84.
3. Маршрутная карта, ГОСТ 3.1118-82.
4. Карта эскизов ГОСТ, 3.1105-84.
352
Сварочные работы
5. Операционная карта, ГОСТ 3.1404-86.
6. Комплектовочная карта, ГОСТ 3.1123-84.
7. Правила отражения техники безопасности,
ГОСТ 3.1120-83.
8. Формы и правила оформления документов на технологические процессы раскроя материалов, ГОСТ 3.1402-84.
В зависимости от типа технологического процесса употребляются определенные бланки, но, как правило, в каждом технологическом процессе всегда присутствуют бланки номеров: 1, 2, 3, 5, 6, 7.
Стандартом (ГОСТ 3.1705-81) установлены правила записи операций и переходов сварки и определены термины (слова, которыми нужно пользоваться, а также допустимые термины) при написании в технологических процессах, например, «паять», «сварить», «прихватить», «приварить», «заварить» и т. д.
Стандарт (ГОСТ 3.1129-93) определяет общие правила записи технологической информации в технологических документах на технологические процессы и операции, а также правила оформления маршрутных карт (ГОСТ 3.1118-82).
ГОСТ 3.1109-82 предусматривает термины и определения операций и переходов технологических процессов изготовления и ремонта изделий машиностроения.
Понятия о технологическом процессе
1. Технологический процесс — это часть производственною процесса, содержащая действия по изменению состояния предмета труда. К предметам труда относятся заготовки и из делия.
2. Технологическая операция — это законченная часть технологи ческого процесса, выполняемая на одном рабочем месте.
По степени подробности описания технологического процесса уно требляется:
1. Маршрутное описание технологического процесса (маршрут ный техпроцесс) — это сокращенное описание всех техноло гических операций в маршрутной карте в последовательное ти их выполнения без указания переходов и технологических режимов.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
353
2. Операционное описание технологического процесса — это полное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием переходов и технологических режимов с выполнением иногда необходимых эскизов.
3. Маршрутно-операционное описание технологического процесса — это сокращенное описание технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения с полным описанием отдельных операций в других технологических документах.
По организации производства технологические процессы и операции подразделяются на:
Единичный технологический процесс — это процесс изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и исполнения, независимо от типа производства, т. е. персональный техпроцесс на конкретный сварной узел.
Типовой технологический процесс — это процесс изготовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками. Например, технологический процесс изготовления гаек, болтов, пайка, сварка или зачистка группы однотипных деталей.
Групповой технологический процесс — это процесс изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками, например трубопроводы гидросистем для экскаватора, разные по конфигурации, расположению гибов, разной длины, но у всех них на концах привариваются ниппели шаровые, и т. д.
Типовая технологическая операция — это операция, характеризуемая единством содержания и последовательностно технологических переходов для группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками.
Групповая технологическая операция — это операция совместного изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками.
Раскрой металла — это разделение металла на отдельные заготовки, иногда разные по форме, размерам, но одинаковой толщины
354
Сварочные работы
— по комплектности на одну единицу изделия, на машинокомп-лект.
Технологический переход — это законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке.
Технологический режим — это совокупность значений параметров технологического процесса в определенном интервале времени работы. К параметрам режима сварки относится сила тока, диаметр электрода, скорость сварки, напряжение на дуге, и т. д.
Техническое нормирование, технологическая норма — это установление технически обоснованных норм расхода производственных ресурсов, например, расход сварочных и основных (на изделие) материалов, электроэнергии, вспомогательных материалов и т. п.
Средства выполнения технологического процесса
Средства технологического оснащения — это совокупность орудий производства, необходимых для осуществления технологического процесса.
В технологических процессах сборки, сварки описывают по переходам весь порядок работ, последовательность собираемых деталей, способ их установки и закрепления, количество и размеры прихваток, способы и средства зачистки узла, а также операции и объем контроля. Сварщик должен понимать технологический про цесс и грамотно уметь читать его.
Из-за неумения читать техпроцесс, в первую очередь из-за не знания особенностей обозначения сварных швов на чертежах, ha-пример при сварке прерывистых швов, часто в производстве бывает брак, причем неисправимый.
К вспомогательному сварочному оборудованию относится вес то оборудование, которое напрямую не связано с образованием сварпо го шва или реза.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
355
12.10. Технология сварки различных конструкций
12.10.1. Трубчатые конструкции
Трубы большого диаметра изготовляют из двух половин, затем сваривают.
’ Трубы сваривают при прокладке магистральных газо- и нефтепроводов, применяя различные способы сварки — от ручной до автоматической. До 1961 г. сварка труб магистральных трубопроводов выполнялась на остающихся подкладных кольцах (для удобства и качества сварки). Сейчас, в связи с применением более совершенных способов и материалов, подкладные кольца не разрешаются, так как уменьшается сечение трубы в свету и ее сопротивление для нефти, газа и других материалов.
В монтажных условиях трубы варят часто ручной сваркой. На монтажном участке трубы стандартной длины 12 м, собираются встык — по несколько штук, образуя плети длиной 36, 48 м. При сварке применяют вращатели и различные способы автоматической сварки, приближенные к цеховым условиям. Диаметры магистральных трубопроводов до 1620 мм. Сварка труб применяется при изготовлении различных трубопроводов гидросистем и пневмосистем.
Трубы широко применяются для изготовления различных сварных трубчатых конструкций (рис. 130). Трубы производят из низкоуглеродистой, низколегированной и высоколегированной стали.
* При ручной сварке стыков труб на монтаже сначала проваривают корневой шов повышенным током электродами диаметром 3 мм, затем последующие слои — электродами диаметром 4 мм. «
При монтаже трубопроводов к трубам приваривают фланцы, патрубки, заглушки и т. п. (рис. 131).
В большинстве случаев трубопроводы варят полуавтоматами в защитном газе, а также вручную — электродами.
12.10.2. Арматура железобетона
Сталь для арматуры — это стержни круглого или периодического сечения (рифленые) из низкоуглеродистой и среднеуглеродистой сталей (Ст. 5, 25Г2С, 35ГС) диаметром от 6 до 90 мм.
356
Сварочные работы
Рис. 130. Соединение трубчатых элементов
Рис. 131. Способы приварки патрубков
Для сварки арматуры применяют различные способы сварки1 ручную, полуавтоматическую, электрошлаковую в остающейся стальной форме (подобие опалубки). Для сварки арматурных сеток часто применяют контактную точечную сварку.
Особо следует отметить способ так называемой ванной сварки стыковых соединений арматуры сравнительно больших диаметров (рис. 132).
Этот способ впервые предложил и применил на производстве рабочий-сварщик Улесов, Герой Социалистического Труда, на строительстве Цимлянской и других ГЭС, показав очень высокую производительность труда, так как этот способ позволяет использо вать ток в 2—3 раза больший, чем при обычной дуговой ручной сварке.
Вначале дуга зажигается на нижней части формы, после образования ванны расплавленного металла и шлака от электрода душ исчезает и процесс переходит в электрошлаковый, электродный металл плавится в расплавленном шлаке, расплавленный металл оседает в расплавленной ванне. За счет высокого сварочного тока процесс проходит быстро и качественно. При определенных условиях процесс переходит иногда в дуговой, затем снова в электрошлаковый.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
357
Уже после предложения Улесова, позднее появились различные усовершенствования этого процесса.
12.10.3. Листовые конструкции
Существует масса сварных листовых конструкций, начиная от сложных несущих рам, баков, балок, мостов, стоек и до очень простых конструкций, например, бытовой бак для воды.
Цилиндрические резервуары для различных жидкостей, в том числе и для нефтепродуктов, изготавливают из листовой стали. Из листов делают барабаны паровых котлов высокого давления с толщиной стенок до 100 мм. Такие толщины сваривают электрошла-ковой сваркой.
При сварке конструкций применяются стыковые и нахлесточные соединения. В резервуарах вертикальные (поперечные) соединения выполняют стыковыми, а круговые соединения поясов — нахлесточными, так как очень сложно обеспечить сборку этих соединений встык без зазоров, особенно при больших диаметре и высоте.
На изготовление различных ответственных сосудов, барабанов и котлов, работающих под давлением, объектов нефтехимической промышленности, грузоподъемных устройств, газопроводов и других изделий распространяются нормы и правила Госгортехнадзора и других органов надзора за техническим состоянием и надежностью опасных технических устройств.
Рис. 132. Ванная сварка
358
Сварочные работы
На сварку судовых корпусных конструкций технические условия устанавливаются правилами Речного или Морского Регистра России.
Кроме сталей для изготовления листовых конструкций применяют и цветные металлы. В кислородном машиностроении используют медь и латунь, в производстве цистерн для перевозки кислот, пищевых продуктов, корпусов судов на подводных крыльях — алюминий и его сплавы, в химическом машиностроении — жаропрочные и жаростойкие, кислотостойкие хромоникелевые стали.
Для сварки этих конструкций служит в основном сварка в защитных газах, а также нержавеющие электроды.
Если сварная конструкция ответственного назначения и под-надзорна органам Госгортехнадзора России, то к ее изготовлению (в том числе и контроль качества) допускаются инженерно-технические работники, а также рабочие-сварщики после обучения, про верки знаний и экзамена по новым правилам (введенным 15 января 2000 г.) аттестации ПБ-3-273-99 в аттестационном центре, а не на своем предприятии, как это делалось прежде. Подробнее об аттестации будет рассказано в главе 14.
12.10.4. Решетчатые и балочные конструкции
К решетчатым конструкциям относятся сварные стрелы, стой -ки различных грузоподъемных кранов, фермы конвейеров и различных перекрытий, мачты, стойки, опоры и подобные конструкции. Решетчатые конструкции изготовляют в основном из профильного проката: уголков, труб, швеллеров. Особенность этих конструкций — короткие по протяженности швы, нахлесточные и угловые соединения. Для сварки решетчатых конструкций применяют ручную дуговую, полуавтоматическую сварку в углекислом газе, как более маневренную и удобную в работе. В решетчатых koi i -струкциях до 40% швов, неудобных по доступности. Обычно толщина свариваемого металла 5—12 мм. При сборке решетчатых кои струкций редко бывают стыковые соединения, но если они есть, ю их сварку нужно выполнять в первую очередь, так как в этих соединениях максимальная усадка шва и могут произойти либо де
Глава 12. Изготовления сварных конструкций 359
формация, либо внутренние напряжения, а в худшем случае образование трещин.
Сварку швов следует выполнять «вразброс» для уменьшения сосредоточенного нагрева в одной зоне.
Обычно решетчатые конструкции собирают в специальных стендах, кондукторах, но иногда, при единичном производстве, — на плитах, стеллажах по разметке вручную. Длина прихваток 20— 30 мм, прихватки накладывают повышенным током, сечением 0,5 от шва и только в местах, подлежащих сварке. Для прихватки используются те же материалы, что и для сварки узла.
а
б
Рис. 133. Профили балок:
а — из прокатных элементов; б — из гнутых элементов
360
Сварочные работы
Балочная конструкция — это ферма со сплошными стенками из листового материала, сварной конструкции. Балки бывают различного сечения — от двутавровых до коробчатых (рис. 133). Они
применяются на подкрановых путях мостовых кранов, в мостах,
эстакадах, в различных сооружениях и перекрытиях промышлен
ного и гражданского строительства.
Балки собирают на стеллажах, стендах, в кондукторах и различных других приспособлениях, но если характер производства
единичный, то по разметке.
Балки отличаются большой протяженностью швов, даже по дли
не ребер, которые бывают до 1,5 м, поэтому сварка их часто произ
водится автоматами под флюсом или в защитном газе, или в смеси газов: аргон (85%) + углекислый газ (15%) — это когда сталь легированная и повышенные требования к качеству сварки.
Рис. 134. Балка двутавровая. Пунктиром показан возможный прогиб стенки в случае отсутствия ребра
В балках также выполняются сначала стыковые швы (особо при монтажной стыковке), затем — остальные. Ребра жесткости в балках, как правило, свариваются с одной стороны и не по всему периметру торца ребра (рис. 134).
Ребра в балке устанавливаю! для придания большей устойчивости стенке, высота которой бывает до 1 м и более. Если не будет ребер жесткости, то балка по стенке может прогнуться под рабочей нагрузкой и потерять устойчи вость. Назначение ребер — толи ко придание жесткости, поэтому прочность сварных швов должна быть в пределах устойчивости pd’>
ра и излишние швы лишь ухудшат конструкцию избыточным нагревом и внутренними напряжениями. В балочных конструкциях не должно быть швов поперек балки, чтобы не создавать зону пере
грева около шва от сварки, которая значительно ухудшит эксплуа
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
361
тационные качества. Еще одно принципиальное дополнение — не должно быть швов с замкнутым контуром (типа кольцевого шва).
Если балка стоит на двух опорах, а сверху по центру действует рабочая нагрузка, то в данном случае в двутавровой балке металл нижней полки работает на растяжение, т. е. способен воспринимать больше нагрузку, чем металл верхней полки, который работает на сжатие. В таких случаях металл нижней полки предусматривают на 2—8 мм меньшей толщины (в зависимости от прочностных расчетов), чем металл верхней полки.
В этом можно убедиться на таком примере: взять короткую металлическую линейку, поставить ее на торец, приложить усилие сжа-гия и она быстро прогнется по длине, а если пробовать разорвать эту линейку, то даже при большом усилии руками это не удастся. Об устойчивости начинают говорить тогда, когда высота больше поперечного сечения стержня, стойки, профиля.
В зоне сопряжения трех швов балки, швы не должны доходить до угла на 40—60 мм, чтобы не создавать мощный классический концентратор напряжений, способный разрушить шов в слабом месте, а также не допускаются пересекающиеся швы на од- i ной плоскости. Д—
Длина прихваток в балках должна быть — до \ /
эл z- Швы
пяти толщин металла, но не менее 30 и не более
60 мм, сечением прихватки ’/3 от шва. Прихватки выполняют по возможности тем же материалом, которым выполняется сварка.
Расстояние между прихватками принимается равным 40—50 толщин.
Сварка при отрицательных температурах. Физическая сущность механических изменений металлов и сплавов при отрицательных температурах до сих пор недостаточно изучена, поэтому отсутствуют единые и достоверные рекомендации по этому вопросу, а есть лишь ограничения минусовых температур, при которых можно выполнять сварку, но даже не для всех видов конструкций. Резкое снижение ударной вязкости металла, рост твердости и временного сопротивления металла полностью искажает картину расчетных вариантов прочности. Причем холодный металл играет роль тисков,
362
Сварочные работы
он не дает свободно расширяться и сужаться сварному шву и элементам в процессе сварки.
Технологические мероприятия при сварке на холоде (ниже —5°С) сводятся к подогреву различными способами, защите зоны сварки от потери температуры подогрева, которая приведет к быстрому охлаждению шва и околошовной зоны, снижая механические свойства.
12.11. Виды контроля качества
Виды контроля: входной, операционный — периодический (а иногда постоянный), контроль готовой продукции, контроль квалификации сварщика и другого производственного персонала.
Входной контроль предусматривает контроль исходных материалов, оборудования, оснастки до начала работ, а также контроль качества заготовок.
Исходные материалы — основной металл, электроды, флюс, сварочная проволока, защитные газы и т. д. должны иметь сертификат качества на соответствие стандартам. В особых и ответственных случаях потребитель дополнительно проводит проверку соответ ствия материалов сертификату.
Операционный — периодический, в процессе работы, но 100% после выполнения каждой операции, в особенности сборочных операций перед сваркой. На некоторых видах изделий операционный контроль постоянный. Такой контроль предусматривает проверку заготовок, состояния сварочных материалов, оснастки, оборудования, режимов сварки, размеров сборочного узла, зазоров в стыках, величины смещения свариваемых кромок, качества прихваток и наличия выводных планок.
Качество сварки готовой продукции иногда проверяется на образцах-свидетелях, когда работающему и не предупрежденному о проверке сварщику дают образец тот же соединения и такого же материал и он выполняет сварку, но без изменения режимов и условий работы. Затем образец испытывают и принимают решение о качестве. Способ этот очень действенный и результативный.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
363
Способы и объемы контроля и средства контроля указываются в техпроцессах, в конце каждой операции.
Контроль квалификации сварщика обязателен, особенно при выполнении работ, подведомственных Госгортехнадзору России. К таким работам относятся^грузоподъемные краны| газопроводы, водо-грешные котлы с температурой более 115°<У?1аровые котлы и многие другие изделия/
Сварщики и инженерно-технический персонал (технолог, конструктор, мастер, работник ОТК) должны проходить обучение и аттестацию (сдача экзаменов) в специальных аттестационных центрах, с получением соответствующего документа, который действует на всей территории России.
Следует отметить, что квалификация, навыки сварщика бывают решающими при достижении качества или при браке изделий. Например, в случае брака, допущенного при стыковке и сварке труб в монтажных условиях, вина сварщика обычно составляет до 70%.
Контроль готовой продукции — выявление дефектов и меры по их устранению. Иногда на выявленные дефекты имели влияние предыдущие операции — это дефекты подготовки под сварку, дефекты сборки с нарушением величины зазоров, смещение кромок и т. д.
Рис. 135. Универсальный шаблон сварщика (индикатор) УШСЗ:
1 основание; 2 — движок; 3, 5 — указатели; 4 — ось вращения;
А, Б, В — опорные, базовые поверхности для измерения углов и размеров; Г, Д, Е — нониусы величины размера или угла; Ж — прорези для замера диаметра электродной проволоки
364
Сварочные работы
Проверка чертежных размеров и остальных требований, предусмотренных техпроцессом, а при отсутствии техпроцесса — чертежом.
Приемка готовой продукции оформляется документально.
При измерениях размеров швов кроме универсального инструмента применяют различный специальный, например шаблон свари щика (индикатор) УШСЗ (рис. 135), который позволяет контролировать размеры шва, угол фаски под сварку, диаметр сварочного материала (электрода, проволоки) и зазор в стыке. Он предназначен только для стыковых соединений.
12.12. Дефекты сварки
На процесс сварки и формирования шва влияет много причин, в том числе и квалификация персонала. В принципе, сварочное производство без дефектов практически невозможно, поэтому есть дефекты допустимые, на которые установлены нормы.
Дефекты сварных соединений подразделяют на наружные и внутренние.
Наружные дефекты:
нарушение размеров и формы шва, наплывы (рис. 136), подрезы (рис. 137), кратер — углубление в конце шва, прожоги.
Внутренние дефекты:
поры, шлаковые включения, непровары, несплавления, трещины, дефекты структуры.
Пористость металла шва иногда частично выступает наружу н виде углублений различного продольного расположения.
а б в г
Рис. 136. Наплывы в швах:
а — горизонтальном; б — нахлесточного соединения, в — таврового соединения, г — стыкового соединения или при наплавке валиков
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
365
Рис. 137. Подрезы швов Стрелкой обозначены подрезы
Причины образования наружных и внутренних дефектов, способы их исправления
Подрезы, наплывы — от завышенного или заниженного тока, а также вследствие недостаточных навыков сварщика.
Кратер — из-за небрежности сварщика.
Подрезы, кратеры исправляют сваркой, наплывы удаляют.
Нарушение размеров и формы шва, которые определены ГОСТ на конкретный вид сварки, — из-за невнимательности сварщика, либо неправильных режимов сварки, либо от недостаточной квалификации. Эти нарушения выражаются в несоблюдении ширины шва, усилении шва, изменении размера катета шва (разнокатетность), а также вогнутости углового шва.
Поры (полости, заполненные газом) бывают от загрязненности свариваемых кромок, влажности электродов, флюса, недостаточной защиты шва защитным газом, завышенной длины дуги, увеличенной скорости сварки.
На всех сварных конструкциях, в том числе и ответственных, существуют нормы допустимых внутренних, наружных пор, их размеров, расстояний между ними и их количества. Эти нормы-допуски пор отражены в технических условиях на изделие и в конкретных конструкциях. Эти нормы разные. Недопустимую пористость в зоне шва удаляют, затем исправляют дефект сваркой.
366
Сварочные работы
Шлаковые включения — это небольшие объемы металла шва, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, окислами). Шлаковые включения образуются от недостаточной величины сварочного тока, из-за неопытности сварщика, неправильного направления электрода, а иногда и от низкого качества электродов, или очень толстой обмазки, когда весь шлак не успевает всплыть.
Обычно шлаковые включения удаляют и зону дефекта исправляют сваркой.
Непровары, несплавления — это, как правило, местный дефект по причине плохой зачистки, блуждания или отклонения сварочной дуги под влиянием магнитных полей, при легкоплавких электродах — когда неправильные режимы сварки, нестабильная работа источника питания дуги, недостаточный угол скоса кромок, недостаточный зазор в соединении, не полностью удален шлак. Причиной непроваров может быть недостаточная тепловая мощность дуги, слишком длинная дуга, небрежность либо неподготовленность сварщика. Непровары удаляют и повторно заваривают.
Трещины — самый опасный и недопустимый дефект. Трещины бывают наружные и внутренние. Они образуются по многим причинам, например, от излишнего содержания углерода и легирующих элементов в стали, от жесткого закрепления элементов, от высокой скорости охлаждения, от содержания углерода в сварочных материалах, от неблагоприятного конструктивного расположения сварных швов, от повышенных плотностей тока, от сварки при низкой температуре и по другим причинам.
Поскольку действует иногда целый комплекс причин и однозначно виновника назвать невозможно, то нужно коллективно устранять причины.
Трещины, как наиболее опасные дефекты на любых сварных конструкциях, не допускаются.
Исправление участка шва с трещиной выполняется путем зас-верливания сверлом диаметром 8—10 мм отверстий на глубину трещины, отступив от конца трещины на «здоровый» участок металла по 10 мм. Затем трещину разделывают вручную инструментом или на станке с последующей заваркой.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
367
Дефекты структуры сварных соединений — это пережог — грубое нарушение режимов сварки в сторону увеличения нагрева. Этот дефект не исправляется последующей термообработкой, он подлежит удалению.
Перегрев — устраняется термообработкой, а также выбором рациональных режимов сварки (в том числе многослойная сварка).
Изменение структуры и твердости ЗТВ исправляется термообработкой и правильными режимами.
Дефекты структуры обнаруживают на макро- и микрошлифах при проверке структуры, если этого требуют технические условия на изделие.
Исправление дефектов всегда производится тем же видом и способом сварки и теми же сварочными материалами.
12.13. Средства для обнаружения дефектов
12.13.1. Этапы контроля
Самым доступным и неплохим этапом контроля является внешний осмотр — выполняют невооруженным глазом или с помощью лупы не более семикратного увеличения, выявляют трещины, подрезы, наплывы, равномерность шва и размеры его. Эта операция простая, но высокоэффективная.^
Механические испытания — это испытания образцов на разрыв, изгиб, ударную вязкость и относительное удлинение в соответствии с ГОСТом 6996-66. Испытания на растяжение выполняются по ГОСТом 1497-73, 11150-65, 9651-73 — в зависимости от температуры образца. На ударную вязкость — по ГОСТ 9454-60.
Гидравлические испытания — производятся при давлении воды или масла, превышающем рабочее на 25—50%, с выдержкой в течение определенного времени. Этим испытанием проверяется плотность швов на течи, а также прочность конструкции.
Пневматические испытания — наполнение контролируемой емкости сжатым воздухом. Это и быстро, и удобно. Тцк, например, испытывают сварные баллоны для пропана. После заполнения воздухом баллон погружают в ванну с водой для проверки плотности,
368
Сварочные работы
при этом осматривают на наличие воздушных пузырьков. Процесс простой и быстрый. При этом проверяется и прочность.
Испытания вакуумным способом — метод течеискания основан на регистрации падения вакуума в замкнутом объеме контролируемого изделия или на фиксации пробного газа, появившегося в объеме. Процесс непростой, поверхность хорошо промывают растворителями и протирают, а иногда шлифуют до блеска, затем ставят на эту контролируемую поверхность вакуум-камеру с присосками-уплотнениями и образуют вакуум. Наибольшее распространение получил контроль гелиевой камерой с вакуумными присосками. Вакуумная камера переносная и имеет прозрачное смотровое стекло.
Испытание керосином — смачивание сварных швов керосином, выдержка, затем, если имеется неплотность, керосин проступает желтыми пятнами на меловом покрытии с обратной стороны шва. Процесс прост и достаточно надежен. Керосиновая проба эквивалентна 4 кгс/мм2 гидравлического давления.
Испытание аммиаком — испытуемые швы покрывают бумажной или марлевой лентой, пропитанной 5%-ным водным раствором азотнокислой ртути или фенолфталеином. В изделие нагнетают воздух в смеси с аммиаком до определенного давления. Проходя через неплотности шва, аммиак оставляет на бумаге черные (раствор азоз -нокислой ртути) или красные (фенолфталеин) пятна.
Испытание с помощью течеискателей. Применяют гелиевые то чеискатели. При контроле внутри испытуемого сосуда создают глубокий вакуум, а снаружи сварные швы обдувают смесью воздуха с гелием.
Через неплотности гелий проникает внутрь сосуда, а затем в тс-чеискатель, оборудованный аппаратурой для его обнаружения.
Металлографические исследования — это изучение структуры сварного соединения на специальных шлифах под микроскопом с увеличением в 110,400 раз и более. При необходимости эти структуры фотографируются.
12.13.2. Радиационная дефектоскопия
Просвечивание рентгеновскими лучами. Открытие в 1895 г. замечательных лучей, обладающих большой проникающей способное
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
369
тью в плотных средах, позволили успешно решать многие задачи в технике, медицине и других отраслях. В знак признания необычайно важного открытия эти лучи были впоследствии названы в честь первооткрывателя — В.К. Рентгена — рентгеновскими, а в 1901 г. за это открытие ему — первому из физиков, была присуждена Нобелевская премия. Лучи действуют на фотопленку подобно световым. Этими лучами можно просвечивать металл толщиной до 500 мм (рис. 138), производить фотографирование с фиксацией дефектов на фотопленке (рис. 139). Недостатком контроля рентгеновскими и гамма-лучами является их опасность при значительных дозах.
При просвечивании лучи направляются перпендикулярно шву. Выпускаются переносные рентгеновские установки РУП-60, РУП-75, РУП-120, которыми можно просвечивать толщину до 100 мм.
Просвечивание гамма-лучами. Для выявления внутренних дефектов применяют гамма-лучи, возникающие при самопроизвольном распаде некоторых элементов (радий, уран). Для контроля сварных швов используют искусственные радиоактивные вещества (изотопы), например, кобальт-60, цезий-137 и др.
Гамма-излучатели хранятся в специальных защитных контейнерах; работа с ними регламентируется инструкциями и правилами санитарной инспекции.
Изотопы действуют в течение более или менее длительного времени, например: кобальт-60 — 5,24 года, цезий-137— 33 года, европий-152— 12,7 года; туллий-170— 129 дней, и т. д.
Рис. 138. Схема просвечивания сварного соединения:
1 — источник; 2 — дефект;
3 — контролируемое изделие;
4 — детектор
нограмм:
1 — газовые включения;
2 — непровары; 3 — шлаки;
4 — трещины
370
Сварочные работы
Выпускаются передвижные установки с гамма-излучателями: ГУП-Со-0,5-1, ГУП-Со-5-1 и др.
Установки рентгеновского и гамма-излучения опасны для людей, поэтому имеют специальную защиту, а работы с использованием их выполняются в отдельных помещениях, оборудованных по специальным правилам.
В соответствии с требованиями охраны труда специалисты, работающие на этих установках, находятся на специальном учете. При точечном источнике излучения доза допустимого облучения на рабочем месте — не более 0,1 рентгена за неделю (международная норма — 0,3 рентгена в час).
Энергия излучения, поглощаемая единицей массы облучаемого объекта, называется поглощенной дозой излучения.
Внесистемной единицей поглощенной дозы излучения служит рад (1 рад = 0,01 Дж/кг). Для оценки радиационной опасности хронического облучения введено понятие эквивалентной дозы, которая характеризует биологическое воздействие облучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы служит биологический эквивалент рада — бэр. За 1 бэр принимается такая поглощенная доза любого вида излучения, которая при хроническом облучении вызывает такой же биологический эффект, что 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.
В качестве предельно допустимой дозы (ПДД) облучения людей принят годовой уровень облучения персонала, не вызывающий при равномерном накоплении дозы в течение 50 лет обнаруживаемых современными методами неблагоприятных изменений в состоянии здоровья самого облучаемого и его потомства.
Во всех случаях доза, накопленная человеком, не должна пре вышать 60 бэр, а однократно для всего организма за квартал быть не более 3 бэр.
Перспективным видом радиационной дефектоскопии является ксерорадиационная, которая заключается в том, что для обнаруже ния дефекта пользуются пластинкой из стальной или алюминие вой фольги, на поверхность которой нанесен фотонроводниковы|| слой (обычно селеновый). Пластину предварительно заряжают. 11<ы действием рентгеновского или гамма-излучений ксеропластина if
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
371
ряет электрические заряды. Остаточный заряд будет тем меньше, чем больше интенсивность излучения, когда лучи проходят какие-то неплотности, пустоты в металле (шлак, поры и т. п.). Поэтому интенсивность излучения в местах дефектов бывает выше и заряд в этих местах будет меньше. Все это образует в ксеропластине скрытое электростатическое изображение, которое преобразуется в видимое путем его проявления. Оно заключается в том, что пластина со скрытым электростатическим изображением опыляется предварительно электризуемым порошком (мел, тальк и др.). На это затрачивается 10—40 с.
Длительность электризации ксерорадио графической пластины — 10—120 с. Заряд в пластине сохраняется до 30 мин. Срок службы пластины — около 700 заряжений. Размножение снимка с ксеро-пластины проводится путем контактирования с простой бумагой, на которой и фиксируется изображение.
Преимущество ксерорадиографии перед радиографией — высокая производительность получения снимков и сухое проявление. Этим способом контролируют качество швов и металла до толщины 20 мм. В промышленности имеются ксероустановки типов ПКР-2, Эрга и др.
12.13.3. Контроль ультразвуком
Ультразвуковой метод контроля основан на способности ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух упругих сред, обладающих разными акустическими свойствами.
Отразившись от нижней поверхности изделия, ультразвук возвратится, будет принят датчиком, преобразован в электрические колебания и подан на экран электронно-лучевой трубки. При наличии дефектов ультразвуковые колебания исказятся: это будет видно на экране электронно-лучевой трубки, где появится всплеск — искажение. По характеру и размерам искажений определяют виды и размеры Дефектов.
Ультразвуковые колебания — это механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости человеческого уха, т. е. более 2000 Гц. Для ультразвукового контроля применяют колебания частотой 0,5—10 МГц. «Ультра» (от латин
372
Сварочные работы
ского) означает «сверх», «за пределами». Частота колебаний — это число колебаний за 1 с.
Распространяются колебания в однородных материалах по относительно прямым линиям, а на границе раздела двух разнородных материалов (поры, трещины и проч.) происходит их отражение.
Излучение и прием (регистрация) ультразвуковых колебаний производятся электроакустическими преобразователями приборов, а сами приборы называются ультразвуковыми дефектоскопами. Такая аппаратура в нашей стране появилась лишь в 1957 г., а сам способ использования ультразвуковых колебаний для дефектоскопии был впервые в мире предложен нашим соотечественником С.Я. Соколовым в 1928 г.
Основой преобразователей обычно является определенный керамический материал, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. «Пьезо» (греч.) в переводе на русский язык означает «сжимаю». Пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что пьезоэлектрическая пластина (из титаната бария, цирконат-титаната свинца и др.) под действием подведенного к ней переменного электрического потенциала начинает изменять свою толщину и колебаться, механически вибрировать и направлять пучок колебаний перпендикулярно плоскости пластины, а под влиянием механических деформаций на противоположных поверхностях пьезоэлектрической пластины возникают электрические заряды — переменный электрический ток, который передается на соответствующие регистрирующие приборы.
Проникновение ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие происходит тогда, когда удаляется воздух, находящийся меж ду контактирующими поверхностями излучателя и изделия. Для это го между ними устанавливают акустический контакт путем нанесения на поверхность контролируемого изделия слоя минеральною масла, солидола, технического глицерина, воды и др.
Процесс распространения ультразвука в теле является водно вым, он создает упругие колебания.
Излучатели и приемники ультразвуковых волн называются нье зопреобразователями. Пьезопластина может работать и как излучатель и как приемник.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
373
Для озвучивания сварных изделий употребляют в основном эхоимпульсный контроль. Эхо-метод заключается в озвучивании изделий короткими импульсами ультразвука и регистрации эхо-сигналов, отраженных от дефекта к приемнику. Признаком дефекта является появление импульса 3 на экране (рис. 139).
Недостаток ультразвукового контроля — в сложности расшифровки дефекта, ограничении для применения на изделиях аустенитных сталей, чугуна, металлов с крупным зерном, в невозможности контроля сталей малой толщины (до 4 мм).
Для работы на ультразвуковом контроле персонал (инженеры, техники) проходят специальную подготовку с приобретением навыков и с аттестацией.
В настоящее время в России находится в пользовании и выпускается более 20 различных моделей дефектоскопов, например, ДУК-66ПТ (дефектоскоп ультразвуковых колебаний, модель 66, портативный, модернизированный), УЗД-НИИМ5, УД-1 ШУ (рис. 140) и много других. Особый вклад в развитие, создание техники и технологии ультразвукового контроля внесли МВТУ им. Баумана и Институт НИИМостов начиная с 60-х годов прошлого века.
Рис. 139. Эхо-импульсный метод — схема (эхо-импульсный метод называют иногда еще методом эхолокации)
374
Сварочные работы
Рис. 140. Общий вид дефектоскопа УД-11 ПУ
12.13.4. Магнитографический контроль
Этот способ контроля дает достаточно достоверные результаты и практически является одним из главных способов контроля сварных стыков при прокладке трубопроводов нефти, газа и т. п. Спо соб основан на том, что при прохождении магнитного потока по испытуемому материалу в местах дефектов магнитный поток ис кривляется (рис. 141), рассеивается и это рассеяние в намагничен ном участке изделия обнаруживается специальным прибором — м;п нитным дефектоскопом.
Если на поверхность контролируемой зоны нанести ферромаг нитный порошок (обладающий магнитными свойствами), то над местом расположения дефекта создадутся скопления порошка.
Намагничивание осуществляется пропусканием постоянно! о тока по детали, созданием магнитного поля вокруг детали.
По неравномерности линий магнитного потока, а значит по не равномерности расположения порошка, можно судить о наличии дефекта. Магнитные потоки рассеяния преобразуются в электри ческие сигналы на экране осциллографа.
Магнитным методам контроля могут быть подвергнуты детали только из ферромагнитных материалов, свойства которых обуслпп лены внутренними молекулярными токами, в основном вращением
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
375
электронов вокруг собственной оси. Хромоникелевые стали, медь, алюминий немагнитны и магнитному контролю не подлежат.
Магнитный поток, проходя по изделию и встречая на своем пути дефект, огибает его вследствие того, что магнитная проницаемость дефекта значительно меньше (приблизительно в 1000 раз) магнитной проницаемости основного металла, поэтому часть магнитных силовых линий вытесняется дефектом к его поверхности в тело основного металла, образуя местный поток рассеяния. Если дефект расположен вдоль направления магнитных силовых линий, то возмущение магнитного потока невелико, а если дефект расположен перпен
дикулярно или наклонно направлению магнитного потока, создается значительный поток рассеяния (возмущение). При контроле применяют намагничивающие устройства.
Рис. 141. Схема магнитного потока: Распределение магнитного потока по сечению: а — качественного
сварного шва, б — дефектного шва
Все намагничивающие устройства питаются постоянным током, так как он создает магнитное поле, глубоко проникающее в металл.
В зависимости от способа регистрации магнитного потока рас
сеяния имеется четыре магнитных метода контроля, но в сварочном производстве применяются только два: магнитопорошковый и магнитографический.
В первом методе потоки рассеяния выявляются с помощью маг
нитного порошка, во втором — регистрируются на магнитную ленту.
Магнитопорошковый метод. Сущность его в том, что на поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок в виде суспензии с керосином, маслом, мыльным раствором («мокрый» метод) или в виде магнитного аэрозоля («сухой» метод). Под действием втягивающей силы магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются по поверхности детали и скапливаются в виде валиков над дефектами. Форма этих скоплений порошка соответствует очертаниям выявленных дефектов.
Для повышения чувствительности контроля усиление швов перед испытанием следует удалить. Чувствительность контроля зави
376
Сварочные работы
сит от чистоты обработки поверхности (шероховатости), которая должна быть не хуже Ra = 1,25 мкм. На такой поверхности получают наивысшую чувствительность контроля. Резкие переходы (подрезы, чешуйчатость, усиление шва) или крупные микронеровности приводят к скоплению не над дефектами, а в местах углублений, переходов и дезинформируют контроль. В практике существует три способа намагничивания изделия: комбинированный, циркулярный и полюсный.
Способ продольного (полюсного) намагничивания является относительно несложным, достаточно приемлемым и часто применяемым (рис. 142).
Постоянным магнитом
Электромагнитом
Соленоидом
Рис. 142. Способ продольного (полюсного) намагничивания
Дефектоскопы для магнитопорошкового метода контроля состоят из источника тока, устройства для подвода тока к детали, устройства для полюсного намагничивания (соленоиды, электромагниты), устройства для нанесения на контролируемую деталь порош ка или суспензии, измерителя тока (по напряженности поля). Дефектоскопы бывают стационарные, передвижные и переносные. Например, передвижной дефектоскоп ПМД-70 предназначен для магнитного контроля сварных швов в полевых условиях и имес! полюсное продольное намагничивание.
Составы суспензий магнитных: 1) масляно-керосиновая смесь (1 : 1) 1 л, порошка 50—60 г; 2) 1 л воды, 6 г мыла, 1 г жидкого стекла (конторский клей) и 25—30 г магнитного порошка. В качс-
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
377
стве порошков можно применять мелко помолотую чистую желез-
ную окалину от ковки, а также стальные опилки от шлифования.
Магнитографический контроль. Сущность этого метода заключается в намагничивании контролируемого участка сварного шва и околошовной зоны с одновременной записью магнитного поля на магнитную ленту и последующим считывании с нее полученной информации специальными устройствами магнитографических дефектоскопов (рис. 143).
Магнитографический метод в основном применяют для контроля стыковых швов, выполненных сваркой плавлением, и в первую очередь при дефектоско-
2 3
Рис. 143. Схема магнитографического контроля: 1 — намагничивающее устройство; 2 — сварной шов; 3 — дефект;
4 — магнитная лента
пии швов магистральных трубопроводов. Этим способом можно контролировать стыки листовых металлоконструкций и трубопроводов с толщиной стенки 2—16 мм, а с менее точными результатами
— толщиной до 20—25 мм. Магнитографией наиболее уверенно выявляются плоскостные дефекты (трещины, непровары, несплавле-ния), а также протяженные дефекты’в виде шлака.
Значительно хуже выявляются округлые дефекты (поры, шлаковые включения). Практикой установлено, что этот метод уверенно обнаруживает внутренние плоскостные дефекты (лежащие в плоскости), когда их вертикальный размер 8—10% толщины сварного
шва.
Контроль состоит из следующих операций:
• подготовка контролируемой поверхности;
• наложение на шов отрезка магнитной ленты (размагниченной), прижим ленты эластичной «подушкой», резиновым поясом;
• намагничивание контролируемого изделия;
• расшифровка результатов контроля, для чего магнитную ленту устанавливают в считывающее устройства дефектоскопа и по сигналам на экранах дефектоскопа выявляют дефекты.
378
Сварочные работы
Чем глубже расположен дефект от поверхности изделия, на которую укладывается магнитная лента, тем хуже он выявляется. Высота усиления шва допускается не более 20% от толщины металла, но не более 1 мм, и без смещения кромок стыкуемых элементов.
Аппаратура, материалы. Считывание результатов контроля магнитной ленты производится магнитографическими дефектоскопами (рис. 144).
Рис. 144. Блок-схема магнитографического дефектоскопа: 1 — электродвигатель; 2 — блок головок; 3 — магнитная лента;
4 — усилитель; 5 — генератор развертки; 6 — электронно-лучевая трубка
Дефектоскоп имеет электродвигатель, приводящий во вращение барабан с несколькими магнитными головками, перемещающимися поперек магнитной ленты. Электрические сигналы с головки поступают в усилитель, усиливаются в нем и подаются на электронно-лучевую трубку (экран).
В комплект дефектоскопа входит намагничивающее устройство. Оно состоит из П-образного магнитомягкого сердечника (магнитопровода) и обмотки.
Промышленность выпускает несколько типоразмеров передвижных намагничивающих устройств ПНУ, которые предназначены для намагничивания сварных стыков труб диаметром 150— 1200 мм и плоских изделий толщиной 16 мм. Для труб диаметра более 1200 мм (до 1420 мм) и плоских конструкций (стыковых) применяют шаговые намагничивающие устройства (МНУ-1). Для намагничивания кольцевых швов труб диаметром 57—150 мм применяют неподвижные намагничивающие устройства типа НВУ-1.
Разработано и выпускается много типов магнитных дефектоскопов, в том числе с импульсной индикацией и видимым изображени
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
379
ем. Наиболее совершенные дефектоскопы МДУ-2У, МД-10ИМ и МКГ-1.
12.13.5. Способы капиллярного контроля
По своей гибкости, простоте, оперативности и достоверности этот способ иногда просто незаменим, особо для обнаружения микротрещин.
В производстве применяются два способа контроля:
1) люминесцентный — ЛД (люминесцентная дефектоскопия) основан на свойстве некоторых веществ (люминофоров) светиться при действии ультрафиолетовых лучей;
2) цветная дефектоскопия — ЦД — когда применяются красители, видимые в зоне дефекта при дневном свете.
Капиллярные методы контроля предназначены для обнаружения несплошности в поверхностных слоях изделий.
Иногда необходимо выявить настолько малые дефекты, что заметить их при визуальном осмотре невозможно. Применение оптических приборов также не дает результата из-за недостаточной контрастности и других причин.
Изменить контрастность можно полированием, но это экономически неоправданно, а иногда технически неприемлемо.
Другой способ состоит в изменении светоотдачи дефектов, заполнением их с поверхности специальными свето- и цветоконтрастными индикаторными жидкостями, называемыми пенетрантами. По рецептуре составных частей этих пенетрантов в применении и производстве в России более 60 наименований. Если в состав пенетранта входят люминесцирующие вещества, т. е. вещества, дающие яркое свечение при облучении их ультрафиолетовым светом, то такие жидкости называются люминесцентными, а метод контроля соответственно — люминесцентным.
Если основой пенетранта являются красители, видимые при дневном свете, то метод контроля называют цветным (цветная дефектоскопия — ЦД). В ЦД используют красители ярко-красного цвета.
Сущность капиллярной дефектоскопии в следующем (рис. 145). Поверхность изделия очищают от всяческих загрязнений, обезжи-
380
Сварочные работы
Рис. 145. Схема контроля деталей капиллярным методом с применением проявителя:
а — полость трещины заполнена проникающей жидкостью;
б — жидкость удалена с поверхности детали; в — нанесен проявитель: трещина выявлена; 1 — деталь; 2 — полость трещины; 3 — проникающая жидкость; 4 — проявитель; 5 — индикаторный след трещины
ривают, сушат. После этого на нее наносят слой пенетранта и дают выдержку 5 мин, чтобы жидкость смогла проникнуть в имеющиеся дефекты. Затем поверхность очищают от жидкости, часть которой остается в полости дефектов.
Чтобы повысить выявляемость дефектов, на поверхность изделия после удаления с нее пенетрантов наносят специальный проявляющий материал в виде быстро сохнущей суспензии (каолина, коллодия) или лаковые покрытия. Проявляющий материал вытягивает пенетрант из полости дефектов, оставляя на себе следы расположения дефекта, полностью повторяющие конфигурацию дефекта. Это хорошо видно даже без лупы.
Физическая основа капиллярного метода дефектоскопии — яв ление капиллярной активности, т. е. способность жидкости втяги ваться (проникать) в мельчайшие отверстия, трещины, поры, капа лы. Глубина и скорость проникновения жидкости тем больше, чем лучше смачиваемость (малое поверхностное натяжение) жидкости и чем меньше радиус капилляра.
Процесс контроля состоит в подготовке поверхности, обработке дефектоскопическими материалами, выявлении дефектов, окончи тельной очистке изделия.
При очистке поверхности под контроль нужно не допустить вне сения в дефекты новых загрязнений.
Глава 12. Изготовления сварных конструкций
381
Индикаторную жидкость наносят аэрозольно либо мягкой кистью. Излишки этой жидкости удаляют и дают выдержку до 5 мин. Пенетранты бывают на водной основе и на различных органических жидкостях (керосин, скипидар, бензол, уайт-спирит, масло трансформаторное и др.). Эти пенетранты эффективны и применяются почти всегда, так как они обеспечивают высокую чувствительность выявления дефектов.
Методы выявления дефектов разные (5 способов), но чаще всего в сварочном производстве используются два, как более достоверные и удобные.
I. Пленочный проявитель — это бесцветная или белая индикаторная пленка с проявляющим слоем. Слой поглощает индикаторный пенетрант, легко отделяется с индикаторным слоем дефекта от контролируемой поверхности. Пленочный проявитель технологичен и, что самое главное, дает возможность получить дефектограмму, анализировать ее отдельно от изделия и сохранять как объективный документ контроля.
2. Самопроявляющий вариант, при котором после пропитки и очистки деталь нагревают, заменяя тем самым проявление. При нагревании специальная индикаторная жидкость выходит из полости дефекта, затвердевает и образует индикаторный слой, люминесцирующий (светящийся) под воздействием ультрафиолетового излучения.
Другие проявители просты и доступны, но менее эффективны по результату (чувствительности к дефектам).
Поэтому в ЛД чаще применяют пленочный и самопроявляющий способы проявления.
В ЦД применяют в основном порошкообразные проявители дефектов в виде суспензий и белые проявляющие лаки.
Чувствительность лаковых проявителей выше. При осмотре, в случае необходимости, применяют большую лупу с двукратным увеличением.
После употребления пенетрантов на водной основе иногда необходимо применять ингибиторы, т. е. вещества, тормозящие окислительные процессы.
Аппаратура. Промышленностью выпускаются различные типы переносных и стационарных дефектоскопов. Наиболее перспекти
382
Сварочные работы
вен переносный аэрозольный комплект КД-40 ЛЦ. Он предназначен для контроля изделий в полевых условиях, в цехе и в лабораторных условиях цветными, люминесцентными методами.
В комплект входят разборные аэрозольные баллоны, которые можно многократно заряжать дефектоскопическими материалами на зарядном стенде, входящем в комплект. Баллоны скомплектованы в три набора, один из которых обеспечивает работу на морозе до - 30°С.
В комплект входит еще ультрафиолетовый облучатель КД-ЗЗЛ. Для ЦД при небольшом объеме работ используют переносные дефектоскопы ДМК-4, ДАК-2Ц. ДМК-4 выполнен в виде чемодана с гнездами и секциями, в которых размещены принадлежности для контроля: емкости с расходными растворителями, краской .и жидкостью, пеналы с кистями и лупы. Дефектоскоп массой 7 кг имеет небольшие габариты (430 х 250 х 200 мм).
9 Контрольные вопросы к главе 12
• -
7. Перечислите основные требования к сварным конструкциям.
2. Какие основные методы расчетов на прочность и устойчивость используют при проектировании сварных конструкций ?
3. Почему сварные конструкции не применяли до XX в. ?
4. Когда сталь под нагрузкой работает лучше — при растяжении или при сжатии волокон ?
5. От каких показателей (параметров) зависит устойчивость стойки?
6. Что представляет собой технологический процесс?
7. Перечислите меры борьбы с деформациями и напряжениями в сварных узлах.
8. Перечислите виды дефектов сварки и причины их появления.
9. В чем заключается предварительный и текущий контроль?
10. Назовите методы обнаружения дефектов сварных соединений и охарактеризуйте каждый метод.
11. Для чего применяют капиллярные методы контроля?
12. Назовите заготовительные операции, применяемые в сварочном производстве.
Глава 13. Безопасность труда
383
13. Перечислите основные требования к технологическому процессу.
14. Какие виды технологических процессов бывают по организации производства?
15. Из каких технологических карт состоит технологический процесс сборки, сварки ?
Глава 13. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА
13.1. Источники вредности для здоровья
Источниками вредных выделений в зону дыхания персонала при сварочных работах являются процессы сварки, термической резки (особенно плазменной), пайки, наплавки, при которых выделяются аэрозоли пыли, вредных газов и паров. В зоне дыхания появляются газообразные фтористые соединения, окись углерода, двуокись марганца, окислы азота и многие другие вредные вещества.
Наличие вредных веществ в рабочей зоне дыхания может привести к возникновению у персонала профессиональных заболеваний (пневмокониоз, интоксикация и т. д.).
На работающих могут воздействовать интенсивные ультразвуки, например, при ультразвуковой сварке или при плазменной обработке металлов.
Неправильная эксплуатация электрического оборудования способна создать опасность поражения электрическим током. При контактной сварке рабочие могут подвергаться воздействию переменных магнитных полей. Некоторые виды оборудования создают в производственных помещениях мощные высокочастотные электромагнитные поля.
Работа электронно-лучевых установок связана с образованием мягкого рентгеновского излучения.
Источниками вредных ионизирующих излучений могут оказаться торированные вольфрамовые электроды, применяемые при сварке в среде защитных газов, и радиоактивные препараты, используе мые при гамма-дефектоскопии сварных соединений.
Глава 13. Безопасность труда
385
Мощное ультрафиолетовое и световое излучение сварочной дуги и плазмы при воздействии на глаза работающего может вызвать электроофтальмию, а при длительном воздействии инфракрасного излучения вызвать помутнение хрусталика — катаракту. Опасность создает использование в сварочном производстве горючих газов и кислорода, а также эксплуатация сосудов, работающих под давлением.
Применение открытого газового пламени, открытых дуг и струй плазмы, наличие брызг жидкого металла и шлака при сварке и резке не только делают ожоги, но и повышают угрозу возникновения пожаров, особенно, когда применяются электрододержатели, не соответствующие гостЛ
1 При организации и выполнении различных работ в сварочном производстве необходимо исключать опасные факторы, а если это оказывается невозможным, затрудненным технически, то нужны меры по их нейтрализации и защите от них. В сварочном производстве опасны вредные вещества, находящиеся в воздухе рабочей зоны. По степени воздействия на организм человека их делят на четыре класса: 1 — чрезвычайно опасные; 2 — высокоопасные; 3 — умеренно опасные; 4 — малоопасные. [
По предельно допустимой концентрации (ПДК) аэрозолей или паров вредных веществ можно оценивать опасность для здоровья человека. Например, ПДК (мг/м3) окиси алюминия равно 4, вольфрама, карбида вольфрама — 6, марганца — 0,3; никеля — 0,1; свинца — 0,01; хромового ангидрида, хроматов (в пересчете на СгО3) — 0,01; фтористых соединений — 0,5; титана и его двуокиси (TiO2 — рутил) — 10; берилия и его соединений — 0,001; цинковых паров — 0,01; и т. д. Отсюда видно, насколько опасны электроды хромоникелевые (нержавеющие). Сварка этими электродами без хорошего дымоотсоса недопустима. Нередко в производстве приходится выполнять сварку свинцовых ванн под кислоты, для химической очистки трубопроводов гидросистем и для других целей. К этим работам нужно относиться ответственно и обеспечивать средства автономного дыхания сварщику.
Особенную опасность представляет наплавка или сварка латуни, при которой выделяются пары цинка. Без надежного индивидуального дымоотсоса в зоне сварки или наплавки работы выполнять нельзя.
386
Сварочные работы
Для растворения сварочных аэрозолей до ПДК существуют нормы на необходимое количество воздуха от вентиляции при расходе 1 кг электродов. Например, на 1 кг расходуемых электродов (для сварки малоуглеродистых сталей) марки АНО, ОЗС, МР требуется в среднем 2500—6000 м3 воздуха; для нержавеющих электродов — 30000—60000 м3 воздуха; для наплавочных твердосплавных электродов (Т-590, ВСН и др.), от которых выделяется хромовый ангидрид, марганцевые и фтористые соединения необходимо 280000— 350000 м3 воздуха. Приведенные цифры показывают степень опасности различных марок электродов при сварке и наплавке. Это нужно помнить и понимать реальную возможность утраты здоровья.
Сварщики получают отравления в основном по причине халатности или незнания.
При аргоно-дуговой сварке и плазменной обработке металлов применяются торированные вольфрамовые электроды. Это потенциально может быть связано с выделением в воздух тория и продуктов его распада. Порядок получения, перевозки и использования торированных вольфрамовых электродов установлен санитарными правилами ОСП-72.
Большинство видов работ с тарированными вольфрамовыми электродами (из сплавов ВТ 10, ВТ 15 и др.) радиационной опасности не представляет. Условная радиационная опасность может быть при хранении более 5 кг, а также при заточке вольфрамовых электродов и при одновременной сварке более чем на 5 рабочих постах, расположенных в одном цехе.
К хранению торированных вольфрамовых электродов на рабочих местах (до 1 кг) особых требований не предъявляется.
13.2. Электробезопасность
Все сварочное оборудование должно соответствовать «Правилам устройства электроустановок» и действующим ГОСТ на него.
Присоединение и отсоединение от сети электросварочных установок должно производиться электротехническим персоналом. I
Глава 13. Безопасность труда 387
< Сварщики должны быть обучены и аттестованы по электробезопасности.
Конструкция электрододержателя должна соответствовать требованиям ГОСТ. Применять самодельные электрододержатели запрещается.
Корпус любого источника питания сварочной установки необходимо надежно заземлять болтом диаметром 6—8 мм. Помимо заземления сварочного оборудования нужно непосредственно заземлять тот зажим вторичной обмотки сварочного трансформатора, к которому присоединяется проводник, идущий к изделию (обратный провод), j
На органах управления сварочным оборудованием должны быть четкие надписи или условные знаки, указывающие их функциональное назначение,-}
Все электросварочные установки с источниками переменного и постоянного тока, предназначенные для сварки в особо опасных условиях (например, внутри металлических емкостей, в колодцах, туннелях, в котлах, на понтонах, в отсеках судов и т. д.), должны быть снабжены устройствами автоматического отключения напряжения холостого хода или ограничения его до напряжения 12 В с выдержкой во времени не более 0,5 с.
Узлы сварочного оборудования, содержащие конденсаторы, должны иметь устройства для автоматической разрядки конденсаторов.
Для стационарно установленных светильников местного освещения напряжение не должно превышать 36 В, а для переносных светильников — 12 В.
Ток величиной 0,1 А считается смертельно опасным для человека.
13.3. Безопасная эксплуатация установок газопитания
При эксплуатации газосварочных установок безопасность может быть обеспечена соблюдением правил, обусловленных физико-химическими свойствами применяемых газов, таких, например, как способность кислорода вызывать самовоспламенение некоторых
388
Сварочные работы
материалов или склонность ацетилена к самопроизвольному взрывчатому распаду, образованию взрывоопасных ацетиленидов и смесей газов.
Эксплуатация газосварочного оборудования должна происходить в строгом соответствии с «Правилами техники безопасности и производственной санитарии при производстве ацетилена, кислорода и газопламенной обработке металлов».
Запрещается эксплуатировать баллоны, у которых истек срок периодического освидетельствования; отсутствуют установленные клейма; неисправны вентили; поврежден корпус (трещины, сильная коррозия); несоответствующая окраска и надпись. Ремонт баллонов и вентилей производится на специализированных предприятиях. Хранение баллонов с кислородом и горючими газами в одном помещении не допускается.
Полы складов для баллонов с горючими газами должны быть из материала, исключающего искрообразование при ударе.
Наполненные баллоны должны храниться в вертикальном положении со специальным ограждением от возможного падения.
Баллоны с газом, устанавливаемые в помещениях, должны находиться на расстоянии от отопительных приборов не менее 1 м, а от источников с открытым огнем — не менее 5 м.
Баллоны для сжатых газов должны иметь остаточное давление не менее 0,5 кгс/см2, а баллоны для растворенного ацетилена — не менее 0,5 и не более 1 кгс/см2.
Перевозка баллонов должна производиться на рессорном механическом (не гужевом) транспорте в горизонтальном положении обязательно с прокладками между баллонами в виде деревянных брусков с гнездами, а также веревочных или резиновых колец толщиной не менее 25 мм (по два кольца на один баллон).
Совместная перевозка кислородных и ацетиленовых баллонов, как правило, запрещена на любых видах транспорта, за исключением транспортировки двух баллонов на специальной тележке к рабочему месту.
Переноска баллонов на руках без носилок и на плечах запрещается.
Глава 13. Безопасность труда
389
Разрешается перемещать баллоны на небольшие расстояния (в пределах рабочего места) путем кантовки в слегка наклонном положении. Рабочие, обслуживающие баллоны, должны быть обучены и проинструктированы.
13.4. Защитные мероприятия
Пренебрежение защитными мероприятиями в сварочном производстве, либо отсутствие информации о степени вредности отдельных выделений приводит к тяжелым последствиям по зрению, ожогам и другим серьезным расстройствам здоровья.
Для защиты тела рабочего от тепловых и других воздействий применяется специальная одежда и специальная обувь.
Защита органов дыхания в необходимых случаях осуществляется применением различных респираторов и даже, иногда, противогазов.
В последние годы передовые предприятия начали применять маски сварщика с подачей в них чистого воздуха.
При дуговой сварке и плазменной резке применяют щитки, маски сварщика, которые изготовляются по ГОСТ 1361-69. Каждый щиток или маска имеет защитный светофильтр (темное стекло) по ГОСТ 9411-75, оптическую плотность которого подбирают в зависимости от величины сварочного тока. Для предохранения от загрязнения и брызг металла светофильтр закрывают обычным прозрачным сменным стеклом.
Газосварщики и газорезчики используют защитные очки закрытого типа, но со светофильтрами, менее плотными (более светлыми).
При индивидуальной защите от шума применяют вкладыши, наушники, шлемы.
Особо следует остановиться на приточно-вытяжной вентиляции сварочных постов в цехах.
Традиционно в России применяется вытяжка из цеха и выброс в атмосферу загрязненного цехового воздуха. Но в зимний период выбрасываемый воздух уже прошел стадию отопительного подогрева
390
Сварочные работы
и практически выбрасывается тепловая энергия. Вновь поданный в цех приточный воздух снова подвергается подогреву.
За последние 20 лет начала широко применяться в Европе система местного дымоотсоса с химической, механической нейтрализацией всех аэрозольных вредных веществ внутри небольшого устройства. Схема очень похожа на работу бытового пылесоса, с той лишь разницей, что в корпусе дымоотсоса устанавливаются фильтры и химически активные сменные пластины-блоки. В фильтрах задерживается вся пыль, а химически вредные вещества нейтрализуются, проходя через блок-пластины, и на выхлопе (выходе) воздух очень чистый и слегка озонирован, как после грозы.
В России в течение 12 лет работает российско-шведское предприятие «СовПлим», которое занимается вопросами этой прогрессивной технологии отсоса сварочных аэрозолей, очисткой их перед выбросом в цеховую атмосферу. Комплексное оснащение сварочных постов выполнено этим предприятием для более чем двух тысяч заказчиков в России.
9 Контрольные вопросы к главе 13
• ---------------------------———----------------------
1. Назовите основные вредные факторы для здоровья в сварочном производстве.
2. Какие индивидуальные средства защиты применяются в сварочном производстве?
3. Почему опасно работать самодельными электрододержате-лями?
5. Расположите в последовательности — по возрастанию вредности воздействия следующие марки сварочных материалов: электроды Т-590, ЦЛ-11, МР-Зм, АНО-21, латунь Л63, сварочная проволока св-08Г2С.
Глава 14. ОТВЕТСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ. АТТЕСТАЦИЯ СВАРЩИКОВ
14.1. Основные понятия
Технические устройства, представляющие опасность для людей и окружающей среды проектируются и изготавливаются с обеспечением специальных требований к пригодности и качеству. Специальные требования содержатся в различных технических документах, которые разрабатываются ответственными государственными учреждениями и организациями России. Различные руководящие документы и указания по правильному конструированию, изготовлению и ремонту опасных технических устройств, используемых в промышленности и строительстве, являются обязательными для всех. Например, для подъемно-транспортного оборудования одним из первых, главных документов (после «Правил...») является руководящий документ РД 24.090.97-98 на изготовление, ремонт и реконструкцию металлоконструкций грузоподъемных кранов, в котором изложены требования к материалам, заготовкам, сборке и сварке, контролю качества и нормы допустимых дефектов и РД 36-62-00.
РД 24.090.52-90 содержит перечень марок стали для изготовления сварных конструкций и грузоподъемных устройств, а также различные другие нормативные документы.
392
Сварочные работы
14.2. Опасные технические устройства
В июле 2000 е Госгортехнадзор России утвердил перечень групп опасных технических устройств, сварка которых осуществляется аттестованными сварщиками. Этот документ обязателен д ля всех производств и форм собственности.
Г руппа опасных технических устройств Перечень входящих в группу технических устройств
1 2
Подъемно-транспортное оборудование 1. Грузоподъемные краны. 2. Краны-трубоукладчики 3. Краны-манипуляторы. 4. Лифты. 5. Тали. 6. Лебедки. 7. Устройства грузозахватные. 8. Подъемники (вышки). 9. Эскалаторы. 10. Дороги канатные, их агрегаты, механизмы и детали. 11. Цепи для подъемно-транспортного оборудования. 12. Строительные подъемники. 13. Конвейеры пассажирские. 14. Металлические конструкции для подъемно-транспортного оборудования.
Котельное оборудование 1. Паровые котлы с давлением пара более 0,07 МПа и водогрейные котлы с температурой воды выше 115°С. 2. Трубопроводы пара и горячей воды с рабочим давлением пара более 0,07 МПа и температурой воды свыше 115°С. 3. Сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа. 4. Арматура и предохранительные устройства.
Газовое оборудование 1. Трубопроводы систем внутреннего газоснабжения. 2. Наружные газопроводы низкого, среднего и высокого давления стальные и из неметаллических материалов. 3. Газовое оборудование котлов, технологических линий и агрегатов. 4. Газогорелочные устройства. 5. Емкостные и проточные водонагреватели.
Глава 14. Ответственные конструкции. Аттестация сварщиков
393
Продолжение Перечня...
1 2
6. Аппараты и печи. 7. Арматура из металлических материалов и предохранительные устройства.
Нефтегазодобывающее оборудование 1. Оборудование нефтегазопромысловое, буровое и газоперерабатывающее. 2. Оборудование для геологоразведочных и геофизических работ. 3. Нефтегазоперекачивающие турбоагрегаты и части к ним. 4. Магистральный трубопроводный транспорт. 5. Промысловые нефтегазопроводы. 6. Технологические трубопроводы компрессорных станций, дожимных компрессорных станций, установок комплексной подготовки нефти и газов.
Металлургическое оборудование 1. Доменное, коксовое, сталеплавильное оборудование. 2. Технологическое оборудование и трубопроводы для черной и цветной металлургии. 3. Технические устройства для производства черных и цветных металлов и сплавов на их основе. 4. Машины для литья стали и цветных металлов. 5. Агрегаты трубопрокатные. 6. Станы обжимные, заготовочные, сортопрокатные и листопрокатные.
Оборудование химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и взрывопожароопасных производств 1. Оборудование химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств, работающее под давлением до 16 МПа. 2. Оборудование химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств, работающее под давлением более 16 МПа. 3. Оборудование химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств, работающее под вакуумом. 4. Резервуары для хранения взрывопожароопасных и токсичных веществ. 5. Изотермические хранилища. 6. Криогенное оборудование. 7. Оборудование аммиачных холодильных установок. 8. Печи. 9. Компрессорное и насосное оборудование.
394
Сварочные работы
Продолжение Перечня...
1 2
10. Центрифуги, сепараторы. 11. Цистерны, контейнеры (бочки), баллоны для взрывопожароопасных и токсичных веществ. 12. Котлы-утилизаторы. 13. Энерготехнологические котлы. 14. Котлы ВОТ. 15. Трубопроводная арматура и предохранительные устройства. 16. Технологические трубопроводы и детали трубопроводов.
Горнодобывающее оборудование Технические устройства для горнодобывающих и горно-обогатительных производств и подземных объектов.
Оборудование для транспортировки опасных грузов 1. Контейнеры специализированные и тара, используемые для транспортировки опасных грузов и строительных материалов. 2. Цистерны. 3. Экипажная часть.
14.3. Аттестация сварщиков и специалистов сварочного производства по ПБ 03-273-99
14.3.1. Краткий комментарий некоторых вопросов аттестации
Качество сварных конструкций в значительной степени зависит от квалификации участников технологического процесса их изготовления. Это особенно важно при сварке технических устройств, представляющих опасность для окружающих.
С 15 января 2000 г. введены в действие новые Правила аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства взамен Правил от 16 марта 1993 г.
Правила устанавливают новую систему аттестации персонала, занятого подготовкой, руководством, исполнением и техническим надзором производства сварных конструкций и сварочных работ.
Глава 14. Ответственные конструкции. Аттестация сварщиков
395
Система предусматривает несколько уровней профессиональной подготовки персонала: аттестованный сварщик, аттестованный мастер-сварщик, аттестованный технолог-сварщик, аттестованный инженер-сварщик.
Аттестация выполняется в независимых аттестационных центрах, имеющих лицензии органов государственного надзора на этот вид деятельности.
Правила предусматривают систему аттестации и функции органов государственного надзора и органов аттестации, порядок аттестации сварщиков.
Правила содержат типовые формы аттестационной документации: формы протоколов, формы аттестационных удостоверений для сварщиков и инженерно-технических работников, формы технологических аттестационных карт, заявок на аттестацию, журналов учета сварки и испытаний сварных образцов при аттестации и т. п. Оценка качества сварки выполняется на основании действующей нормативно-технической документации на материалы основные и сварочные и все необходимое для этого.
При аттестации кандидат должен сдать три экзамена: общий (по базовой подготовке), специальный (по специальной подготовке с учетом требований для конкретных объектов производства) и практический (сварка контрольных соединений) — для сварщиков или экзамен на знание требований к поднадзорным объектам — для ИТР. Составной частью специального экзамена для ИТР является выполнение практического задания, связанного, как правило, с составлением технологического процесса сварки конкретного изделия.
Отдельно выполняется аттестация ИТР на работу в аттестационных органах по подготовке специалистов в области сварки.
Правила рассчитаны на способы сварки плавлением, но могут быть распространены и на другие способы сварки.
В соответствии с новыми правилами аттестационный центр должен иметь сборники вопросов по общему и специальному экзаменам, согласованные с органами государственного надзора.
Аккредитация аттестационных центров с выдачей лицензии осуществляется органами государственного надзора на основании экс
396
Сварочные работы
пертного заключения комиссии Национального аттестационного комитета по сварочному производству (АО «НАКС»),
Аттестационные документы, выданные сварщикам и ИТР, действуют в пределе установленных Правилами сроков на всей территории России на тот же вид деятельности и не требуется какой-либо ревизии или дополнительной, проверочной аттестации.
Система аттестации сварщиков (далее — САСв) устанавливает четыре уровня профессиональной подготовки:
I уровень — сварщик;
II уровень — мастер-сварщик;
III уровень — технолог-сварщик;
IV уровень — инженер-сварщик.
Присвоение уровня не отменяет квалификационный разряд.
В работе аттестационных комиссий обязательно участие представителей Госгортехнадзора.
Кандидаты на прохождение аттестации представляются предприятиями, либо самостоятельно могут обратиться в любой АЦ.
Требования к профессиональной подготовке
1. Кандидат должен иметь общее образование, профессиональную подготовку (школа и документ на профессию) и необходимый стаж работы по специальности.
I уровень — среднее, неполное среднее, документ на профессию сварщика, стаж 12 мес.
II уровень — среднее, среднее техническое, высшее техническое, стаж соответственно — 36, 12 и 12 мес.
III уровень — высшее техническое, среднее техническое по сварочному производству, соответственно — 36, 24 мес., высшее техническое по сварочному производству — 18 мес.
IV уровень — высшее специальное по сварочному производству — 36 мес.
Стаж работы указан для первичной аттестации.
Перед аттестацией сварщиков и специалистов должна производиться специальная подготовка.
Аттестация сварщиков
Сварщики аттестуются по сварке плавлением или наплавке.
Виды аттестации: первичная, дополнительная, периодическая, внеочередная.
Глава 14. Ответственные конструкции. Аттестация сварщиков
397
Первичная — для сварщиков, не имевших ранее допуска.
Дополнительная — для прошедших первичную аттестацию, перед допуском к сварочным работам, не указанным в удостоверении, т. е. к работам другими способами сварки или к сварке другой, более сложной марки стали, а также после перерыва в работе более 6 мес. При дополнительной аттестации сдают специальный и практический экзамен (без общего).
Периодическая — по окончании срока действия предыдущей аттестации. Сдают только специальный и практический экзамен.
Внеочередная — после временного отстранения от работы за технологические нарушения или низкое качество работ. При этом сдают общий, специальный и практический экзамен.
К первичной аттестации допускаются сварщики, имеющие разряд не ниже, чем установлен технической документацией на свариваемые изделия, свидетельство о спецподготовке.
В случае, если кандидат самостоятельно представляет заявку на аттестацию, он должен иметь разряд не ниже 4-го.
Аттестация специалистов сварочного производства
Аттестация проводится на присвоение II, III или IV уровня по направлению их деятельности на объектах, подконтрольных Госгортехнадзору России.
К аттестации допускаются инженерно-технические работники, имеющие требуемый уровень образования и стаж работы.
Аттестация также делится на первичную, дополнительную, периодическую и внеочередную.
Аттестованные лица получают аттестационные удостоверения установленной формы.
Срок действия аттестации при первичной аттестации для сварщиков — 2 года, для специалистов II и III уровней — 3 года, а IV уровня — 5 лет.
Понятия терминов общий экзамен и специальный экзамен следующие:
Общий экзамен — экзамен на знание основных положений теории и практики сварочного производства.
Специальный экзамен — экзамен на знание особенностей технологий сварного производства конкретных объектов, свар
398
Сварочные работы
ку которых выполняет (обеспечивает) сварщик или специалист сварочного производства.
Аттестация сварщиков начинается с практического экзамена. Если сварщик не выдержал практический экзамен, то к дальнейшей аттестации он не допускается.
На общем экзамене сварщику задают 20 вопросов по теоретическим основам сварки, а на специальном экзамене — 15 произвольно выбранных вопросов в соответствии со способом сварки, по которому он аттестуется. Выбор вопросов проводит комиссия по сборникам экзаменационных вопросов по общему и специальному экзаменам. Каждый из сборников должен содержать не менее 150 вопросов.
Экзамен проводится в письменной форме с дополнительным собеседованием.
Если сварщик ответил правильно не менее чем на 80% вопросов, он считается выдержавшим экзамен.
Если сварщик выдержал только практический экзамен и один из теоретических, то ему разрешается пересдача несданного экзамена по дополнительной заявке в течение одного года со дня первого экзамена, но не ранее чем через месяц после сдачи экзаменов.
В заявках указывается способ сварки, на который аттестуется сварщик.
Почти все марки сталей, применяющиеся для сварных конструкций (183 марки) распределены в шесть групп, по степени нарастания технологических сложностей их сварки, и если сварщик выдержал испытания для марки стали из 4-й группы, то он допускается к сварке любой марки сталей, относящейся к 1-й, 2-й и 3-й группе, но не допускается без дополнительной аттестации к сварке марок сталей, отнесенных к 5-й группе.
Контрольные сварные соединения подвергаются неразрушающему и разрушающему контролю. Особенность новых правил еще и в том, что вместо испытания образцов на растяжение применяется испытание на статический изгиб (или сплющивание — для труб).
Испытания на излом применяются только взамен радиографического контроля, но не оба метода контроля вместе. Все остальные варианты и методы контроля образцов изложены в Правилах отдельной таблицей.
Глава 14. Ответственные конструкции. Аттестация сварщиков
399
Визуальный контроль проводится невооруженным глазом, либо с применением лупы 4—7-кратного увеличения.
Аттестация по сварке стыковых соединений труб распространяется на сварку стыковых сварных соединений листов.
Если для изделия применяется сталь, не вошедшая в группы, то проводится отдельная аттестация, которая распространяется на сварку деталей только из этой стали.
Аттестационное удостоверение теряет силу в случаях:
• истечения срока действия;
• перерывов в работе по сварке более 6 мес.;
• отрицательного заключения медицинской комиссии;
• несоответствия качества работ установленным требованиям.
По истечении первого срока действия удостоверение может быть продлено АЦ, проводившим аттестацию при условии ходатайства с места работы сварщика при положительном заключении медицинской комиссии — на срок 1 год, но не более двух раз подряд с оформлением протокола.
По истечении двух сроков действия (4 года) аттестационного удостоверения проводится периодическая аттестация в полном объеме.
Порядок проведения аттестации специалистов сварочного производства
Для аттестации также представляется заявка в АЦ. Аттестация состоит из трех экзаменов: общего, специального и на знание правил безопасности Госгортехнадзора по объектам производственной деятельности.
Специалисты с высшим техническим или средним техническим образованием по сварочному производству, работающие по специальности, освобождаются от сдачи общего экзамена.
На общем экзамене специалисту задают 30—50, а на специальном — 20—30 произвольно выбранных вопросов и он выполняет практическое задание в соответствии с направлением своей производственной деятельности.
Экзамен на знание правил безопасности Госгортехнадзора проводится по отдельным экзаменационным билетам. Форма проведения экзаменов такая же, как и для сварщиков.
400
Сварочные работы
Специалист считается выдержавшим экзамен, если правильно ответил не менее чем на 80% заданных вопросов на каждом экзамене и выполнил практическое задание на специальном экзамене.
Если специалист не выдержал один или два экзамена, ему разрешается пересдача в течение 6 месяцев со дня первого экзамена.
Аттестованные специалисты получают удостоверение. По истечении первого срока действия удостоверение может быть продлено АЦ, выдавшим удостоверение, на основании ходатайства с места работы аттестованного специалиста.
Удостоверение продлевается на срок не более одного года для специалистов II и III уровней, и не более 2,5 лет для специалистов IV уровня, но не более трех раз подряд для специалистов II и III уровней и не более двух раз для специалистов IV уровня.
Периодическая аттестация в полном объеме проводится по истечении двух сроков действия аттестационного удостоверения (т. е. 3 + 3 или 5 + 5 лет).
9 Контрольные вопросы к главе 14
• -----------------------------------------------------
1. Назовите основные группы ответственных металлоконструкций.
2. Для чего проводится аттестация сварщиков и специалистов сварочного производства ?
3. Каков порядок аттестации сварщиков?
4. Расскажите условия и порядок аттестации специалистов сварочного производства.
Литература
1. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Контроль качества сварочных работ. — М.: Высшая школа, 1986. — 208 с.
2. Асиновская Г.А., Журавицкий Ю.И. Газовая сварка чугуна. — М.: Машиностроение, 1974. — 96 с.
3. Воинов В.П., Болдырев Р.Н. Технология и оборудование сварки трением. — М.: Машиностроение, 1985. — 64 с.
4. Колганов Л.А. Сварочное производство. — Ростов н/Д: Феникс, 2002. — 512 с.
5. Лужанский И.Б. Прогрессивные способы наплавки. — М.: Машиностроение, 1984. — 56 с.
6. Некрасов Ю.И. Применение газов-заменителей ацетилена при газопламенной обработке металлов. — М.: Машиностроение, 1983. - 37 с.
7. НТК «Славяновские чтения» / Сборник научных трудов РНТСО. - М„ 2000. — 102 с.
8. ОСТ 9.02.10-95. Государственный стандарт начального профессионального образования по профессии «Сварщик».
9. Правила аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства. ПБ 03-273-99. — М.: ПИО ОБТ, 2000. — 140 с.
10. РТМ 24.940.06—73. Сварка серого чугуна. — М.: НИИИН-ФОРМТЯЖМАШ, 1974. - 56 с.
11. Рыбаков В.М. Дуговая и газовая сварка. — М.: Высшая школа, 1986. — 208 с.
12. Сварка в машиностроении. Т. 3 / Под ред. В.А. Винокурова. — М.: Машиностроение, 1979. — 568 с.
13. Сварочные материалы для дуговой сварки. Т. 1 / Под ред. Н.Н. Потапова. — М.: Машиностроение, 1989. — 544 с.
402
Сварочные работы
14. Сидлин З.А., Тарлинский В.Д. Современные типы покрытых электродов и их применение для дуговой сварки сталей. — М.: Машиностроение, 1984. — 64 с.
15. Соколов И.И. Газовая сварка и резка металлов. — М.: Высшая школа, 1986. — 304 с.
16. Стеклов О.И. Основы сварочного производства. — М.: Высшая школа, 1986. — 224 с.
17. Супоев И.Н. Элементы сопротивления материалов. — Л.: Лениздат, 1968. — 142 с.
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................3
ВВЕДЕНИЕ...........................................4
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СВАРКИ......................9
1.1. Основные понятия............................9
1.2. Виды, способы, методы сварки...............13
1.3. Электродуговая сварка......................15
1.4. Соединения и швы...........................18
1.5. Виды подготовки кромок.....................21
1.6. Система обозначения сварки.................23
1.7. Сварочная дуга.............................25
1.8. Тепловая мощность дуги.....................29
1.9. Магнитное дутье............................30
1.10. Сварочное пламя...........................34
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРКИ.....................38
2.1. Сварочная и наплавочная проволока..........38
2.2. Электроды .................................41
2.3. Характеристики электродов..................47
2.4. Литые твердые сплавы.......................51
2.5. Порошкообразные (зернообразные) твердые сплавы.52
2.6. Сварочные флюсы........................... 53
2.7. Газы для защиты сварочной ванны............56
404
Сварочные работы
2.8. Изготовление электродов.........................61
2.9. Материалы для газосварки и резки................63
2.10. Металлургия сварки.............................74
2.11. Сварочные деформации и напряжения...............82
Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И РЕЗКИ................................................90
3.1. Сведения о сталях...............................90
3.2. Свариваемость сталей............................96
3.2.1. Сварка малоуглеродистых сталей........... 101
3.2.2. Сварка угольными электродами............. 112
3.2.3. Сварка углеродистых сталей............... 114
3.2.4. Сварка легированных сталей............... 115
3.2.5. Сварка высоколегированных сталей..........122
3.3. Сварочные источники питания дуги...............126
3.3.1. Основные понятия......................... 126
3.3.2. Процессы в сварочной дуге................ 127
3.3.3. Перенос электродного металла............. 135
3.3.4. Саморегулирование дуги....................137
3.3.5. Источники питания сварочной дуги......... 138
3.3.6. Требования к источникам питания дуги......142
3.3.7. Характер работы сварочных источников тока... 143
3.3.8. Сварочные генераторы......................145
3.3.9. Генератор с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой...... 149
3.3.10. Генератор с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой ... 150
3.3.11. Выпрямители............................. 152
3.3.12. Сварочные трансформаторы................ 162
3.3.13. Источники питания для сварки алюминия....170
3.3.14. Специализированные источники питания.... 174
3.3.15. Источники питания для плазменных процессов. 177
3.3.16. Импульсные источники питания дуги (ИПИД)...181
3.3.17. Плазменная сварка....................... 187
Оглавление 405
3.3.18. Резка металла плазменной дугой.......... 188
3.3.19. Машина для термической резки «Ритм»... 194
Глава 4. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА.....................197
4.1. Общие сведения.............................. 197
4.2. Баллоны для ацетилена........................200
4.3. Баллоны для пропан-бутана....................204
4.4. Баллоны для кислорода........................204
4.5. Вентили баллонов.............................205
4.6. Редукторы для регулирования газов............207
4.7. Переносные генераторы для получения ацетилена.212
4.8. Предохранительные газовые затворы............220
4.9. Рукава (шланги) для газов....................224
4.10. Горелки для сварки..........................226
4.11. Заменители ацетилена........................231
4.12. Горелки для газов —заменителей ацетилена....234
4.13. Газовая сварка..............................239
4.14. Кислородная резка...........................245
4.15. Устройство газовых резаков..................249
4.16. Машинная кислородная резка..................254
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ..................257
5.1. Сварка в защитных газах......................257
5.1.1. Газовая защита сварочной ванны..........257
5.1.2. Механизмы подачи сварочной проволоки....259
5.1.3. Порошковая сварочная проволока......... 264
5.2. Сварка под флюсом............................266
5.3. Электрошлаковая сварка (ЭШС) ................270
5.4. Аргоно-дуговая сварка стали..................273
И
J' .
406
Сварочные работы
Глава 6. НАЗНАЧЕНИЕ И СПОСОБЫ НАПЛАВКИ..............275
6.1. Сведения о наплавке..........................275
6.2. Материалы для электродуговой наплавки........276
6.3. Материалы для механизированной наплавки......278
6.4. Вибродуговая наплавка........................278
6.5. Плазменно-порошковая наплавка................282
Глава 7. СВАРКА ЧУГУНА..............................284
7.1. Чугун и его свариваемость....................284
7.2. Горячая сварка...............................287
7.3. Холодная сварка..............................288
7.4. Пайкосварка чугуна чугунным припоем..........290
7.5. Пайкосварка чугуна латунными припоями........290
7.6. Электродуговая холодная сварка чугуна........292
Глава 8. СВАРКА АЛЮМИНИЯ, МЕДИ, ЛАТУНИ, БРОНЗЫ............................................295
8.1. Свойства алюминия и его свариваемость........295
8.2. Сварка алюминия угольным электродом..........297
8.3. Сварка алюминия покрытыми электродами........297
8.4. Автоматическая сварка алюминия по флюсу......298
8.5. Аргоно-дуговая сварка алюминия...............299
8.6. Газовая сварка алюминия......................301
8.7. Сварка меди..................................303
8.8. Сварка меди угольным электродом..............305
8.9. Ручная дуговая сварка меди покрытыми электродами.... 306
8.10. Автоматическая сварка меди..................306
8.11. Газовая сварка меди.........................307
8.12. Сварка латуни...............................308
8.13. Сварка бронзы...............................309
Оглавление
407
Глава 9. КОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРОСВАРКА..................311
9.1. Основные понятия............................311
Глава 10. СВАРКА ТРЕНИЕМ...........................316
10.1. Основные сведения..........................316
10.2. Применение сварки трением и режимы.........318
10.3. Оборудование...............................320
Глава 11. ПАЙКА....................................323
11.1. Сведения о пайке...........................323
11.2. Припои.....................................324
11.3. Пайка с нагревом ТВЧ.......................326
11.4. Марки припоев..............................327
Глава 12. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.........329
12.1. Развитие металлических конструкций.........329
12.2. Основы проектирования конструкций..........331
12.3. Структура и прочность стали................333
12.4. Свойства стали при растяжении..............334
12.5. Свойства стали при сжатии..................335
12.6. Понятия о расчетах прочности...............336
12.7. Устойчивость сжатых стержней (стоек).......339
12.8. Технология сварочного производства.........344
12.9. Технологическая документация...............351
12.10. Технология сварки различных конструкций...355
12.10.1. Трубчатые конструкции................355
12.10.2. Арматура железобетона................355
12.10.3. Листовые конструкции.................357
12.10.4. Решетчатые и балочные конструкции....358
12.11. Виды контроля качества....................362
408
Сварочные работы
12.12. Дефекты сварки.....................................364
12.13. Средствадля обнаружения дефектов...................367
12.13.1. Этапы контроля................................367
12.13.2. Радиационная дефектоскопия....................368
12.13.3. Контроль ультразвуком.........................371
12.13.4. Магнитографический контроль...................374
12.13.5. Способы капиллярного контроля.................379
Глава 13. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА.................................384
13.1. Источники вредности для здоровья....................384
13.2. Электробезопасность.................................386
13.3. Безопасная эксплуатация установок газопитания.......387
13.4. Защитные мероприятия................................389
Глава 14. ОТВЕТСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ. АТТЕСТАЦИЯ СВАРЩИКОВ.......................................391
14.1. Основные понятия....................................391
14.2. Опасные технические устройства......................392
14.3. Аттестация сварщиков и специалистов сварочного производства по ПБ 03-273-99............................. 394
14.3.1. Краткий комментарий некоторых вопросов аттестации.............................................394
Литература................................................401
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.002261.04.01 от 26.04.2001.
Лицензия ИД № 06473 от 19 декабря 2001.Подписано в печать 02.07.2003.
Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага газетная.
Печ. л. 25,5. Тираж 5000 экз. Заказ № 2431.
Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°».
129347, Москва, Ярославское ш., д. 142, к. 732. Для писем: 129347, Москва, п/о И-347
Тел./факс: (095) 183-93-01, 182-11-79,182-01-58 E-mail: sales@dashkov.ru - отдел продаж ' ivc.market@relcom.ru, office@dashkov.ru - офис; http://www.dashkov.ru Отпечатано с готовых диапозитивов в ФГУП «ПИК ВИНИТИ», 140010, г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554-21-86